基于超材料的组合和传输多种光模式的新策略

​超材料利用多模波导实现特定的光传播模式。(左图）折射率沿光传播方向连续变化的一维梯度指数超材料（GIM）结构概念图。(右图）基于 GIM 的耦合器，用于 16 通道 MDM 系统；（下图）耦合区域的 SEM 图像。资料来源：He 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056008。

过去几年，每秒传输和处理的数据量激增。快速出现的技术，如高维量子通信、大规模神经网络和大容量网络，都需要大带宽和高数据传输速度。实现这些目标的一个可行方法是用光互连取代电子系统中元件之间的传统金属导线，即用光束代替电力来建立数据传输通道。

通过一种称为模分多路复用（MDM）的技术，光互连可以提供难以置信的高速度。通过精确设计的波导结构，光可以以特定的模式（称为 "模式"）传播。由于多种模式可以同时在同一介质中传播而不会相互干扰，因此它们可以有效地充当独立的数据通道，从而提高系统的整体数据传输速率。

然而，迄今为止报道的 MDM 系统速度有限，主要原因是器件制造过程中的缺陷导致波导的折射率变化。减少缺陷的方法之一是通过优化波导的结构和成分，精心设计波导的折射率。遗憾的是，目前可用的方法受限于材料的选择或由此产生的巨大电路占用空间。

在此背景下，包括中国上海交通大学苏义凯教授在内的研究团队试图开发出一种新方法来耦合（或组合）不同的光模式。正如发表在《先进光子学》（Advanced Photonics）上的研究报告所述，该研究团队在 MDM 系统中成功采用了这一技术，实现了前所未有的数据传输速率。

这项研究的主要亮点是创新设计了一种光模耦合器，这种结构可以操纵在附近总线波导（如承载总多模信号的纳米线）中传播的特定光模。耦合器可以向总线波导中注入所需的光模，也可以从中提取光模，将其送往不同的路径。

研究人员调整了耦合器的折射率，使其在存在制造误差的情况下，在宽范围的耦合区域内与所需的光模式产生强烈的相互作用，从而实现了高耦合系数。他们利用梯度指数超材料（GIM）波导实现了这一目标。

与普通材料不同，GIM 的折射率沿光的传播方向连续变化。这反过来又通过减轻波导的参数变化，促进了单个光模式在纳米线总线之间无缝、高效的转换。

通过级联多个耦合器，研究人员创建了一个 16 通道 MDM 通信系统，可同时支持 16 种不同的光模式（从 TE0 到 TE15）。在数据传输实验中，该系统的数据传输速率达到了 2.162 Tbit/s，这是在单一波长下工作的片上设备的最高传输速率。

此外，该系统的制造采用了与半导体器件制造兼容的方法，如电子束光刻、等离子刻蚀和化学气相沉积。这使得设计易于扩展，并与当前可用的制造技术兼容。

总之，所提出的使用 GIM 结构的耦合策略可以提供急需的数据传输速率提升，尤其是在大规模并行数据传输和计算非常普遍的领域。这可以转化为硬件加速、大规模神经网络和量子通信领域的新基准。

 

参考资料

Yu He et al, On-chip metamaterial-enabled high-order mode-division multiplexing, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.5.056008

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