基于密集波导阵列（DPWA）的硅基模式复用光开关集成芯片研究

This project aims at the increasing demand on data rate in the next-generation long-reach optical communication and the emerging on-chip and off-chip optical interconnect. We will be pursuing novel, multi-functional, highly-integrated optical-switch chip on silicon for mode division multiplexing using densely packed waveguide array (DPWA) structure, and some related key components and techniques, including bus waveguides, mode multiplexers, waveguide bends, waveguide crossings, couplers, phase delay lines, fiber interfaces, etc. In this project, we will develop theoretical models for DPWA based mode division multiplexing on a silicon chip. Their intrinsic scientific guide-lines for performance, scalability, and flexibility will be studied. A batch of integrated photonic components on silicon for multi-mode processing, as well as the fiber interface between silicon chips and four-core or seven-core fibers, will be built. We will realize a highly-integrated, multi-mode, optical-switch chip on silicon with multi-core fiber interfaces, and demonstrate the uniform and consistent switching functionality for 3-5 modes on the chip. The success of this project will provide valuable support of theories and key components for on-chip multi-mode optical signal processing, and help maintain the leading position of Chinese researches on integrated mode division multiplexing technology on a silicon chip.

本项目面向下一代长距离光通信以及新兴片上或片间光互连中对数据速率需求大幅增加的现状和问题，研究基于密集波导阵列（DPWA）结构的新型、多功能、高集成度硅基模式复用光开关集成芯片，以及相关多模核心器件和技术，包括：总线波导、复用解复用器、弯曲波导、交叉波导、耦合器、相位延迟、光纤接口等。在本项目中，我们将弄清基于DPWA波导结构的模式复用，在性能、扩展性、灵活性等方面科学规律，建立相关理论模型；实现一批面向多模处理的硅基集成光器件，并实现硅基芯片与4芯或7芯光纤的接口；实现具有多芯光纤接口的高集成度多模光开关芯片，演示可对3-5个模式进行一致控制和处理的2×2多模光开关功能。本项目成功执行，可以对功能型多模光电处理芯片，提供理论和关键器件的支持，保持我国在硅基集成模式复用研究方面的国际领先地位。

本项目面向下一代长距离光通信以及新兴片上或片间光互连中对数据速率需求大幅增加的.现状和问题，研究基于密集波导阵列（DPWA）结构的新型、多功能、高集成度硅基模式复用光开关集成芯片，以及相关多模核心器件和技术。项目按照总体任务规划和研究内容，1、开展了DPWA总线波导的基础研究，实现了如：多模交叉、多模弯曲等功能集成器件。2、研究了高效率光纤与芯片耦合结构，实现了一种基于悬浮结构的硅基完全垂直出射型光栅耦合器，首次将耦合效率提高到57%，后向反射率控制在1%以下。进一步，我们使用这种光栅结构，实现了垂直腔面发射激光器（VCSEL）与硅基光路的高效率耦合，硅波导中耦合光功率达到0.7mW，目前仍为世界最高记录。同时，我们通过改进后的光栅设计，实现了DFB激光器与硅基光芯片的高效耦合，耦合损耗低于2.3dB。3、实现了多模光开关器件。可以同时处理两个偏振模式或空间模式的光开关芯片，两个模式的开关消光比可同时优于15dB，插损也均小于2.5dB。此外，在高速光开关/光调制器方面，通过在硅基上异质集成铌酸锂电光材料，我们在国内首次实现了硅基高效率铌酸锂调制器，调制带宽70GHz以上。本项目的研究成果对功能型多模光电处理芯片，提供理论和关键器件的支持。.