可密集集成和任意路由的模分复用光子芯片

  哈尔滨工业大学(深圳)徐科副教授、宋清海教授与上海交通大学杜江兵副研究员、何祖源教授团队合作，通过对波导有效折射率的精细调控实现了片上模分复用关键器件的小型化，并完成了三模式复用的高速信号3×112 Gbit/s在片上的任意传输和互连。这为片上多模光学系统的大规模集成解决了模间串扰和损耗问题。

  集成光子芯片在高性能计算机、光通信、量子信息、人工智能等众多高新领域中逐渐展现出巨大的应用潜力。与电芯片相比，光子芯片具有带宽和功耗优势，而且能利用波长、模式、偏振等参量实现波分复用、模分复用和偏振复用等多路并行处理技术。其中，片上模分复用技术可以在不增加激光器数量的情况下显著提高芯片的并行处理能力。然而，模式间的串扰和波导限制作用减弱导致的高阶模损耗严重制约了模式复用器、波导弯曲、波导交叉等片上多模器件的小型化，使多模光学系统的高密度集成面临巨大挑战。

  针对这一难题，该课题组利用一种离散化的波导超结构，在亚波长尺度对波导局部介电常数进行任意地优化，通过算法设计出具有特殊光场调控功能的亚波长结构。研究人员针对片上模分复用信号任意路由的需求，设计并制备了模式(解)复用器、多模弯曲波导、波导交叉等关键器件(如图1所示)，器件能同时支持TE0, TE1和TE2模式，尺寸仅为数微米，比传统器件缩小了一个数量级，且与标准硅光流片工艺完全兼容。这种微米量级的新型多模器件，使模分复用信号在片上进行低损耗、低串扰的(解)复用和任意的大规模互连成为可能。

  图1. (a) 三模式复用和弯曲结构的显微镜照片; (b) 模式复用和解复用器件的显微镜照片; (c) 具有亚波长超结构的弯曲波导SEM照片; (d) 三模式复用和交叉结构的显微镜照片; (e) 级联的波导交叉器件显微镜照片; (f) 具有亚波长超结构的波导交叉器件SEM照片。

  基于上述研究结果，研究人员进一步设计了任意布线的光子回路来验证高速模分复用信号的片上传输和互连性能。实验结果表明，对于两组任意设计的模分复用光子回路(如图2(a)?(b)所示)，均实现了三模式复用的高速信号(3×112Gbit/s)的传输。对于PAM-4和DMT高阶调制格式，误码率均达到了前向纠错阈值(FEC)以下(如图2(c)?(e)所示)。

图2. (a)-(b)任意传输路径的模分复用集成光路MDM Circuit 1(闭合环形回路) 和MDM Circuit 2(连续弯曲的螺旋线回路); (c) 112 Gbit/s高速信号传输的信噪比响应曲线; (d) DMT调制格式下不同子载波的比特分配; (e)不同速率的模分复用信号在光子回路中传输的误码率曲线。

  该工作不仅通过一系列新型功能性器件实现了任意互连的模分复用光子回路，还为片上多模光学系统的大规模集成打下了基础。

  该成果以“Arbitrarily Routed Mode-division Multiplexed Photonic Circuits for Dense Integration”为题于2019年7月22日在线发表Nature Communications [10: 3263 (2019)]上。

  哈尔滨工业大学(深圳)博士研究生刘英杰为论文第一作者，徐科副教授、宋清海教授、姚勇教授和上海交通大学杜江兵副研究员为共同通讯作者，哈尔滨工业大学(深圳)为第一单位和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金，深圳市科创委基础研究项目和创新创业项目的支持。

  论文链接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-019-11196-8