波分复用和模分复用兼容的芯片

摘要

近年来，研究人员对光纤的波分复用（wavelength-division multiplexing，WDM）和模分复用（mode-division multiplexing，MDM）做了大量工作，但是对于片上集成来说大部分器件都是单模工作，由于难以选择性的耦合到高阶模，所以很少考虑模分复用。 Lian-Wee Luo等人提出了一种基于微环的片上波分复用和模分复用兼容的方案，该方案可以潜在地提高芯片上超高带宽通信的聚合数据速率 。

设计原理-通过相位匹配实现的选择模式耦合

图1a显示，对于给定的250nm高的硅波导，在1550nm下的TE0（横向电）到TE4传播常数可以得到2.0到2.9的有效折射率。 在传播常数匹配的基础上，单模波导中光的模式可以完全耦合到相邻多模波导中的特定空间模，其中耦合强度取决于多模波导的宽度 。

图1250nm高硅波导的相位匹配条件。(a)模拟了在1550nm处不同宽度的光波导模式的有效折射率。(b)单模微环与多模波导中特定空间模的选择性耦合，多模波导的每部分由绝热锥形波导连接。插图显示了每个复用器（TE0、TE1和TE2）的选择性耦合[1]。

采用微环可实现小尺寸器件，为了同时支持多个波长复用通道，将微环的自由光谱范围与波长的信道间距匹配 。模分（解）复用的工作模式是TE模，由三个相同的微环耦合到一个多模波导（见图1b）。每个微环，由一个450 nm宽的波导组成，被设计为只支持TE基模，有效折射率为2.46。

多模传输波导包括几个宽度从450 nm到1.41 um的部分。当多模波导宽度对应于450 nm、930 nm或1.41um时，TE0、TE1或TE2模的有效折射率分别与微环的TE0模的有效指数相匹配（neff=2.46）相匹配，因此与微环有效耦合。图1b中的三个插图显示了微环的TE0模式与多模波导中的TE0、TE1或TE2模式的这种耦合。

通过优化微环和波导之间的耦合间隙和耦合器长度来实现小的插入损耗和不同模式间的串扰 。例如，对于200nm的间隙（见图2a），可以根据耦合模式分析计算出从微环到1.41um波导模式的功率，如图2b所示。

采用微环的设计，短耦合长度是可行的，因为只需要相对较低的耦合强度就可以通过微环（通常称为临界耦合）将从单模输入波导的所有功率转移到多模输出波导中的TE2模式31。由于这些模态的相位不匹配，与非期望模态（TE1和TE0）的耦合要弱得多，因此6mm长的耦合长度可以实现最佳的损耗和串扰性能（见图2c）。

图2：1.41um宽波导的三种空间TE模式与450nm宽微环波导的TE0模式的|耦合强度。(a)具有不对称输入和输出波导的微环示意图。(b)计算了微环与多模波导之间耦合区域的耦合强度。插图显示了耦合长度为<8 um的放大耦合强度。短耦合长度（低耦合强度）足以通过微环实现单模输入波导和多模下降波导之间的临界耦合。(c)模拟输出端口的传输和串扰水平，优化的耦合长度为6 um[1]。

所制备器件的光学性能

在多模波导的输出端对光模进行成像，以验证不同空间模的激发情况。观察到通过模拟预测的定义良好的TE0、TE1和TE2模态（图3b）。 从每个输入和输出端口组合的光谱传输扫描中，可以****量化由空间模式复用和解复用所产生的串扰量 。图3c显示了从每个输入端口进，然后输出端口（见图3a中的端口定义）的传输频谱。

在波长1547nm处，输出端口1的插损为13 dB，光串扰（定义为期望信号功率与干扰信道功率之和之比）为22 dB；端口2的插损为19 dB，光串扰为18 dB（图3d）。端口3的插损为26 dB，串扰损耗为12 dB（图3e）。

插入损耗的主要贡献是10dB光纤到芯片耦合损耗。其余的插入损失归因于波导传播损耗和微环固有损失。与其他两个端口相比，端口3的插入损耗较高，这是由于微环耦合间隙不理想。通过确保波导和微环之间的临界耦合，该器件可实现的片上损耗预计总计在1.5 dB左右。

图3所制作器件的光学性能。(a)制作设备的显微镜图像（100 um比例尺）。插图：扫描电子显微镜（SEM）图像显示加热器调整每个单独的微环谐振器（10 um比例尺）。(b)多模波导横截面上模场的模拟和实验图像。（c-e）三个输入端口下的三个输出端口的光传输和串扰。