集成光子学与光计算
研究背景
随着信息技术的发展，传统电子器件在速度、功耗和并行计算能力上逐渐面临瓶颈。光子学以其高速传输、低能耗和天然并行的优势，为下一代信息处理提供了新方向。集成光子学通过将光学元件微缩、集成到芯片上，不仅可以实现紧凑、高稳定性的光学系统，还为光量子信息处理和光计算提供了强有力的硬件平台。在量子信息时代，光子作为理想的量子比特载体，其单光子非经典特性使得量子计算、量子模拟和量子通信成为可能；同时，利用线性光学器件构建的光神经网络，则为人工智能计算提供了低功耗、高速并行的新途径。
图注：集成光计算芯片
研究内容
本课题组围绕集成光子学与光计算展开研究，主要包括以下内容：
■集成光子器件设计与工艺优化
本研究内容面向光计算芯片的基础硬件需求，聚焦高性能集成光子器件的设计与制造工艺。重点研究基于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的高灵敏光子探测与多光子计数技术，提升系统在光计算与量子测量中的保真度与响应速度。围绕光子芯片的制备工艺，开展超导薄膜转移、光波导设计与低损耗制备、光电耦合与集成封装技术等研究，构建SNSPD与光波导的高精度异质集成平台。
图注：a.光电探测芯片b.光耦合系统c.光电封装
■光电协同驱动与控制电路
光计算系统的高效运行依赖于稳定、灵活的电信号调控与驱动支撑。本研究内容聚焦光电混合系统的驱动与控制电路设计，包括高速相位调制器驱动电路、可编程干涉单元控制系统以及多通道光电探测信号的同步采集与读出。研究如何在高带宽、低噪声、低功耗的条件下实现光计算芯片的精确可控运行，探索基于FPGA 或 ASIC 的控制架构，实现光计算阵列的动态可编程性与任务级配置。
■光计算输出信号后处理与算法优化
光计算的输出通常表现为光强或干涉信号，如何将这些光学信息高效、准确地转化为可用的计算结果，是系统应用的关键环节。本研究内容聚焦输出信号的采集、数字化与算法后处理，包括光电探测信号的降噪与归一化、干涉图样的重构算法。通过软硬件协同设计，实现光学结果的数字增强、误差校正与自适应解码，提升光计算系统的精度与鲁棒性。
图注：信号采样与光子信息重构
研究特色
本研究方向覆盖从集成光子器件设计与制造、到光电驱动控制电路、再到输出信号的智能后处理算法的完整体系。我们以集成光子学为硬件基础，探索如何在硅基与氮化硅平台上实现高密度、低损耗的光计算单元，并通过高速电控系统实现可编程、可重构的光计算架构。同时，在输出端引入算法层面的信号处理与重建技术，实现硬件与软件的深度融合。这种“光–电–算”一体化研究模式，使我们能够从系统视角理解光计算的本质瓶颈，并推动集成光计算从实验走向实用。
应用前景
光计算作为突破传统电子计算瓶颈的关键方向，具有高速、并行、低功耗的天然优势。课题组在光计算系统链条上的系统性研究，可广泛应用于人工智能加速、信号处理、量子计算等前沿领域。其中，集成光计算芯片将为下一代AI处理器提供新的算力架构；高速光电驱动电路可服务于大规模光互连与神经网络推理任务；智能信号后处理算法则为光学结果的精确读出与容错优化提供技术支撑。未来，这些研究成果有望推动光计算系统的实用化与产业化，在量子信息、人工智能硬件及高性能计算等方向形成新的技术引擎。
招生导向
我们欢迎对集成光子学、量子计算、微纳加工、信号处理算法、超导电子学等方向有兴趣的同学加入。课题组提供完整的纳米制备、光学测量、量子实验平台，以及充足的机会在国际前沿学术会议上交流，共同探索下一代光子信息技术。
内容更新人员：李振国、吴祥睿