光子芯片是后摩爾時代的一個重要發(fā)展方向,在光通信、光傳感和光計算方面都有著非常重要的應(yīng)用。波導(dǎo)陣列是光子芯片的基本組成部分之一,也是集成光子系統(tǒng)中占用面積最大的元件。密集波導(dǎo)陣列既可以實現(xiàn)波導(dǎo)元件的高密度集成,顯著降低片上占用面積和成本,同時也可提高諸如相控陣和空分復(fù)用等器件的性能。但是,由于光子的隧穿效應(yīng),相鄰波導(dǎo)間的光信號并不能被完全隔離,形成了波導(dǎo)間信號的串?dāng)_,并且這種串?dāng)_會隨著波導(dǎo)距離的減小而急劇增大,極大地限制了片上集成度的提高,是光學(xué)領(lǐng)域的一個重要難題。
近日,上??萍即髮W(xué)信息學(xué)院鄒毅課題組基于人工規(guī)范場(Artificial Gauge Field,AGF)理論,提出了一種片上半波長芯間距、低串?dāng)_、大帶寬的密集波導(dǎo)陣列設(shè)計方案。相關(guān)成果以題為“Artificial gauge field enabled low-crosstalk, broadband, half-wavelength pitched waveguide arrays”在國際光學(xué)期刊Laser & Photonics Reviews上發(fā)表。
研究人員通過在密集波導(dǎo)陣列中引入周期性人工規(guī)范場,對傳播的光量子態(tài)引入一個額外的相位,改變等相面的分布,獲得復(fù)數(shù)化的耦合系數(shù),從而影響到相鄰模式之間的耦合,達(dá)到抑制量子隧穿的效應(yīng)的目的。該抑制行為是一般性的行為,對任意形式的周期性人工規(guī)范場都有效。
圖|人工規(guī)范場調(diào)控密集波導(dǎo)陣列
同時,課題組基于該原理設(shè)計了硅基半波長芯間距的密集波導(dǎo)陣列。通過對波導(dǎo)軌跡進(jìn)行調(diào)制,引入人工規(guī)范場,來抑制波導(dǎo)陣列間的強烈串?dāng)_。實驗結(jié)果表明,在由64根半波長芯間距波導(dǎo)組成的陣列中,實現(xiàn)了具有70nm帶寬的-30dB的串?dāng)_抑制和大于100nm的-25dB的串?dāng)_抑制,以及可忽略不計的插入損耗。該設(shè)計可以在片上實現(xiàn)靈活的路由,并將現(xiàn)有的波導(dǎo)集成度提升了3倍以上。
圖|半波長間隔密集波導(dǎo)陣列性能
上??萍即髮W(xué)是該成果的第一完成單位。信息學(xué)院助理研究員周培基和2018級博士研究生李挺為論文的共同第一作者,鄒毅教授為論文通訊作者,華中科技大學(xué)沈力教授、南京大學(xué)李濤教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐小川教授也對該工作進(jìn)行了指導(dǎo)。此成果在上??萍即髮W(xué)量子器件中心(SQDL平臺)完成。
(來源: 上海科技大學(xué))