基于超材料的新策略组合和传输多种光模式
在过去的几年里，每秒传输和处理的数据量大幅增加。高维量子通信、大规模神经网络和大容量网络等快速新兴技术需要大带宽和高数据传输速度。实现这些目标的一种可行方法是用光学互连取代电子系统中组件之间的传统金属线，即使用光而不是电来建立数据传输通道。
光互连可以通过模分复用 (MDM) 技术提供令人难以置信的高速度。由于精确设计的波导结构，光可以以称为“模式”的特定模式传播。由于多种模式可以同时在同一介质中传播而不会相互干扰，因此它们有效地充当单独的数据通道，从而提高了系统的整体数据传输速率。
然而，迄今为止报道的MDM系统的速度受到限制，这主要是由于器件制造中的缺陷导致波导的折射率变化。减轻缺陷的一种方法是通过优化结构和成分来仔细设计波导的折射率。不幸的是，当前可用的方法受到材料选择或由此产生的大电路占用空间的限制。
在此背景下，包括中国上海交通大学苏一凯教授在内的研究团队试图开发一种耦合(或组合)不同光模式的新方法。正如他们在《Advanced Photonics》上发表的 研究报告所述 ，该团队成功地将这项技术应用于 MDM 系统，实现了前所未有的数据速率。
该研究的主要亮点是光模式耦合器的创新设计，这种结构可以操纵在附近总线波导中传播的特定光模式，例如承载总多模信号的纳米线。耦合器可以将所需的光模式注入总线波导或从中提取一种光模式，将其发送到不同的路径。
研究人员定制了耦合器的折射率，使其在存在制造误差的情况下在广泛的耦合区域中与所需的光模式强烈相互作用，从而实现高耦合系数。他们通过利用梯度折射率超材料(GIM)波导实现了这一目标。与通常的材料相反，GIM 表现出沿着光传播方向连续变化的折射率。通过减轻波导的参数变化，这反过来又促进了各个光模式与纳米线总线之间的无缝且高效的转换。
通过级联多个耦合器，研究人员创建了一个 16 通道 MDM 通信系统，可同时支持 16 种不同的光模式(TE 0 至 TE 15)。在数据传输实验中，它实现了 2.162 Tbit/s 的数据传输速率，这是迄今为止报道的单波长片上器件的最高值。
此外，该系统是使用与半导体器件制造兼容的方法制造的，例如电子束光刻、等离子体蚀刻和化学气相沉积。这使得该设计易于扩展并与当前可用的制造技术兼容。
总的来说，所提出的使用 GIM 结构的耦合策略可以提供急需的数据速率提升，特别是在大规模并行数据传输和计算很常见的领域。这可能会转化为硬件加速、大规模神经网络和量子通信方面的新基准。
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