近日，北京大學電子學院王興軍、舒浩文團隊提出集成微波光子寬頻段精細信號處理解決方案，通過操控波導內空間模式的耦合關系來調控諧振峰劈裂的狀態；當劈裂調控至消失時，諧振峰寬僅約30 MHz，同時維持著超百GHz的自由光譜范圍，為高精度、超寬帶的微波光子應用提供了強大支持。團隊實現了基于硅基微環的跨L, S, C, X, Ku, K, Ka, U多頻段的微波/毫米波的生成與處理，對于未來機載、衛星的跨頻段無線通信具有重要意義。2月20日，相關研究成果以《多模微環諧振器中的多功能光子分子開關》(“Versatile photonic molecule switch in multimode microresonators“”)為題，在線發表于Nature子刊《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)。

光子分子概念的提出是為了在光域上模擬原子之間形成分子鍵的過程。這種現象具有卓越的光學性質，在量子光學、非線性光學等領域具有重要的應用價值，如實現量子隨機數發生器，或者用來調節微腔內的色散，以實現暗脈沖光學頻率梳。然而，如何以一種十分簡易的方式來動態調整微腔之間的耦合一直是限制光子分子廣泛應用的癥結所在，并且，如何利用該現象去支持更廣范的應用場景也是研究人員需要思考的關鍵問題。

在該工作中，研究團隊提出“集成光子分子開關”概念，運用波導中不同空間模式所產生的諧振峰，實現劈裂（splitting）現象，并通過調整模式之間的耦合關系，有效地控制諧振峰的劈裂狀態。具體的，研究團隊選用跑道型微環作為片上微腔的實現形式，在硅光SOI平臺上進行器件設計，并將硅波導的寬度擴展至2 μm，使其能夠支持更高階的空間模式。相比使用大尺寸歐拉彎曲以實現緩變絕熱近似的傳統方案，研究團隊利用歐拉彎曲+圓弧構建對稱的180°彎曲波導，并有意大幅縮小彎曲尺寸，以高效地在微腔內誘導高階空間模式。同時借鑒旋轉波近似法，對經典耦合模方程進行了修正，從而更有效地分析該問題下的耦合規律，實現了切換光子分子在微腔內的物理狀態，賦能多個不同領域，實現變革性突破。

研究團隊驗證了在光子分子開啟狀態下可實現諧振峰劈裂的靈活調控，僅利用芯片上的熱電極即可實現兩個模式耦合強度以及相位差的調諧，實現了劈裂不同維度的變化。而當光子分子處于關閉狀態時，基模又可以實現在環內零串擾、低損耗傳輸，并且由于微環彎曲波導的尺寸極小，微環同時具有極大的FSR和極高的Q值，研究團隊驗證了該微環作為微波光子鏈路中的關鍵部件，能夠在超寬頻譜內提供極其精細的濾波功能。基于該微環的微波光子濾波器能夠在L, S, C band至U band范圍內實現高達58 GHz的連續調諧能力，其3 dB濾波線寬最窄僅32 MHz。團隊還借助該微環成功完成了光電振蕩器（OEO）的實驗驗證，實現了中心頻率從sub-6G到50 GHz的可調諧微波源。這種濾波器和OEO代表了目前國際上基于硅基集成器件所實現的最寬頻段和最精細縱模濾波的水平。

基于該器件所實現的濾波器與OEO結果圖

該論文的第一作者為北京大學電子學院博士生陶子涵，王興軍教授、舒浩文研究員為該論文的通訊信作者。主要合作者還包括電子學院彭超教授，集成電路學院何燕冬研究員，電子學院博士生沈碧濤、黎文燦、吳一晨及畢業生陶源盛，工學院碩士生邢露文，集成電路學院博士生王皓玉，北京大學長三角光電科學研究院助理研究員周?。該工作由北京大學電子學院區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室作為第一單位完成。

審核編輯：劉清