图 | 童业煜（来源：童业煜）
利用现有的硅基光子集成工艺，该课题组办理了多模耦合和信道串扰这两大技能难题。
以此推动建立了多模式芯光互连系统，促进了多模复用光纤系统在数据传输、量子通信、传感成像等领域的运用。
在该研究中，该团队先是提出了四向对称的多模啁啾光栅耦合器构造，首次实现了可以高效率地、选择性引发 8 个光纤的线性偏振模式，并且能够兼容标准的硅光流片工艺。
结合亚波长 Mikaelian 透镜构造的模斑大小转换器，让芯光互连 IO 接口的尺寸能被压缩 35×35µm2。
进而在传输效率、模式数目、构造尺寸上均能取得有效打破，这对付探索高密度的芯光互连接口和多模的光纤系统具有主要意义。
图丨传算领悟的硅光集成芯片（来源：Nature Communications）
进一步地，为理解决模间旗子暗记串扰的问题，课题组利用马赫曾德干涉器构成的可重构片上光学网络，将旗子暗记传输与运算结合，让光打算加速的固有上风得以利用。
从而实现只需通过片上光学网络的一次传输，就能办理多模旗子暗记光纤传输后的模间串扰问题。
终极，通过传算领悟的硅光集成芯片，实验验证了 6 个偏振及模式旗子暗记的片间通信和旗子暗记光域处理。
从比利时到中国，一名科研职员的念念不忘
据先容，虚拟现实、高性能打算、人工智能技能比如 ChatGPT 等的发展，其背后带来的是全体人类社会数据交传播输需求的爆炸性增长，尤其是数据中央内部和芯片封装的爆炸性增长。
20 世纪 60 年代，“光纤之父”、华裔物理学家高锟提出利用玻璃纤维进行远间隔通信，自此掀起了全天下光纤通信的革命，为互联网的发展铺平了道路。
当前，学界和业界一贯在探索如何利用光互连，实现更大的通信容量和更低的能耗本钱。
光纤中的旗子暗记传输可以加载到不同频率，或通过不同光波导模式加以实现，从而利用同一根玻璃纤维来提升旗子暗记传输能力。
比如，当前数据中央的短间隔光模块，正是采取 4-8 个不同频率波长的光源，并通过频分/波分复用的办法，来增加旗子暗记传输容量。
多年前，学界认为模式复用技能将会和波分复用技能趋于相似，即通过把信息加载到不同光纤波导模式，进一步地打破光纤通信系统的容量。
图丨基于硅光传算处理芯片的多模光纤互连通信系统（来源：Nature Communications）
然而，在实际的光纤通信之中，多模复用技能仍旧存在很多难点。
比如，多模复用的光纤系统须要一个多通道、高效率、低本钱的模式复用器件。
只管三维激光直写波导、熔融光纤光子灯笼、多平面光转换等展现出不错的实验效果。
但是，学界和业界的共同期待在于：希望降落模式复用技能的繁芜度和本钱。
在此背景下，利用兼容大规模制造工艺的光子集成平台打造光纤多模复用器件，展现出低本钱和低繁芜度的上风。
然而，对付光纤的三维波导构造、以及光子集成平面波导来说，两者之间存在构造上的差异。
要想建立多模式、高效率的芯片-光纤互连方案，必将带来极大的技能寻衅。
图丨芯光互连 I/O 器件的扫描电子显微镜图像（来源：Laser & Photonics Review）
另一方面，对付多模式的光旗子暗记传输来说，它极易带来模式间的旗子暗记串扰。
以是，对付模式复用的光纤系统来说，它常日须要结合相关通信技能和数字旗子暗记处理。
只有这样，才能办理模间旗子暗记串扰问题。而这会给通信系统的功耗、本钱、和延时都带来极大寻衅。
事实上，早在童业煜读博期间，他就曾考试测验过寻衅上述难题。
当时，为了实现更加高效的芯光互连器件原型方案，他提出了新的设计方法并且增加了不少假设条件，以至于自己对付所提出的设计方案毫无信心。
不仅如此，在完成器件制备之后，他在实际测试中也碰着一些难以理解的征象，以是当时他基本已经放弃了自己所制订的原型方案。
然而，适值当时欧洲集成光学会议在比利时根特召开，作为一名硅光集成方向的研究职员，童业煜迎来了拜访有名的比利时校际微电子中央（imec，Interuniversity Microelectronics Centre）和比利时根特大学的机会。
