過去幾年，每秒傳輸和處理的數(shù)據(jù)量大幅增加�？焖儆楷F(xiàn)的技術(shù)，如高維量子通信、大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大容量網(wǎng)絡(luò)，需要大帶寬和高數(shù)據(jù)傳輸速度。實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的一種可行方法是用光學(xué)互連取代電子系統(tǒng)中組件之間的傳統(tǒng)金屬線，即使用光而不是電來建立數(shù)據(jù)傳輸通道。

通過一種稱為模式分區(qū)復(fù)用(MDM)的技術(shù)，光學(xué)互連可以提供令人難以置信的高速度。由于精確設(shè)計(jì)的稱為波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，光可以以特定的模式傳播。由于多個(gè)模式可以同時(shí)在同一介質(zhì)中傳播而不相互干擾，它們有效地充當(dāng)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，提高了系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸速率。

然而，到目前為止，報(bào)道的MDM系統(tǒng)的速度有限，主要原因是設(shè)備制造中的缺陷導(dǎo)致波導(dǎo)的折射率變化。緩解這種缺陷的一種方法是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和組成來仔細(xì)設(shè)計(jì)波導(dǎo)的折射率。不幸的是，目前可用的方法受到材料選擇或產(chǎn)生的大電路占用面積的限制。

在這種背景下，包括中國(guó)上海交通大學(xué)蘇一凱教授在內(nèi)的一個(gè)研究小組試圖開發(fā)一種耦合(或組合)不同光模式的新方法。根據(jù)他們發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)》上的研究報(bào)告，該團(tuán)隊(duì)成功地將這種技術(shù)應(yīng)用于MDM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的數(shù)據(jù)速率。

超材料使用多模波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)特定的光傳播模式。(左)一維梯度折射率超材料(GIM)結(jié)構(gòu)的概念圖，折射率沿光傳播方向連續(xù)變化。(右)16通道MDM系統(tǒng)中基于GIM的耦合器；(下)耦合區(qū)域的SEM圖像。

 這項(xiàng)研究的主要亮點(diǎn)是光模耦合器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可以操縱在附近總線波導(dǎo)中傳播的特定光模式，例如攜帶總多模信號(hào)的納米線。耦合器可以將所需的光模式注入總線波導(dǎo)或從中提取一個(gè)，將其發(fā)送到不同的路徑。

參考文獻(xiàn)研究人員定制了耦合器的折射率，使其在存在制造誤差的情況下，在廣泛的耦合區(qū)域內(nèi)與所需的光模式產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了高耦合系數(shù)。他們通過利用梯度折射率超材料(GIM)波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

 與通常的材料相反，GIM表現(xiàn)出沿著光傳播方向連續(xù)變化的折射率。這反過來又通過減輕波導(dǎo)的參數(shù)變化，促進(jìn)了單個(gè)光模式與納米線總線之間的無縫和高效過渡。

 通過級(jí)聯(lián)多個(gè)耦合器，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)16通道MDM通信系統(tǒng)，同時(shí)支持16種不同的光模式——TE0到TE15。在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)中，它實(shí)現(xiàn)了2.162 Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這是迄今為止在單個(gè)波長(zhǎng)上運(yùn)行的芯片設(shè)備的最高數(shù)據(jù)傳輸速率。

此外，該系統(tǒng)采用與半導(dǎo)體器件制造兼容的方法制造，如電子束光刻、等離子體蝕刻和化學(xué)氣相沉積。這使得設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展，并與當(dāng)前可用的制造技術(shù)兼容。

總的來說，使用GIM結(jié)構(gòu)的耦合策略可能會(huì)提供急需的數(shù)據(jù)速率提升，特別是在大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算常見的領(lǐng)域。這可能會(huì)轉(zhuǎn)化為硬件加速、大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子通信的新基準(zhǔn)。

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