隨著以人工智能為代表的新一代變革性信息技術(shù)的涌現(xiàn)，以電子作為信息載體的微電子芯片正面臨日益突出的“電子瓶頸”問(wèn)題，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝兼容的硅光芯片技術(shù)是目前最具潛力的解決方案。近期，物理學(xué)院光信息技術(shù)團(tuán)隊(duì)吳勝保副教授聯(lián)合東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、福州大學(xué)等單位研究人員，在構(gòu)建大容量、高集成度硅光芯片中的關(guān)鍵功能單元，如模分復(fù)用、偏振管理、交叉連接等取得了系列進(jìn)展。
在模式復(fù)用技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)提出一種基于反向模式變換多模波導(dǎo)光柵作為引擎，雙向非對(duì)稱(chēng)定向耦合器作為接入波導(dǎo)的緊湊型片上模分復(fù)用架構(gòu)。該架構(gòu)克服了傳統(tǒng)技術(shù)不能直接訪(fǎng)問(wèn)多?？偩€(xiàn)波導(dǎo)中的特定低階模式的局限，且可與光開(kāi)關(guān)結(jié)合構(gòu)建一種雙向/雙模式可重構(gòu)模式上下路器，具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)演示了基于該架構(gòu)的4通道模式解復(fù)用器具有0.3-2.4dB插損，低于-17.5dB模式串?dāng)_，3dB工作帶寬超100nm，性能達(dá)到同類(lèi)先進(jìn)水平。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology(DOI 10.1109/JLT.2024.3499336), 碩士研究生張磊為第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。
在偏振管理上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示了一種高性能、超寬帶片上偏振分束器。該器件利用了多模波導(dǎo)中超高的偏振模雙折射，通過(guò)精細(xì)模式調(diào)控的反向模式變換光柵實(shí)現(xiàn)了不同偏振態(tài)沿不同方向路由，再配合絕熱非對(duì)稱(chēng)定向耦合器實(shí)現(xiàn)了超寬帶的模式耦合輸出。測(cè)試結(jié)果顯示，該器件消光比>30dB的工作帶寬超220nm，性能優(yōu)于同類(lèi)器件。相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express (2025,33:7771), 碩士研究生張磊和高志遠(yuǎn)為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。此外，團(tuán)隊(duì)還針對(duì)經(jīng)典布拉格光柵型起偏器的反射信號(hào)會(huì)干擾前置光路的難題，提出了一種寬帶的反射信號(hào)抑制技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Letters（2024, 49:4995），吳勝保副教授為第一作者，姚曉天教授為論文通訊作者。
針對(duì)高集成度交叉連接問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出多種新型波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)。基于復(fù)合亞波長(zhǎng)光柵陣列的超緊湊星形交叉結(jié)構(gòu)，利用扇形和納米孔洞超構(gòu)亞波長(zhǎng)光柵陣列，調(diào)控光場(chǎng)的波前和模式相差，首次實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)的3×3星型交叉，尺寸僅12.68×10.98 μm2，在光通信C波段測(cè)試插入損耗≤0.35 dB/0.4 dB (TE/TM)，串?dāng)_≤-31.5 dB/-28.6 dB，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Letters（2024, 49:4326），碩士研究生于千里為論文的第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于亞波長(zhǎng)光柵槽波導(dǎo)的交叉結(jié)構(gòu)，利用槽波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的納米聚焦作用，正交亞波長(zhǎng)光柵的等效各向異性介質(zhì)超材料的性質(zhì)，有效抑制了交叉區(qū)域的衍射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了低損耗、低串?dāng)_的傳輸，實(shí)驗(yàn)測(cè)得插入損耗約0.1dB，串?dāng)_低于-35dB，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express(2025,33:4902), 碩士研究生朱家寶和于千里為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于二維亞波長(zhǎng)多孔超材料的多模波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，在2μm中紅外波段表現(xiàn)出色，尺寸僅為12.6μm×12.6μm，對(duì)TE?、TE?和TE?模式的插入損耗分別低于0.37dB、0.28dB和0.32dB，串?dāng)_低于-32dB，為中紅外光通信和計(jì)算領(lǐng)域提供了關(guān)鍵器件，相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express(2025,33:6788), 南京理工大學(xué)倪斌博士為第一作者，倪斌博士、吳勝保副教授為共同通訊作者。
上述工作中東南大學(xué)肖金標(biāo)教授、福州大學(xué)郭振釗博士在流片和技術(shù)上提供了大量的支持和幫助。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金、河北大學(xué)引進(jìn)人才啟動(dòng)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)支持。
論文鏈接：
冀公網(wǎng)安備 13060602000986號(hào)