可密集集成和任意路由的模分復(fù)用光子芯片

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)徐科副教授、宋清海教授與上海交通大學(xué)杜江兵副研究員、何祖源教授團(tuán)隊(duì)合作，通過對(duì)波導(dǎo)有效折射率的精細(xì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了片上模分復(fù)用關(guān)鍵器件的小型化，并完成了三模式復(fù)用的高速信號(hào)3×112 Gbit/s在片上的任意傳輸和互連。這為片上多模光學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)模集成解決了模間串?dāng)_和損耗問題。

  集成光子芯片在高性能計(jì)算機(jī)、光通信、量子信息、人工智能等眾多高新領(lǐng)域中逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。與電芯片相比，光子芯片具有帶寬和功耗優(yōu)勢(shì)，而且能利用波長(zhǎng)、模式、偏振等參量實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用、模分復(fù)用和偏振復(fù)用等多路并行處理技術(shù)。其中，片上模分復(fù)用技術(shù)可以在不增加激光器數(shù)量的情況下顯著提高芯片的并行處理能力。然而，模式間的串?dāng)_和波導(dǎo)限制作用減弱導(dǎo)致的高階模損耗嚴(yán)重制約了模式復(fù)用器、波導(dǎo)彎曲、波導(dǎo)交叉等片上多模器件的小型化，使多模光學(xué)系統(tǒng)的高密度集成面臨巨大挑戰(zhàn)。

  針對(duì)這一難題，該課題組利用一種離散化的波導(dǎo)超結(jié)構(gòu)，在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)波導(dǎo)局部介電常數(shù)進(jìn)行任意地優(yōu)化，通過算法設(shè)計(jì)出具有特殊光場(chǎng)調(diào)控功能的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。研究人員針對(duì)片上模分復(fù)用信號(hào)任意路由的需求，設(shè)計(jì)并制備了模式(解)復(fù)用器、多模彎曲波導(dǎo)、波導(dǎo)交叉等關(guān)鍵器件(如圖1所示)，器件能同時(shí)支持TE0, TE1和TE2模式，尺寸僅為數(shù)微米，比傳統(tǒng)器件縮小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且與標(biāo)準(zhǔn)硅光流片工藝完全兼容。這種微米量級(jí)的新型多模器件，使模分復(fù)用信號(hào)在片上進(jìn)行低損耗、低串?dāng)_的(解)復(fù)用和任意的大規(guī)模互連成為可能。

  圖1. (a) 三模式復(fù)用和彎曲結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片; (b) 模式復(fù)用和解復(fù)用器件的顯微鏡照片; (c) 具有亞波長(zhǎng)超結(jié)構(gòu)的彎曲波導(dǎo)SEM照片; (d) 三模式復(fù)用和交叉結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片; (e) 級(jí)聯(lián)的波導(dǎo)交叉器件顯微鏡照片; (f) 具有亞波長(zhǎng)超結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)交叉器件SEM照片。

  基于上述研究結(jié)果，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了任意布線的光子回路來驗(yàn)證高速模分復(fù)用信號(hào)的片上傳輸和互連性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于兩組任意設(shè)計(jì)的模分復(fù)用光子回路(如圖2(a)?(b)所示)，均實(shí)現(xiàn)了三模式復(fù)用的高速信號(hào)(3×112Gbit/s)的傳輸。對(duì)于PAM-4和DMT高階調(diào)制格式，誤碼率均達(dá)到了前向糾錯(cuò)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(fù)用集成光路MDM Circuit 1(閉合環(huán)形回路) 和MDM Circuit 2(連續(xù)彎曲的螺旋線回路); (c) 112 Gbit/s高速信號(hào)傳輸?shù)男旁氡软憫?yīng)曲線; (d) DMT調(diào)制格式下不同子載波的比特分配; (e)不同速率的模分復(fù)用信號(hào)在光子回路中傳輸?shù)恼`碼率曲線。

  該工作不僅通過一系列新型功能性器件實(shí)現(xiàn)了任意互連的模分復(fù)用光子回路，還為片上多模光學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)模集成打下了基礎(chǔ)。

  該成果以“Arbitrarily Routed Mode-division Multiplexed Photonic Circuits for Dense Integration”為題于2019年7月22日在線發(fā)表Nature Communications [10: 3263 (2019)]上。

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)博士研究生劉英杰為論文第一作者，徐科副教授、宋清海教授、姚勇教授和上海交通大學(xué)杜江兵副研究員為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)為第一單位和通訊單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：

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