隨著以人工智能為代表的新一代變革性信息技術(shù)的涌現(xiàn)，以電子作為信息載體的微電子芯片正面臨日益突出的“電子瓶頸”問題，與現(xiàn)有標準CMOS集成電路工藝兼容的硅光芯片技術(shù)是目前最具潛力的解決方案。近期，物理學院光信息技術(shù)團隊吳勝保副教授聯(lián)合東南大學、南京理工大學、福州大學等單位研究人員，在構(gòu)建大容量、高集成度硅光芯片中的關(guān)鍵功能單元，如模分復(fù)用、偏振管理、交叉連接等取得了系列進展。
在模式復(fù)用技術(shù)方面，團隊提出一種基于反向模式變換多模波導(dǎo)光柵作為引擎，雙向非對稱定向耦合器作為接入波導(dǎo)的緊湊型片上模分復(fù)用架構(gòu)。該架構(gòu)克服了傳統(tǒng)技術(shù)不能直接訪問多模總線波導(dǎo)中的特定低階模式的局限，且可與光開關(guān)結(jié)合構(gòu)建一種雙向/雙模式可重構(gòu)模式上下路器，具有高度的靈活性和可擴展性。實驗演示了基于該架構(gòu)的4通道模式解復(fù)用器具有0.3-2.4dB插損，低于-17.5dB模式串擾，3dB工作帶寬超100nm，性能達到同類先進水平。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology(DOI 10.1109/JLT.2024.3499336), 碩士研究生張磊為第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。
在偏振管理上，團隊設(shè)計并實驗演示了一種高性能、超寬帶片上偏振分束器。該器件利用了多模波導(dǎo)中超高的偏振模雙折射，通過精細模式調(diào)控的反向模式變換光柵實現(xiàn)了不同偏振態(tài)沿不同方向路由，再配合絕熱非對稱定向耦合器實現(xiàn)了超寬帶的模式耦合輸出。測試結(jié)果顯示，該器件消光比>30dB的工作帶寬超220nm，性能優(yōu)于同類器件。相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express (2025,33:7771), 碩士研究生張磊和高志遠為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。此外，團隊還針對經(jīng)典布拉格光柵型起偏器的反射信號會干擾前置光路的難題，提出了一種寬帶的反射信號抑制技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Letters（2024, 49:4995），吳勝保副教授為第一作者，姚曉天教授為論文通訊作者。
針對高集成度交叉連接問題，團隊提出多種新型波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)。基于復(fù)合亞波長光柵陣列的超緊湊星形交叉結(jié)構(gòu)，利用扇形和納米孔洞超構(gòu)亞波長光柵陣列，調(diào)控光場的波前和模式相差，首次實現(xiàn)了偏振無關(guān)的3×3星型交叉，尺寸僅12.68×10.98 μm2，在光通信C波段測試插入損耗≤0.35 dB/0.4 dB (TE/TM)，串擾≤-31.5 dB/-28.6 dB，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Letters（2024, 49:4326），碩士研究生于千里為論文的第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于亞波長光柵槽波導(dǎo)的交叉結(jié)構(gòu)，利用槽波導(dǎo)對光場的納米聚焦作用，正交亞波長光柵的等效各向異性介質(zhì)超材料的性質(zhì)，有效抑制了交叉區(qū)域的衍射效應(yīng)，實現(xiàn)了低損耗、低串擾的傳輸，實驗測得插入損耗約0.1dB，串擾低于-35dB，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express(2025,33:4902), 碩士研究生朱家寶和于千里為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于二維亞波長多孔超材料的多模波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，在2μm中紅外波段表現(xiàn)出色，尺寸僅為12.6μm×12.6μm，對TE?、TE?和TE?模式的插入損耗分別低于0.37dB、0.28dB和0.32dB，串擾低于-32dB，為中紅外光通信和計算領(lǐng)域提供了關(guān)鍵器件，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express(2025,33:6788), 南京理工大學倪斌博士為第一作者，倪斌博士、吳勝保副教授為共同通訊作者。
上述工作中東南大學肖金標教授、福州大學郭振釗博士在流片和技術(shù)上提供了大量的支持和幫助。
以上工作得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金、河北大學引進人才啟動項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費支持。
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