近日，港科大（广州）微电子学域童业煜课题组为应对大容量数据传输和芯光互连的重大需求，针对现有硅光领域多模式I/O接口器件长期存在的高损耗、大尺寸、复用模式通道受限等问题，创新性地提出原型方案，首次实现了高效率，超紧凑并且可以选择性激发8个光纤线性偏振模式的硅基I/O光栅耦合器件，该硅基光栅耦合器尺寸小于35×35 µm²。相关成果发表于光学权威期刊《Laser & Photonics Reviews》（JCR Q1, 2022年影响因子：11）。

文章题目：

Ultra-Compact and Efficient Integrated Multichannel Mode Multiplexer in Silicon for Few-Mode Fibers

作者信息：

港科大（广州）微电子学域博士研究生周雾为第一作者，童业煜教授为通讯作者。合作论文作者还包括天津大学张尊月博士，港科大（广州）博士研究生陈昊，以及香港中文大学曾汉奇教授。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202300460

资助致谢

上述研究工作得到国家自然科学基金、广州市科技计划市校联合资助项目、港科大（广州）教师启动经费等资金支持，由港科大（广州）芯片中央实验室(NICE)提供测试技术支持。

研究背景

过去十多年来，研究人员一直在探索利用可规模量产的硅基光子集成平台实现高效率和多模式的芯片-光纤互连耦合方案，其重要动机在于希望利用片上集成器件实现多模复用系统，通过光子集成技术来降低模式复用系统的复杂度和成本。模式复用系统在数据传输，量子通信，和传感成像等领域均有重要应用前景。然而，高效率和多模式的芯光互连I/O器件仍待突破。如何利用现有硅基光子集成工艺突破该器件的性能，建立多模式芯光互连的桥梁尤为重要。因此，本研究工作提出探索攻关硅基芯光互连耦合器件的效率、集成尺寸和模式通道数目。

研究结果

该工作所研制的多模式平面波导光栅耦合器件，创新性地采用四向对称啁啾结构，从而可以支持实现高效率的芯片-光纤垂直衍射耦合。该器件支持标准硅光流片工艺，单晶硅厚度为220nm，包含70nm浅刻蚀和全刻蚀。制备后的硅基光栅耦合器件支持选择性激发少模光纤中的8个线性偏振模式，包含LP01，LP11a，LP11b，和LP21b模式的两个正交偏振态，实测峰值耦合效率分别为−3.8 , −5.5 , −3.6 和−4.1 dB。此外，为进一步减小I/O器件尺寸，研究工作引入了亚波长Mikaelian透镜实现模式不敏感模斑尺寸放大，最终将采用线性锥形波导的约700×700 µm²尺寸压缩到仅有35×35 µm²。总结而言，该器件在传输效率，模式数目和结构尺寸方面的突破，对高带宽密度的芯光互连和大容量数据传输等彰显应用潜力和实用价值。

作者介绍

实验室合照：

教授简介：

童业煜是香港科技大学（广州）功能枢纽微电子学域助理教授。在加入港科广之前，他曾任职于比利时校际微电子中心(imec)，研发下一代硅光子集成技术和大容量光互连。他分别于香港中文大学获得博士学位，电子科技大学获得学士学位。2019年他曾以访问学者前往加州大学圣巴巴拉分校。目前他已撰写合著了50余篇论著，包括书籍章节、学术期刊和国际会议。曾获2019年OFC会议Top-scored paper并拥有一项美国发明专利。

研究领域：

硅光集成芯片设计

新型光电集成技术

高速光互连与光通信

光计算与光传感

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来源：香港科技大学（广州）微电子学域、功能枢纽