Lumerical | 利用硅基超表面实现相位与振幅双梯度调控_化学_半导体_光学_电力_电子_芯片_通信_UM

Lumerical | 利用硅基超表面实现相位与振幅双梯度调控

在光子集成技术飞速发展的今天，如何精准操控光的传播路径，让光在微小的芯片上完成复杂的光学任务，成为了科研人员不懈探索的目标。近日，来自伊朗大不里士大学的研究团队在《Scientific Reports》期刊上发表了一项突破性研究，他们设计的相位和振幅梯度波导耦合超表面^[1]，能将芯片上的导波光场随心所欲地塑造成各种所需的自由空间模式，为集成光学领域开辟了崭新的道路。

传统光耦合技术的困境

要想在光子集成芯片（PICs）上实现高性能的光学成像、通信或传感功能，首先面临的挑战就是如何让光在芯片内外高效地“进出”，即芯片上的光波导需要高效的“光耦合器”。传统的光耦合技术主要基于边缘耦合和表面光栅方法。然而，这些方法往往不够灵活，只能在特定角度下工作，而且耦合效率低，导致大量光能量浪费。更关键的是，这些方法难以满足现代PICs对紧凑性和多功能性的需求。

超表面作为一种由亚波长单元构成的超薄结构，近年来在光场调控领域展现出了惊人的潜力。通过调控每个亚单元对光的相位、振幅等特性，能够实现传统光学元件难以完成的功能，比如全息成像、光束偏转等。但遗憾的是，大多数超表面研究都局限于自由空间光的相互作用，难以直接与片上器件集成。

相位-振幅双梯度超表面的
理论突破

（一）硅基超表面-波导耦合系统的拓扑结构

论文提出了一种全硅基超表面涂层一维波导结构，如图1所示，其核心单元为“超胞（super-cell）”，每个超胞由三根硅棒组成，沿波导轴向排列。这种设计的精妙之处在于：通过硅棒的几何参数（长度、宽度、高度）调控，实现对导波的相位积累（βx）与超胞诱导相位（φ_s(x)）的叠加，从而构建出任意光场分布的相位函数φ(x)=βx+φ_s(x)。

图1硅基超表面涂覆一维光波导的主要拓扑结构

硅棒被放置在波导的顶部，使用3D时域有限差分（FDTD）求解器（Ansys Lumerical FDTD模拟套件）对其散射行为进行数值模拟，结果如图2所示。所施加的TE₀₀模式激发硅条的电偶极子和磁偶极子本征模式，而它们的叠加使得硅棒可以实现2π的相位覆盖范围，这就为精确调控光场相位奠定了基础。

图2波导上硅棒Ey和Hx的场分布

（二）振幅梯度补偿

研究团队发现，导波在波导中传播时会产生衰减，导致末端光场振幅降低，进而影响聚焦效果。为此，他们提出了“振幅梯度”设计方法：通过优化不同位置硅棒的几何参数，使散射光振幅随导波衰减规律递增，实现能量的均匀分配。

图3的参数扫描结果显示，硅棒的长度（lx）与高度（lz）对散射光的相位与振幅影响显著。团队选取三组相位差为2π/3、振幅相近的硅棒参数（如图3中白色圆圈标记），构建了具有振幅补偿功能的超表面。这一设计将耦合效率从传统方法的8%提升至16%，同时将聚焦光斑的半高宽（FWHM）缩小至893nm，接近衍射极限。

图3硅棒长度（lx）和高度（lz）参数扫描中模拟相移的色图。对于（a）ly=750nm（b）ly=1000nm（c）ly=1200nm的振幅；对于（d）ly=750nm（e）ly=1000nm（f）ly=1200nm的相移。

实验验证：
从金属透镜到宽带性能的
系统性验证

（一）金属透镜概念验证

为验证设计理论，团队设计了一款焦距f=7500nm、工作波长1550nm的硅基金属透镜。该透镜由17组超胞分为三段排列：第一段5组（Λ₁=1100nm）、第二段4组（Λ₂=1000nm）、第三段8组（Λ₃=850nm）。