适值当时作为博士生的他，手头上仅有这份研究事情尚未完成。因此，他的聚焦点不得不转回到这个器件上，于是遂把碰到的测试问题“一个个吃掉”。
“最主要的是，当时我的博士生导师曾汉奇教授提出了几个关键点，帮我办理了测试过程中对付数据结果的迷惑。”童业煜说。
后来，童业煜将上述结果整理成论文，并开始向欧洲集成光学会议投稿。
他说：“我仍旧记得在会议投稿截止前几个小时，我和导师一同完成了末了一张数据图测。后来。我们这份事情受邀在欧洲集成光学会议进行口头报告，也成为推动我申请、并作为研发工程师加入 imec 的契机。”
再后来，童业煜和导师将完全的设计方法整理为论文，并揭橥在 IEEE Journal of Quantum Electronics 上。
2022 年 5 月，童业煜从比利时微电子研究中央离职，返国加入喷鼻香港科技大学（广州）微电子担当助理教授。
同年 9 月，他迎来了几位博士新生，于是针对上述问题启动了更进一步的研究。
无畏无限，边学边干
对付童业煜团队的新生来说，在设计硅基光子集成器件上，他们基本没有任何履历和背景。
为此，在启动研究和构思方案的时候，全体团队花了不少韶光。
但是，童业煜创造年轻学生们非常聪明、思维也生动，经由多次谈论剖析之后，他们终于提出了一种可行方案，并顺利通过仿真验证和流片递送。
然而，在实验测试上学生们同样处于零履历状态，而本次测试方案的打磨过程，也成为了学生入门光子集成的“培训课程”。
图丨多模通信实测高速旗子暗记眼图及误码率（来源：Nature Communications）
期间，童业煜直接通过本次课题的流片原型，来辅导学生进行基本的光子集成器件和通信系统性能测试。
“顺利完成测试之后，学生们和我感概道，博士入学就立即开始项目研究，让他们多少觉得有些措手不及，但学习和收成同样丰富。”童业煜说。
终极，干系论文以《用于少模光纤的超紧凑高效率硅基多模复用器》（Ultra-Compact and Efficient Integrated Multichannel Mode Multiplexer in Silicon for Few-Mode Fibers）和《使能高维光纤通信的集成光子处理器》（Empowering high-dimensional optical fiber communications with integrated photonic processors）为题，分别发在 Laser & Photonics Reviews（IF 11）[2]和 Nature Communications 上（IF 16.6）[1]。
图丨干系论文（来源：Laser & Photonics Reviews、Nature Communications ）
而在后续，“我们操持在硅基光子集成芯片技能中连续研讨，利用芯片原型方案办理光互连、光打算、光传感等领域家当运用的核心问题和关键难题。
期待能够追赶天下领先的光电集成芯片技能，更希望可以推动成果家当化，用实际代价造福社会。”童业煜表示。
参考资料：
1. Kaihang LU†, Zengqi CHEN†, Hao Chen†, Wu Zhou, Zunyue Zhang, Hon Ki Tsang, and Yeyu Tong, Empowering high-dimensional optical fiber communications with integrated photonic processors, Nature Communications, 15, 3515, 2024.
2.Wu Zhou, Zunyue Zhang, Hao Chen, Hon Ki Tsang, and Yeyu Tong, Ultra-compact and efficient integrated multichannel mode multiplexer in silicon for few-mode fibers, Laser & Photonics Reviews, 18, 2300460, 2024.
排版：罗以、刘雅坤
