近年来，由于云服务、大数据、互联网等应用的蓬勃发展，对应用在数据中心高性能计算等片上光互连的传输容量需求也急剧增长。然而，片上光互连对器件尺寸、功耗和成本要求非常苛刻，传统的波分复用方案，由于其需要多个激光器，而每一个激光器都需要独立的温控和波长锁定，已经无法满足高集成度、低功耗、低成本的需求。因此，近年来，人们开始采用硅基片上模式复用的方案进一步提升通信容量，通过激发多模波导不同的本征模式，实现传输容量的倍增，无需引入温控，多个激光器，相比波分复用方案，极大的降低了功耗和尺寸，在高性能光电芯片光互连中有广泛应用应用前景。

　　面向芯片级片上光互连的模式复用技术的主要难点是解决传统波导模式复用器件方案尺寸受限问题。基于多模干涉(MMI)、非对称定向耦合器(ADC)、非对称Y分支传统波导模式复用方案随着模式数目的增加，尺寸往往达到了数百微米，无法满足超高集成度的光子芯片需求。张敏明教授指导的博士研究生常卫杰提出一种基于亚波长结构的非对称Y分支模式复用器，在2.4X2.4um2的尺寸内实现了两个模式的复用。该方案利用亚波长结构的灵活折射率剪裁和在亚波长尺寸调控光场相位的能力，采用反向设计的方法，实现了超小尺寸高性能的模式复用器。该成果以论文形式发表在Conference on Lasers and Electro-Optics, (Optical Society of America, 2017), SF1J.这一光通信领域三大顶级国际会议上，题目是“Inverse Design of an Ultra-Compact Mode (De)multiplexer Based on Subwavelength Structure”。博士研究生常卫杰为第一作者，张敏明教授为通讯作者。

　　图1. (a) Schematic scheme of the nanophotonic two-mode MUX (b) and (c) Simulated electric field distribution of Ey via inverse design region when TE0 is injected in upper and under input waveguide respectively

　　图2. (a) SEM image of the fabricated MDM system (b) detailed SEM image of MUX (c) and (d) simulation and measured transmission of the proposed MDM system, respectively

　　在片上模式复用系统中，多模弯曲波导是一种关键器件，可以同时改变多个模式的传播方向。常规小尺寸半径多模弯曲波导往往引入很大模间串扰，所以传统多模弯曲波导半径通常需要40um。张敏明教授指导的博士研究生常卫杰提出一种基于亚波长结构的非对称Y分支多模弯曲波导，在3.6X3.6um2的尺寸内实现了支持两个模式的弯曲波导。同时该方案有很好的扩展性，理论上可以支持N个模式波导弯曲。该方案利用亚波长结构在亚波长尺寸的灵活折射率剪裁和调控光场相位的能力，采用反向设计的方法，实现了超小尺寸高性能的多模弯曲波导器件。该成果以论文形式已被Optical Fiber Communication Conference, (Optical Society of America, 2018),这一光通信领域顶级国际会议录用，题目是“Ultra-compact silicon multi-mode waveguide bendbased on subwavelength asymmetric Y-junction”。博士研究生常卫杰为第一作者，张敏明教授为通讯作者。

　　图3.(a) and (b) the working principle of a two-mode waveguide bend device ofasymmetric Y-junction based on conventional waveguide and that of asymmetric Y-junction based on subwavelength structures, respectively. (c) Simulated field distributions of Hz for TE0 and TE1.

　　图4.(a)- (d) SEM images of the MDM system, the two-mode bend, the (De) MUX and the reference MDM system.(f) Measured transmission spectra (normalized to the reference system) for TE0 and TE1 of single bend.

　　以上工作得到了国家863项目(2015AA015504)、国家自然科学基金面上项目(61775069)的资助，并得到下一代互联网接入系统国家工程实验室各位老师的大力支持。

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