Light | 多模硅光延迟线: 突破延迟密度极限

导读片上光波导延迟线在诸多光学系统中具有突出应用价值，但难以同时实现低损耗、大范围、小尺寸和大带宽的要求。针对这一问题，浙江大学戴道锌研究团队首次提出并演示了一种多模硅光延迟线，一举打破了单模波导的延迟密度限制，实现了创纪录的高延迟密度（3299 ps/mm2）和超大片上延迟量12.7 ns，推动大带宽片上延迟线朝着mm2尺寸和10 ns级大延迟量迈进。该成果以“Multimode-enabled silicon photonic delay lines: break the delay-density limit”为题发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

片上光波导延迟线在微波光束形成、高速光通信和集成量子光子学等领域具有广阔应用前景。特别是，微波光子波束形成系统、光频域反射计（OFDR）和光学相干断层扫描系统（OCT）及高速光通信系统等都对片上光波导延迟线延迟范围、带宽、尺寸都提出了更高要求。如何在小尺寸条件下实现大带宽/低损耗的10 ns级大延迟范围一直面临重要挑战，其关键在于实现超低损耗传输及高延迟密度。 研究亮点在各类光波导体系中，硅光波导以其超高折射率差Δ和CMOS兼容性而备受关注，有助于实现超紧凑的片上光波导延迟线及阵列。本文提出了硅光多模延迟单元（图1(a) 所示），创新性地单片集成了阿基米德多模波导螺旋线、欧拉S弯曲、TE1/TE2模式复用/解复用器等，其中：1.选取3 μm波导宽度的阿基米德多模波导螺旋线，以支持多个模式的低损传播。2. 优化螺旋线的波导间隙，实现低耦合串扰的紧凑器件。3. 引入了欧拉S弯曲，实现超紧凑尺寸和超低弯曲损耗，并消除更高阶模的串扰。

4. 引入TE1/TE2模式复用/解复用器和双迂回波导实现光场循环传输。

在此结构中，基于多通道模式复用技术，光场在阿基米德多模波导螺旋线中来回循环传输，实现了延迟总量的显著增强。为了更好地表征延迟量水平和结构紧凑性，本文定义每单位面积的延迟量为延迟密度Dd（ps/mm2），并作为其品质因子。很显然，延迟密度Dd主要由线延迟密度Dd_L和延迟损耗Ld决定。在此，线延迟密度Dd_L定义为延迟量与波导长度的比值（ps/cm），而延迟损耗Ld（dB/ps）则被定义为传播损耗与延迟时间之比。在此，我们成功地研制了3模式通道的多模延迟单元芯片，利用三个模式通道实现了高达376.9 ps/cm的线延迟强度(见图1（b）、比单模延迟单元高2.7倍），同时还实现了0.0018 dB/ps的超低延迟损耗(见图1（c）、比单模延迟单元小一个量级）。

图1.  (a) 硅光多模延迟单元及其 (b) 线延迟密度和 (c) 延迟损耗。

测试结果表明：所研制硅光多模延迟线的TE0、TE1和TE2模传播损耗分别为0.2、0.31和0.49 dB/cm（图2（a）所示），均远低于单模波导损耗（~3.1 dB/cm）；相应地，其总的等效延迟损耗为0.0040 dB/ps（图2（b）所示)，亦远低于单模波导（~0.022 dB/ps）。

图2. 多模波导和单模波导延迟线特性对比：(a) 各模式传输损耗， (b) 延迟损耗。

基于所提出的多模延迟单元和免校准2×2光开关，本文进一步研制了7-bit可调多模硅光延迟线，实现了高达12.7 ns的超大延迟，其分辨率为100 ps，总尺寸仅3.85 mm2。

图3. (a) 7-bit可调多模硅光延迟线； (b) 微波相位响应； (c) 可调延迟量；(d) 不同延迟情况的损耗。

图4对基于不同波导体系的延迟线进行了比较。由此可见，氮化硅波导由于其低损耗往往更易于实现超大时延，但总体尺寸也大，相应的延迟密度为10 ps/mm2量级；相比之下，硅光波导以其超高折射率差更利于实现超小尺寸延迟线，但传统单模波导传输损耗较大，可获得的总延迟量通常为数百ps，其延迟密度为~100 ps/mm2量级。而本文利用展宽硅光波导超低传输损耗特点实现了逾10 ns的超长延迟，同时通过引入模分复用方法实现逾3000 ps/mm2的超高延迟密度，创造了新的纪录。

图4. 各种片上可调光波导延迟线的性能比较。

前景展望

本文提出了全新的多模硅光延迟线，基于模分复用及展宽波导技术，打破了片上延迟密度限制。所研制的可调多模硅光延迟线实现了12.7 ns超大延迟量，总尺寸仅3.85 mm2，是迄今报道片上硅光波导延迟线的最高延迟密度（3299 ps/mm2），为大规模微波波束形成、OFDR、OCT和集成量子光学等应用提供关键支撑。