光子芯片是后摩爾時代的一個重要發展方向，在光通信、光傳感和光計算方面都有著非常重要的應用。波導陣列是光子芯片的基本組成部分之一，也是集成光子系統中占用面積最大的元件。密集波導陣列既可以實現波導元件的高密度集成，顯著降低片上占用面積和成本，同時也可提高諸如相控陣和空分復用等器件的性能。但是，由于光子的隧穿效應，相鄰波導間的光信號并不能被完全隔離，形成了波導間信號的串擾，并且這種串擾會隨著波導距離的減小而急劇增大，極大地限制了片上集成度的提高，是光學領域的一個重要難題。

近日，上海科技大學信息學院鄒毅課題組基于人工規范場（Artificial Gauge Field，AGF）理論，提出了一種片上半波長芯間距、低串擾、大帶寬的密集波導陣列設計方案。相關成果以題為“Artificial gauge field enabled low-crosstalk, broadband, half-wavelength pitched waveguide arrays”在國際光學期刊Laser & Photonics Reviews上發表。

研究人員通過在密集波導陣列中引入周期性人工規范場，對傳播的光量子態引入一個額外的相位，改變等相面的分布，獲得復數化的耦合系數，從而影響到相鄰模式之間的耦合，達到抑制量子隧穿的效應的目的。該抑制行為是一般性的行為，對任意形式的周期性人工規范場都有效。

圖|人工規范場調控密集波導陣列

同時，課題組基于該原理設計了硅基半波長芯間距的密集波導陣列。通過對波導軌跡進行調制，引入人工規范場，來抑制波導陣列間的強烈串擾。實驗結果表明，在由64根半波長芯間距波導組成的陣列中，實現了具有70nm帶寬的-30dB的串擾抑制和大于100nm的-25dB的串擾抑制，以及可忽略不計的插入損耗。該設計可以在片上實現靈活的路由，并將現有的波導集成度提升了3倍以上。

圖|半波長間隔密集波導陣列性能

上海科技大學是該成果的第一完成單位。信息學院助理研究員周培基和2018級博士研究生李挺為論文的共同第一作者，鄒毅教授為論文通訊作者，華中科技大學沈力教授、南京大學李濤教授和哈爾濱工業大學徐小川教授也對該工作進行了指導。此成果在上海科技大學量子器件中心（SQDL平臺）完成。

（來源： 上海科技大學）