撰稿|由课题组供稿
近日，华中科技大学董建绩教授和胡彬教授提出了一种基于逆向设计的紧凑、可扩展、快速响应的多模2×2光开关。该光开关采用模式分复用（MDM）技术，支持四种模式。其包括两个多模2×2耦合器和一个热光（TO）相移器，基于逆向设计的基础元器件实现了紧凑的尺寸和较大的制造容差。此外，利用氢掺杂氧化铟（IHO）微加热器作为TO相移器，实现了所有模式的快速响应。该研究为未来的MDM系统提供了一条有效的途径，使大规模多模光开关矩阵成为可能。相关工作以 "Compact, Scalable, Fast-Response Multimode 2×2 Optical Switch Based on Inverse Design" 为题，于4月30日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》。
在数据中心和超级计算机系统中，大规模光开关矩阵起着关键作用，而2×2光开关是其中的核心组件之一。随着片上光互连传输容量的迅速增长，对大容量和快速响应的光开关的需求日益显现。这些开关对于引导和控制网络内的光信号流动至关重要，可实现诸如路由、波长选择和信号处理等关键功能。为了解决光通信系统中单模传输的容量限制，MDM已经成为一种重要的解决方案。通过利用这一技术，多路复用的光信号可以在一根光纤上同时传输，显著提高了网络容量和效率。在通信领域不断发展的背景下，高性能光开关与MDM的协同集成已经变得至关重要。
多模2×2 3-dB耦合器是多模2×2光开关的关键组件之一，但现有的设计方法可能面临着难以扩展到更多模式、器件尺寸较大或需要高精度制造工艺等困难。在应对这些挑战时，逆向设计是一种很有前途的解决方案，因为它可以轻松地减少光学器件的尺寸并提高制造公差。如图1所示，本文提出的四模式2×2光开关由两个多模2×2 3-dB耦合器和一个TO移相器组成。这种紧凑、可扩展的多模3-dB耦合器由模式转换器、多模干涉耦合器和交叉波导等基于逆向设计的元器件组装而成。移相区域引入IHO微加热器取代了传统的金属电极，其具有能效高、响应速度快和光学损耗低等显著的优势。如图2所示，本研究提出的光开关在中心波长1.55 μm处所有状态均实现了超过15 dB的消光比。光开关使用IHO微加热器作为移相器，功耗低且响应速度快（平均约为3.5 μs）。通过PSO-DRS算法设计的各种片上器件具有较小的尺寸和较大的制造容差（±20 nm）。本文所设计的器件以及提出的器件设计方法将极大推动片上光互连的发展。
图1. a）多模光开关结构示意图；b）多模3-dB耦合器原理图；c）移相器截面图；d-f）器件I、器件II和器件III的示意图。
图2. a）多模2 × 2光开关显微图像；b）IHO微加热器的SEM图像；c-f）在"on"状态下，输入端口为I1的TE0到TE3模式开关的实验透射谱；g-j）在"off"状态下对应的结果。
本研究基于逆向设计提出并验证了一种紧凑、可扩展、快速响应的多模2×2光开关。该光开关支持四种模式，可以轻松串联成大规模光开关矩阵，为通信系统中小尺寸、高容量和低成本提供了有效的解决方案。此外，将PSO-DRS算法与几何参数化相结合，设计了高性能的模式转换器、多模干涉耦合器和交叉波导和多模2×2 3-dB耦合器。这种方法可以设计各种元器件，以适用于各种高密度光子集成场景。
该研究工作得到了国家自然科学基金（U21A20511）的资助。华中科技大学的董建绩教授为论文的通讯作者，博士研究生孙尚森和童炜宇为论文的共同第一作者，华中科技大学的胡彬教授提供了IHO薄膜的生长，华南师范大学的朱凝副研究员参与了文章的讨论与修订。
论文信息：
S Sun, W Tong, E Yang, B Wu, R Zhang, N Zhu, B Hu, D Gao, J Dong, X Zhang. Compact, Scalable, Fast‐Response Multimode 2× 2 Optical Switch Based on Inverse Design. Laser & Photonics Reviews, 2400213.
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400213
