随着光子集成电路（PIC）在量子光学、光通信等领域的广泛应用，光子芯片内部的损耗和增益成为影响系统性能的重要参数。长期以来，光子芯片的损耗和增益只能在整体层面进行测量，无法精确诊断各个组件或接口的损耗来源。针对这一痛点，美国弗吉尼亚大学团队提出了一种无损测量方案，无需拆解电路，通过比较从芯片左右端面泵浦时非线性效应所需功率的差异，即可分离左右端面损耗，并进一步解析片上单个器件的未知损耗或增益，实现对每个组件的精准量化。这项工作为复杂PIC的快速定位、良率提升与系统级优化提供了更清晰的路径。成果以“Universal loss and gain characterization inside photonic integrated circuits”为题发表于Nature Photonics上。 q 1xSylE H HX q_-V T\.~!Q 测量原理：用“非线性阈值”当尺子 (t3gNin 光子芯片很难拆开看，传统测量往往只能得到整条光路的总损耗。该研究团队的思路很巧妙，把芯片里的非线性器件（例如环形微腔）当作功率判别器。对于空间对称且满足互易传播条件的非线性器件，其非线性响应主要由器件处的有效入射功率决定，与泵浦从器件左端或右端耦入无关。所以如果从左侧泵浦要比从右侧多用ΔdB才能触发同一非线性现象（如OPO阈值），就等价于左侧光路比右侧多了ΔdB的损耗。结合总损耗测量，就能进一步拆分出左端面损耗、右端面损耗，甚至还能算出芯片中某个被测器件的未知损耗或增益，实现“组件级诊断”。 KsIHJr7- 图1 用于PIC的通用损耗与增益测量方法示意图：(a)左端面损耗(αL)与右端面损耗(αR)；(b)测量片上被测器件未知损耗/增益(αx)；(c)表征端面独立损耗以及PIC中未知器件损耗（如波导交叉）的示例 f {2UL ?y <v9IK$J Q[3hOFCX 实验验证：损耗来源的精准定位与精密测量 82 |^o 提出新测量法最难的是验证，因为组件级损耗本来就缺少公认的对照方法。该团队做了一个可控对照实验，只在右端面人为引入额外损耗，比如让透镜光纤对波导稍微偏一点，同时保持其他光路不变。这份额外损耗可以通过监测总损耗直接读出来。如果方法真的能定位损耗来源，那么当右端面损耗被人为拉大时，从左端面泵浦OPO阈值应该基本不变；从右端面泵浦OPO阈值应该随着额外损耗一起升高。实验结果完全符合预期，右端面测得的损耗随总损耗线性增加，拟合斜率为1.01±0.01；而左端面损耗几乎保持不变。表明该方法既可对路径损耗进行定量计算，也能通过左右泵浦阈值响应的分离，实现损耗来源的定位。另外该团队也给出了重复测量结果，在不同右端面损耗条件下，左端面损耗重复测了11次，平均为2.016 dB、标准差为0.045 dB，说明方法的测量精度相当稳定。而在单次数据点层面，由于功率计分辨率限制，每个损耗点的不确定度约±0.1 dB。 qGN> a[D 图2 损耗与增益测量方法的验证：(a)用于端面损耗测量的简化实验搭建；(b)当泵浦激光功率低于（蓝色）与高于（红色）OPO阈值时的微腔输出光谱；(c)当在右侧耦合端面人为引入额外损耗时的OPO阈值测量；(d)测得的左端面损耗（蓝色）与右端面损耗（红色）相对于总耦合损耗（在右端面引入额外损耗时）的变化关系
eb}XooX 0=
bXL!] 1E!.E=Y ?M 应用展示：从片上功率到真实量子效率 .s"Og;g 在量子光子芯片里，探测器前面的每一点损耗都会直接压缩质量，所以片上真实效率特别关键。团队把该方法用在一条量子PIC上，Kerr微腔产生量子光，经滤波与MMI后进入片上平衡光电二极管。先测光纤里功率和探测电流得到外部效率，再利用微腔的热光非线性（透射谱出现热三角、其宽度随功率变化）反推出端面损耗，从而把光纤功率校正为片上真实功率，最终得到该电路的片上量子效率约72%。如果直接假设左右端面损耗相等，会把左端面损耗错算成4.95dB，进而把片上量子效率虚高到105%。因此，组件级损耗拆分并不是可有可无的细节，而是保证效率计算可信的必要条件。 +cXi|Zf 图3 利用热光非线性测量量子光子电路的片上效率：(a)量子光子芯片的电路示意图；(b)异质集成光子芯片的显微照片及局部放大图；(c)从左端面泵浦与从右端面泵浦时Kerr微腔的透射谱；(d)光纤中泵浦功率与热展宽后的透射共振半高全宽的关系；(e)平衡光电探测器的光电流与片上光功率的关系
;yqHt! N ]6^S: K_" 总结与展望 0x5\{ f 与传统的光学频域反射仪（OBR）相比，该文章的方法具有显著优势。OBR方法依赖于光纤中的分布式反射信号，但由于集成光子电路的波导长度较短，反射信号微弱，测量精度有限。而本文提出的方法针对集成光子电路进行了优化，能够局部化测量并高精度提取每个组件的损耗和增益信息。这项研究为大规模集成光子系统提供了可行的无损测量方案，能够精准定位系统中的损耗与增益分布，帮助实现更高效的光通信、量子计算等领域的应用。未来，该方法有望广泛应用于量子光子学、高效光通信等领域，推动光子集成电路设计的进步，并为量子技术和空间光通信等应用提供支持。 =/j!S|P