图4与图5的对比实验显示，初始设计因未补偿振幅衰减，聚焦效果不佳；而引入振幅梯度后，电场分布在焦平面（Z=7500nm）呈现清晰的聚焦光斑，强度分布半高宽从2.8μm优化至893nm。这一结果直接证明了相位-振幅双梯度设计的有效性。

图4所提出的波导驱动超透镜的初始值的归一化电场强度分布

图5所提出的波导驱动超透镜的最终值的归一化电场强度分布

（二）宽带光束偏斜特性

在1450nm至1600nm波长范围内，团队研究了金属透镜的聚焦偏移特性。图6的实验数据表明，随着波长增加，焦点位置向波导输入端偏移，这与理论预测的相位函数（如下图）完全一致。值得注意的是，该结构在1550nm附近的带宽内仅产生极小的光束偏斜，验证了其在宽波段应用中的稳定性。

相位函数

图6超透镜分别在λ=1450nm、1550nm及1600nm处的电场强度分布

技术优势

1.效率与损耗的双重优化

全硅基结构：摒弃传统金属-硅混合结构，避免等离子体效应导致的能量损耗，将耦合效率提升至16%，为同类技术的两倍。

背向散射抑制：通过硅棒参数优化，几乎消除了光场向波导的背向散射，进一步提高能量利用率。

2.片上集成的适配性

该结构完全兼容标准硅光子学工艺，可通过电子束光刻（EBL）与化学气相沉积（PECVD）实现多层硅棒的精确加工，为大规模片上集成提供了工艺可行性。

总结与展望

在该篇论文中，基于所提出的结构，获得了16%的效率。这种效率的提高可能是由于两个原因：第一，所提出的仅基于硅的纳米棒结构，第二，文中提出的幅度梯度的想法。另外，文章中的设计方法可以很容易地扩展到各种功能的片上光学元件。此外，在这种方法中，通过在硅波导上空间排列硅棒阵列，还可以实现更先进的应用，如导波驱动全息图，光子集成光谱仪，固态激光雷达，遥感等。

参考文献：

[1]Tanhayivash Y, Soofi H, Nikmehr S. Phase and amplitude gradient waveguide coupled metasurfaces[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 1-11.

