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基于变换光学原理的新型集成光子器件

2019-01-31

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。

近日,美国光学学会旗下顶级光学期刊Optica在线发表了武汉光电国家研究中心郜定山副教授研究组和厦门大学陈焕阳教授团队合作论文”Universal multimode waveguide crossing based on transformation optics”。我校博士生李书轶、厦门大学硕士生周杨阳分别为论文第一、第二作者,郜定山和陈焕阳为论文共同通讯作者。

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。

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