中红外集成光子传感系统研究进展（特邀）

近年来，中红外（波长范围2~20 μm）集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口，有着作为气体传感应用的先天优势，并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术，一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外，集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度，同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑，易于与其他设备集成的特点。因此，中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍，展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展，并对其未来发展做出了展望。     

硅基片上复用—解复用技术与器件

近年来,随着云计算、数据中心的迅速发展,光互连凭借其在功耗、速度和带宽等方面具有电互连无可比拟的诸多优势,获得越来越多的关注。为了充分发挥光互连带宽优势,发展波分复用（WDM）、偏振复用（PDM）以及模式复用（MDM）等技术是一种有效途径。而将多种复用方式综合运用则可形成一种多维混合复用技术,从而显著提升光互连通道数量和传输容量。鉴于片上集成（解）复用器是实现多通道并行传输复用系统的关键器件,着重介绍总结了基于硅光子技术实现的超小型片上集成（解）复用器件的进展,包括WDM、PDM、MDM复用—解复用器件以及混合复用—解复用器件。     

中红外量子级联激光器的光子集成（特邀）

中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。量子级联激光器（QCL）是中红外波段的重要半导体激光光源,文中介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。     

硫系玻璃集成光子器件综述(特邀)

硫系玻璃具有超宽的红外透过光谱范围、较高的线性折射率、极高的光学非线性和超快的非线性响应,近年来在集成光子器件研究领域备受关注。首先回顾了硫系玻璃集成光波导的制备,综述了硫系集成光子器件在红外传感和高性能非线性应用方面取得的进展,然后介绍了硫系相变光子器件在光开关、光存储和光计算等方面的前沿进展,最后对目前硫系玻璃光子器件研究存在的问题进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。     

面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展

随着信息传递、处理以及存储能力要求的不断提升,传统的近红外通信波段已呈“容量紧缩”之势。而工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术在中红外信号传输和处理方面已经显示出独特优势,有望在中红外波段实现大规模集成,在非线性光学等领域实现新的飞跃。首先介绍了硅基光电子技术在中红外应用中的优势以及目前研究过程中所遇到的困难和挑战;其次结合材料属性和结构特性对一些基本元件（如波导、分束/合束器、二极管）等在中红外领域的最新研究成果进行了介绍;最后对近5年来在中红外波段所实现传感应用的非线性光学硅基器件（基于FWM的非线性光学器件、频率梳）和面向中红外通信应用的激光器、调制器、光电探测器进行了成果介绍,并对研究进展进行了总结。     

异质集成微波光子器件发展现状

微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理及控制,可突破传统微波技术在带宽、传输损耗和抗电磁干扰等方面的瓶颈,提升雷达、电子战等信息系统的综合性能.激光器、电光调制器和光电探测器是微波光子技术中的三种核心光电子器件,其性能对微波光子链路的噪声和动态等指标具有决定性的影响,但基于分立器件的微波光子系统体积、重量较大,难以满足雷达、电子战等系统的阵列化需求,硅基异质集成技术以及高密度低损耗片上光传输互连技术是解决有源器件集成和无源器件集成的关键技术.文章介绍了用于微波光子的硅基激光器、电光调制器、光电探测器和波导的异质集成技术的发展现状,并探讨了集成微波光子技术的发展趋势.     

薄膜铌酸锂光电器件与超大规模光子集成（特邀）

近年来,薄膜铌酸锂光子集成技术发展极为迅速,其背后有着深刻的物理、材料、技术原因。单晶薄膜铌酸锂为解决光子集成芯片领域长期存在的低传输损耗、高密度集成以及低调制功耗需求提供了至今为止综合性能最优的解决方案。面向未来的新一代高速光电器件与超大规模光子集成芯片应用,本文回顾了薄膜铌酸锂光子技术的起源及其近期的快速发展,讨论了若干薄膜铌酸锂光子结构的加工技术,并展示了一系列当前性能最优的薄膜铌酸锂光子集成器件与系统,包括超低损耗可调光波导延时线、超高速光调制器、高效率量子光源,以及高功率片上放大器与片上激光器。这些器件以其体积小、质量轻、功耗低、性能好的综合优势,将对整个光电子产业产生难以估量的影响。     

