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引言：高速光开关迎来技术飞跃，InP材料再登巅峰

近日，《Nature Photonics》期刊发表了一项由日本东京大学、NTT基础研究所联合完成的关于InGaAsP/Si混合结构光开关的研究成果，成功实现了响应时间低至100皮秒（ps）的超高速光开关器件。这项技术不仅刷新了光开关的速度纪录，也为下一代数据中心、AI算力互连和6G通信提供了关键支撑。

作为国内领先的光开关解决方案提供商，广西科毅光通信科技有限公司持续关注InP光开关的技术演进与产业化路径，并致力于将前沿研究成果转化为实用型产品，服务于全球客户。

一、100皮秒超高速光开关的技术原理

1. 器件结构设计

该研究提出了一种基于III-V族半导体（InGaAsP）与硅（Si）波导的混合集成结构，通过引入非厄米特系统（non-Hermitian system）来实现高效的光调控机制。具体结构如下：

·         底层为硅波导：用于传输信号光；

·         顶层为InGaAsP波导：用于施加泵浦光以改变折射率；

·         两层之间通过纳米耦合区域连接，形成可调谐的光子开关单元。

这种异质集成方式充分发挥了InP材料的高速电光特性与硅基平台的高集成度优势，为未来光芯片的大规模集成提供了新的思路。

2. 工作机制与性能表现

研究人员利用时间相关单光子计数（TCSPC）技术对开关单元进行测试，结果表明：

·         开关响应时间仅为100 ps，比传统机械式或热光开关快千倍以上；

·         插入损耗控制在合理范围内，约为2.43 dB；

·         消光比超过20 dB，具备良好的光隔离能力；

·         支持8×8开关阵列扩展，适用于大规模光交换网络。

此外，该器件还具备非厄米特系统的动态稳定性，能够在外界扰动下保持稳定的光输出，显示出极高的鲁棒性。

二、技术亮点解析：为何选择InGaAsP/Si混合结构？

1. InP材料的优势不可替代

磷化铟（InP）作为第三代半导体材料的代表，在光通信领域具有天然优势：

·         高电子迁移率（约1790 cm²/(V·s)）

·         直接带隙结构，适合激光器与调制器集成

·         在1310 nm与1550 nm波段吸收损耗低

·         支持太赫兹频段应用，是6G通信的理想材料

此次采用的InGaAsP材料是在InP基础上加入Ga和As元素，进一步优化了能带结构，提升了光学增益与调制效率。

2. 硅基平台的兼容性优势

将InGaAsP与硅波导结合，不仅能继承硅光芯片的低成本、高良率优势，还能借助成熟的CMOS工艺实现高密度集成。这种混合集成方案被认为是未来光子集成电路（PIC）的发展方向。

3. 非厄米特系统的创新应用

非厄米特系统打破了传统光子系统的对称性约束，允许能量的输入与输出不对称，从而实现更灵活的光控策略。该研究首次将其应用于光开关领域，为新型光器件的设计开辟了新路径。

三、实验数据展示

图1：III-V/Si混合光开关结构示意图

底层的硅波导以灰色显示，而顶层的InGaAsP波导以蓝色（未泵浦）或红色（泵浦）显示。泵浦图案通过橙色阴影表示。每个输入端口（I1-I8）的信号光（用黄色阴影表示）在泵浦单元处被路由到垂直方向，然后到达目标输出端口（O1-O8）。插图显示了耦合区域波导的层信息。

图2：单个开关单元的时间响应

a. 开关的扫描电子显微镜图像。b. 通过泵浦功率变化的透射率。c. 通过时间相关单光子计数测量的单个开关单元的时间响应。d. c中虚线框的放大视图，显示了泵浦和信号脉冲的峰值位置。

图3：8×8开关阵列的性能测试

a. 8×8开关阵列的光学显微镜图像。b-d. 不同输入向量下的测量CCD图像。e-g. 三种不同泵浦模式下每个输出端口（O1-O8）的输出强度。

图4：WSS（波长选择开关）演示

a. 工作原理的伪彩色示意图，包括多波长输入、解复用和开关复用。b-e. 不同开关方案的示意图和测量结果。

四、产业影响与市场前景

1. 数据中心与AI算力互联需求激增

随着AI训练模型参数量的爆发增长，传统铜线互连已无法满足超大数据中心对延迟与带宽的要求。高速光开关成为构建可重构光网络（ROADM）、实现片间/板间光互连的关键器件。

此次发布的100 ps级光开关，标志着光互连技术正式迈入亚纳秒时代，有望成为新一代AI服务器与交换设备的核心组件。

2. 推动6G通信发展

6G通信将工作在太赫兹频段（0.1–10 THz），而InP材料的工作频率可达300 GHz以上，远超硅基与GaAs器件。此次高速光开关的出现，将进一步推动InP材料在6G通信中的应用落地。

3. 广西科毅的战略布局

作为国内领先的光开关制造商，广西科毅光通信科技有限公司正积极布局InP光开关的研发与产业化：

·         参与多项国家“光芯一体化”重点研发计划；

·         与清华大学、中科院半导体所建立长期合作；

·         推出面向数据中心的1.6T光模块原型；

·         持续探索InP与硅基异质集成、光电协同封装等关键技术。

我们相信，随着更多前沿技术的转化落地，中国将在全球光通信产业链中占据越来越重要的地位。

五、结语：光开关进入“百皮秒”时代，广西科毅紧跟技术前沿

本次Nature Photonics发表的100皮秒级光开关研究成果，不仅展示了InP材料在光通信领域的巨大潜力，也为未来光芯片的发展指明了方向。作为一家专注于光开关研发与制造的高新技术企业，广西科毅将持续跟踪并参与InP光开关的工程化推进，助力国产光通信产业升级。

如需了解更多关于光开关、光模块及相关解决方案，请访问我们的官网：www.coreray.cn