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引言：高速光開關(guān)迎來技術(shù)飛躍，InP材料再登巔峰

近日，《Nature Photonics》期刊發(fā)表了一項(xiàng)由日本東京大學(xué)、NTT基礎(chǔ)研究所聯(lián)合完成的關(guān)于InGaAsP/Si混合結(jié)構(gòu)光開關(guān)的研究成果，成功實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間低至100皮秒（ps）的超高速光開關(guān)器件。這項(xiàng)技術(shù)不僅刷新了光開關(guān)的速度紀(jì)錄，也為下一代數(shù)據(jù)中心、AI算力互連和6G通信提供了關(guān)鍵支撐。

作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光開關(guān)解決方案提供商，廣西科毅光通信科技有限公司持續(xù)關(guān)注InP光開關(guān)的技術(shù)演進(jìn)與產(chǎn)業(yè)化路徑，并致力于將前沿研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)用型產(chǎn)品，服務(wù)于全球客戶。

一、100皮秒超高速光開關(guān)的技術(shù)原理

1. 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該研究提出了一種基于III-V族半導(dǎo)體（InGaAsP）與硅（Si）波導(dǎo)的混合集成結(jié)構(gòu)，通過引入非厄米特系統(tǒng)（non-Hermitian system）來實(shí)現(xiàn)高效的光調(diào)控機(jī)制。具體結(jié)構(gòu)如下：

·         底層為硅波導(dǎo)：用于傳輸信號(hào)光；

·         頂層為InGaAsP波導(dǎo)：用于施加泵浦光以改變折射率；

·         兩層之間通過納米耦合區(qū)域連接，形成可調(diào)諧的光子開關(guān)單元。

這種異質(zhì)集成方式充分發(fā)揮了InP材料的高速電光特性與硅基平臺(tái)的高集成度優(yōu)勢(shì)，為未來光芯片的大規(guī)模集成提供了新的思路。

2. 工作機(jī)制與性能表現(xiàn)

研究人員利用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）技術(shù)對(duì)開關(guān)單元進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：

·         開關(guān)響應(yīng)時(shí)間僅為100 ps，比傳統(tǒng)機(jī)械式或熱光開關(guān)快千倍以上；

·         插入損耗控制在合理范圍內(nèi)，約為2.43 dB；

·         消光比超過20 dB，具備良好的光隔離能力；

·         支持8×8開關(guān)陣列擴(kuò)展，適用于大規(guī)模光交換網(wǎng)絡(luò)。

此外，該器件還具備非厄米特系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，能夠在外界擾動(dòng)下保持穩(wěn)定的光輸出，顯示出極高的魯棒性。

二、技術(shù)亮點(diǎn)解析：為何選擇InGaAsP/Si混合結(jié)構(gòu)？

1. InP材料的優(yōu)勢(shì)不可替代

磷化銦（InP）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，在光通信領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)：

·         高電子遷移率（約1790 cm2/(V·s)）

·         直接帶隙結(jié)構(gòu)，適合激光器與調(diào)制器集成

·         在1310 nm與1550 nm波段吸收損耗低

·         支持太赫茲頻段應(yīng)用，是6G通信的理想材料

此次采用的InGaAsP材料是在InP基礎(chǔ)上加入Ga和As元素，進(jìn)一步優(yōu)化了能帶結(jié)構(gòu)，提升了光學(xué)增益與調(diào)制效率。

2. 硅基平臺(tái)的兼容性優(yōu)勢(shì)

將InGaAsP與硅波導(dǎo)結(jié)合，不僅能繼承硅光芯片的低成本、高良率優(yōu)勢(shì)，還能借助成熟的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高密度集成。這種混合集成方案被認(rèn)為是未來光子集成電路（PIC）的發(fā)展方向。

3. 非厄米特系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用

非厄米特系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)光子系統(tǒng)的對(duì)稱性約束，允許能量的輸入與輸出不對(duì)稱，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的光控策略。該研究首次將其應(yīng)用于光開關(guān)領(lǐng)域，為新型光器件的設(shè)計(jì)開辟了新路徑。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示

