中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，光通信流量三年翻番，波分信道間隔已縮至50 GHz，濾光片帶寬成為限制容量升級的“天花板”。最新產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2025年全球DWDM濾光片出貨量預(yù)計(jì)達(dá)26億片，同比增幅12%，其中帶寬低于100 GHz的超窄帶濾光片占比首次突破55%。下文圍繞零折射率超構(gòu)材料與缺陷腔的耦合機(jī)制，系統(tǒng)拆解如何把濾光片帶寬從300 GHz壓到10 GHz，同時(shí)把峰值透過率維持在0.9以上，為下一代高耦合效率濾光片提供可直接復(fù)制的參數(shù)庫。

  一、濾光片零折射率耦合機(jī)制：類狄拉克點(diǎn)195.9 THz處折射率歸零，相位延遲≈0

  《2025-2030年中國濾光片行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)發(fā)展分析及投資前景可行性評估報(bào)告》指出，正方晶格磷化銦圓柱(晶格常數(shù)0.85 μm、外徑0.32 μm、內(nèi)孔0.02 μm)在Γ點(diǎn)形成線性狄拉克錐，等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)趨零，構(gòu)成零折射率材料。把該材料嵌入缺陷腔后，濾光片在195.9 THz的相位延遲Δγ?≈0，總延遲僅由缺陷間隙Δγ?決定，為帶寬壓縮奠定理論基礎(chǔ)。

  二、濾光片帶寬壓縮實(shí)驗(yàn)：單一缺陷腔300 GHz→復(fù)合腔70 GHz，品質(zhì)因子提升4.5倍

  保持缺陷寬度d?=0.3 μm不變，在腔內(nèi)插入4列零折射率介質(zhì)柱(厚度d?=2.8 μm)，濾光片帶寬從300 GHz驟降至70 GHz，對應(yīng)品質(zhì)因子由655提高到2800。波場分布顯示，濾光片內(nèi)部能量被牢牢鎖在缺陷區(qū)，驗(yàn)證“零相位延遲+強(qiáng)色散”協(xié)同窄化機(jī)制。

  三、濾光片厚度縮放規(guī)律：ZIM厚度30a(≈25.5 μm)時(shí)帶寬僅10 GHz，峰值透過率仍>0.9

  逐步增大零折射率段厚度至30a，濾光片帶寬進(jìn)一步壓縮到10 GHz，而透過率曲線依舊高懸0.9以上;作為對照，傳統(tǒng)缺陷腔若想達(dá)到30 GHz帶寬需把壁厚加到25.5 μm，此時(shí)透過率已跌至0.1。濾光片在“超窄帶+高耦合”兩項(xiàng)核心指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)雙贏，為<10 GHz信道間隔的DWDM系統(tǒng)提供新選擇。

  四、濾光片工藝容差評估：尺寸偏差±3%(≈10 nm)時(shí)，3 dB帶寬波動<3 dB，量產(chǎn)窗口充足

  濾光片行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)分析指出，針對1550 nm通信窗口，濾光片介質(zhì)柱半徑百納米量級，采用電子束直寫+納米壓印組合工藝即可實(shí)現(xiàn)。仿真表明，當(dāng)柱半徑波動3%時(shí)，透過率峰值下降不足3 dB，3 dB帶寬幾乎不變，證明濾光片對現(xiàn)有微納加工精度具備足夠容忍度，為規(guī)模商用掃清制造障礙。

  五、濾光片三維拓展路徑：引入介電損耗與輻射損耗模型，向片上調(diào)制器無縫銜接

  下一步把二維濾光片模型擴(kuò)展為有限長介質(zhì)柱陣列三維結(jié)構(gòu)，在上下表面設(shè)置輻射邊界，同時(shí)計(jì)入材料損耗與輸入輸出波導(dǎo)耦合效率，目標(biāo)是在30 μm×30 μm芯片面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 GHz帶寬、插損<1 dB的濾光片單元，并與硅基相移器直接鍵合，形成可調(diào)諧超窄帶濾光片陣列。

  總結(jié)

  零折射率超構(gòu)材料把“零相位延遲+陡峭色散”注入傳統(tǒng)缺陷腔，濾光片帶寬在30 μm總厚度內(nèi)從300 GHz一路壓到10 GHz，峰值透過率始終高于0.9;配合±3%的工藝容差和與硅基兼容的微納制程，該濾光片方案已具備嵌入50 GHz乃至25 GHz信道間隔DWDM系統(tǒng)的工程條件。隨著2025年超窄帶濾光片市場規(guī)模沖向百億美元，零折射率耦合機(jī)制有望成為下一代高密度光互連的標(biāo)配技術(shù)。