近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發(fā)了一種凸型多模光波導(dǎo)及多模色散調(diào)控方法，成果獲得了中國發(fā)明專利（ZL202010623165.X）授權(quán)。

硅基波導(dǎo)集成的模分復(fù)用（mode-division multiplexing，MDM）技術(shù)在光通信和光互聯(lián)應(yīng)用中極具前景。在此項(xiàng)技術(shù)中，多模光波導(dǎo)中的多個彼此正交的空間模式被用做信道，為擴(kuò)充通信容量提供了一個新的維度。基于MDM技術(shù)，研究者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了速度高達(dá)10.68 Tbit/s的片上數(shù)據(jù)傳輸，并廣泛應(yīng)用于片上光收發(fā)機(jī)、光開關(guān)、光路由等領(lǐng)域。另一方面，由于硅材料在1.55μm波段具有高達(dá)2.6×10-18m2/W的克爾非線性折射率，硅基光子集成回路（photonic integrated circuits，PICs）在光參量器件和非線性光學(xué)信號處理領(lǐng)域獲得了廣泛的研究關(guān)注。為了在硅基波導(dǎo)器件中實(shí)現(xiàn)高效率和高光譜帶寬的光參量應(yīng)用，控制波導(dǎo)器件的群速度色散是一項(xiàng)重要的技術(shù)。過去的研究表明，通過調(diào)節(jié)硅波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得超寬的異常色散曲線。目前，這種特性已被廣泛應(yīng)用于片上光頻梳、超連續(xù)譜、信號參量放大和信號再生等領(lǐng)域。然而，群速度色散對波導(dǎo)內(nèi)的空間模式有很強(qiáng)的依賴性，在同一波段內(nèi)，不同空間模式的色散曲線差異很大，為模分復(fù)用技術(shù)和光參量信號處理技術(shù)結(jié)合帶來了一定的困難。可以預(yù)計(jì)，開發(fā)一個對于多個空間模式均具有平坦和反常色散的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，將有助于推動模分復(fù)用光參量器件的研究。

圖1.所發(fā)明的凸型多模光波導(dǎo)示意圖及多模色散調(diào)控結(jié)構(gòu)。(a)凸型多模光波導(dǎo)示意圖。(b)多模色散調(diào)控的理論模擬結(jié)果。

在本項(xiàng)工作中，研究者們發(fā)明了一種凸型多模光波導(dǎo)及多模色散調(diào)控的方法。如圖1a所示，在硅-絕緣體（silicon-on-insulator, SOI）晶圓上設(shè)計(jì)一個凸型多模光波導(dǎo)，通過優(yōu)化光波導(dǎo)的寬度，橫向刻蝕寬度，垂直刻蝕深度，從而達(dá)到調(diào)控色散的目的。最終TE0和TE1模式的群速度色散曲線基本一致，如圖1b所示，在1.37 μm到1.75 μm的范圍內(nèi)獲得了-1500 ps/nm/km到-1000 ps/nm/km的平坦色散曲線。本發(fā)明所涉及的方法可以實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)中多個空間模式的正常色散或反常色散調(diào)控，有助于實(shí)現(xiàn)在同一個波導(dǎo)中對多個空間模式進(jìn)行高效率的非線性光學(xué)頻率變換，可以用于開發(fā)片上集成的多模非線性激光器件。該測量方法基于課題組研發(fā)的雙模凸波導(dǎo)中的色散調(diào)控發(fā)明（IEEE Photonics Journal, vol. 12, no. 4, pp. 6601506, 2020），并用于研究波導(dǎo)集成的石墨烯調(diào)控的雙模克爾光頻梳（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 28, no. 3, pp. 5100107, 2022）。

圖2.一種凸型多模光波導(dǎo)及多模色散調(diào)控方法專利授權(quán)證書。

本專利的學(xué)生第一發(fā)明人為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的博士研究生陳威成同學(xué)，專利授權(quán)證書如圖2所示。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（61805175）項(xiàng)目的支持。

審核編輯 ：李倩