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2025-06-27
引言：高速光開關迎來技術飛躍，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基礎研究所聯合完成的關于InGaAsP/Si混合結構光開關的研究成果，成功實現了響應時間低至100皮秒（ps）的超高速光開關器件。這項技術不僅刷新了光開關的速度紀錄，也為下一代數據中心、AI算力互連和6G通信提供了關鍵支撐。
作為國內領先的光開關解決方案提供商，廣西科毅光通信科技有限公司持續(xù)關注InP光開關的技術演進與產業(yè)化路徑，并致力于將前沿研究成果轉化為實用型產品，服務于全球客戶。
一、100皮秒超高速光開關的技術原理
1. 器件結構設計
該研究提出了一種基于III-V族半導體（InGaAsP）與硅（Si）波導的混合集成結構，通過引入非厄米特系統（non-Hermitian system）來實現高效的光調控機制。具體結構如下：
· 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，形成可調諧的光子開關單元。
這種異質集成方式充分發(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
研究人員利用時間相關單光子計數（TCSPC）技術對開關單元進行測試，結果表明：
· 開關響應時間僅為100 ps，比傳統機械式或熱光開關快千倍以上；
· 插入損耗控制在合理范圍內，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開關陣列擴展，適用于大規(guī)模光交換網絡。
此外，該器件還具備非厄米特系統的動態(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、技術亮點解析：為何選擇InGaAsP/Si混合結構？
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，在光通信領域具有天然優(yōu)勢：
· 高電子遷移率（約1790 cm2/(V·s)）
· 直接帶隙結構，適合激光器與調制器集成
· 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基礎上加入Ga和As元素，進一步優(yōu)化了能帶結構，提升了光學增益與調制效率。
2. 硅基平臺的兼容性優(yōu)勢
將InGaAsP與硅波導結合，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. 非厄米特系統的創(chuàng)新應用
非厄米特系統打破了傳統光子系統的對稱性約束，允許能量的輸入與輸出不對稱，從而實現更靈活的光控策略。該研究首次將其應用于光開關領域，為新型光器件的設計開辟了新路徑。
三、實驗數據展示
圖1：III-V/Si混合光開關結構示意圖
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：單個開關單元的時間響應
a. 開關的掃描電子顯微鏡圖像。b. 通過泵浦功率變化的透射率。c. 通過時間相關單光子計數測量的單個開關單元的時間響應。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開關陣列的性能測試
a. 8×8開關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）演示
a. 工作原理的偽彩色示意圖，包括多波長輸入、解復用和開關復用。b-e. 不同開關方案的示意圖和測量結果。
四、產業(yè)影響與市場前景
1. 數據中心與AI算力互聯需求激增
隨著AI訓練模型參數量的爆發(fā)增長，傳統銅線互連已無法滿足超大數據中心對延遲與帶寬的要求。高速光開關成為構建可重構光網絡（ROADM）、實現片間/板間光互連的關鍵器件。
此次發(fā)布的100 ps級光開關，標志著光互連技術正式邁入亞納秒時代，有望成為新一代AI服務器與交換設備的核心組件。
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。此次高速光開關的出現，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
作為國內領先的光開關制造商，廣西科毅光通信科技有限公司正積極布局InP光開關的研發(fā)與產業(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；
· 推出面向數據中心的1.6T光模塊原型；
· 持續(xù)探索InP與硅基異質集成、光電協同封裝等關鍵技術。
我們相信，隨著更多前沿技術的轉化落地，中國將在全球光通信產業(yè)鏈中占據越來越重要的地位。
五、結語：光開關進入“百皮秒”時代，廣西科毅緊跟技術前沿
本次Nature Photonics發(fā)表的100皮秒級光開關研究成果，不僅展示了InP材料在光通信領域的巨大潛力，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研發(fā)與制造的高新技術企業(yè)，廣西科毅將持續(xù)跟蹤并參與InP光開關的工程化推進，助力國產光通信產業(yè)升級。
如需了解更多關于光開關、光模塊及相關解決方案，請訪問我們的官網：www.www.bmortechnologies.com
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