《Nature Communications》重磅：片上可见光GHz调制创纪录，量子计算与LiDAR应用再进一步

前沿摘要

你是否想象过，控制量子比特的激光，能像手机芯片一样被大规模集成在指甲盖大小的硅片上？这个听上去属于未来的场景，正在成为现实。

近日，一项发表于顶级期刊《自然·通讯》的突破性研究(https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z)，首次在标准的200毫米CMOS集成电路生产线上，成功制造出可工作在可见光波段、调制频率高达GHz的集成声光相位调制器。这项成果将有望彻底改变量子计算机、激光雷达等高端系统的“光控”方式。

核心内容

研究团队设计并制备了一种基于氮化铝（AlN）压电驱动与氮化硅（SiNₓ）光波导的“压电-光-机械”耦合器件。通过将光学模式与机械呼吸模式共同限制在波长尺度的结构中，实现了高效的光机耦合与谐振增强的相位调制。

关键性能指标包括：

工作波长：730nm（可见光波段）

调制频率：2.31GHz（支持多个GHz谐振峰）

调制深度：最高达4.85弧度（对应侧边带功率超过载波）

光功率处理能力：＞500mW

谐振调制优值：Vπ=1.32V，Vπ·L=0.26V·cm

相比现有高性能可见光调制器，所需微波功率降低100倍，Vπ降低15倍

器件采用200mmCMOS工艺流片，具备良好的工艺一致性与扩展性，可通过波导宽度调控谐振频率（1-5GHz范围可调），并支持400-1000nm宽带光学操作。

深远意义

这项突破远不止于一个高性能器件，它更像一块关键的“拼图”，其意义在于：

1.量子计算的“控光中枢”：未来大规模量子计算机（如离子阱、中性原子平台）需要同时控制成千上万个量子比特，每个比特都需要独立调频的激光。本技术使得将这些庞大、昂贵的激光控制系统集成到一块小型芯片上成为可能，是实现量子计算规模化的关键一步。

2.打开高端可见光应用的大门：除了量子领域，许多需要高强度、快速调制的可见光应用（如下一代激光雷达、深海激光通信）也将受益。该技术提供了兼具高性能与可集成性的全新解决方案。

3.确立新的技术路径：它证明了不依赖传统特殊晶体材料，通过CMOS兼容的氮化硅、氮化铝材料体系，同样能实现世界顶尖的光学调制性能。这为整个集成光子学产业开辟了一条更普惠、更易扩展的技术路线。

结语

这项研究不仅是器件性能的突破，更是集成光子学走向实用化、系统化的重要里程碑。随着量子计算、激光传感等领域的快速发展，此类能够同时满足“高功率、高频率、可集成、可见光”四大需求的技术，将成为下一代光控系统的核心引擎。

图1:CMOS制造、谐振增强型声光调制器的设计

图2:可见光波长下片上吉赫兹频率边带生成的测量

图3:可见光波长下的集成声光相位调制

图4:在宽机械频率与光学波长范围内的操作性能

图5:未来量子比特控制芯片的平台集成示意图

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