本期文章將介紹一種通過引入硅平面光波電路（PLC）作為中間體來實現高效多模耦合的新方案。其核心思想是通過利用石英光波導操縱LP模式的優勢來耦合和解復用高階模式，解復用后的模式以單模方式與硅光子芯片對接耦合，從而可直接完成進一步的數據發送/接收/路由。

引言

要實現片上高效多模耦合器，如在一個少模光纖（FMF）中同時發射六個模式信道（LP_01-x/y、LP_11a-x/y和LP_11b-x/y），目前是一個很大的挑戰，其主要障礙在于FMF和亞微米級硅光波導之間的巨大模式失配。本期文章將介紹一種新型硅光芯片和FMF之間實現高效多模耦合的方案^[1]，該方案通過引入PLC作為中間體來實現，FMF中的每個模式信道被有效地耦合/解復用為硅光波導中的相應TE0或TM0模式，所述硅光子波導可以與芯片上的任何其他光子器件連接，諸如波長濾波器、光調制器或光電探測器，以實現光發射器/接收器。提出的多模耦合概念對下一代MDM系統的發展具有很大的前景。

工作原理

該方案包括一個使用多模波導段（MWSs）的端面耦合器，一個三通道雙偏振PLC模式（解）復用器，雙電平多核雙偏振模斑轉換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發射的LP_01-x/y、LP_11a-x/y和LP_11b-x/y模式經由MWSs有效地對接耦合到多模二氧化硅光波導。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復用器被用于將這三個導模解復用為三個單模石英光波導中支持的LP_01-x/y模式。然后，這些LP_01-x/y模式通過SSC對接耦合到相應硅光子波導中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三個PBSs分離TE0/TM0模式。PBS通過使用三個級聯定向耦合器來實現，第一個彎曲定向耦合器用于基于相位匹配條件分離TE/TM偏振，另外兩個定向耦合器充當濾除不期望的弱交叉耦合功率的關鍵角色，從而實現高消光比。

圖1 多模耦合方案示意圖

基于微波系統的多模端面耦合器

由于FMF的橫截面比多模石英光波導的橫截面大得多，故引入了基于MWSs的多模端面耦合器來提高耦合效率，如圖2（b）所示。這種MWSs不僅擴展了基模的模場，而且擴展了高階模式（如LP_01-x/y、LP_11a-x/y和LP_11b-x/y），以便與FMF更好地模式匹配。此外，基于MWSs的多模端面耦合器可以用單步蝕刻工藝制造，這比以往3D倒錐形耦合器簡單得多。

圖2 PLC芯片圖示。

（a）模式多路（解）復用器示意圖；（b）基于MWSs的多模端面耦合器；（c）模式（解）復用器中的耦合器a和耦合器b；（d）模式旋轉器

圖3為FMF和PLC芯片之間的總體耦合損耗分別在使用MWSs結構和沒有MWSs結構的比較。在沒使用MWSs結構時，LP₀₁，LP_11a和LP_11b模式總耦合損耗分別為1.28 dB，1.82 dB和3.16 dB。相比之下，當使用MWS結構時，其耦合損耗分別顯著降低至0.46 dB、0.51 dB和0.57 dB。

圖3 耦合損耗分別在使用MWSs結構和沒有MWSs結構的比較

PLC模式多路（解）復用器

基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復用器如圖2（a）所示。包括耦合器a、模式旋轉器和耦合器b。入射的LP₀₁模直接通過總線波導并從端口O₂輸出；入射的LP_11a模由耦合器a解復用為LP₀₁模并從端口O₃輸出；入射的LP_11b模在模式旋轉器被旋轉到LP_11a模，最終在通過耦合器b解復用成LP₀₁模并從端口O₁輸出。在1550nm波長下，三種模式的光場傳輸圖如圖4所示。

圖4 LP_01-x/y、LP_11a-x/y和LP_11b-x/y光場傳輸圖

由于LP_11b模場的垂直反對稱性，使得LP_11b模之間的耦合變得不容易，故引入了一個基于垂直不對稱性的雙電平錐度模式旋轉器，如圖5（a）所示。利用這種雙層軸扭轉波導，可以有效地旋轉LP₁₁模，這與扭轉波導類似。圖5（b）和（c）給出了入射LP_11b模和LP₀₁模的光場圖。

圖5 模式旋轉器。

（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖

偏振不敏感\硅基模斑轉換器

為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。

圖6 SSC結構示意圖

總結與展望

該多模耦合方案為實現有效的模式耦合/解復用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統中進一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串擾而引起的負面影響。另外，該方案綜合了石英光波導對LP模式的控制以及硅光波導對偏振處理的優點，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復用器，可以按比例增加模式信道數量。因此，所提出的具有模式（解）復用/耦合的光子芯片為MDM系統所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預計它還將擴展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫屬化物）的光子芯片。

仿真方法

采用三維有限差分光束傳輸法對MWS和PLC模式（解）復用器進行了數值模擬。在ANSYS Lumerical FDE求解器中計算MWS-FMF和SSC-PLC的重疊耦合損耗。利用三維時域有限差分法（3D-FDTD）計算了SSC與石英單模波導之間的總耦合損耗。

參考文獻：

[1] Yi, X., Zhao, W., Zhang, L., Shi, Y., & Dai, D. (2024). Efficient mode coupling/(de) multiplexing between a few-mode fiber and a silicon photonic chip. Photonics Research, 12(12), 2784-2793.