科学家们一反传统观念，发现了一种涉及泄漏模式的新型耦合机制，这种耦合机制以前被认为不适合光子电路的高密度集成。这一惊人发现为高密度光子集成铺平了道路，改变了光子芯片在光计算量子通信、光探测和测距（LiDAR）、光学计量和生化传感等领域的潜力和可扩展性。

描述光在所开发的基于超材料的光学半导体的波导阵列中无串扰传播的插图。资料来源：KAIST 集成超光子学小组

在最近出版的《光科学与应用》（Light Science & Application）杂志上，韩国科学技术院（KAIST）电子工程系副教授 Sangsik Kim 和他在德克萨斯理工大学的学生证明，各向异性漏波可以利用亚波长光栅（SWG）超材料实现紧密间隔的相同波导之间的零串扰。这一与直觉相反的发现大大增加了横向磁（TM）模式的耦合长度，而由于横向磁（TM）模式的约束性较低，一直以来都是个难题。

这项研究建立在他们之前对 SWG 超材料用于减少光学串扰的研究基础之上，包括控制蒸发波的集肤深度和各向异性导波模式中的特殊耦合。最近，SWG 在光子学领域取得了重大进展，使各种高性能 PIC 元件成为可能。然而，TM 模式的集成密度仍然面临挑战，其串扰大约是横向电（TE）模式的 100 倍，阻碍了高密度芯片集成。

"我们的研究小组一直在探索用于密集光子集成的 SWG，并取得了显著的改进。然而，以前的方法仅限于 TE 极化。在光子芯片中，还有另一种正交偏振 TM，它可以使芯片容量翻倍，有时比 TE 更受欢迎，例如在渐变场传感中。"Kim 解释说："TM 比 TE 更难密集集成，因为它的波导宽高比通常较低，限制较少。"

起初，研究小组认为使用 SWG 不可能减少串扰，因为他们预计泄漏模式会增强波导之间的耦合。然而，他们把重点放在了各向异性扰动与泄漏模式的潜力上，并假设可以实现交叉抵消。

通过对泄漏 SWG 模式的模态特性进行耦合模式分析，他们发现了具有类似泄漏模式的独特各向异性扰动，从而实现了紧密间隔的相同 SWG 波导之间的零串扰。利用 Floquet 边界仿真，他们在业界现成的标准绝缘体上硅（SOI）平台上设计出了切实可行的 SWG 波导，与带状波导相比，其串音抑制效果显著，耦合长度增加了两个数量级以上。

这一突破还大大降低了 PIC 内的噪声水平，对量子通信和计算、光学计量和生化传感具有潜在影响。研究人员进一步强调了他们工作的广泛意义，指出这种新颖的耦合机制可以扩展到其他集成光子学平台和波长范围，包括可见光、中红外和电信波段以外的太赫兹。

这种惊人的耦合机制拓展了密集光子集成的潜力，打破了传统观念，推动了该领域的发展。随着研究的不断深入，光子学产业很可能会转向密度更大、噪声更低、效率更高的集成电路技术。