撰文｜课题组供稿
导读
连续区束缚态是指一类能够稳定存在于连续区的束缚态。尽管和众多连续态共存，这类特殊的束缚态却不存在损耗。在集成光路中利用连续区束缚态可以使用低折射率材料来制作波导，让光子在高折射率材料里进行低损耗传输。近日，香港中文大学电子工程学系孙贤开课题组在免刻蚀的铌酸锂平台上利用高阶连续区束缚态制备了四通道的模式复用器并实现了片上高维光通讯，此类器件能够显著提高数据传输容量。相关成果于5月25日在线发表于自然子刊《Nature Communications》。
光互连能够支持超大的通讯容量，以满足日益增长的数据传输需求。光学复用技术能够让多路数据在同一通道内互不干扰地传输，进一步增加了光互连的数据传输能力。目前为止，片上的光学复用已在硅基平台上实现。然而，由于硅缺乏二阶非线性，需要通过掺杂实现p-n结的方式来进行高速的电光调制。由p-n结引入的热效应会限制硅基电光调制器的性能和应用场合。另一方面，铌酸锂是一种光学透明材料，有很高的二阶非线性系数。在铌酸锂平台上实现电光调制有速度快、线性度高、热稳定性好等优点，因此铌酸锂是一个实现光学复用和光通讯的理想平台。然而，传统的光子集成方法需要对铌酸锂进行高质量的刻蚀来制备集成光路，这无形中增加了集成光学里使用铌酸锂的难度。
本工作利用连续区束缚态的基本原理，用一种易于加工的低折射率材料作光学波导，来控制和引导光子在高折射率的铌酸锂薄层里进行传输。这样就避免了对铌酸锂的刻蚀，大大降低了器件制备难度并提升了产率。研究者在铌酸锂集成平台上首次实现了四通道的模式复用，并利用该功能进一步实现了片上高维光通讯。
图1a是制备的器件的光学显微照片。图1b–1e是每组通道测量所得的光学传输谱。在光波长1.51–1.58微米范围内，所有四组通道的传输损耗和串扰都分别低于4.0 dB 和−9.5 dB。图1f是测量片上高维数据传输的实验装置图。图1g显示的是四组通道的数据传输眼图，其数据传输速度为每通道40 Gbps。
图2a是单片上同时集成电光调制器和模式复用器的光学显微照片。光从左端的通道输入，先经电光调制器进行信号加载，然后进行模式复用。图2b是测量单片上电光调制和模式复用的实验装置图。图2c是每组通道测量所得的信号传输时域图，证明了制备的器件可以在单片上同时实现电光调制和模式复用。
图1. 实验展示基于连续区束缚态的模式复用和高维数据传输。
（a）制备的器件的光学显微照片。（b–e）每组通道测量所得的光学传输谱。（f）测量片上高维数据传输的实验装置图。（g）在每通道40 Gbps速度下的数据传输眼图。
图2. 实验展示片上电光调制和模式复用。
（a）单片上同时集成电光调制器和模式复用器的光学显微照片。（b）测量单片上电光调制和模式复用的实验装置图。（c）每组通道测量所得的信号传输时域图。
该项工作得到香港研究资助局（24208915、14208717、14206318和N_CUHK415/15）的支持。
文章链接
Zejie Yu, Yeyu Tong, Hon Ki Tsang, and Xiankai Sun, “High-dimensional communication on etchless lithium niobate platform with photonic bound states in the continuum,” Nat. Commun. 11, 2602 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15358-x
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