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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)表了一項由日本東京大學、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，成功實現(xiàn)了響應時間低至100皮秒（ps）的超高速光開關(guān)器件。這項技術(shù)不僅刷新了光開關(guān)的速度紀錄，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)演進與產(chǎn)業(yè)化路徑，并致力于將前沿研究成果轉(zhuǎn)化為實用型產(chǎn)品，服務于全球客戶。

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

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

·         底層為硅波導：用于傳輸信號光；

·         頂層為InGaAsP波導：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的高集成度優(yōu)勢，為未來光芯片的大規(guī)模集成提供了新的思路。

2. 工作機制與性能表現(xiàn)

研究人員利用時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）技術(shù)對開關(guān)單元進行測試，結(jié)果表明：

·         開關(guān)響應時間僅為100 ps，比傳統(tǒng)機械式或熱光開關(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)的動態(tài)穩(wěn)定性，能夠在外界擾動下保持穩(wěn)定的光輸出，顯示出極高的魯棒性。

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

1. InP材料的優(yōu)勢不可替代

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

·         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，進一步優(yōu)化了能帶結(jié)構(gòu)，提升了光學增益與調(diào)制效率。

2. 硅基平臺的兼容性優(yōu)勢

將InGaAsP與硅波導結(jié)合，不僅能繼承硅光芯片的低成本、高良率優(yōu)勢，還能借助成熟的CMOS工藝實現(xiàn)高密度集成。這種混合集成方案被認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)新應用

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

三、實驗數(shù)據(jù)展示

圖1：III-V/Si混合光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖2：單個開關(guān)單元的時間響應

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. 通過時間相關(guān)單光子計數(shù)測量的單個開關(guān)單元的時間響應。d. c中虛線框的放大視圖，顯示了泵浦和信號脈沖的峰值位置。

圖3：8×8開關(guān)陣列的性能測試

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

圖4：WSS（波長選擇開關(guān)）演示

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

四、產(chǎn)業(yè)影響與市場前景

1. 數(shù)據(jù)中心與AI算力互聯(lián)需求激增

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

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

2. 推動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300 GHz以上，遠超硅基與GaAs器件。此次高速光開關(guān)的出現(xiàn)，將進一步推動InP材料在6G通信中的應用落地。

3. 廣西科毅的戰(zhàn)略布局

作為國內(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：

·         參與多項國家“光芯一體化”重點研發(fā)計劃；

·         與清華大學、中科院半導體所建立長期合作；

·         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：光開關(guān)進入“百皮秒”時代，廣西科毅緊跟技術(shù)前沿

本次Nature Photonics發(fā)表的100皮秒級光開關(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，助力國產(chǎn)光通信產(chǎn)業(yè)升級。

如需了解更多關(guān)于光開關(guān)、光模塊及相關(guān)解決方案，請訪問我們的官網(wǎng)：www.m.racimosdehumanidad.com