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(shí)現(xiàn)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(dǎo)操縱LP模式的優(yōu)勢(shì)來耦合和解復(fù)用高階模式，解復(fù)用后的模式以單模方式與硅光子芯片對(duì)接耦合，從而可直接完成進(jìn)一步的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收/路由。

引言

要實(shí)現(xiàn)片上高效多模耦合器，如在一個(gè)少模光纖（FMF）中同時(shí)發(fā)射六個(gè)模式信道（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），目前是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，其主要障礙在于FMF和亞微米級(jí)硅光波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，F(xiàn)MF中的每個(gè)模式信道被有效地耦合/解復(fù)用為硅光波導(dǎo)中的相應(yīng)TE0或TM0模式，所述硅光子波導(dǎo)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(diào)制器或光電探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)光發(fā)射器/接收器。提出的多模耦合概念對(duì)下一代MDM系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的前景。

工作原理

該方案包括一個(gè)使用多模波導(dǎo)段（MWSs）的端面耦合器，一個(gè)三通道雙偏振PLC模式（解）復(fù)用器，雙電平多核雙偏振模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發(fā)射的LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y模式經(jīng)由MWSs有效地對(duì)接耦合到多模二氧化硅光波導(dǎo)。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器被用于將這三個(gè)導(dǎo)模解復(fù)用為三個(gè)單模石英光波導(dǎo)中支持的LP01-x/y模式。然后，這些LP01-x/y模式通過SSC對(duì)接耦合到相應(yīng)硅光子波導(dǎo)中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三個(gè)PBSs分離TE0/TM0模式。PBS通過使用三個(gè)級(jí)聯(lián)定向耦合器來實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)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(gè)定向耦合器充當(dāng)濾除不期望的弱交叉耦合功率的關(guān)鍵角色，從而實(shí)現(xiàn)高消光比。

圖1 多模耦合方案示意圖

基于微波系統(tǒng)的多模端面耦合器

由于FMF的橫截面比多模石英光波導(dǎo)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(kuò)展了基模的模場(chǎng)，而且擴(kuò)展了高階模式（如LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-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(jiǎn)單得多。

圖2 PLC芯片圖示。（a）模式多路（解）復(fù)用器示意圖；（b）基于MWSs的多模端面耦合器；（c）模式（解）復(fù)用器中的耦合器a和耦合器b；（d）模式旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和沒有MWSs結(jié)構(gòu)的比較。在沒使用MWSs結(jié)構(gòu)時(shí)，LP01，LP11a和LP11b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(dāng)使用MWS結(jié)構(gòu)時(shí)，其耦合損耗分別顯著降低至0.46 dB、0.51 dB和0.57 dB。

PLC模式多路（解）復(fù)用器

基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器如圖2（a）所示。包括耦合器a、模式旋轉(zhuǎn)器和耦合器b。入射的LP01模直接通過總線波導(dǎo)并從端口O2輸出；入射的LP11a模由耦合器a解復(fù)用為LP01模并從端口O3輸出；入射的LP11b模在模式旋轉(zhuǎn)器被旋轉(zhuǎn)到LP11a模，最終在通過耦合器b解復(fù)用成LP01模并從端口O1輸出。在1550nm波長下，三種模式的光場(chǎng)傳輸圖如圖4所示。

圖4 LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y光場(chǎng)傳輸圖

由于LP11b模場(chǎng)的垂直反對(duì)稱性，使得LP11b模之間的耦合變得不容易，故引入了一個(gè)基于垂直不對(duì)稱性的雙電平錐度模式旋轉(zhuǎn)器，如圖5（a）所示。利用這種雙層軸扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)，可以有效地旋轉(zhuǎn)LP11模，這與扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)類似。圖5（b）和（c）給出了入射LP11b模和LP01模的光場(chǎng)圖。

圖5 模式旋轉(zhuǎn)器。（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）LP11b入射的光場(chǎng)圖；（c）LP01入射的光場(chǎng)圖

偏振不敏感\(zhòng)硅基模斑轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)石英光波導(dǎo)中的導(dǎo)模與硅光子波導(dǎo)中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級(jí)多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導(dǎo)演化為具有絕熱錐度的三芯波導(dǎo)，然后將三芯波導(dǎo)的三個(gè)芯逐漸分離，以實(shí)現(xiàn)與硅光波導(dǎo)中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個(gè)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(jié)構(gòu)示意圖

總結(jié)與展望

該多模耦合方案為實(shí)現(xiàn)有效的模式耦合/解復(fù)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(tǒng)中進(jìn)一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串?dāng)_而引起的負(fù)面影響。另外，該方案綜合了石英光波導(dǎo)對(duì)LP模式的控制以及硅光波導(dǎo)對(duì)偏振處理的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)用器，可以按比例增加模式信道數(shù)量。因此，所提出的具有模式（解）復(fù)用/耦合的光子芯片為MDM系統(tǒng)所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預(yù)計(jì)它還將擴(kuò)展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫?qū)倩铮┑墓庾有酒?/p>

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仿真方法

采用三維有限差分光束傳輸法對(duì)MWS和PLC模式（解）復(fù)用器進(jìn)行了數(shù)值模擬。在ANSYS Lumerical FDE求解器中計(jì)算MWS-FMF和SSC-PLC的重疊耦合損耗。利用三維時(shí)域有限差分法（3D-FDTD）計(jì)算了SSC與石英單模波導(dǎo)之間的總耦合損耗。

參考：

[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.