近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院光传输与集成光子学实验室（OTIP）苏翼凯教授课题组何宇博士联合贝尔实验室、上海大学先进通信与智能网络研发中心团队，提出并实验演示了一种具有一定工艺容差的片上高阶模式复用器。该项工作基于亚波长超表面结构对光场的调控机理，有效解决了片上多模态耦合存在的模间色散及相位失配问题，实现了16阶模式（TE0~TE15）的纪录性复用阶数。课题组实验演示了基于片上模分复用技术的高速数据传输，可实现2.162 Tbit/s的净数据率，这是目前见于报道的片上器件单波长最高数据传输速率。相关成果以“On-chip metamaterial-enabled high-order mode-division multiplexing”（片上超表面辅助的高阶模式复用）为题发表于国际著名光学期刊《Advanced Photonics》上。

研究背景

随着移动办公、云计算、远程医疗等互联网新业务的出现，以及社会信息化进程的快速发展，人类已进入了“大数据”时代。宽带网络和数据中心的信息传输与交换容量在过去4年内增长了10倍以上，高于传统摩尔定律的增速。这对光通信技术提出了更高的要求，光通信传输技术正朝着更高调制速率和频谱效率、更低能耗和成本的超大容量光通信系统发展。预计到2030年，片上光传输容量将达Pbit/s量级，为集成光芯片的发展带来巨大挑战。

多维复用作为一种综合性复用技术，结合光的多个物理维度实现信道利用率的最大化，将成为片上超大容量光通信系统发展的趋势。波分复用、偏振复用技术已相对成熟，模式复用作为一个新的物理维度近年来获得广泛研究。然而，受限于硅材料本身高折射率所带来的模间色散及相位失配等问题，现有片上模式复用技术的相关报道仅局限于低阶模式。

光通信复用技术的五个物理维度

创新成果

为解决上述问题，何宇创新性地使用超表面结构，通过改变亚波长尺度周期内硅材料与上包层SiO2占比，实现等效材料折射率的梯度分布，进而可在大尺度内对波导内模式的有效折射率进行调控，解决不同模式间的折射率失配问题，实现超紧凑绝热模式耦合。该方案为片上无源器件设计提供了一个新的自由度，可通过调节硅纳米柱在单周期内占比，实现对片上光波导材料折射率的调控。

基于超表面结构模式复用器设计原理、仿真及实验制备器件扫描电子显微镜照片

基于以上原理，该团队设计实现了16个模式的硅基片上模分复用/解复用光芯片，相比传统模式复用器件通道数提升了3倍以上。16个模式并行传输，信道间串扰低于-10.3 dB。该工作基于自主研发和加工的芯片，加载了高速信号以实现单波长单偏振的2.162 Tbit/s净数据率传输，系统频谱效率可达43.24 bit/s/Hz。该成果为面向片上光互连的硅光集成芯片提供了超高数据容量和超高集成度的技术方案。此外，该项技术也有广泛前景可应用于量子光通信、人工智能等前沿领域，通过模式通道数极大地拓展量子编码、光计算所需的并行通道数，进而实现更高的信道容量及硬件加速水平。

论文信息

上海交通大学为该研究的第一完成单位，博士后何宇为第一作者，苏翼凯教授为通讯作者。论文主要完成人包括：何宇（上海交通大学博士后）、李星峰（上海交通大学博士生）、张永（上海交通大学副研究员）、陈昊硕（美国贝尔实验室研究员）、黄烨恬（上海大学博士）、苏翼凯（上海交通大学教授）等。

论文链接：

https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics/volume-5/issue-05/056008/On-chip-metamaterial-enabled-high-order-mode-division-multiplexing/10.1117/1.AP.5.5.056008.full

期刊信息：

《Advanced Photonics》创刊于2019年，是由中国科学院上海光机所、中国激光杂志社和SPIE联合出版的旗舰期刊。《Advanced Photonics》始终引导重大科学成果传播发展，2022年影响因子17.3，排名全球光学期刊第四（4/100）。