近日，兰州大学与合肥工业大学、皇家墨尔本理工大学合作，提出并实验验证了一种面向薄膜铌酸锂的光子学逆向设计方法。相关成果以“Breaking dense integration limits: inverse-designed lithium niobate multimode photonic circuits”为题，发表于《Nature Communications》。
铌酸锂晶体具有优异的电光、声光及非线性光学特性，被誉为光子学领域的“硅”材料。然而，薄膜铌酸锂光子集成芯片受限于其中等折射率、固有各向异性以及与传统CMOS工艺不兼容的波导制备技术，集成密度一直难以媲美成熟的硅基光子平台，这制约了其在下一代高密度光子集成系统中的大规模应用。
本研究创新性地提出并实验验证了一种针对薄膜铌酸锂的光子学逆向设计方法，成功攻克了该平台在提升集成密度方面的关键难题，为同时实现高性能与高集成度的铌酸锂光子集成电路开辟了新路径。研究团队采用氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成策略，借助氮化硅材料的低损耗、各向同性和成熟工艺优势，将逆向设计理念成功引入薄膜铌酸锂器件开发。该方法通过智能算法在设定区域内自动搜索最优结构，突破传统波导设计的物理直觉限制，实现对光场在微观尺度上的精准调控。基于这一强大工具，团队设计并制备出一系列超紧凑、高性能的基础光子器件：模式复用/解复用器尺寸仅为19×25 μm²，多模波导交叉结构面积低至15×15 μm²，多模波导弯曲半径可缩减至30 μm，这些尺寸均显著超越了传统设计方法的极限。进一步地，团队将这些“微纳积木”高效组合，在仅0.06 mm2的芯片上集成超过10个波导元件，构建出复杂的多模光子电路，并成功应用于大容量数据通信演示，展现出高密度集成的巨大潜力。
逆向设计薄膜铌酸锂多模光子电路示意图
为验证系统级性能，团队在同一芯片上集成了高速电光调制器。实验显示，该集成系统在实现多模信号传输的同时，单通道数据调制速率可达120 Gbps。这充分证明该技术方案不仅能实现器件的高密度集成，还能保持铌酸锂材料的高速电光调制优势，标志着薄膜铌酸锂光子集成向“更高密度、更小尺寸、更强功能”迈出关键一步，为未来研制超大容量、超高速光通信与光计算芯片奠定了核心基础。
高速电光调制与多模信号传输眼图
兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授原博士生，现合肥工业大学青年教师韩旭博士为论文第一作者，兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授、合肥工业大学夏豪杰教授、皇家墨尔本理工大学任光辉研究员为共同通讯作者。该研究获科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67927-7