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来源：摩尔芯创

光互连技术的革命性突破：数字超材料助力多维光通信迈向太比特时代

光互连技术凭借其高带宽、低功耗和抗电磁干扰等优势，成为突破“电子瓶颈”的关键。然而，单模光纤的容量已接近香农极限，如何在有限物理空间内实现更高密度的数据传输，成为学术界和产业界共同关注的焦点。本期文章将介绍一项发表于《NatureCommunications》的研究，提出了一种边缘引导模拟与数字优化（EG-ADO）方法，成功设计出支持6种模式的数字超材料复用器，并在硅基光芯片上实现了38.2Tb/s的创纪录互连容量[1]。引言随着人工智能、云计算和虚拟现实等技术的爆发式增长，传统电子互连技术已逐渐成为算力提升的瓶颈。铜线传输的功耗高、带宽低、延迟大等问题，使得全球科技巨头纷纷转向光互连技术。然而，如何在小尺寸芯片上实现超高容量传输，一直是行业难题。近日，复旦大学联合张江实验室的团队在《Nature Communications》发表重磅成果，通过EG-ADO方法，成功设计出支持6种模式的数字超材料复用器，并在硅基光芯片上实现了38.2Tb/s的创纪录互连容量。这项研究为下一代数据中心和光计算互连提供了全新解决方案。这项技术为何能打破传统限制？它将如何改变未来的数据中心？技术突破：EG-ADO方法解密传统逆向设计的困境逆设计通过定义目标性能并反向优化结构参数，已成为光子器件设计的新范式。但现有方法面临两大挑战：模拟超材料（AM）：基于拓扑优化的不规则结构虽性能优异，但纳米级特征尺寸和复杂轮廓导致制造良率低下。数字超材料（DM）：采用规则方形/圆形刻蚀的DM易于制造，但直接二进制搜索（DBS）算法的计算复杂度随模式数呈指数增长，难以设计高阶复用器。EG-ADO的三阶段优化研究团队创新性地将边缘检测算法引入逆设计流程，提出三阶段优化框架：阶段一：拓扑优化（TO）使用伴随法（Adjoint Method）对超材料区域的介电常数分布进行迭代优化。每个迭代步骤通过正向和伴随电磁场仿真计算目标函数梯度，逐步逼近最优模拟超材料结构。阶段二：边缘引导转换采用Canny边缘检测算法提取模拟结构中的关键轮廓信息。通过最大池化操作将像素尺寸从20nm放大至120nm，满足商用光刻工艺的最小特征尺寸（MFS）要求。图1与代工厂兼容的逆向设计数字超材料生成二值化决策图：非边缘像素直接继承模拟结构参数，边缘像素标记为“待定（TBD）”，仅占总数5%-10%。阶段三：数字优化针对TBD像素，开发定制化直接二进制搜索算法：交替测试硅和二氧化硅材料，选择性能更优的配置。最终结构由规则方形孔洞组成，既保留模拟设计的性能优势，又确保制造可行性。图2EG-ADO方法的工作流程该方法实现了三大优势：效率提升：计算复杂度从二次方（DBS方法）降至线性增长。工艺鲁棒性：通过边缘保护机制，减少小尺寸特征对蚀刻精度的依赖。设计自由度：支持从二模到六模的灵活扩展。图3 SOI平台上逆向设计计算复杂度比较Lumerical软件：光场仿真的“数字孪生”在器件设计中，团队采用ANSYS Lumerical的有限差分本征模求解器（FDE），精确计算不同模式的有效折射率和传输特性。通过对10×6μm²超材料区域迭代优化，成功实现了五模式间的高效耦合，仿真结果显示插入损耗低于1.96dB，串扰低于-15.81dB。Lumerical的核心作用：模式分析：识别波导中所支持的模式类型及其场分布，为器件设计提供理论基础。优化迭代：通过伴随方法计算梯度，指导结构参数调整，确保器件在C波段（1530-1565nm）内的平坦响应。工艺验证：模拟刻蚀误差对器件性能的影响，通过调整设计参数提升制造鲁棒性，使良率提高30%以上。实验结果：单芯片实现440通道并行传输该团队基于EG-ADO方法设计并制造了支持4、5、6模式的复用器芯片，关键性能指标全面领先：低损耗与低串扰：5模式复用器的插入损耗仅1.97dB，串扰低于-20dB，覆盖整个C波段（1530-1565nm）。对比传统设计，器件面积缩小一个数量级，同时支持更高阶模式。单波长高速传输：每个模式支持108GBaud的PAM-8调制信号，单波长总容量达1.62Tb/s。眼图清晰，误码率（BER）低于OFEC阈值（0.02），验证了低串扰特性。图4不同通道上108GBaud PAM-8信号的相应眼图多维复用创纪录：结合88个波长通道与5个模式，实现440通道并行传输，总容量达38.2Tb/s，频谱效率高达8.68bit/s/HZ。应用前景：从数据中心到光计算这项技术的突破性不仅在于传输容量，更在于其可扩展性与兼容性：支持下一代数据中心：当前主流100G/400G光模块将逐步升级至800G/1.6T，而EG-ADO技术可轻松扩展至250个波长通道，理论容量达0.218Pb/s，满足未来十年需求。赋能光计算互连：在AI芯片、光子处理器等场景中，高密度光互连可大幅降低延迟与功耗，突破“内存墙”限制。推动硅光生态：兼容CMOS工艺的特性，使得该技术可快速集成到现有芯片平台，加速硅光技术的产业化。结语：光互连的“中国方案”这项研究不仅证明了逆设计在复杂光子器件开发中的巨大潜力，更为光互连技术迈向Pb/s时代奠定了基石。随着全球数据中心能耗问题日益严峻，这种“多维复用+逆设计”的技术范式，或将成为破局绿色算力困局的关键钥匙。未来，当每一束光都承载着数百个独立信道，或许“光纤到芯片”的愿景，将比想象中更早照进现实。参考：[1]Sun, Aolong, et al. "Edge-guided inverse design of digital metamaterial-based mode multiplexers for high-capacity multi-dimensional optical interconnect." Nature Communications 16.1 (2025): 1-12.来源：摩尔芯创