随着全球数据流量的迅猛增长，光通信技术迎来了前所未有的机遇。近日，华中科技大学董建绩教授团队与国家信息光电子创新中心肖希博士团队合作，成功研发了一种基于Beneš架构的高密度多模光开关矩阵。该光开关矩阵支持同时切换四种模式，并在C波段的所有模式下实现了超过9 dB的消光比。研究表明，该光开关矩阵在极小尺寸和低功耗下，能够维持50 Gbaud PAM4信号的高质量传输，成为下一代高效光通信系统的重要突破。研究成果已以“Large-Scale High-Density Multimode Optical Switch Matrix”为题，于2024年9月在线发表在《Laser & Photonics Reviews》。

近年来，随着人工智能、大数据和5G网络的快速发展，全球对高速、大容量通信技术的需求持续攀升。然而，传统电子开关在面对不断增加的带宽需求时，逐渐暴露出带宽瓶颈和高能耗的问题，光开关技术成为解决这一难题的关键方向。模分复用（MDM）技术通过在同一波长上并行传输多个信道信息，有望解决通信容量问题。基于硅基集成的MDM网络，光通信系统将实现高密度、低成本的集成，大幅提高通信效率。

图1.多模光开关矩阵的概念设计和原理图。a）多模2 × 2光开关示意图；b）基于Beneš结构的多模光开关矩阵示意图；c） 多模光开关矩阵的显微镜图像。

现有光开关技术多采用微环谐振器或马赫-曾德尔干涉仪（MZI）来实现光信号切换，但在带宽、模式支持数量和能耗方面仍有局限。微环谐振器虽然紧凑，但对输入波长敏感，容易受环境影响；而基于MZI的光开关虽然带宽大，但多数仅支持单模传输。为突破这些限制，如图1a所示，研究团队设计了一种基于两个并联电极的多模2×2光开关，尺寸仅为0.47×0.08 mm²。实验结果表明，该设备在所有模式下的消光比均超过15 dB，功耗低至38.5 mW，极大提升了光通信系统的集成度与切换效率。在此基础上，团队提出了一种新的光开关矩阵设计，基于Beneš架构的4×4多模光开关矩阵可同时切换四种模式。图1b和图1c分别展示了多模光开关矩阵示意图和其显微镜图像。通过减少冗余的模式复用操作，有效降低了额外损耗和串扰，显著提升了性能。研究表明，该矩阵在1530 nm至1590 nm波长范围内实现了超过9 dB的消光比，经过特殊设计的光开关矩阵尺寸仅为传统设计的十分之一（1.46×0.23 mm²）。光开关矩阵的功耗则控制在0至154 mW之间，相比传统矩阵显著降低。实验还验证了该多模光开关矩阵在50 Gbaud PAM4信号传输中的出色表现，误码率（BER）均低于前向纠错（FEC）限制，证明其具备在高速数据传输中的潜力。

本研究提出并验证了一种紧凑高效的四模2×2光开关。在1530至1590 nm波长范围内，实验结果显示消光比超过15 dB，功耗仅为38.5 mW。此外，基于Beneš架构的4×4光开关矩阵，通过减少冗余的模式复用和多模波导交叉，显著提升了系统的集成度和容量。该多模4×4光开关矩阵在C波段实现了9 dB以上的消光比，并维持较低的功耗和高效的50 Gbaud PAM4信号传输性能。研究团队展示的紧凑设计不仅适用于大规模数据中心和超级计算机的片上光互连，还为光通信领域的高密度集成技术铺平了道路。

本研究得到了国家自然科学基金联合基金重点项目（U21A20511）的资助。华中科技大学董建绩教授与国家信息光电子创新中心肖希博士为该论文的共同通讯作者，博士研究生孙尚森为论文的第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400930