電子學(xué)院王興軍、舒浩文團(tuán)隊(duì)提出集成微波光子寬頻段精細(xì)信號(hào)處理解決方案

  ICC訊   近日，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍、舒浩文團(tuán)隊(duì)提出集成微波光子寬頻段精細(xì)信號(hào)處理解決方案，通過(guò)操控波導(dǎo)內(nèi)空間模式的耦合關(guān)系來(lái)調(diào)控諧振峰劈裂的狀態(tài)；當(dāng)劈裂調(diào)控至消失時(shí)，諧振峰寬僅約30 MHz，同時(shí)維持著超百GHz的自由光譜范圍，為高精度、超寬帶的微波光子應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于硅基微環(huán)的跨L, S, C, X, Ku, K, Ka, U多頻段的微波/毫米波的生成與處理，對(duì)于未來(lái)機(jī)載、衛(wèi)星的跨頻段無(wú)線通信具有重要意義。2月20日，相關(guān)研究成果以《多模微環(huán)諧振器中的多功能光子分子開(kāi)關(guān)》(“Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators“”)為題，在線發(fā)表于Nature子刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science & Applications)。

文章截圖

  光子分子概念的提出是為了在光域上模擬原子之間形成分子鍵的過(guò)程。這種現(xiàn)象具有卓越的光學(xué)性質(zhì)，在量子光學(xué)、非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如實(shí)現(xiàn)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，或者用來(lái)調(diào)節(jié)微腔內(nèi)的色散，以實(shí)現(xiàn)暗脈沖光學(xué)頻率梳。然而，如何以一種十分簡(jiǎn)易的方式來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整微腔之間的耦合一直是限制光子分子廣泛應(yīng)用的癥結(jié)所在，并且，如何利用該現(xiàn)象去支持更廣范的應(yīng)用場(chǎng)景也是研究人員需要思考的關(guān)鍵問(wèn)題。

  在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出“集成光子分子開(kāi)關(guān)”概念，運(yùn)用波導(dǎo)中不同空間模式所產(chǎn)生的諧振峰，實(shí)現(xiàn)劈裂（splitting）現(xiàn)象，并通過(guò)調(diào)整模式之間的耦合關(guān)系，有效地控制諧振峰的劈裂狀態(tài)。具體的，研究團(tuán)隊(duì)選用跑道型微環(huán)作為片上微腔的實(shí)現(xiàn)形式，在硅光（SOI）平臺(tái)上進(jìn)行器件設(shè)計(jì)，并將硅波導(dǎo)的寬度擴(kuò)展至2 μm，使其能夠支持更高階的空間模式。相比使用大尺寸歐拉彎曲以實(shí)現(xiàn)緩變絕熱近似的傳統(tǒng)方案，研究團(tuán)隊(duì)利用歐拉彎曲+圓弧構(gòu)建對(duì)稱的180°彎曲波導(dǎo)，并有意大幅縮小彎曲尺寸，以高效地在微腔內(nèi)誘導(dǎo)高階空間模式。同時(shí)借鑒旋轉(zhuǎn)波近似法，對(duì)經(jīng)典耦合模方程進(jìn)行了修正，從而更有效地分析該問(wèn)題下的耦合規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了切換光子分子在微腔內(nèi)的物理狀態(tài)，賦能多個(gè)不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)變革性突破。

集成微腔光子分子開(kāi)關(guān)示意圖

  研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了在光子分子開(kāi)啟狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)諧振峰劈裂的靈活調(diào)控，僅利用芯片上的熱電極即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模式耦合強(qiáng)度以及相位差的調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了劈裂不同維度的變化。而當(dāng)光子分子處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，基模又可以實(shí)現(xiàn)在環(huán)內(nèi)零串?dāng)_、低損耗傳輸，并且由于微環(huán)彎曲波導(dǎo)的尺寸極小，微環(huán)同時(shí)具有極大的FSR和極高的Q值，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該微環(huán)作為微波光子鏈路中的關(guān)鍵部件，能夠在超寬頻譜內(nèi)提供極其精細(xì)的濾波功能?；谠撐h(huán)的微波光子濾波器能夠在L, S, C band至U band范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)58 GHz的連續(xù)調(diào)諧能力，其3 dB濾波線寬最窄僅32 MHz。團(tuán)隊(duì)還借助該微環(huán)成功完成了光電振蕩器（OEO）的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了中心頻率從sub-6G到50 GHz的可調(diào)諧微波源。這種濾波器和OEO代表了目前國(guó)際上基于硅基集成器件所實(shí)現(xiàn)的最寬頻段和最精細(xì)縱模濾波的水平。

基于該器件所實(shí)現(xiàn)的濾波器與OEO結(jié)果圖

  該論文的第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陶子涵，王興軍教授、舒浩文研究員為該論文的通訊信作者。主要合作者還包括電子學(xué)院彭超教授，集成電路學(xué)院何燕冬研究員，電子學(xué)院博士生沈碧濤、黎文燦、吳一晨及畢業(yè)生陶源盛，工學(xué)院碩士生邢露文，集成電路學(xué)院博士生王皓玉，北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院助理研究員周?。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為第一單位完成。

  論文信息：

  Tao, Z., Shen, B., Li, W. et al. Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators. Light Sci Appl 13, 51 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01399-0