一种凸型多模光波导及多模色散调控方法

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与刘铁根教授课题组，研发了一种凸型多模光波导及多模色散调控方法，成果获得了中国发明专利（ZL202010623165.X）授权。

硅基波导集成的模分复用（mode-division multiplexing，MDM）技术在光通信和光互联应用中极具前景。在此项技术中，多模光波导中的多个彼此正交的空间模式被用做信道，为扩充通信容量提供了一个新的维度。基于MDM技术，研究者已经实现了速度高达10.68 Tbit/s的片上数据传输，并广泛应用于片上光收发机、光开关、光路由等领域。另一方面，由于硅材料在1.55 μm波段具有高达2.6×10-18 m2/W的克尔非线性折射率，硅基光子集成回路（photonic integrated circuits，PICs）在光参量器件和非线性光学信号处理领域获得了广泛的研究关注。为了在硅基波导器件中实现高效率和高光谱带宽的光参量应用，控制波导器件的群速度色散是一项重要的技术。过去的研究表明，通过调节硅波导的结构参数，可以获得超宽的异常色散曲线。目前，这种特性已被广泛应用于片上光频梳、超连续谱、信号参量放大和信号再生等领域。然而，群速度色散对波导内的空间模式有很强的依赖性，在同一波段内，不同空间模式的色散曲线差异很大，为模分复用技术和光参量信号处理技术结合带来了一定的困难。可以预计，开发一个对于多个空间模式均具有平坦和反常色散的波导结构，将有助于推动模分复用光参量器件的研究。

图1. 所发明的凸型多模光波导示意图及多模色散调控结构。(a) 凸型多模光波导示意图。(b) 多模色散调控的理论模拟结果。

在本项工作中，研究者们发明了一种凸型多模光波导及多模色散调控的方法。如图1a所示，在硅-绝缘体（silicon-on-insulator, SOI）晶圆上设计一个凸型多模光波导，通过优化光波导的宽度，横向刻蚀宽度，垂直刻蚀深度，从而达到调控色散的目的。最终TE0和TE1模式的群速度色散曲线基本一致，如图1b所示，在1.37 μm到1.75 μm的范围内获得了-1500 ps/nm/km到-1000 ps/nm/km的平坦色散曲线。本发明所涉及的方法可以实现对波导中多个空间模式的正常色散或反常色散调控，有助于实现在同一个波导中对多个空间模式进行高效率的非线性光学频率变换，可以用于开发片上集成的多模非线性激光器件。该测量方法基于课题组研发的双模凸波导中的色散调控发明（IEEE Photonics Journal, vol. 12, no. 4, pp. 6601506, 2020），并用于研究波导集成的石墨烯调控的双模克尔光频梳（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 28, no. 3, pp. 5100107, 2022）。

图2. 一种凸型多模光波导及多模色散调控方法专利授权证书。

本专利的学生第一发明人为天津大学精密仪器与光电子工程学院的博士研究生陈威成同学，专利授权证书如图2所示。该工作得到了国家自然科学基金（61805175）项目的支持。

审核编辑 ：李倩