导读

随着大数据时代容量需求的不断增长，先进的调制格式和多维复用技术在光通信系统中得到了广泛的应用，有效地提高了数据传输容量和光谱效率。携带先进调制格式的多路复用信号的解复用和解调对于高速片上光互连具有重要意义。目前，光子集成功能器件正朝着小型化方向发展。与具有超密集集成能力的电子芯片不同，光学功能器件的尺寸通常可达几十微米甚至数百微米，如模式复用器，光学混频器，交叉波导等，导致光模块尺寸达到毫米量级，这严重限制了光模块的大规模集成能力和成本。

近些年的研究进展表明，基于逆向设计的片上介质超表面器件的超紧凑特性可以推动光子器件或光模块的密集集成发展。虽然逆向设计方法可以实现超紧凑光学器件，但目前关于更高阶模式复用器和光学混频器等作为未来更大容量的多模相干光通信系统的核心器件以及模块尚无报道。

图1：超密集集成的多维光子芯片示意图。

近期，来自华中科技大学的科研团队，与香港理工大学多位研究学者合作，以“Dielectric metasurfaces enabled ultradensely integrated multi-dimensional optical system”为题，在Laser and Photonics Reviews上发表了超紧凑多维光子集成芯片的研究工作。

逆向设计器件

为了有效地减小光子模块的体积，首先需要缩减基本功能器件的尺寸，该研究首先基于逆向设计器件设计了五个超紧凑的片上介质超表面功能器件，包括的TE四模式解复用器(4.8×4.8 μm²)、光学混频器(4.8×4.2 μm²)、交叉波导(3.6×3.6 μm²)和弯曲波导(2.4×2.4 μm²)。文章还设计了TM四模式解复用器(9×4 μm²)。图2给出了五个独立器件的传播场仿真结果，表明这些器件可以很好的完成对应的功能，可以看出这些器件的特征长度通常只有几个微米，比传统器件要小一个数量级以上，为光子器件的小型化提供了一种有力的方法。

图2：逆向设计器件仿真结构。

多维光子芯片系统

随后，基于这些基础器件，该研究提出了一个超密集集成芯片示例：四模式解复用光学混频器（MDOH），该组合芯片首先使用模式解复用器对总线波导中的四种输入TE模式进行解复用。然后通过多次弯曲(B1-B8)将四束光进一步分离，并将每束光分别注入到一个光学混频器(H1-H4)中。随后，两个交叉波导(C1-C2)辅助引出混频器的参考波导(Ref1-Ref4)。在实际应用中，本地光从参考波导注入。根据每个混频器的四个输出端口的光强，可以独立地解调四种模式承载的高级调制信号。在设计好基础器件后，即可完成面积较小的复杂光学模块或子系统的组装。该工作在一个只有20×30mm²的区域内集成了15个功能器件，证实了超紧凑多维光子系统的可能性，极大地扩展片上超表面集成器件的应用，并为大规模大容量光通信系统铺平了另一条道路。未来还可以进一步与波分复用或偏振复用相结合，实现更密集的光信号处理器集成，该工作也推动了大规模和超密集集成的单片微处理器的发展。

图3: 多维光子芯片系统显微镜图。

论文信息

该研究成果以" Dielectric Metasurfaces Enabled Ultradensely Integrated Multidimensional Optical System"为题在线发表在Laser and Photonics Reviews。来自华中科技大学的董建绩教授为论文的通讯作者，周海龙副教授和王逸伦博士为论文的第一作者。论文的合作作者还包括香港理工大学的Ping-kong Alexander Wai教授，李锋博士，黄冬梅博士以及华中科技大学的高晓岩博士、郜定山教授博士和张新亮教授。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100521