前沿：利用飞秒激光直写复用器和硅基开关阵列处理光纤模式和偏振

研究背景

      随着移动互联网、大数据、云计算等技术的发展，人们对数据传输和处理的要求也越来越高。作为通信行业的支柱，大容量光通信是重要发展趋势。在过去的几十年里，通过波分复用、时分复用、偏振复用和高级调制格式等技术方法，单模光纤的容量逐渐增加并逼近其传输的物理极限，这促使人们考虑采用光波新的物理维度来持续增加光纤通信的容量。其中，以少模光纤等为代表的模分复用技术，利用相互正交的模式作为不同信息的载体，通过复用能够有效提升系统传输容量，其也成为下一代光通信实现可持续扩容的有力候选。

      硅基光子集成芯片凭借其低损耗、高集成度以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容等优势，为光信号处理提供了一个强大而灵活的集成平台。然而，现有少模光纤和硅基波导的耦合方案大都具有较少的模式数目、较大的损耗、较高的串扰和较小的带宽。如何实现少模光纤和硅基波导的高效耦合并使用硅光芯片来处理少模光纤中的偏振/模式仍未有很好的解决方案。

论文导读

      光纤通信在过去几十年的快速发展，展示了其在光通信网络中传输光信号的优越能力；光子集成则为光信号的灵活处理提供了一个很有前景的平台。因此，现代通信网络的一个重要的发展趋势是利用光纤链路传输信号，而用光子集成芯片在网络节点处理光信号。近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授领导的多维光子学实验室（MDPL）团队利用飞秒激光加工的3D光子集成芯片来实现少模光纤和硅基光开关芯片的高效耦合，构建了一个波分复用兼容的少模光纤-芯片-少模光纤系统，展示了少模光纤中模式/偏振信号的传输、复用、解复用、路由和交换等功能。相关工作以“Handling mode and polarization in fiber by fs-laser inscribed (de)multiplexer and silicon switch array”为题于2023年5月2日发表在PhotoniX上。

主要研究内容

      本文利用飞秒激光加工的复用器，实现了少模光纤和硅基波导的高效耦合，并构建了少模光纤-芯片-少模光纤系统，展示了少模光纤中6个偏振/模式（LP₀₁^x,y, LP_11a^x,y, LP_11b^x,y）的传输、复用、解复用、路由和交换。如图1 所示，少模光纤中的6个不同模式/偏振首先通过模式/偏振解复用器被解复用到6个通道，再经过6×6的无阻塞硅基光开关进行光信号处理，最后处理后的信号通过模式/偏振复用器复用成6个不同模式/偏振并在少模光纤中传输。其中，用于处理光信号的硅基无阻塞光开关经过拓扑优化，具有更少的开关单元、交叉波导和简单的拓扑结构。

      如图2所示，该团队搭建了一套少模光纤-芯片-少模光纤的信号传输系统，用于展示系统的通信性能。通信实验表明，经过硅基光开关处理后的不同模式/偏振都可以在多个波分复用信道上传输30Gbaud正交相移键控（QPSK）信号，其在3.8e?3的误码率下，测量到的光信噪比（OSNR）代价小于4.5 dB。这表明所展示的少模光纤-芯片-少模光纤系统可以兼容波分复用技术且具有良好的通信性能。该系统将在少模光纤通信以及光纤和芯片融合的光互连和光处理方面发挥重要作用。

技术突破

      本文结合少模光纤传输信号和集成芯片处理信号的优势，构建了一个少模光纤-芯片-少模光纤的系统，实现了少模光纤中的模式/偏振信号的各种处理，以满足实际通信的需求（图1）。该系统中采用了两种不同的芯片，包括光刻技术加工的2D硅基光子集成芯片和飞秒激光加工的3D二氧化硅芯片。硅基光子集成芯片利用2×2多模干涉器的单元开关和交叉波导构建了一个6×6无阻塞光开关，可以实现光信号的无阻塞路由和交换。与传统的Benes和Spanke-Benes光交换拓扑结构相比，本文的无阻塞光开关经过拓扑优化，具有更少的开光单元和交叉波导、拓扑结构简单等优点。3D二氧化硅芯片采用飞秒激光直写技术制成，解决了少模光纤和硅基波导中模式在形状和尺寸上失配的问题，实现少模光纤和硅基芯片的高效耦合。

      由于系统的单元器件是宽带响应的，整个光纤和芯片互连系统具有波分复用兼容性，允许多个波长同时工作。通过同时在多个波分复用信道上传输30Gbaud QPSK信号，该团队进一步测量了少模光纤-芯片-少模光纤系统中模式/偏振混合信号经过传输、路由和交换后的比特误码率（BER）、OSNR代价和星座图（图2）。实验结果表明该少模光纤-芯片-少模光纤系统具有良好的通信性能（图3）。

观点评述

      本工作利用硅基光子集成芯片和飞秒激光加工的复用器，构建了少模光纤-芯片-少模光纤系统，展示了少模光纤中模式/偏振信号的各种传输和处理功能，包括传输、复用、解复用、路由和交换等。该少模光纤-芯片-少模光纤系统充分利用了光纤传输信号和集成芯片处理信号的优势，为下一代光通信的大容量信号传输和处理提供了一种重要的光互连架构。该团队采用的飞秒激光加工的3D耦合器，实现了少模光纤和硅基波导的高效耦合，使得更多模式通道以及其它类型的光纤与硅基波导耦合成为可能，为构建更加复杂、更大规模、更大容量、多种光纤的光通信网络提供了重要支撑。

主要作者

      李康，华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生，研究方向为硅基多维复用和调控。

      王健，华中科技大学博士、教授、博导，武汉光电国家研究中心副主任。主要研究方向是光场调控、多维光通信、光信号处理、光电子器件与集成、硅基光子集成芯片。2021年获得国家杰出青年科学基金。2020年当选美国光学学会会士（OPTICA Fellow），2022年当选国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）。曾入选国家优秀青年科学基金、长江学者奖励计划青年学者、国家万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会牛顿高级学者。2022年获王大珩光学奖中青年科技人员奖。第1完成人2016和2019年两次获教育部自然科学一等奖。2020年获教育部青年科学奖。承担国家重点研发计划（项目负责人）和国家973计划（课题负责人）等项目10余项。第一/通讯作者发表Science、Nature Photonics、Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Physical Review Letters等学术论文230余篇，论文引用15700余次。入选爱思唯尔2020-2022中国高被引学者。获邀国际会议邀请报告110余次（OFC2014 Invited Talk、OFC2016 Tutorial Talk）。授权国家发明专利28项，技术转让6项。研究成果被Nature亮点报道，入选美国光学学会重要进展和国家十三五科技创新成就展。担任美国光学学会会士评选委员会委员、中国光学学会常务理事、IEEE Photonics Society武汉分会副主席。担任国际会议组委会/程序委员会主席和委员等70余次。

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