科研进展 | 信息学院邹毅课题组在低温光子互联领域取得进展

在量子计算领域，量子处理器与探测器需要在亚毫开尔文（~mK）的极低温环境下运行，以抑制包括热噪声在内的各种扰动因素引起的退相干效应。作为当前光子集成技术的标杆，硅基绝缘体（SOI）平台基于成熟的CMOS工艺，是目前集成度最高的光子集成平台， 已实现单芯片超 10⁵ 规模的光子元件集成，并展现与超导电路的兼容潜力。然而，针对低温量子系统的硅基调控技术仍存在显著挑战：传统热光调制因引入较大的热负载而不适用于低温场景；基于载流子效应的电光方案则面临极低温载流子冻结导致的调制效率崩塌。这一困境亟需探索能突破当前硅基片上调控限制的新机制。

近日，上海科技大学信息科学与技术学院的邹毅团队、吴涛团队与哈尔滨工业大学（深圳）徐小川团队合作，在硅基低温光子芯片领域取得重要进展。通过将压电材料氮化铝（AlN）集成到硅基绝缘体（SOI）平台上，利用AlN的特殊振动特性，成功开发出低温兼容的光调控方案。相关研究成果以“Acousto-Optic Modulation on Silicon-Aluminum Nitride Hybrid-Integrated Platform for Cryogenic Applications”为题发表于 Nano Letters 。

图1.（左图）声光调制器件结构示意图；（右图）归一化声光耦合强度。

研究团队利用了AlN材料的“压电效应”——当施加电压时，AlN会产生高频振动（声表面波SAW），这些微小振动能与硅波导中的光信号发生物理交互，从而精准调控光的传输强度（图1左）。为实现更高效率，团队借鉴激光谐振腔原理，在芯片中设计微型F-P谐振腔，让光波在腔体内来回反射，显著延长了光与声波的相互作用时间。此外，通过优化AlN薄膜厚度使得声光耦合效率达到最佳（见图1右）。

图2. （上图）声光调制器件图；（左下）电声调制效率；（中下）声光开关测试结果；（右下）声光开关响应图。

实验数据显示，相比于常温下的电声转化效率，在接近绝对零度的5K（-268℃）低温环境中，得益于硅材料弹光效应增强及铝电极电阻降低，器件性能显著提高，电声转化效率提升了40%，电压-长度积为0.33 V·cm。此外，该器件支持每秒140万次（1.4MHz）的快速开关，为低温光互连和超导-光子集成系统提供了新路径。

上海科技大学为本论文的第一完成单位。信息学院2020级博士研究生黄伟雄为论文的第一作者，邹毅教授、吴涛教授与哈尔滨工业大学（深圳）徐小川教授为论文共同通讯作者。该研究得到了上海市自然科学基金项目和中科院先导项目的支持。此成果在上海科技大学材料与器件中心（SMDL）完成器件加工。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c05680

此外，针对低温计算对高速光信号调制的需求，且传统硅基（SOI）调制器在接近绝对零度的极端低温中面临 “载流子冻结” 难题——电子迁移率趋近零，导致基于载流子效应的光调制几乎完全失效的瓶颈。邹毅课题组对硅基铌酸锂薄膜调制器的低温适应性展开系统性研究，探索了在低温下的各项电光特性，包括电光系数和光折变效应的影响，并展示了低温下的信号传输。该研究为基于铌酸锂薄膜的低温光互联和光调制技术提供了实验基础，有望推动未来量子计算的数据传输。相关研究成果以“Lithium niobate modulator from room temperature to cryogenic conditions”为题发表于国际知名光学期刊 Optics Letters 。

图3.（上图）铌酸锂调制器横截面示意图；（下图）实验使用的铌酸锂调制器。

研究团队发现，铌酸锂调制器的电光系数在低温环境（<200 K）中存在劣化，导致器件的半波电压升高至常温值的1.7倍（升幅约70%）。通过系统量化表征，团队在低温波导中观测到强烈的光折变效应——在温度低于200 K时，强光输入会导致材料折射率非线性漂移，严重劣化信号保真度。针对此问题，研究人员提出双路径优化方案：一方面将输入光强限制至0.1 mW以下，抑制光折变效应；另一方面开发实时反馈系统，动态补偿相位漂移。基于这些改进，课题组在8 K的超低温环境中成功实现30 Gbps高速光信号传输，为低温计算芯片的光互连提供了关键技术支持。

图4. （左图）低温腔中的器件；（中图）不同温度和光强下的波导光折变效应；（右图）低温信号传输眼图。

上海科技大学为本论文的第一完成单位。信息学院2021级博士研究生昌昶为论文的第一作者，邹毅教授为论文通讯作者。华中科技大学沈力教授与哈尔滨工业大学（深圳）徐小川教授也对该工作进行了指导。该研究得到了上海市自然科学基金项目和中科院先导项目的支持。此成果在上海科技大学材料与器件中心（SMDL）完成器件加工。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OL.551445