圖1：III-V/Si混合光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

底層的硅波導(dǎo)以灰色顯示，而頂層的InGaAsP波導(dǎo)以藍(lán)色（未泵浦）或紅色（泵浦）顯示。泵浦圖案通過橙色陰影表示。每個(gè)輸入端口（I1-I8）的信號(hào)光（用黃色陰影表示）在泵浦單元處被路由到垂直方向，然后到達(dá)目標(biāo)輸出端口（O1-O8）。插圖顯示了耦合區(qū)域波導(dǎo)的層信息。

圖2：?jiǎn)蝹€(gè)開關(guān)單元的時(shí)間響應(yīng)

a. 開關(guān)的掃描電子顯微鏡圖像。b. 通過泵浦功率變化的透射率。c. 通過時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)測(cè)量的單個(gè)開關(guān)單元的時(shí)間響應(yīng)。d. c中虛線框的放大視圖，顯示了泵浦和信號(hào)脈沖的峰值位置。

圖3：8×8開關(guān)陣列的性能測(cè)試

a. 8×8開關(guān)陣列的光學(xué)顯微鏡圖像。b-d. 不同輸入向量下的測(cè)量CCD圖像。e-g. 三種不同泵浦模式下每個(gè)輸出端口（O1-O8）的輸出強(qiáng)度。

圖4：WSS（波長(zhǎng)選擇開關(guān)）演示

a. 工作原理的偽彩色示意圖，包括多波長(zhǎng)輸入、解復(fù)用和開關(guān)復(fù)用。b-e. 不同開關(guān)方案的示意圖和測(cè)量結(jié)果。

四、產(chǎn)業(yè)影響與市場(chǎng)前景

1. 數(shù)據(jù)中心與AI算力互聯(lián)需求激增

隨著AI訓(xùn)練模型參數(shù)量的爆發(fā)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)銅線互連已無(wú)法滿足超大數(shù)據(jù)中心對(duì)延遲與帶寬的要求。高速光開關(guān)成為構(gòu)建可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)（ROADM）、實(shí)現(xiàn)片間/板間光互連的關(guān)鍵器件。

此次發(fā)布的100 ps級(jí)光開關(guān)，標(biāo)志著光互連技術(shù)正式邁入亞納秒時(shí)代，有望成為新一代AI服務(wù)器與交換設(shè)備的核心組件。

2. 推動(dòng)6G通信發(fā)展

6G通信將工作在太赫茲頻段（0.1–10 THz），而InP材料的工作頻率可達(dá)300 GHz以上，遠(yuǎn)超硅基與GaAs器件。此次高速光開關(guān)的出現(xiàn)，將進(jìn)一步推動(dòng)InP材料在6G通信中的應(yīng)用落地。

3. 廣西科毅的戰(zhàn)略布局

作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光開關(guān)制造商，廣西科毅光通信科技有限公司正積極布局InP光開關(guān)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化：

·         參與多項(xiàng)國(guó)家“光芯一體化”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃；

·         與清華大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所建立長(zhǎng)期合作；

·         推出面向數(shù)據(jù)中心的1.6T光模塊原型；

·         持續(xù)探索InP與硅基異質(zhì)集成、光電協(xié)同封裝等關(guān)鍵技術(shù)。

我們相信，隨著更多前沿技術(shù)的轉(zhuǎn)化落地，中國(guó)將在全球光通信產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)越來越重要的地位。

五、結(jié)語(yǔ)：光開關(guān)進(jìn)入“百皮秒”時(shí)代，廣西科毅緊跟技術(shù)前沿

本次Nature Photonics發(fā)表的100皮秒級(jí)光開關(guān)研究成果，不僅展示了InP材料在光通信領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來光芯片的發(fā)展指明了方向。作為一家專注于光開關(guān)研發(fā)與制造的高新技術(shù)企業(yè)，廣西科毅將持續(xù)跟蹤并參與InP光開關(guān)的工程化推進(jìn)，助力國(guó)產(chǎn)光通信產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

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