多模微环谐振器中的多功能光子分子开关研究

近日，北京大学电子学院王兴军、舒浩文团队提出集成微波光子宽频段精细信号处理解决方案，通过操控波导内空间模式的耦合关系来调控谐振峰劈裂的状态；当劈裂调控至消失时，谐振峰宽仅约30 MHz，同时维持着超百GHz的自由光谱范围，为高精度、超宽带的微波光子应用提供了强大支持。团队实现了基于硅基微环的跨L, S, C, X, Ku, K, Ka, U多频段的微波/毫米波的生成与处理，对于未来机载、卫星的跨频段无线通信具有重要意义。2月20日，相关研究成果以《多模微环谐振器中的多功能光子分子开关》(“Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators“”)为题，在线发表于Nature子刊《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)。

光子分子概念的提出是为了在光域上模拟原子之间形成分子键的过程。这种现象具有卓越的光学性质，在量子光学、非线性光学等领域具有重要的应用价值，如实现量子随机数发生器，或者用来调节微腔内的色散，以实现暗脉冲光学频率梳。然而，如何以一种十分简易的方式来动态调整微腔之间的耦合一直是限制光子分子广泛应用的症结所在，并且，如何利用该现象去支持更广范的应用场景也是研究人员需要思考的关键问题。

在该工作中，研究团队提出“集成光子分子开关”概念，运用波导中不同空间模式所产生的谐振峰，实现劈裂（splitting）现象，并通过调整模式之间的耦合关系，有效地控制谐振峰的劈裂状态。具体的，研究团队选用跑道型微环作为片上微腔的实现形式，在硅光SOI平台上进行器件设计，并将硅波导的宽度扩展至2 μm，使其能够支持更高阶的空间模式。相比使用大尺寸欧拉弯曲以实现缓变绝热近似的传统方案，研究团队利用欧拉弯曲+圆弧构建对称的180°弯曲波导，并有意大幅缩小弯曲尺寸，以高效地在微腔内诱导高阶空间模式。同时借鉴旋转波近似法，对经典耦合模方程进行了修正，从而更有效地分析该问题下的耦合规律，实现了切换光子分子在微腔内的物理状态，赋能多个不同领域，实现变革性突破。

研究团队验证了在光子分子开启状态下可实现谐振峰劈裂的灵活调控，仅利用芯片上的热电极即可实现两个模式耦合强度以及相位差的调谐，实现了劈裂不同维度的变化。而当光子分子处于关闭状态时，基模又可以实现在环内零串扰、低损耗传输，并且由于微环弯曲波导的尺寸极小，微环同时具有极大的FSR和极高的Q值，研究团队验证了该微环作为微波光子链路中的关键部件，能够在超宽频谱内提供极其精细的滤波功能。基于该微环的微波光子滤波器能够在L, S, C band至U band范围内实现高达58 GHz的连续调谐能力，其3 dB滤波线宽最窄仅32 MHz。团队还借助该微环成功完成了光电振荡器（OEO）的实验验证，实现了中心频率从sub-6G到50 GHz的可调谐微波源。这种滤波器和OEO代表了目前国际上基于硅基集成器件所实现的最宽频段和最精细纵模滤波的水平。

基于该器件所实现的滤波器与OEO结果图

该论文的第一作者为北京大学电子学院博士生陶子涵，王兴军教授、舒浩文研究员为该论文的通讯信作者。主要合作者还包括电子学院彭超教授，集成电路学院何燕冬研究员，电子学院博士生沈碧涛、黎文灿、吴一晨及毕业生陶源盛，工学院硕士生邢露文，集成电路学院博士生王皓玉，北京大学长三角光电科学研究院助理研究员周䶮。该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室作为第一单位完成。

审核编辑：刘清