基于聚焦离子束技术的可见光光子调控

采用晶圆级工艺,制备了一种单片集成光源和直波导的硅基氮化镓光电集成器件,结合聚焦离子束技术,使用Ga离子束在直波导上刻蚀形成了一个布拉格反射镜（DBR）,并对器件的光子调控功能进行研究.特殊的InGaN波导结构使得器件在制备过程中不再需要复杂的硅移除和晶片背面减薄工艺,硅衬底可以保持完整.实验结果表明,作为光源的多量子阱发光二极管（MQW-LED）具有良好的电流-电压特性.MQW-LED开启后部分光子耦合进直波导,被限制在波导内向前传输,在DBR处发生全反射并部分衍射到自由空间中.由器件的电致发光光谱可知,制备在波导上的DBR对波导内传输的光子进行了有效调控.     

2 μm波段片上光子集成器件的研究进展（特邀）

随着大数据业务的迅速发展，为应对持续增长的带宽需求，光纤通信窗口逐渐从传统C波段向C+L波段拓展。探索新波段也成为了光通信领域迫切需要解决的关键问题。位于近红外与中红外之间的2 μm波段具有低传输损耗和宽增益谱范围等优势，有望成为下一个光纤通信和空间激光通信的窗口。在商用光电子器件尚不成熟的情况下，实验室条件下已实现单波100 Gbit/s光传输记录。与此同时，2 μm波段功能性器件的研究也成为备受关注的热点。文中重点介绍了2 μm波段硅光子器件的研究进展，以及基于III-V族、铌酸锂薄膜、氮化硅、硫系玻璃等其他材料的一系列功能性器件，最后对2 μm波段片上光子集成器的发展前景进行了展望。     

Si基芯片光互连研究进展

综述了近年来Si基光互连,尤其是和微电子工艺兼容程度较高的芯片间和芯片内的光互连的进展。Luxtera公司已经率先实现了除光源外的所有光子器件的单片集成,IBM也提出并开始实施微电子学领域的片内光互连的技术方案,但Si基光互连大部分还停留在各构建单元器件性能提高的阶段,例如Si基发光、Si波导、Si波导耦合器、Si基调制器及光开关、Si基探测器以及用于光波导器件阵列的WDM技术。此外,还对Si基光源、光纤耦合、偏振敏感性以及光子器件的热稳定性提出了看法。总之,随着各种构建单元器件的综合性能、CMOS工艺兼容度、制备成品率的提高以及光电融合单片集成工艺的突破,光互连最终会成为现实,并引发微电子技术和IC行业的下一场革命。     

飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用（特邀）

多年来,硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而,与金刚石基器件相比,这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差,而且在恶劣条件或高强光辐照下,器件的稳定性较差。近年来,金刚石因其优异的光学与力学性能,在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。利用激光诱导金刚石微纳结构为开发金刚石上的三维光互联器件、全碳探测器、石墨电阻以及单光子源的实现提供了一种有潜力的制备方法。阐述了飞秒激光诱导金刚石色心形成、石墨化和折射率变化的物理机制,在此基础上,进一步探究了飞秒激光诱导金刚石微纳结构在单光子源、传感器和光波导等方面的应用,并对未来发展趋势进行了展望。     

聚合物平面光波导器件的研究进展

聚合物平面光波导(PLC)器件以其低损耗、低成本、低功耗,以及制备工艺简单等优点,在光通信网络、微波光子学、传感监控等领域发挥着重要作用。文章梳理了近年来聚合物平面光波导器件的代表性工作,其中包括阵列波导光栅、可变光衰减器、光开关及其集成器件,讨论了聚合物平面光波导未来的发展方向。     

集成铌酸锂光子器件技术的研究进展

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具有透光光谱宽,折射率高,二阶非线性高及压电响应大等优点,是一种重要的集成光子学基础材料。LNOI材料具有亚波长尺度的光约束和光电器件的高密度集成能力,能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用,给光通信和微波光子学带来革命性的变革。该文重点综述了LNOI的制备技术、LNOI电光调制器、LNOI声光调制器和LNOI电光频率梳的最新研究进展,简要讨论了铌酸锂光子器件在制作工艺和系统实现中面临的挑战。     

