2025年第12期On the Cover：

在光纤通信容量逼近传统复用技术极限的背景下，空分复用技术通过开发新的空间维度，被视为突破传输瓶颈的关键路径。然而，其实用化进程长期受限于关键互连器件的复杂性与体积，在集成度、带宽和制造成本上面临严峻挑战。针对这一核心瓶颈，上海交通大学杜江兵教授、何祖源教授团队提出了一种反射式超表面连接器方案，极大地简化了制造流程并降低了成本，并实现了低至-2.9 dB的插入损耗和覆盖S、C、L、U波段的120 nm带宽，支撑了160 Gb/s的高速信号传输。这项工作为空分复用系统提供了一种高性能、高集成度且适合大规模生产的关键器件解决方案，对推动未来超高容量光通信与高密度光子集成技术的发展具有重要价值。

——陈杨教授，中国科学技术大学

青编委

为解决波分复用等传统复用技术容量已达极限的问题，空分复用技术通过增加光纤的空间信道数量，在多路空间上同时传输信号以进一步提高光纤的传输容量，其主要依赖多芯光纤、少模光纤、多芯少模光纤等传输介质。这些光纤需要额外的空分复用/解复用器件与单模光纤连接，例如扇入扇出连接器，模式复用器等。而多芯光纤能够以空分复用的概念提高单根光纤单位面积上的集成密度，是未来一个重要的光纤发展方向。

多芯光纤扇入扇出器件是实现单芯光纤与多芯光纤高效耦合的关键。目前已有的多芯光纤扇入扇出方案有熔融拉锥、透镜耦合、光纤束和聚合物波导耦合等。其中，熔融拉锥、光纤束和聚合物波导耦合成本较高且难以规模化生产，而传统的透镜耦合需要用到多组准直透镜，对准操作复杂且系统体积更为庞大。现有扇入扇出器件体积较大，难以满足光电子器件集成化的需求，导致其小型化进展缓慢，相关报道也十分有限。

为此，上海交通大学杜江兵教授、何祖源教授团队提出了一种基于超表面的反射式空分复用器件，在石英基底两侧分别加工超表面和反射镜，通过一次反射可以使入射光在同一个界面上受到两次调制。相关研究成果以“Reflective metasurface connector for high-density and wideband space-division-multiplexing”为题发表于2025年第12期，被遴选为封面文章。

超表面是一种由亚波长微结构以一定周期排列形成的平面光学器件，可以调控光的振幅、相位、偏振等属性，具有较小的体积，同时具有良好的透过率和调制效率。传统的超表面器件多为单层，光经过时仅受一次调制。目前已发展出在基底两侧加工的双面结构或采用级联的多层结构，这些方案能有效提高器件调制能力，并实现更复杂的复合功能。但由于目前双层超表面器件加工工艺复杂且困难，而级联超表面系统需要额外的对准步骤，相比之下，该团队提出的反射式超表面器件既可以避免双层超表面器件加工时的对准、翻转步骤，只需进行一次曝光，又可以避免级联超表面在系统组装时的对准步骤，是一种对于大规模流片来说成本友好型的方案。该方案只需要进行一次超表面加工工艺，在生产时间和工艺步骤上均能得到简化，并显著降低了工艺难度。按该方案设计加工得到的超表面连接器，实验测得的最小插损为-2.9 dB（@1598.24 nm），器件的3 dB带宽可达120 nm，可以覆盖S、C、L、U波段，并通过实验验证了对160 Gb/s高速信号传输的支持。

器件的工作方式如图1所示，该团队将周期为127 μm的光纤阵列的一个通道替换为四芯光纤，其余通道仍然为单模光纤。图中的箭头表示其采用典型的耦合方式，从单模光纤的输入光经超表面第一次调制后进入基底传播，到达基底后表面被反射镜反射后回到器件前表面，经过超表面第二次调制后被耦合到多芯光纤的纤芯中输出。

图1 反射式空分复用超表面工作原理

器件由对应光纤阵列通道位置的若干组超表面构成，光纤阵列至器件前表面的距离可以保证通道间在互相隔离的同时又能获取尽可能高的调制效率。由于光纤纤芯出射的高斯光束半径较小，发散角相对较大，超表面需要对入射光的波前曲率进行补偿，然后叠加上一个焦点偏移的透镜相位：

