使用变换光学原理设计的新型集成光子器件详细介绍

不断拓展芯片上的光通信容量是集成光学研究的重要目标之一。传统的波分复用技术成本高，一般只适合在长距离光纤通信系统中使用，而在芯片等短距离光互连方面没有优势。近年来，人们发展了一种光波导模式复用技术，为实现低成本、大容量的芯片级光互连带来了曙光。目前，集成的模式复用/解复用器件、模式转换器件等日益发展成熟，但构建大规模模式复用路由通信的核心器件“多模波导交叉连接器”仍难以攻克。现有的多模交叉连接器仅能支持两个波导模式或者两个交叉通道，应用十分受限。

合作研究团队提出了一种全新的思路，基于变换光学物理原理来设计通用型集成多模光交叉连接器。利用麦克斯韦鱼眼棱镜结构独特的无像差成像特性，沿鱼眼圆周边界排布多路交叉的输入和输出波导，构成多模交叉连接器。研究人员还发展了一种“人工边界保角变换”新方法，来灵活调控鱼眼边界外形和折射率，完美的消除了鱼眼与输入输出波导界面的折射率和波前失配。理论仿真结果表明，器件可同时支持多个波导模式，传输损耗均低于0.25dB，工作带宽覆盖1300~1700nm的整个光通信波段，串扰低于-20dB。该研究团队利用灰度电子束曝光技术，在商用绝缘体上硅（silicon-on-insulator，简称SOI）基片上制作出高度渐变的变换鱼眼多模交叉连接器，实验测试结果与理论结果符合较好。该研究成果克服了传统设计方法的局限，首次实现了支持任意模式数量、任意交叉通道数的通用型多模光交叉连接器，为构建片上大规模多模复用通信系统铺平了道路。

图1 基于变换光学原理的麦克斯韦鱼眼多模交叉连接器及折射率分布

图2 变换鱼眼多模交叉连接器的各阶模式光传输特性

图3 变换鱼眼多模交叉与直接多模交叉的传输特性比较

图4 电子束灰度曝光技术制作的鱼眼多模波导交叉连接器

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校研究基金的资助，研究和论文撰写中还得到了华中科技大学董建绩教授和张新亮教授，中南民族大学侯金副教授、杨春勇教授、陈少平教授，以及巴黎南大学Eric Cassan教授的贡献和支持。