用于片上光网络的四端口多模光学路由器研究

Optical router is a key component to constitute large-scale optical switching networks. Implementing on-chip mode division multiplexing technology to optical routers and building multimode optical switching network can significantly increase the communication capacity of the system. The problems for multimode optical routers are the switching topology design and the rapid growth of footprint and power consumption with the increase of channels. This project uses 2 × 2 multimode optical switching unit to build the four-port multimode optical router. This method can maintain high compatibility with existing routing topologies as well as tailor the optimization to achieve the original connectivity with the least number of switching unit. In order to solve the bottleneck of scaling, we introduce the inverse-designed silicon metasurface to construct the mode multiplexing and switching elements, which can both fulfill the requirement of optical performance and footprint. This study is the foundation of the silicon-based large-scale multimode on-chip optical switching network.

光学路由器是构建大规模片上光交换网络的核心组件。将片上模分复用技术应用于光学路由器，构建多模光交换网络，可以显著增加通信系统的容量。多模光学路由器主要需要解决交换拓扑结构的设计与模式通道增长带来的芯片尺寸和功耗飞速增长的问题。本项目研究使用2×2多模光开关单元构建四端口多模路由器。在与现有的多种交换拓扑结构保持兼容性的同时，可针对不同网络路由特性进行优化，在保持相同连接性的同时达到最少开关数量。为解决大规模应用时芯片面积迅速增长的问题，采用逆向设计的硅基超表面结构组成核心模式调控与交换器件，兼顾光学性能与面积占用。本研究为实现硅基集成的大规模多模片上光交换网络做了可行性研究并奠定其器件基础。

光学路由器是构建大规模片上光交换网络的核心组件。通过引入模分复用技术，可将传统的单模光交换网络变为多模光交换网络，从而显著增加通信系统的数据吞吐量。本项目的多模光学路由器的研究旨在探索多模交换拓扑结构的设计方法学，与研究紧凑的模式调控单元器件，进而为高集成度的多模光交换网络提供可能的解决方案。本项目的主要研究内容包括：一方面，使用2×2多模光开关单元构建四端口多模路由器，保持与现有的多种交换拓扑结构的兼容性的同时，可方便对不同网络路由特性进行优化，从而在维持相同连接性的同时达到最少开关数量。另一方面，为解决大规模应用时芯片面积迅速增长的问题，研究了基于逆向设计的硅基超表面结构来作为关键被动单元，从而兼顾光学性能与面积占用。本项目的研究结果很好的实现了预期的研究目标：完成了四端口电光多模路由器的原型芯片研发，实现了25GBaud的单波长单模式通道信号交换速率，光学带宽覆盖1525-1565nm，信噪比大于15dB。在紧凑化逆向设计方面，提出了梯度概率密度驱动的二值化查找方法，平均可提升被动器件优化速度一个数量级与，并提升了大规模加工的鲁棒性。同时，完成了一系列基于逆向设计的超紧凑功能器件设计。项目研究结果为实现硅基集成的大规模多模片上光交换网络做了完整的可行性研究，并系统的构建了器件元件库与设计方法学。