電子學(xué)院王興軍、舒浩文團(tuán)隊(duì)提出集成微波光子寬頻段精細(xì)信號處理解決方案

  ICC訊   近日，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍、舒浩文團(tuán)隊(duì)提出集成微波光子寬頻段精細(xì)信號處理解決方案，通過操控波導(dǎo)內(nèi)空間模式的耦合關(guān)系來調(diào)控諧振峰劈裂的狀態(tài)；當(dāng)劈裂調(diào)控至消失時(shí)，諧振峰寬僅約30 MHz，同時(shí)維持著超百GHz的自由光譜范圍，為高精度、超寬帶的微波光子應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于硅基微環(huán)的跨L, S, C, X, Ku, K, Ka, U多頻段的微波/毫米波的生成與處理，對于未來機(jī)載、衛(wèi)星的跨頻段無線通信具有重要意義。2月20日，相關(guān)研究成果以《多模微環(huán)諧振器中的多功能光子分子開關(guān)》(“Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators“”)為題，在線發(fā)表于Nature子刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science & Applications)。

文章截圖

  光子分子概念的提出是為了在光域上模擬原子之間形成分子鍵的過程。這種現(xiàn)象具有卓越的光學(xué)性質(zhì)，在量子光學(xué)、非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如實(shí)現(xiàn)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，或者用來調(diào)節(jié)微腔內(nèi)的色散，以實(shí)現(xiàn)暗脈沖光學(xué)頻率梳。然而，如何以一種十分簡易的方式來動(dòng)態(tài)調(diào)整微腔之間的耦合一直是限制光子分子廣泛應(yīng)用的癥結(jié)所在，并且，如何利用該現(xiàn)象去支持更廣范的應(yīng)用場景也是研究人員需要思考的關(guān)鍵問題。

  在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出“集成光子分子開關(guān)”概念，運(yùn)用波導(dǎo)中不同空間模式所產(chǎn)生的諧振峰，實(shí)現(xiàn)劈裂（splitting）現(xiàn)象，并通過調(diào)整模式之間的耦合關(guān)系，有效地控制諧振峰的劈裂狀態(tài)。具體的，研究團(tuán)隊(duì)選用跑道型微環(huán)作為片上微腔的實(shí)現(xiàn)形式，在硅光（SOI）平臺上進(jìn)行器件設(shè)計(jì)，并將硅波導(dǎo)的寬度擴(kuò)展至2 μm，使其能夠支持更高階的空間模式。相比使用大尺寸歐拉彎曲以實(shí)現(xiàn)緩變絕熱近似的傳統(tǒng)方案，研究團(tuán)隊(duì)利用歐拉彎曲+圓弧構(gòu)建對稱的180°彎曲波導(dǎo)，并有意大幅縮小彎曲尺寸，以高效地在微腔內(nèi)誘導(dǎo)高階空間模式。同時(shí)借鑒旋轉(zhuǎn)波近似法，對經(jīng)典耦合模方程進(jìn)行了修正，從而更有效地分析該問題下的耦合規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了切換光子分子在微腔內(nèi)的物理狀態(tài)，賦能多個(gè)不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)變革性突破。

集成微腔光子分子開關(guān)示意圖

  研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了在光子分子開啟狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)諧振峰劈裂的靈活調(diào)控，僅利用芯片上的熱電極即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模式耦合強(qiáng)度以及相位差的調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了劈裂不同維度的變化。而當(dāng)光子分子處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，基模又可以實(shí)現(xiàn)在環(huán)內(nèi)零串?dāng)_、低損耗傳輸，并且由于微環(huán)彎曲波導(dǎo)的尺寸極小，微環(huán)同時(shí)具有極大的FSR和極高的Q值，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該微環(huán)作為微波光子鏈路中的關(guān)鍵部件，能夠在超寬頻譜內(nèi)提供極其精細(xì)的濾波功能?；谠撐h(huán)的微波光子濾波器能夠在L, S, C band至U band范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)58 GHz的連續(xù)調(diào)諧能力，其3 dB濾波線寬最窄僅32 MHz。團(tuán)隊(duì)還借助該微環(huán)成功完成了光電振蕩器（OEO）的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了中心頻率從sub-6G到50 GHz的可調(diào)諧微波源。這種濾波器和OEO代表了目前國際上基于硅基集成器件所實(shí)現(xiàn)的最寬頻段和最精細(xì)縱模濾波的水平。

基于該器件所實(shí)現(xiàn)的濾波器與OEO結(jié)果圖

  該論文的第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陶子涵，王興軍教授、舒浩文研究員為該論文的通訊信作者。主要合作者還包括電子學(xué)院彭超教授，集成電路學(xué)院何燕冬研究員，電子學(xué)院博士生沈碧濤、黎文燦、吳一晨及畢業(yè)生陶源盛，工學(xué)院碩士生邢露文，集成電路學(xué)院博士生王皓玉，北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院助理研究員周?。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為第一單位完成。

  論文信息：

  Tao, Z., Shen, B., Li, W. et al. Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators. Light Sci Appl 13, 51 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01399-0