香港中文大學團隊基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)實現(xiàn)片上高維光通訊

香港中文大學孫賢開課題組基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)實現(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，讓光子在高折射率材料里進行低損耗傳輸。近日，香港中文大學電子工程學系孫賢開課題組在免刻蝕的鈮酸鋰平臺上利用高階連續(xù)區(qū)束縛態(tài)制備了四通道的模式復用器并實現(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。光學復用技術能夠讓多路數(shù)據(jù)在同一通道內互不干擾地傳輸，進一步增加了光互連的數(shù)據(jù)傳輸能力。目前為止，片上的光學復用已在硅基平臺上實現(xiàn)。然而，由于硅缺乏二階非線性，需要通過摻雜實現(xiàn)p-n結的方式來進行高速的電光調制。由p-n結引入的熱效應會限制硅基電光調制器的性能和應用場合。另一方面，鈮酸鋰是一種光學透明材料，有很高的二階非線性系數(shù)。在鈮酸鋰平臺上實現(xiàn)電光調制有速度快、線性度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此鈮酸鋰是一個實現(xiàn)光學復用和光通訊的理想平臺。然而，傳統(tǒng)的光子集成方法需要對鈮酸鋰進行高質量的刻蝕來制備集成光路，這無形中增加了集成光學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波導，來控制和引導光子在高折射率的鈮酸鋰薄層里進行傳輸。這樣就避免了對鈮酸鋰的刻蝕，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上首次實現(xiàn)了四通道的模式復用，并利用該功能進一步實現(xiàn)了片上高維光通訊。

  圖1a是制備的器件的光學顯微照片。圖1b–1e是每組通道測量所得的光學傳輸譜。在光波長1.51–1.58微米范圍內，所有四組通道的傳輸損耗和串擾都分別低于4.0 dB 和?9.5 dB。圖1f是測量片上高維數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒炑b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是單片上同時集成電光調制器和模式復用器的光學顯微照片。光從左端的通道輸入，先經(jīng)電光調制器進行信號加載，然后進行模式復用。圖2b是測量單片上電光調制和模式復用的實驗裝置圖。圖2c是每組通道測量所得的信號傳輸時域圖，證明了制備的器件可以在單片上同時實現(xiàn)電光調制和模式復用。

  圖1. 實驗展示基于連續(xù)區(qū)束縛態(tài)的模式復用和高維數(shù)據(jù)傳輸。

  (a)制備的器件的光學顯微照片。(b–e)每組通道測量所得的光學傳輸譜。(f)測量片上高維數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒炑b置圖。(g)在每通道40 Gbps速度下的數(shù)據(jù)傳輸眼圖。

圖2. 實驗展示片上電光調制和模式復用。

  (a)單片上同時集成電光調制器和模式復用器的光學顯微照片。(b)測量單片上電光調制和模式復用的實驗裝置圖。(c)每組通道測量所得的信號傳輸時域圖。

  該項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