基于超材料的多光模式组合传输新策略

过去几年，每秒传输和处理的数据量大幅增加。快速涌现的技术，如高维量子通信、大规模神经网络和大容量网络，需要大带宽和高数据传输速度。实现这些技术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。

通过一种称为模式分区复用(MDM)的技术，光学互连可以提供令人难以置信的高速度。由于精确设计的称为波导的结构，光可以以特定的模式传播。由于多个模式可以同时在同一介质中传播而不相互干扰，它们有效地充当独立的数据通道，提高了系统的整体数据传输速率。

然而，到目前为止，报道的MDM系统的速度有限，主要原因是设备制造中的缺陷导致波导的折射率变化。缓解这种缺陷的一种方法是通过优化结构和组成来仔细设计波导的折射率。不幸的是，目前可用的方法受到材料选择或产生的大电路占用面积的限制。

在这种背景下，包括中国上海交通大学苏一凯教授在内的一个研究小组试图开发一种耦合(或组合)不同光模式的新方法。根据他们发表在《先进光子学》上的研究报告，该团队成功地将这种技术应用于MDM系统，实现了前所未有的数据速率。

超材料使用多模波导实现特定的光传播模式。(左)一维梯度折射率超材料(GIM)结构的概念图，折射率沿光传播方向连续变化。(右)16通道MDM系统中基于GIM的耦合器；(下)耦合区域的SEM图像。

 这项研究的主要亮点是光模耦合器的创新设计，这种结构可以操纵在附近总线波导中传播的特定光模式，例如携带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个，将其发送到不同的路径。

参考文献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，在广泛的耦合区域内与所需的光模式产生强烈的相互作用，从而实现了高耦合系数。他们通过利用梯度折射率超材料(GIM)波导来实现这一点。

 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。这反过来又通过减轻波导的参数变化，促进了单个光模式与纳米线总线之间的无缝和高效过渡。

 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，同时支持16种不同的光模式——TE0到TE15。在数据传输实验中，它实现了2.162 Tbit/s的数据传输速率，这是迄今为止在单个波长上运行的芯片设备的最高数据传输速率。

此外，该系统采用与半导体器件制造兼容的方法制造，如电子束光刻、等离子体蚀刻和化学气相沉积。这使得设计易于扩展，并与当前可用的制造技术兼容。

总的来说，使用GIM结构的耦合策略可能会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的新基准。

相关链接：https://phys.org/news/2023-09-metamaterial-based-strategy-combine-transmit-multiple.html