Nat Commun新作：基于逆向设计的超紧凑铌酸锂多模光子集成系统

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前沿摘要

近日，国际顶级期刊《Nature Communications》发表了一项光子集成领域的突破性研究(https://doi.org/10.1038/s41467-025-67927-7)。科学家们成功在薄膜铌酸锂平台上，利用“逆向设计”方法，实现了光子器件尺寸的数量级缩小与集成密度的大幅提升，并同步演示了每通道120Gbps的超高速光通信。这项研究为解决高性能光子芯片的集成瓶颈开辟了全新路径。

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核心内容

研究的核心是设计并制备了三种此前难以在铌酸锂上实现小型化的关键光子器件，尺寸均比传统设计缩小十倍以上：

1.模式（解）复用器（19×25µm²）：像“光路由器”，将不同模式的光信号汇入或分离单一波导。

2.多模波导交叉器（15×15µm²）：像“光立交桥”，让多路光信号在芯片平面交叉通过而互不干扰。

3.多模波导弯曲（30µm弯曲半径）：实现光信号的低损耗急转弯。

更令人瞩目的是系统集成：团队将这些器件在仅0.06平方毫米（约头发丝横截面大小）的芯片面积内密集集成，构建了复杂的光信号路由网络，并首次在同一芯片上融合了高速电光调制器，成功实现了每通道120Gbps的数据调制与多模传输，展现了从器件到系统的全面突破。

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研究意义

这项成果的意义远超器件本身的微型化：

技术范式突破：它证明了通过“逆向设计+混合平台”策略，能够克服铌酸锂材料本身的集成限制，使其同时兼具优异的物理性能和高的集成密度，打破了传统认知中的“性能密度”权衡。

赋能未来产业：为下一代太比特光通信、低功耗光计算、高维量子信息处理和片上光谱传感等前沿应用提供了关键的技术基石。更小的芯片意味着更高的能效、更低的成本和更强大的功能。

引领集成趋势：该工作展示的方法具有高度可扩展性，预示着光子集成电路正朝着多功能、高密度、大规模的系统级集成方向发展，加速光子技术替代传统电子技术的进程。

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未来展望

该研究首次在X-cut铌酸锂平台上实现了基于逆向设计的超紧凑多模系统，不仅推动了铌酸锂光子集成的极限，也为多功能、高集成度光子芯片 的发展提供了可行的技术路径。

团队表示，该方法具有良好扩展性，可进一步应用于更多无源与有源组件设计中，推动薄膜铌酸锂平台向更大规模、更高性能的系统集成发展。

可以预见，随着工艺的进一步成熟与系统设计的优化，基于铌酸锂的高密度光子芯片将在未来5-10年内逐步走向产业化，赋能数据中心、6G通信、人工智能和量子信息技术等多个关键领域。

图1：逆向设计的铌酸锂多模光子电路

图2：模式(解)复用器的设计与实验演示

图3：多模波导交叉器的设计与实验演示

图4：多模波导弯曲器的设计与实验演示

图5：多模任意路由系统的实验演示

图6：片上数据调制与多模信号传输的实验演示

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