，使光束在反射后能够指向需要耦合的纤芯位置，同时也是第二个超表面的所在位置，经过第二次调制后耦合到对应的纤芯中。超表面由高度为750 nm的非晶硅圆柱构成，排列在周期为630 nm的方形网格中（图2c）。图2(a–b)展示了在不同波长下不同半径的微结构单元产生的相位延迟及透过率。器件采用透过率90%以上的相位调制单元以确保器件整体的透过率。仿真得到反射层的损耗约为4%，计算得到理论上的器件本征损耗约为1.09 dB，该损耗包括了一次反射和两次经过超表面。图2(d–e)分别展示了超表面的显微镜图片和电镜的局部照片。

图2 (a–b) 微元的相位延迟及透过率(c) 微元示意图(d–e) 器件显微图片

该团队采用可调谐激光器作为输入对器件进行宽带测量，图3展示了从多芯光纤的不同纤芯测得的功率谱，在设计波长1550 nm处的插损约为-4.5 dB，另外在1598.24 nm位置可以得到最小插损，为-2.9 dB。从扫谱结果可以看到，器件的3 dB带宽可达120 nm（1520-1640 nm），最大串扰约为-22 dB（core D@1520 nm），其余通道的串扰均小于-25 dB。由于光源波段及光谱仪扫描范围的限制，测试的最大波长截止于1640 nm，但可以预见的是，3 dB工作带宽会向更长波段延伸一段距离。

图3 器件传输谱（灰色条表示3 dB带宽）

为了测试器件在高速传输下的性能，该团队采用IMDD方式进行了高速通信实验，测试系统的如图4所示，采用一台可调谐激光器产生连续激光作为输入，输入信号经过发端数字信号处理，由任意波形生成器（AWG）发送到调制器。信号光经过器件后由光电二极管（PD）探测，波形被数字存储示波器（DSO）记录，经收端数字信号处理后计算出误码率。图5(a)展示了1550 nm波长输入下来自不同通道的速率为80 GBaud的PAM-4信号误码率。各通道误码率在最高的接收功率下均小于对应7% FEC的BER 3.8×10-3，对应的眼图如图5(c)所示。随着探测功率从大约-1 dBm降至-4 dBm，BER增大到对应20% FEC开销的2.4×10-2。图5(b)展示了设计波长1550 nm下不同速率的PAM-4信号的BER性能。

图4 高速传输系统示意图

图5 (a) 不同接收功率下的误码率(b) 不同速率下的误码率(c) 1550 nm处80 GBaud的PAM-4信号眼图

另外，器件的宽带性能也被验证，图6和表1分别展示了其在1600 nm、1525 nm和1630 nm处的通信性能。

图6 (a) 不同接收功率下的误码率(b) 不同速率下的误码率

表1 S波段和U波段测得的ROP和BER

“该创新器件实现了超表面器件在扇入扇出功能上的应用，给予其集成化的前景。器件的有效区域能够被精确制造并在适配标准光纤阵列的小尺寸下运行，其光场调控功能也符合设计，调控后几乎对信号质量不产生影响。”通信作者杜江兵教授表示，“该器件设计简便，工艺也相对简单，具有较大的规模化生产潜力。相关技术已申请发明专利。同时该设计理念也为在将来更高密度三维堆叠的光芯片组的片间、层间互联提供了可能路径。”

主要作者简介

赵鹏九，上海交通大学集成电路学院博士研究生，研究方向是超表面、光子晶体等结构在高密度光通信中关键器件小型化上的应用，例如多维复用器件、多功能光接口等。

杜江兵，上海交通大学集成电路学院研究员，国家级高层次人才，博士毕业于香港中文大学。主要从事光通信和光电集成研究，包括大容量光传输、高速光子集成互连和高密度低功耗2.5D/3D光电集成封装，主持国家自然科学基金等项目。在、Nature Communications 等期刊发表一作/通信作者论文100多篇，在光通信顶会OFC/ECOC发表论文30篇，相关成果入选2019“中国光学十大进展”。

撰稿 | 上海交通大学 赵鹏九