人工智能与大数据时代的算力爆发对光互连容量提出了前所未有的挑战，模式分复用（MDM）技术通过挖掘光场空间维度资源，已成为突破传统单模传输瓶颈、构建高容量可编程光互连与光计算系统的关键路径。近日，我院光信息技术团队吴胜保副教授与东南大学、紫金山实验室肖金标教授团队合作，在可重构模式调控硅光芯片领域取得系列进展。
针对MDM系统对大容量、低损耗、宽带宽开关器件的迫切需求，团队提出了一种面向多模信号灵活调控的可扩展硅光马赫-曾德干涉仪（MZI）架构。该设计通过任意模式-单模功分器将多模信号映射至单模域进行相位调控，再重构为目标模式，实现了任意模式至双模式的高效动态路由，有效规避了传统多模开关结构复杂、串扰高的难题。实验研制的1×2多模光开关实现了TE₀–TE₃四个模式的独立路由：在1500–1600 nm波段内，有效工作带宽超过100 nm，各模式通道插入损耗低于3 dB，模式间串扰优于-18 dB，开关功耗仅34.5 mW。该架构对所有输入模式采用统一的中间级联结构，无需为不同模式重新设计，具备良好的端口扩展能力和工艺鲁棒性，为构建高容量片上模式复用交换网络提供了核心器件支撑。成果发表于《IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology》（2026, 44(4)），硕士研究生张磊（现为东南大学博士研究生）为第一作者，肖金标教授和吴胜保副教授为共同通讯作者。
为进一步突破模式操控的灵活性与带宽瓶颈，团队提出了基于亚波长光栅（SWG）的“任意模式-基模功分器（ASPD）”这一标准化核心单元，并构建了可重构MZI模式转换与路由架构。通过智能算法优化ASPD中的光栅渐变结构，可将任意高阶模式高效分解为两路具有确定相位关系（同相或反相）的基模信号，实现精准的模式演化操控。基于该思想，设计的ASPD器件均在小于9.5 μm的超紧凑尺寸下，实现了300 nm（1400–1700 nm）的超宽工作带宽，附加损耗低于0.35 dB；其中TE₀/TE₁模式功分器在超过500 nm（1300–1800 nm）的范围内损耗更是低于0.15 dB，创造了同类器件的带宽纪录。基于该架构，团队实验验证了TE₀–TE₃模式的可重构转换及开关功能，理论分析进一步证实其可扩展至TE₇等高阶模式，并与标准单模相位调控元件兼容，为构建灵活可扩展的多模光互连系统提供了关键“积木”单元。成果发表于《Optics Express》（2026, 34(3)），硕士研究生张磊为第一作者，吴胜保副教授为通讯作者。
以上工作得到了国家自然科学基金、河北大学引进人才科研项目支持。
论文链接：
· https://ieeexplore.ieee.org/document/11282457
· https://doi.org/10.1364/OE.585950
