介质超材料单元模块：片上任意高阶模场调控

Original Light新媒体 LightScienceApplications 2022-06-05 21:09 Posted on 吉林

研究背景

近年来，随着物联网、云计算和人工智能等技术的快速发展，全球数据量迎来爆发式增长。根据中国信通院2020年大数据白皮书，2035年全球数据产生量预计将达2142ZB。作为现代通信系统的中流砥柱，光传输网络与系统面临着空前的机遇与挑战。过去几十年，低损耗光纤、掺饵光纤放大器、波分复用、相干光通信和数字信号处理等关键技术的发明使得单模光纤的传输容量大致保持着4年10倍的增长速度。随着光纤传输容量日益逼近香农理论极限，学界普遍认为，空分复用技术有望带来频谱效率的下一个革命性突破。同波长、偏振、幅度、相位等一样，模式也是光的一个重要物理维度。作为空分复用的片上表现形式，模分复用技术利用相互正交的波导模式作为信道传输信息，可以使单根波长的通信容量成倍增长，极大地提高片上光互连的传输速率。除去数据传输，片上模场调控在量子信息处理、光学传感、非线性光学以及神经形态并行计算等领域也有着重要应用。例如，通过将空间模式与波长、时间和频率等其他自由度相互耦合，人们可以在更高维度上编码和处理量子信息，从而实现更加高效的逻辑门运算和抗噪声干扰的量子通信。

片上模场调控的基础是如何高效地从基模激发产生期望的高阶模式，目前主流的方法有四种：（1）相位匹配原理，其典型实现结构是非对称定向耦合器、亚波长光栅等；（2）波束整形原理，其典型实现形式是马赫-曾德尔干涉仪框架；（3）相干散射，其典型实现方法是逆向设计；（4）超表面波导，其典型实现原理是通设计亚波长微纳结构为模式转换提供所需的等效动量补偿。然而，现有工作无论是从设计的复杂程度出发，还是从器件的拓展能力方面考虑，都不是十分高效。一方面，目前的优化策略通常只针对特定的某一个或某几个模式，因而器件结构需要随模式阶数的变化而不断变化，重复设计费时费力；另一方面，受限于原理本身的局限性或者对加工工艺的苛刻要求，目前的实现方案在向高阶模式调控拓展时都面临着极大的挑战。

鉴于此，近日，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室苏翼凯教授团队郭旭涵副教授等基于介质超材料单元模块（metamaterial building block）理念提出了一种通用的设计框架，可以通过简单的数学公式直接定义超材料模块器件的拓扑排列结构，快速高效地实现片上任意高阶模场调控。

研究成果

积木是一种强大的功能单元模块，虽然每一个积木的结构十分简单，但通过合理的组合却可以实现复杂的功能，如图1a所示。积木理念在光子集成回路设计中也广泛存在，实现了定义的光器件单元模块库，比如硅波导、移相器、功分器可以组合得到马赫-曾德尔干涉仪阵列，进而应用于微波光子学、光学矩阵计算和光学波束整形等领域。而光学超材料是一种由亚波长纳米结构阵列组成的人工二维结构，可应用于调控波导中光传播的波前从而操控光信号传输的自由度, 有望实现更小尺寸、更大宽带以及更低损耗的集成光电子芯片，为片上光场调控及光信息处理提供了一个紧凑而强大的平台。基于此，研究者提出设计了介质超材料单元模块的拓扑排列结构来实现片上模场的高效调控。

在设计超材料辅助的波导模式转换器时，通常选择在高阶模电场分布的波峰或者波谷区域引入介质微扰，使得高阶模与基模之间的模场交叠最大化，从而实现超紧凑的器件尺寸，如图1b所示。考虑到模场分布的奇偶对称性，基础的超材料单元模块优化实现了TE0模和TE₂模之间的相互转换，其基本结构如图1c所示。

图1：（a）积木设计理念；（b）超材料波导的介质微扰分布；（c）TE₀-TE₂超材料基础单元模块;

虽然波束整形原理提供了一种非常直观的方法实现模式转换，但直接利用分立器件实现马赫-曾德尔干涉仪框架，不仅器件尺寸难以小型化，且向高阶模的拓展能力十分有限。事实上，全刻蚀的介质超材料沟槽可以同时实现功分器和移相器的功能。通过将多个超材料单元模块平行拓扑排列，并根据数学公式直接定义其中心间距和波导尺寸，可以在超紧凑的的区域内实现波束整形原理的分束、相移和合束三大过程。图2a和图2b分别展示了偶数阶模式调控器件和奇数阶模式调控器件的结构示意图。

图2：（a-b）偶数阶/奇数阶模式调控器件结构示意图；（c）TE₀-TE₅模式调控器件；（d）TE₀-TE₂₀模式调控器件；

研究者研制了一系列模式转换芯片，实验论证了基于超材料单元模块化设计框架的可靠性和一致性，创下了目前20阶的最高阶模场调控的实验纪录（如图2c-d所示），并具有更高阶数的拓展性。为进一步演示基于介质超材料模块模场调控的潜在应用场景，研究者搭建了一套8通道模分复用的片上信号传输系统，通过传输28G波特率的16-QAM信号，单波长数据传输速率达到了813Gb/s(如图3a-d所示)。此外，随着介质超材料模块化调控模式数目的增多，其净数据率可以进一步增加。

图3：8通道MDM芯片、信号传输系统及实验结果

总结与展望

该研究中的超材料单元模块技术所提供的任意高阶模场调控能力，不仅可以实现超高传输容量的片上数据通信系统，其设计理念未来也可能激发更多的模块化设计方案，为片上精细光场调控的研究打开了一扇大门，开辟众多此前无法实现的复杂光子集成应用场景。例如，该研究的设计框架可以灵活地迁移到其他的材料平台（磷化铟、氮化硅等），并在其他的工作波段（O波段、中红外波段等）带来新的可能性。

论文信息：

该成果以“Metamaterial enabled arbitrary on-chip spatial mode manipulation”为题发表在  Light: Science & Applications。论文通讯作者为郭旭涵副教授和苏翼凯教授，第一作者为博士研究生向金龙。该工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金和武汉光电国家研究中心开放课题等项目的资助。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00859-9