哈爾濱工業大學（深圳）徐科副教授、宋清海教授與上海交通大學杜江兵副研究員、何祖源教授團隊合作，通過對波導有效折射率的精細調控實現了片上模分復用關鍵器件的小型化，並完成了三模式復用的高速信號3×112 Gbit/s在片上的任意傳輸和互連。這為片上多模光學系統的大規模集成解決了模間串擾和損耗問題。
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集成光子晶片在高性能計算機、光通信、量子信息、人工智慧等眾多高新領域中逐漸展現出巨大的應用潛力。與電晶片相比，光子晶片具有帶寬和功耗優勢，而且能利用波長、模式、偏振等參量實現波分復用、模分復用和偏振復用等多路並行處理技術。其中，片上模分復用技術可以在不增加雷射器數量的情況下顯著提高晶片的並行處理能力。然而，模式間的串擾和波導限制作用減弱導致的高階模損耗嚴重製約了模式復用器、波導彎曲、波導交叉等片上多模器件的小型化，使多模光學系統的高密度集成面臨巨大挑戰。
針對這一難題，該課題組利用一種離散化的波導超結構，在亞波長尺度對波導局部介電常數進行任意地優化，通過算法設計出具有特殊光場調控功能的亞波長結構。研究人員針對片上模分復用信號任意路由的需求，設計並製備了模式（解）復用器、多模彎曲波導、波導交叉等關鍵器件（如圖1所示），器件能同時支持TE, TE1和TE2模式，尺寸僅為數微米，比傳統器件縮小了一個數量級，且與標準矽光流片工藝完全兼容。這種微米量級的新型多模器件，使模分復用信號在片上進行低損耗、低串擾的（解）復用和任意的大規模互連成為可能。
圖1. (a) 三模式復用和彎曲結構的顯微鏡照片; (b) 模式復用和解復用器件的顯微鏡照片; (c) 具有亞波長超結構的彎曲波導SEM照片; (d) 三模式復用和交叉結構的顯微鏡照片; (e) 級聯的波導交叉器件顯微鏡照片; (f) 具有亞波長超結構的波導交叉器件SEM照片。
基於上述研究結果，研究人員進一步設計了任意布線的光子迴路來驗證高速模分復用信號的片上傳輸和互連性能。實驗結果表明，對於兩組任意設計的模分復用光子迴路（如圖2(a) (b)所示），均實現了三模式復用的高速信號（3×112Gbit/s）的傳輸。對於PAM-4和DMT高階調製格式，誤碼率均達到了前向糾錯閾值（FEC）以下（如圖2(c) (e)所示）。
圖2. (a)-(b)任意傳輸路徑的模分復用集成光路MDM Circuit 1（閉合環形迴路） 和MDM Circuit 2（連續彎曲的螺旋線迴路）; (c) 112 Gbit/s高速信號傳輸的信噪比響應曲線; (d) DMT調製格式下不同子載波的比特分配; (e)不同速率的模分復用信號在光子迴路中傳輸的誤碼率曲線。
該工作不僅通過一系列新型功能性器件實現了任意互連的模分復用光子迴路，還為片上多模光學系統的大規模集成打下了基礎。
該成果以「Arbitrarily Routed Mode-division Multiplexed Photonic Circuits for Dense Integration」為題於2019年7月22日在線發表Nature Communications [10: 3263 (2019)]上。
哈爾濱工業大學（深圳）博士研究生劉英傑為論文第一作者，徐科副教授、宋清海教授、姚勇教授和上海交通大學杜江兵副研究員為共同通訊作者，哈爾濱工業大學（深圳）為第一單位和通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金，深圳市科創委基礎研究項目和創新創業項目的支持。
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