基于非厄米和拓扑效应的光场调控机制与光学器件研究进展（特邀）

光的传输与调控是光子集成器件发展的重要基础,光子晶体作为一种新型的光学功能材料,在光操控上有着巨大的潜力。与传统的基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想不同,受凝聚态物理中拓扑相概念启发,通过在光子晶体的能带系统研究中引入拓扑相能够提供新颖的光场调控机制和丰富的输运以及光操控性质,如高维度的光场调控等。文中分别从非厄米光子体系和拓扑光子学体系两个方面综述了近年来笔者所在的课题组所取得的研究成果。首先,回顾了光学拓扑研究和光学非厄米研究的背景;其次,介绍了在高阶光子拓扑绝缘体、高阶量子自旋霍尔效应、光子晶体的拓扑场局域以及非厄米体系拓扑光传输等领域的研究进展;最后,对研究结果在相关领域如光量子计算、光通信等的应用发展趋势进行了总结与展望。     

Emerging technologies in Si active photonics

Silicon photonics for synergistic electronic–photonic integration has achieved remarkable progress in the past two decades. Active photonic devices, including lasers, modulators, and photodetectors, are the key challenges for Si photonics to meet the requirement of high bandwidth and low power consumption in photonic datalinks. Here we review recent efforts and progress in high-performance active photonic devices on Si, focusing on emerging technologies beyond conventional foundry-ready Si photonics devices. For emerging laser sources, we will discuss recent progress towards efficient monolithic Ge lasers, mid-infrared GeSn lasers, and high-performance InAs quantum dot lasers on Si for data center applications in the near future. We will then review novel modulator materials and devices beyond the free carrier plasma dispersion effect in Si, including GeSi and graphene electro-absorption modulators and plasmonic-organic electro-optical modulators, to achieve ultralow power and high speed modulation. Finally, we discuss emerging photodetectors beyond epitaxial Ge p–i–n photodiodes, including GeSn mid-infrared photodetectors, all-Si plasmonic Schottky infrared photodetectors, and Si quanta image sensors for non-avalanche, low noise single photon detection and photon counting. These emerging technologies, though still under development, could make a significant impact on the future of large-scale electronicSilicon photonics for synergistic electronic-photonic integration has achieved remarkable progress in the past two decades. Active photonic devices, including lasers, modulators, and photodetectors, are the key challenges for Si photonics to meet the requirement of high bandwidth and low power consumption in photonic datalinks. Here we review recent efforts and progress in high-performance active photonic devices on Si, focusing on emerging technologies beyond conventional foundry-ready Si photonics devices. For emerging laser sources, we will discuss recent progress towards efficient monolithic Ge lasers, mid-infrared GeSn lasers, and high-performance InAs quantum dot lasers on Si for data center applications in the near future. We will then review novel modulator materials and devices beyond the free carrier plasma dispersion effect in Si, including GeSi and graphene electro-absorption modulators and plasmonic-organic electro–optical modulators, to achieve ultralow power and high speed modulation. Finally, we discuss emerging photodetectors beyond epitaxial Ge p–i–n photodiodes, including GeSn mid-infrared photodetectors, all-Si plasmonic Schottky infrared photodetectors, and Si quanta image sensors for non-avalanche, low noise single photon detection and photon counting. These emerging technologies, though still under development, could make a significant impact on the future of large-scale electronic–photonic integration with performance inaccessible from conventional Si photonics technologies-photonic integration with performance inaccessible from conventional Si photonics technologies.     

Silicon-graphene photonic devices

Silicon photonics has attracted much attention because of the advantages of CMOS (complementarymetal-oxide-semiconductor) compatibility, ultra-high integrated density, etc. Great progress has been achieved in the past decades. However, it is still not easy to realize active silicon photonic devices and circuits by utilizing the material system of pure silicon due to the limitation of the intrinsic properties of silicon. Graphene has been regarded as a promising material for optoelectronics due to its unique properties and thus provides a potential option for realizing active photonic integrated devices on silicon. In this paper, we present a review on recent progress of some silicon-graphene photonic devices for photodetection, all-optical modulation, as well as thermal-tuning.     

Chip-based quantum communications

Quantum communications aim to share encryption keys between the transmitters and receivers governed by the laws of quantum mechanics.Integrated quantum photonics offers significant advantages of dense integration,high stability and scalability,which enables a vital platform for the implementation of quantum information processing and quantum commu-nications.This article reviews recent experimental progress and advances in the development of integrated quantum photonic devices and systems for quantum communications and quantum networks.