随着以人工智能为代表的新一代变革性信息技术的涌现，以电子作为信息载体的微电子芯片正面临日益突出的“电子瓶颈”问题，与现有标准CMOS集成电路工艺兼容的硅光芯片技术是目前最具潜力的解决方案。近期，我院光信息技术团队吴胜保副教授联合东南大学、南京理工大学、福州大学等单位研究人员，在构建大容量、高集成度硅光芯片中的关键功能单元，如模分复用、偏振管理、交叉连接等取得了系列进展。
在模式复用技术方面，团队提出一种基于反向模式变换多模波导光栅作为引擎，双向非对称定向耦合器作为接入波导的紧凑型片上模分复用架构。该架构克服了传统技术不能直接访问多模总线波导中的特定低阶模式的局限，且可与光开关结合构建一种双向/双模式可重构模式上下路器，具有高度的灵活性和可扩展性。实验演示了基于该架构的4通道模式解复用器具有0.3-2.4dB插损，低于-17.5dB模式串扰，3dB工作带宽超100nm，性能达到同类先进水平。相关成果发表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology(DOI 10.1109/JLT.2024.3499336), 硕士研究生张磊为第一作者，吴胜保副教授为通讯作者。
在偏振管理上，团队设计并实验演示了一种高性能、超宽带片上偏振分束器。该器件利用了多模波导中超高的偏振模双折射，通过精细模式调控的反向模式变换光栅实现了不同偏振态沿不同方向路由，再配合绝热非对称定向耦合器实现了超宽带的模式耦合输出。测试结果显示，该器件消光比>30dB的工作带宽超220nm，性能优于同类器件。相关成果发表在Optics Express (2025,33(4)), 硕士研究生张磊和高志远为共同第一作者，吴胜保副教授为通讯作者。
针对波导交叉问题，团队提出两种新型波导交叉结构。基于亚波长光栅槽波导的交叉结构，利用槽波导对光场的纳米聚焦作用，正交亚波长光栅的等效各向异性介质超材料的性质，有效抑制了交叉区域的衍射效应，实现了低损耗、低串扰的传输，实验测得插入损耗约0.1dB，串扰低于-35dB，相关成果发表在Optics Express(2025,33(3)), 硕士研究生朱家宝和于千里为共同第一作者，吴胜保副教授为通讯作者；基于二维亚波长多孔超材料的多模波导交叉结构，在2μm中红外波段表现出色，尺寸仅为12.6μm×12.6μm，对TE₀、TE₁和TE₂模式的插入损耗分别低于0.37dB、0.28dB和0.32dB，串扰低于-32dB，为中红外光通信和计算领域提供了关键器件，相关成果发表在Optics Express(2025,33(4)), 南京理工大学倪斌博士为第一作者，倪斌博士、吴胜保副教授为共同通讯作者。
上述工作中东南大学肖金标教授、福州大学郭振钊博士在流片和技术上提供了大量的支持和帮助。
以上工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北大学引进人才启动项目、中央高校基本科研业务费支持。
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10757371
https://doi.org/10.1364/OE.551976
https://doi.org/10.1364/OE.551964
https://doi.org/10.1364/OE.550007
