基于变换光学原理的通用麦克斯韦鱼眼多模波导交叉连接器- 大数跨境

两江科技评论

2018-12-17

导读：华中科技大学郜定山副教授和厦门大学陈焕阳教授团队合作，利用变换光学方法设计了一种通用的麦克斯韦鱼眼多模波导交叉连接器，并利用电子束灰度曝光技术在商用绝缘体上硅晶片上制作出该器件。理论和测试结果表明，该

导读

近日，华中科技大学/武汉光电国家研究中心郜定山副教授研究组和厦门大学陈焕阳教授团队合作，利用独特的变换光学方法设计了一种通用的麦克斯韦鱼眼多模波导交叉连接器，并利用电子束灰度曝光技术在商用绝缘体上硅（silicon-on-insulator,SOI）晶片上制作出该器件。理论和测试结果表明，该器件可支持任意模式数目与交叉通道数，工作带宽覆盖1300~1700nm的整个光通信谱段。相关研究成果以“Universal multimode waveguide crossing based on transformation optics”为题发表在美国光学学会旗下顶级光学期刊Optica上。论文第一、第二作者分别为华中科技大学博士生李书轶、厦门大学硕士生周杨阳，郜定山副教授、陈焕阳教授为论文共同通讯作者。

背景

不断拓展芯片上的光通信容量是集成光学研究的重要目标之一。传统的波分复用技术成本高，一般只适合在长距离光纤通信系统中使用，而在芯片等短距离光互连方面没有优势。近年来，人们发展了一种光波导模式复用技术，为实现低成本、大容量的芯片级光互连带来了曙光。目前，集成的模式复用/解复用器件、模式转换器件等日益发展成熟，但构建大规模模式复用路由通信的核心器件“多模波导交叉连接器”仍难以攻克。现有的多模交叉连接器仅能支持两个波导模式或者两个交叉通道，应用十分受限。

创新研究

论文提出了一种全新的思路，基于变换光学物理原理来设计通用型集成多模波导交叉连接器。利用麦克斯韦鱼眼棱镜结构独特的无像差成像特性，沿鱼眼圆周边界排布多路交叉的输入和输出波导，构成多模交叉连接器【图1 (a) -(f)】。研究人员还发展了一种“人工边界保角变换”新方法，来灵活调控鱼眼边界外形和折射率，完美的消除了鱼眼与输入输出波导界面的折射率和波前失配。理论仿真结果表明，器件可同时支持多个波导模式【图2 (a) -(f)】，传输损耗均低于0.25dB，工作带宽覆盖1300~1700nm的整个光通信波段，串扰低于-20dB【图3 (a) -(f)】。该研究团队利用灰度电子束曝光技术，在商用绝缘体上硅（silicon-on-insulator，简称SOI）基片上制作出高度渐变的变换鱼眼多模交叉连接器【图4】，实验测试结果与理论结果符合较好。该研究成果克服了传统设计方法的局限，首次实现了支持任意模式数量、任意交叉通道数的通用型多模光交叉连接器，为构建片上大规模多模复用通信系统铺平了道路。