近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發了一種凸型多模光波導及多模色散調控方法，成果獲得了中國發明專利（ZL202010623165.X）授權。

硅基波導集成的模分復用（mode-division multiplexing，MDM）技術在光通信和光互聯應用中極具前景。在此項技術中，多模光波導中的多個彼此正交的空間模式被用做信道，為擴充通信容量提供了一個新的維度。基于MDM技術，研究者已經實現了速度高達10.68 Tbit/s的片上數據傳輸，并廣泛應用于片上光收發機、光開關、光路由等領域。另一方面，由于硅材料在1.55μm波段具有高達2.6×10-18m2/W的克爾非線性折射率，硅基光子集成回路（photonic integrated circuits，PICs）在光參量器件和非線性光學信號處理領域獲得了廣泛的研究關注。為了在硅基波導器件中實現高效率和高光譜帶寬的光參量應用，控制波導器件的群速度色散是一項重要的技術。過去的研究表明，通過調節硅波導的結構參數，可以獲得超寬的異常色散曲線。目前，這種特性已被廣泛應用于片上光頻梳、超連續譜、信號參量放大和信號再生等領域。然而，群速度色散對波導內的空間模式有很強的依賴性，在同一波段內，不同空間模式的色散曲線差異很大，為模分復用技術和光參量信號處理技術結合帶來了一定的困難。可以預計，開發一個對于多個空間模式均具有平坦和反常色散的波導結構，將有助于推動模分復用光參量器件的研究。

圖1.所發明的凸型多模光波導示意圖及多模色散調控結構。(a)凸型多模光波導示意圖。(b)多模色散調控的理論模擬結果。

在本項工作中，研究者們發明了一種凸型多模光波導及多模色散調控的方法。如圖1a所示，在硅-絕緣體（silicon-on-insulator, SOI）晶圓上設計一個凸型多模光波導，通過優化光波導的寬度，橫向刻蝕寬度，垂直刻蝕深度，從而達到調控色散的目的。最終TE0和TE1模式的群速度色散曲線基本一致，如圖1b所示，在1.37 μm到1.75 μm的范圍內獲得了-1500 ps/nm/km到-1000 ps/nm/km的平坦色散曲線。本發明所涉及的方法可以實現對波導中多個空間模式的正常色散或反常色散調控，有助于實現在同一個波導中對多個空間模式進行高效率的非線性光學頻率變換，可以用于開發片上集成的多模非線性激光器件。該測量方法基于課題組研發的雙模凸波導中的色散調控發明（IEEE Photonics Journal, vol. 12, no. 4, pp. 6601506, 2020），并用于研究波導集成的石墨烯調控的雙模克爾光頻梳（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 28, no. 3, pp. 5100107, 2022）。

圖2.一種凸型多模光波導及多模色散調控方法專利授權證書。

本專利的學生第一發明人為天津大學精密儀器與光電子工程學院的博士研究生陳威成同學，專利授權證書如圖2所示。該工作得到了國家自然科學基金（61805175）項目的支持。

審核編輯 ：李倩