背景导读
基于硅光的波分复用光发射芯片
随着5G、物联网、人工智能等应用的兴起，数据中心和高性能计算系统的数据流量呈指数级增长，基于硅光的波分复用光互连通过在多个波长通道上对数据进行独立编码，以实现信号的并行传输，成为实现大通信容量的主流技术。在过去十年中，基于Mach-Zehnder调制器、微环调制器和电吸收调制器的硅光波分复用光发射芯片已被广泛研究并应用。然而，波分复用技术对多波长激光源和波长精确控制提出了更严格的要求，增加了系统的复杂性、功耗和成本。
模分复用在光集成互连的应用前景
为进一步扩展传输容量，还可利用其他维度（如模式）来进行多路复用。在片上多模光波导中，通过一组正交空间模可以实现多个并行信号的传输，并且每个模式通道都可进一步复用多个波长通道，相较于波分复用，模分复用仅需一个单波长光源，具备成本、功耗和可靠性上的明显优势，且波分复用器多采用级联 MZI或阵列波导光栅结构，尺寸通常在百微米量级且损耗较大，而模分复用器基本采用定向耦合器结构，具有尺寸小，损耗低、易扩展等优点。由此，波分模分混合复用的硅光发射芯片，即充分利用波长和模式自由度来显著扩展传输容量，受到愈来愈广泛的关注研究。
研究内容与结果
基于微环和一维双模耦合光栅的波分-模分复用光发射芯片
上海交通大学杜江兵研究员研究组，基于微环和一维双模耦合光栅，实现了波分模分混合复用的四通道光发射芯片，1.65mm2面积上实现了4*56Gbps的并行传输，在高密度光电3D集成应用上具有巨大潜力。相关成果发表在第22卷第12期并被选为当期封面。
封面中左端为四通道单频入射光，中间为片上四通道模分-波分混合复用光集成系统，右端为双模耦合光栅与两模光纤之间的耦合，封面主要展示了通过微环以及一维双模光栅，实现波分-模分复用的四通道光发射芯片。
波分-模分复用的四通道光发射芯片
上图为波分-模分复用的四通道光发射芯片原理图。四通道光信号，分为两组，耦合至相应的输入光栅。每一组包含两个波长通道，分别由共享相同下载波导的两个微环调制。通过集成TiN加热器，可以对每个微环的谐振波长进行热调谐，使每个通道的工作波长靠近谐振峰值，从而同时实现调制和两波长复用。两组波长复用光信号通过锥形非对称定向耦合器实现模式复用，该复用器将一组调制光信号转换为TE1模式，而其他两个通道保持TE 0模式。最后，四路光调制信号（分别表示为TE 0-λ1, TE0-λ2, TE1-λ1, TE1-λ2）通过一维双模光栅耦合至少模光纤中的LP01或LP11模式，实现四通道波分-模分复用传输。
对于所提出的波分-模分复用的四通道光发射芯片，工作波长范围内低耦合损耗的双模光栅是设计关键。该一维双模光栅刻写在16 μm的多模波导上，因而TE0和TE1模式的有效折射率几乎一致，根据光栅方程，在相同的光栅结构中，两种模式可以同时获得近似相等的衍射效率。此外，在光栅后放置全蚀刻分布布拉格反射结构，以反射正向传播的光，进一步加强向上衍射的光场。采用时域有限差分法对光栅和布拉格反射结构进行仿真优化，最后TE0-LP01和TE1-LP11耦合的峰值耦合效率均在25%以上，1-dB带宽均在14 nm以上，可有效实现两模式复用的光耦合接口。
通过高速传输性能实验，每一通道均实现了32G的传输眼图和56Gbps DMT的信号传输，适配200G四通道可插拔光模块应用，同时课题组所提出的光发射芯片在实现高密度光电3D集成上具有巨大潜力。
作者简介
第一作者
王心怡，于2020年毕业于南京邮电大学，获本科学位。2020年至今，在上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室攻读博士学位，目前的研究方向是硅光/硅基铌酸锂薄膜光子集成。
通讯作者
杜江兵，上海交通大学研究员/博士生导师，国家自然科学基金优青、重点等项目负责人，IEEE和OPTICA Senior Member。本科（2005）和硕士（2008）毕业于南开大学，博士（2011）毕业于香港中文大学，2012年加入上海交通大学。主要从事光通信和光电集成研究，包括大容量光传输、高速光子集成互连和高密度低功耗2.5D/3D光电集成封装。在 Nat. Commun.,Photonics Research等期刊发表一作/通信作者论文100多篇，在光通信顶会 OFC/ECOC 发表论文35篇，相关成果入选2019中国光学十大进展、 OECC2021最佳学生论文奖等。
撰稿 | 王心怡 上海交通大学
