集成光子芯片通过在微纳尺度上操控光的传播、耦合与干涉，可实现高速通信、光束扫描、光计算、传感探测等多种功能，是下一代信息技术的重要硬件基础。其中，波导之间的倏逝场耦合是片上分束、路由和相控阵波束控制等功能的核心机制。然而，在高密度光子集成中，波导间距减小时会产生显著串扰；同时，传统倏逝耦合还具有较强的波长色散，导致器件工作带宽受限。这些问题长期制约着超密集光子芯片、宽带光束扫描器件和高容量空间复用系统的发展。
针对这一问题，上海科技大学信息科学与技术学院邹毅教授团队提出一种基于人工规范场（Artificial Gauge Field, AGF）的片上耦合调控方法，实现了宽带、低串扰的超密集波导阵列以及无色散、任意比例的片上功率分束器。相关研究成果以 “Dispersionless coupling control enabled by artificial gauge fields for dense waveguide arrays and arbitrary-ratio power splitters” 为题发表于国际学术期刊 《光电进展》（Opto-Electronic Advances）。
图1 基于人工规范场赋能宽带超密集波导阵列与任意分光比功率分束器的大视场、高旁瓣抑制比光学相控阵示意图
这项研究在硅基绝缘体平台上设计并制备了中心间距仅为750 nm的超密集波导阵列，间距约为通信波段光波长的一半，远小于传统波导阵列中受串扰限制的典型间距。实验结果表明，该波导阵列在1500–1600 nm的100 nm宽带范围内均可实现低于–20 dB的串扰抑制，同时几乎不引入额外传输损耗，为高密度片上光互连、紧凑延迟线和宽视场光学相控阵提供了新的设计思路。
图2 半波长间距超密集波导阵列及其宽带串扰抑制结果
除抑制非期望耦合外，研究团队还进一步利用人工规范场实现对片上耦合的主动设计。通过调节波导轨迹调制幅度和耦合长度，构建了近无色散的定向耦合器，可在宽波段范围内保持稳定的功率分束比例。实验实现了60:40和70:30等任意比例分束器，并在1500–1600 nm范围内验证了其良好的波长无关性。此结果表明，人工规范场不仅可以用于抑制耦合，还可以用于精确设计和补偿传统耦合器的色散特性，使宽带光信号在芯片上按照设计好的方式进行分配和传输。
图3 人工规范场辅助的无色散任意比例功率分束器。
基于上述技术，本研究进一步展示了其在二维光学相控阵中的应用。通过级联近无色散分束器，研究人员在32通道阵列中实现了宽带高斯加权光强分布，有效降低远场旁瓣。结果显示，该二维光学相控阵实现了120° × 14.5°的视场范围，并在主波束方向附近获得低于–17 dB的旁瓣水平。结果验证了人工规范场耦合调控方法在宽视场、低旁瓣片上光束扫描中的应用潜力。
图4 基于超密集波导阵列和无色散分束网络的二维光学相控阵。
综上，本工作提出了一种面向高密度光子芯片的新型耦合调控方案。通过人工规范场和波导结构的联合设计，可以同时实现低串扰、高密度集成、宽带工作和灵活分光，为未来更小型、更高性能的光子芯片提供了新的技术路径。
上海科技大学信息学院博士研究生李挺为论文第一作者，上海科技大学信息学院邹毅教授、哈尔滨工业大学徐小川教授和南京大学徐挺教授为论文共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。研究得到了上海科技大学材料器件中心、电子学科平台以及相关科研项目的支持。
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