不斷拓展芯片上的光通信容量是集成光學研究的重要目標之一。傳統(tǒng)的波分復(fù)用技術(shù)成本高，一般只適合在長距離光纖通信系統(tǒng)中使用，而在芯片等短距離光互連方面沒有優(yōu)勢。近年來，人們發(fā)展了一種光波導(dǎo)模式復(fù)用技術(shù)，為實現(xiàn)低成本、大容量的芯片級光互連帶來了曙光。目前，集成的模式復(fù)用/解復(fù)用器件、模式轉(zhuǎn)換器件等日益發(fā)展成熟，但構(gòu)建大規(guī)模模式復(fù)用路由通信的核心器件“多模波導(dǎo)交叉連接器”仍難以攻克。現(xiàn)有的多模交叉連接器僅能支持兩個波導(dǎo)模式或者兩個交叉通道，應(yīng)用十分受限。

合作研究團隊提出了一種全新的思路，基于變換光學物理原理來設(shè)計通用型集成多模光交叉連接器。利用麥克斯韋魚眼棱鏡結(jié)構(gòu)獨特的無像差成像特性，沿魚眼圓周邊界排布多路交叉的輸入和輸出波導(dǎo)，構(gòu)成多模交叉連接器。研究人員還發(fā)展了一種“人工邊界保角變換”新方法，來靈活調(diào)控魚眼邊界外形和折射率，完美的消除了魚眼與輸入輸出波導(dǎo)界面的折射率和波前失配。理論仿真結(jié)果表明，器件可同時支持多個波導(dǎo)模式，傳輸損耗均低于0.25dB，工作帶寬覆蓋1300~1700nm的整個光通信波段，串擾低于-20dB。該研究團隊利用灰度電子束曝光技術(shù)，在商用絕緣體上硅（silicon-on-insulator，簡稱SOI）基片上制作出高度漸變的變換魚眼多模交叉連接器，實驗測試結(jié)果與理論結(jié)果符合較好。該研究成果克服了傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限，首次實現(xiàn)了支持任意模式數(shù)量、任意交叉通道數(shù)的通用型多模光交叉連接器，為構(gòu)建片上大規(guī)模多模復(fù)用通信系統(tǒng)鋪平了道路。

圖1 基于變換光學原理的麥克斯韋魚眼多模交叉連接器及折射率分布

圖2 變換魚眼多模交叉連接器的各階模式光傳輸特性

圖3 變換魚眼多模交叉與直接多模交叉的傳輸特性比較

圖4 電子束灰度曝光技術(shù)制作的魚眼多模波導(dǎo)交叉連接器

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高校研究基金的資助，研究和論文撰寫中還得到了華中科技大學董建績教授和張新亮教授，中南民族大學侯金副教授、楊春勇教授、陳少平教授，以及巴黎南大學Eric Cassan教授的貢獻和支持。