光子芯片是后摩尔时代的一个重要发展方向，在光通信、光传感和光计算方面都有着非常重要的应用。波导阵列是光子芯片的基本组成部分之一，也是集成光子系统中占用面积最大的元件。密集波导阵列既可以实现波导元件的高密度集成，显著降低片上占用面积和成本，同时也可提高诸如相控阵和空分复用等器件的性能。但是，由于光子的隧穿效应，相邻波导间的光信号并不能被完全隔离，形成了波导间信号的串扰，并且这种串扰会随着波导距离的减小而急剧增大，极大地限制了片上集成度的提高，是光学领域的一个重要难题。
近日，上海科技大学信息学院邹毅课题组基于人工规范场（Artificial Gauge Field，AGF）理论，提出了一种片上半波长芯间距、低串扰、大带宽的密集波导阵列设计方案。相关成果以题为“Artificial gauge field enabled low-crosstalk, broadband, half-wavelength pitched waveguide arrays”在国际光学期刊Laser & Photonics Reviews上发表。
研究人员通过在密集波导阵列中引入周期性人工规范场，对传播的光量子态引入一个额外的相位，改变等相面的分布，获得复数化的耦合系数，从而影响到相邻模式之间的耦合，达到抑制量子隧穿的效应的目的。该抑制行为是一般性的行为，对任意形式的周期性人工规范场都有效。
图|人工规范场调控密集波导阵列
同时，课题组基于该原理设计了硅基半波长芯间距的密集波导阵列。通过对波导轨迹进行调制，引入人工规范场，来抑制波导阵列间的强烈串扰。实验结果表明，在由64根半波长芯间距波导组成的阵列中，实现了具有70nm带宽的-30dB的串扰抑制和大于100nm的-25dB的串扰抑制，以及可忽略不计的插入损耗。该设计可以在片上实现灵活的路由，并将现有的波导集成度提升了3倍以上。
图|半波长间隔密集波导阵列性能
上海科技大学是该成果的第一完成单位。信息学院助理研究员周培基和2018级博士研究生李挺为论文的共同第一作者，邹毅教授为论文通讯作者，华中科技大学沈力教授、南京大学李涛教授和哈尔滨工业大学徐小川教授也对该工作进行了指导。此成果在上海科技大学量子器件中心（SQDL平台）完成。
（来源： 上海科技大学）
