非線性硅基光子學研究領域取得新進展

硅在地殼中儲量僅次於氧，是大自然賜予的最豐富的礦物之一。基於SOI（絕緣層上硅）的硅納米波導具有許多優點，如紅外波段本徵損耗低，光場限制強，器件尺寸小等等。更為重要的是，基於SOI的硅基光子晶元加工工藝與大規模集成電路CMOS工藝兼容，為未來大規模光電子器件集成提供了重要潛在技術途徑。與此同時，由於硅天然是一種高非線性材料，因此基於納米硅波導的非線性光學應用研究也日益得到重視，例如晶元級光頻梳產生，中紅外光源，高速光開關等等，在光通信、生命科學、精密測量、感測等領域有諸多應用價值。

其中，基於非線性晶元的高速光信號處理技術可以突破電子瓶頸，提供低功耗、超大帶寬的集成光信號處理能力，在大容量低功耗光網路的開關、路由等功能中有重要應用。基於此，我院徐競副教授小組與武漢郵電科學院光纖通信技術和網路國家重點實驗室合作，利用集成納米硅波導的非線性效應，針對光通信領域前沿擴容技術——模分復用技術，開展了一系列全光信號處理研究工作。模式復用技術是利用波導中模式正交特性的一種新型復用技術，基於硅基集成波導的模式復用系統不但可以增加通信容量，對於提高晶元的全光信號處理帶寬也有極大的潛力。通過理論設計和數值模擬得到的參數，製備和測試了多模全光信號處理晶元，利用兩個正交模式通道實現了102.6 Gb/s 的OFDM-QPSK信號的多模可選擇/并行波長轉換功能，相關工作以發表在《Opt. Express》 上，論文第一作者是武漢光電國家實驗室博士生邱英，通訊作者為徐競老師。多模高級調製格式的波長轉換對非線性效應的轉換效率和雜訊轉移特性提出了較高要求，該工作初步展示了硅納米波導在多模光信號處理中的潛力。

圖1部分模式復用晶元的顯微圖像

圖2 有串擾和無串擾情況下兩通道波長轉換后的誤碼率測量結果及星座圖

另外，該晶元還可以實現基於單個波導的雙路并行邏輯與操作，相關工作以題為Dual-channel AND logic gate based on four-wave mixing in a multimode silicon waveguide發表在IEEE Photonics Journal, vol. 9, no. 4, pp: 1-6, 2017，論文第一作者是我院博士生王佳敏，通訊作者為徐競老師。利用模式復用帶來的新的自由度，實現了多路并行邏輯操作，以增加系統信號處理容量，在此基礎上還可進一步實現高級邏輯操作，如半加器、半減器和數字比較器等。

圖3 雙路并行邏輯與門原理圖

以上相關部分內容也被國際會議Optical Fiber Communication Conference 2017和CLEO-PR|OECC|PGC 2017錄用。

總之，利用模式復用可以對全光信號處理技術進行升級，同時以集成的方式將系統晶元化，有效減小了尺寸和功耗，系統穩定性得到了提升，有望在未來少模光纖傳輸網路及大容量集成信號處理中得到應用。

原文：Mode-selective wavelength conversion of OFDM-QPSK signals in a multimode silicon waveguide

https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-4-4493