摘要

近年來，研究人員對光纖的波分復用（wavelength-division multiplexing，WDM）和模分復用（mode-division multiplexing，MDM）做了大量工作，但是對于片上集成來說大部分器件都是單模工作，由于難以選擇性的耦合到高階模，所以很少考慮模分復用。 Lian-Wee Luo等人提出了一種基于微環的片上波分復用和模分復用兼容的方案，該方案可以潛在地提高芯片上超高帶寬通信的聚合數據速率 。

設計原理-通過相位匹配實現的選擇模式耦合

圖1a顯示，對于給定的250nm高的硅波導，在1550nm下的TE0（橫向電）到TE4傳播常數可以得到2.0到2.9的有效折射率。 在傳播常數匹配的基礎上，單模波導中光的模式可以完全耦合到相鄰多模波導中的特定空間模，其中耦合強度取決于多模波導的寬度 。

圖1250nm高硅波導的相位匹配條件。(a)模擬了在1550nm處不同寬度的光波導模式的有效折射率。(b)單模微環與多模波導中特定空間模的選擇性耦合，多模波導的每部分由絕熱錐形波導連接。插圖顯示了每個復用器（TE0、TE1和TE2）的選擇性耦合[1]。

采用微環可實現小尺寸器件，為了同時支持多個波長復用通道，將微環的自由光譜范圍與波長的信道間距匹配 。模分（解）復用的工作模式是TE模，由三個相同的微環耦合到一個多模波導（見圖1b）。每個微環，由一個450 nm寬的波導組成，被設計為只支持TE基模，有效折射率為2.46。

多模傳輸波導包括幾個寬度從450 nm到1.41 um的部分。當多模波導寬度對應于450 nm、930 nm或1.41um時，TE0、TE1或TE2模的有效折射率分別與微環的TE0模的有效指數相匹配（neff=2.46）相匹配，因此與微環有效耦合。圖1b中的三個插圖顯示了微環的TE0模式與多模波導中的TE0、TE1或TE2模式的這種耦合。

通過優化微環和波導之間的耦合間隙和耦合器長度來實現小的插入損耗和不同模式間的串擾 。例如，對于200nm的間隙（見圖2a），可以根據耦合模式分析計算出從微環到1.41um波導模式的功率，如圖2b所示。

采用微環的設計，短耦合長度是可行的，因為只需要相對較低的耦合強度就可以通過微環（通常稱為臨界耦合）將從單模輸入波導的所有功率轉移到多模輸出波導中的TE2模式31。由于這些模態的相位不匹配，與非期望模態（TE1和TE0）的耦合要弱得多，因此6mm長的耦合長度可以實現最佳的損耗和串擾性能（見圖2c）。

圖2：1.41um寬波導的三種空間TE模式與450nm寬微環波導的TE0模式的|耦合強度。(a)具有不對稱輸入和輸出波導的微環示意圖。(b)計算了微環與多模波導之間耦合區域的耦合強度。插圖顯示了耦合長度為<8 um的放大耦合強度。短耦合長度（低耦合強度）足以通過微環實現單模輸入波導和多模下降波導之間的臨界耦合。(c)模擬輸出端口的傳輸和串擾水平，優化的耦合長度為6 um[1]。

所制備器件的光學性能

在多模波導的輸出端對光模進行成像，以驗證不同空間模的激發情況。觀察到通過模擬預測的定義良好的TE0、TE1和TE2模態（圖3b）。 從每個輸入和輸出端口組合的光譜傳輸掃描中，可以****量化由空間模式復用和解復用所產生的串擾量 。圖3c顯示了從每個輸入端口進，然后輸出端口（見圖3a中的端口定義）的傳輸頻譜。

在波長1547nm處，輸出端口1的插損為13 dB，光串擾（定義為期望信號功率與干擾信道功率之和之比）為22 dB；端口2的插損為19 dB，光串擾為18 dB（圖3d）。端口3的插損為26 dB，串擾損耗為12 dB（圖3e）。

插入損耗的主要貢獻是10dB光纖到芯片耦合損耗。其余的插入損失歸因于波導傳播損耗和微環固有損失。與其他兩個端口相比，端口3的插入損耗較高，這是由于微環耦合間隙不理想。通過確保波導和微環之間的臨界耦合，該器件可實現的片上損耗預計總計在1.5 dB左右。

圖3所制作器件的光學性能。(a)制作設備的顯微鏡圖像（100 um比例尺）。插圖：掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示加熱器調整每個單獨的微環諧振器（10 um比例尺）。(b)多模波導橫截面上模場的模擬和實驗圖像。（c-e）三個輸入端口下的三個輸出端口的光傳輸和串擾。