北京大学团队在《科学·进展》发表拓扑保护低插损片上光端口重要研究进展

随着人工智能、大数据、云计算等信息技术的快速发展，数据算力与运力需求呈现指数式增长，构建大规模、高带宽、高密度、高能效的新型芯片体系架构是后摩尔时代的重要方向。运用“光电融合”理念发展的大规模光电混合集成技术是解决后摩尔时代芯片架构的重要发展方向，其中，亟需高能效、大带宽和结构紧凑的光端口用于支撑光互连，满足诸如AI计算、数据中心等场景下海量、高速数据的通信需求。低插损光端口对降低系统能耗和提升链路功率预算余量至关重要。光栅耦合器作为光端口的一种，具有结构紧凑、可阵列化布置的优势，但其朝向衬底的能量泄露是其插损的主要来源。传统的对称光栅结构朝向衬底方向的无用辐射将导致高达近3dB的固有损耗，成为制约光链路能效的关键瓶颈之一。如何构建高方向性和低损耗的无镜面定向辐射光栅耦合器成为领域的一个关键问题。

针对上述问题，北京大学电子学院、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超教授课题组从拓扑光子学角度构建高方向性辐射的低插损光栅耦合器。相关研究成果以“Ultralow-loss optical interconnect enabled by topological unidirectional guided resonance”为题，于2024年3月20日在线发表于《科学》（Science）子刊《科学·进展》（Science Advances）。电子学院2022级博士研究生王浩然为第一作者，彭超为通讯作者。

光栅耦合器结构示意图

耦合插损实验数据

彭超课题组通过调控半整数拓扑荷的合并来构造无镜面定向发射。简要来说，从布里渊区中心处携带整数拓扑荷的连续区束缚态（BIC态）出发，采用L型空气孔来破缺结构对称性，这可使整数拓扑荷分裂为一对半整数拓扑荷，体现为成对的圆偏振态；进一步连续调控结构参数将一侧表面的半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，而另一侧仍保持分裂，即形成单向辐射共振态。单向辐射态的上下辐射非对称比高达65.8dB。通过调控单向辐射态的色散关系，并引入渐变结构与光波导绝热连接，最终实现了一类只有表面辐射通道开放的单向辐射光栅耦合器。课题组利用电子束曝光和干法刻蚀技术制备上述单向辐射光栅耦合器，实验测量其表面插损仅为-0.34dB，这意味着有近92%的能量可从光纤耦合进光波导中。该技术可显著提升片上光端口的能效，推动了高密度光电混合集成技术的发展。