波分復用和模分復用兼容的芯片

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(huán)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(shù)據速率 。

設計原理-通過相位匹配實現(xiàn)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(shù)可以得到2.0到2.9的有效折射率。 在傳播常數(shù)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(huán)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(huán)可實現(xiàn)小尺寸器件，為了同時支持多個波長復用通道，將微環(huán)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(huán)耦合到一個多模波導（見圖1b）。每個微環(huán)，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(huán)的TE0模的有效指數(shù)相匹配（neff=2.46）相匹配，因此與微環(huán)有效耦合。圖1b中的三個插圖顯示了微環(huán)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(yōu)化微環(huán)和波導之間的耦合間隙和耦合器長度來實現(xiàn)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(huán)到1.41um波導模式的功率，如圖2b所示。

采用微環(huán)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(huán)（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(tài)的相位不匹配，與非期望模態(tài)（TE1和TE0）的耦合要弱得多，因此6mm長的耦合長度可以實現(xiàn)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(huán)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(huán)示意圖。(b)計算了微環(huán)與多模波導之間耦合區(qū)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(huán)實現(xiàn)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(yōu)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(fā)情況。觀察到通過模擬預測的定義良好的TE0、TE1和TE2模態(tài)（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(huán)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(huán)耦合間隙不理想。通過確保波導和微環(huán)之間的臨界耦合，該器件可實現(xiàn)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(huán)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。