近日，美國光學學會旗下頂級光學期刊Optica在線發表了武漢光電國家研究中心郜定山副教授研究組和廈門大學陳煥陽教授團隊合作論文”Universal multimode waveguide crossing based on transformation optics”。我校博士生李書軼、廈門大學碩士生周楊陽分別為論文第一、第二作者，郜定山和陳煥陽為論文共同通訊作者。
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。傳統的波分複用技術成本高，一般只適合在長距離光纖通信系統中使用，而在芯片等短距離光互連方面沒有優勢。近年來，人們發展了一種光波導模式複用技術，為實現低成本、大容量的芯片級光互連帶來了曙光。目前，集成的模式複用/解複用器件、模式轉換器件等日益發展成熟，但構建大規模模式複用路由通信的核心器件“多模波導交叉連接器”仍難以攻克。現有的多模交叉連接器僅能支持兩個波導模式或者兩個交叉通道，應用十分受限。
合作研究團隊提出了一種全新的思路，基於變換光學物理原理來設計通用型集成多模光交叉連接器。利用麥克斯韋魚眼稜鏡結構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，構成多模交叉連接器。研究人員還發展了一種“人工邊界保角變換”新方法，來靈活調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界面的折射率和波前失配。理論仿真結果表明，器件可同時支持多個波導模式，傳輸損耗均低於0.25dB，工作帶寬覆蓋1300~1700nm的整個光通信波段，串擾低於-20dB。該研究團隊利用灰度電子束曝光技術，在商用絕緣體上硅（silicon-on-insulator，簡稱SOI）基片上製作出高度漸變的變換魚眼多模交叉連接器，實驗測試結果與理論結果符合較好。該研究成果克服了傳統設計方法的侷限，首次實現了支持任意模式數量、任意交叉通道數的通用型多模光交叉連接器，為構建片上大規模多模複用通信系統鋪平了道路。
圖1 基於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佈

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製作的魚眼多模波導交叉連接器
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。
文章鏈接：
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-12-1549
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