基于功能超表面的高速单片光学接收器：实现空间并行光通信新突破

《Nature Communications》：Ultrafast one-chip optical receiver with functional metasurface

本文报道了一种集成了功能性介电超表面和高速膜式光电探测器阵列的单片光学接收器平台。该研究旨在解决传统波导型光子集成电路在二维空间扩展性方面的局限，通过超表面实现对垂直入射光的聚焦、分束和偏振操控等全功能操作。研究人员成功演示了320 Gbit/s四通道PAM4信号的同步检测和240 Gbit/s 64QAM信号的相干解调，误码率均低于前向纠错阈值。这项技术为高空间并行度的光通信系统提供了紧凑且可扩展的解决方案。

　　

在当今高速发展的光通信系统中，传统的光子集成电路(PIC)虽然能够充分利用光的强度、相位和偏振等多个自由度(DOF)来实现高效数据传输，但其波导特性本质上限制了二维空间扩展能力。随着空分复用(SDM)技术的兴起，如何在有限空间内并行处理大量光信号成为亟待突破的技术瓶颈。

近日，东京大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，他们成功开发出一种集成了功能性超表面(MS)的高速单片光学接收器。这种接收器平台充分利用光的高空间并行性和超宽带宽特性，同时兼顾所有光学自由度，为下一代光通信系统提供了全新的解决方案。

研究人员采用了一种巧妙的芯片集成策略：在525微米厚的熔融石英(SiO₂)衬底两侧分别集成硅纳米柱构成的超薄超表面和高速铟镓砷(InGaAs)膜式光电探测器阵列(PDA)。这种设计使得垂直入射的并行光信号能够直接来自多通道光纤，无需使用笨重的光学元件。

超表面层由非晶硅(a-Si)纳米柱构成，这些纳米柱作为"超原子"，能够对透射光进行精确操控。通过精心设计纳米柱的几何形状，研究人员实现了包括光束分束、偏振转换和解复用在内的多种功能，远远超出了普通聚焦透镜的能力范围。

关键技术方法包括：通过晶圆键合技术将InGaAs/InP膜式光电探测器层转移到SiO₂衬底上；利用电子束光刻和反应离子刻蚀工艺制备超表面图案；设计四种不同功能的接收器配置（单通道金属透镜集成强度调制直接检测接收器、四通道接收器、斯托克斯矢量接收器和相干接收器）；采用全波仿真和严格耦合波分析(RCWA)方法优化超表面设计。

金属透镜集成单通道强度调制直接检测接收器

第一个示例展示了单通道强度调制直接检测(IM-DD)接收器的性能。该器件将直径为340微米的超表面（作为金属透镜使用）与6微米直径的InGaAs/InP膜式光电探测器集成。测试结果显示，该器件的3-dB带宽超过70 GHz，成功实现了40 Gbit/s非归零码(NRZ)和80 Gbit/s四电平脉冲幅度调制(PAM4)信号的高质量接收，误码率(BER)均低于前向纠错阈值。

金属透镜集成四通道检测接收器

研究人员进一步展示了四通道IM-DD接收器，用于同时检测来自四芯多芯光纤(MCF)的并行信号。超表面被设计为金属透镜，焦距为222微米，将多芯光纤端面的近场图像以0.54的倍率缩小并投射到光电探测器平面。实验成功实现了四通道40 Gbit/s NRZ（总计160 Gbit/s）和80 Gbit/s PAM4（总计320 Gbit/s）信号的同步接收，各通道间的串扰被抑制在-25 dB以下。

集成偏振分选超表面的斯托克斯矢量接收器

斯托克斯矢量接收器(SVR)能够高速检索输入光的偏振状态。该器件使用椭圆形硅纳米柱，将来自单模光纤的光分解为四个不同的偏振基（P₁、P₂、P₃、P₄）并聚焦到相应的光电探测器上。通过简单的数字信号处理(DSP)，可以从四个光电流信号中推导出输入光的完整斯托克斯参数。实验结果表明，该接收器能够成功解调80 Gbit/s正交相移键控(QPSK)、160 Gbit/s 16进制正交幅度调制(16QAM)和240 Gbit/s 64QAM的自相干信号。

集成超表面的相干接收器

最后，研究人员展示了一种集成超表面的相干接收器(CR)，其中超表面起到光学混合器的作用。该器件的超表面由MS-A和MS-B两个交错部分组成，分别设计用于分裂±45°线性偏振基(a/b)和左右旋圆偏振基(r/l)。通过检测四个光电探测器的差分信号（I_a-I_b和I_r-I_l），可以分别检索输入信号光的同相和正交分量。实验成功实现了80 Gbit/s QPSK和160 Gbit/s 16QAM信号的解调，误码率均低于7%硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值。

这项研究成功展示了一种具有高空间并行性的光学接收器平台，该平台由超薄介电超表面和高速光电探测器阵列在紧凑芯片上集成而成。与传统的基于光子集成电路的接收器不同，这种表面垂直平台为检测大量相干光通道提供了高度可扩展的解决方案，无需额外组件。

研究的重要意义在于首次将功能性超表面与超高速（>70 GHz）膜式InGaAs/InP p-i-n光电探测器集成，实现了在紧凑芯片内的二维空间可扩展性。通过成功演示320 Gbit/s四通道PAM4信号的同步检测以及多种高速相干信号的解调，该技术为超密集光互连、自由空间光通信、大规模光学神经网络和相干三维成像等应用开辟了新的可能性。这项突破性工作将超表面技术的应用范围从传统的成像和显示领域扩展到了高速光通信前沿，为下一代光通信系统的发展指明了新的方向。