香港中文大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)實(shí)現(xiàn)片上高維光通訊

香港中文大學(xué)孫賢開課題組基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)實(shí)現(xiàn)片上高維光通訊

  ICC訊 連續(xù)區(qū)束縛態(tài)是指一類能夠穩(wěn)定存在于連續(xù)區(qū)的束縛態(tài)。盡管和眾多連續(xù)態(tài)共存，這類特殊的束縛態(tài)卻不存在損耗。在集成光路中利用連續(xù)區(qū)束縛態(tài)可以使用低折射率材料來制作波導(dǎo)，讓光子在高折射率材料里進(jìn)行低損耗傳輸。近日，香港中文大學(xué)電子工程學(xué)系孫賢開課題組在免刻蝕的鈮酸鋰平臺(tái)上利用高階連續(xù)區(qū)束縛態(tài)制備了四通道的模式復(fù)用器并實(shí)現(xiàn)了片上高維光通訊，此類器件能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸容量。相關(guān)成果于5月25日在線發(fā)表于自然子刊《Nature Communications》。

  光互連能夠支持超大的通訊容量，以滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。光學(xué)復(fù)用技術(shù)能夠讓多路數(shù)據(jù)在同一通道內(nèi)互不干擾地傳輸，進(jìn)一步增加了光互連的數(shù)據(jù)傳輸能力。目前為止，片上的光學(xué)復(fù)用已在硅基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。然而，由于硅缺乏二階非線性，需要通過摻雜實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)的方式來進(jìn)行高速的電光調(diào)制。由p-n結(jié)引入的熱效應(yīng)會(huì)限制硅基電光調(diào)制器的性能和應(yīng)用場(chǎng)合。另一方面，鈮酸鋰是一種光學(xué)透明材料，有很高的二階非線性系數(shù)。在鈮酸鋰平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制有速度快、線性度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此鈮酸鋰是一個(gè)實(shí)現(xiàn)光學(xué)復(fù)用和光通訊的理想平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)的光子集成方法需要對(duì)鈮酸鋰進(jìn)行高質(zhì)量的刻蝕來制備集成光路，這無形中增加了集成光學(xué)里使用鈮酸鋰的難度。

  本工作利用連續(xù)區(qū)束縛態(tài)的基本原理，用一種易于加工的低折射率材料作光學(xué)波導(dǎo)，來控制和引導(dǎo)光子在高折射率的鈮酸鋰薄層里進(jìn)行傳輸。這樣就避免了對(duì)鈮酸鋰的刻蝕，大大降低了器件制備難度并提升了產(chǎn)率。研究者在鈮酸鋰集成平臺(tái)上首次實(shí)現(xiàn)了四通道的模式復(fù)用，并利用該功能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了片上高維光通訊。

  圖1a是制備的器件的光學(xué)顯微照片。圖1b–1e是每組通道測(cè)量所得的光學(xué)傳輸譜。在光波長1.51–1.58微米范圍內(nèi)，所有四組通道的傳輸損耗和串?dāng)_都分別低于4.0 dB 和?9.5 dB。圖1f是測(cè)量片上高維數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置圖。圖1g顯示的是四組通道的數(shù)據(jù)傳輸眼圖，其數(shù)據(jù)傳輸速度為每通道40 Gbps。

  圖2a是單片上同時(shí)集成電光調(diào)制器和模式復(fù)用器的光學(xué)顯微照片。光從左端的通道輸入，先經(jīng)電光調(diào)制器進(jìn)行信號(hào)加載，然后進(jìn)行模式復(fù)用。圖2b是測(cè)量單片上電光調(diào)制和模式復(fù)用的實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖2c是每組通道測(cè)量所得的信號(hào)傳輸時(shí)域圖，證明了制備的器件可以在單片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制和模式復(fù)用。

  圖1. 實(shí)驗(yàn)展示基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)的模式復(fù)用和高維數(shù)據(jù)傳輸。

  (a)制備的器件的光學(xué)顯微照片。(b–e)每組通道測(cè)量所得的光學(xué)傳輸譜。(f)測(cè)量片上高維數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置圖。(g)在每通道40 Gbps速度下的數(shù)據(jù)傳輸眼圖。

圖2. 實(shí)驗(yàn)展示片上電光調(diào)制和模式復(fù)用。

  (a)單片上同時(shí)集成電光調(diào)制器和模式復(fù)用器的光學(xué)顯微照片。(b)測(cè)量單片上電光調(diào)制和模式復(fù)用的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(c)每組通道測(cè)量所得的信號(hào)傳輸時(shí)域圖。

  該項(xiàng)工作得到香港研究資助局(24208915、14208717、14206318和N_CUHK415/15)的支持。

  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