隨著以人工智能為代表的新一代變革性信息技術的涌現，以電子作為信息載體的微電子芯片正面臨日益突出的“電子瓶頸”問題，與現有標準CMOS集成電路工藝兼容的硅光芯片技術是目前最具潛力的解決方案。近期，物理學院光信息技術團隊吳勝保副教授聯合東南大學、南京理工大學、福州大學等單位研究人員，在構建大容量、高集成度硅光芯片中的關鍵功能單元，如模分復用、偏振管理、交叉連接等取得了系列進展。
在模式復用技術方面，團隊提出一種基于反向模式變換多模波導光柵作為引擎，雙向非對稱定向耦合器作為接入波導的緊湊型片上模分復用架構。該架構克服了傳統技術不能直接訪問多模總線波導中的特定低階模式的局限，且可與光開關結合構建一種雙向/雙模式可重構模式上下路器，具有高度的靈活性和可擴展性。實驗演示了基于該架構的4通道模式解復用器具有0.3-2.4dB插損，低于-17.5dB模式串擾，3dB工作帶寬超100nm，性能達到同類先進水平。相關成果發表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology(DOI 10.1109/JLT.2024.3499336), 碩士研究生張磊為第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。
在偏振管理上，團隊設計并實驗演示了一種高性能、超寬帶片上偏振分束器。該器件利用了多模波導中超高的偏振模雙折射，通過精細模式調控的反向模式變換光柵實現了不同偏振態沿不同方向路由，再配合絕熱非對稱定向耦合器實現了超寬帶的模式耦合輸出。測試結果顯示，該器件消光比>30dB的工作帶寬超220nm，性能優于同類器件。相關成果發表在Optics Express (2025,33:7771), 碩士研究生張磊和高志遠為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者。此外，團隊還針對經典布拉格光柵型起偏器的反射信號會干擾前置光路的難題，提出了一種寬帶的反射信號抑制技術，相關成果發表在Optics Letters（2024, 49:4995），吳勝保副教授為第一作者，姚曉天教授為論文通訊作者。
針對高集成度交叉連接問題，團隊提出多種新型波導交叉結構。基于復合亞波長光柵陣列的超緊湊星形交叉結構，利用扇形和納米孔洞超構亞波長光柵陣列，調控光場的波前和模式相差，首次實現了偏振無關的3×3星型交叉，尺寸僅12.68×10.98 μm2，在光通信C波段測試插入損耗≤0.35 dB/0.4 dB (TE/TM)，串擾≤-31.5 dB/-28.6 dB，相關成果發表在Optics Letters（2024, 49:4326），碩士研究生于千里為論文的第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于亞波長光柵槽波導的交叉結構，利用槽波導對光場的納米聚焦作用，正交亞波長光柵的等效各向異性介質超材料的性質，有效抑制了交叉區域的衍射效應，實現了低損耗、低串擾的傳輸，實驗測得插入損耗約0.1dB，串擾低于-35dB，相關成果發表在Optics Express(2025,33:4902), 碩士研究生朱家寶和于千里為共同第一作者，吳勝保副教授為通訊作者；基于二維亞波長多孔超材料的多模波導交叉結構，在2μm中紅外波段表現出色，尺寸僅為12.6μm×12.6μm，對TE?、TE?和TE?模式的插入損耗分別低于0.37dB、0.28dB和0.32dB，串擾低于-32dB，為中紅外光通信和計算領域提供了關鍵器件，相關成果發表在Optics Express(2025,33:6788), 南京理工大學倪斌博士為第一作者，倪斌博士、吳勝保副教授為共同通訊作者。
上述工作中東南大學肖金標教授、福州大學郭振釗博士在流片和技術上提供了大量的支持和幫助。
以上工作得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金、河北大學引進人才啟動項目、中央高校基本科研業務費支持。
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