模式復用
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-27
模式復用的實例教程
本期是Lumerical系列中無源器件專題-復用器件的第三期，涉及的器件是模式（解）復用器，該器件基于逆向設計，采用的是DBS算法進行優化。本文將從該器件的研究背景進行介紹，然后給出所設計器件的初始結構以及工作原理，提出了兩種子單元類型的功能區，包括圓形子單元和方形子單元，采用DBS算法對其功能區進行優化，最后將兩種結構的性能進行對比。
背景介紹
模分復用（MDM）技術是利用多種正交模式作為通信信道，這些信道之間互不干擾，可以顯著提高傳輸容量，成為解決容量問題的有效方案。其中，模式（解）復用器是最基本的器件，它能將多個分支波導中的基模復用到同一個總線波導中的高階模進行并行傳輸，反之也能將總線波導中的高階模分解為多個分支波導中的基模。
現有的硅基模式（解）復用器包含多種結構，按照其工作原理可分為模式耦合型和模式轉化型。其中模式耦合型的結構包括非對稱定向耦合器（ADC）、微環諧振器（MRR）以及光柵輔助耦合器（GACs）。這些結構通常具有較小的尺寸以及低損耗的特性。ADC結構可以通過級聯擴展為多個模式，而MRR結構可以實現模式和波長的混合（解）復用。然而，這些基于模式耦合的結構需要嚴格的相位匹配條件，這會導致較窄的工作帶寬?；?em>模式轉化的結構包括絕熱耦合器（AC）、Y分支、多模干涉（MMI）耦合器等。這些結構可以實現相對較寬的工作帶寬，大于50 nm，甚至高達100 nm。然而，這些結構需要足夠的長度來完成模式轉化，往往會導致較大的器件尺寸。最近，又興起一種基于逆向設計的模式（解）復用器，雖然已經報道了多種基于逆向設計的高集成度模式（解）復用器，但為了進一步減小器件的尺寸，本篇文章將逆向設計的功能單元與AC結構相結合，增強了模式轉化的效率，可以顯著減小器件長度。
展開 比如在第一個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復用模式數為各個自由度模式數的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進行并行復用，在國際上率先實現了跨越這三個自由度的復用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數達到2*2*3=12個，實驗結果展示了多自由度并行復用量子存儲的可行性。這種提升量子存儲模式數的新方法，將在量子網絡和量子優盤的研究中具有重要應用。
圖1）多自由度復用量子存儲示意圖
在多模式復用的長程量子通信中，兩個中繼節點的工作模式可能各不相同，為了能夠執行進一步的糾纏交換，不同的中繼節點必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設計存儲方案和存儲裝置，展現他們的多自由度復用量子存儲器在時間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
圖2）多自由度復用量子存儲實驗裝置圖
研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態都保持了約89%的保真度。該存儲裝置可以實現Knill—Laflamme-Milburn型量子計算所需的所有操作，所以本成果還有望在線性光學量子計算等領域取得更多的應用。
論文第一作者為博士研究生楊天書。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。（來源：中國科學技術大學、中科院量子信息重點實驗室、量子信息和量子科技前沿創新中心、科研部）
展開 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（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-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LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-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LP01-x/y模式。然后，這些LP01-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。
展開 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。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p>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<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>），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<sup>[1]</sup>，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。</p><p><br></p><p><strong>工作原理</strong></p><p>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<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>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<sub>01-x/y</sub>模式。
展開 根據相位匹配條件可知，只需通過合理設計ADC中相鄰兩波導的寬度，就能使兩波導中的某一個特定模式匹配，以此來實現二者的完全耦合。因此，采用多個波導寬度不同的ADC級聯的方法，就可以實現多個模式的（解）復用功能，該類器件的結構示意圖如圖4所示。
圖4 ADC型模式解復用器
MMI型：
MMI型的模分復用器的主要原理是基于光的自映像效應，通過控制MMI的輸入輸出位置以及長度，就可以在輸出端得到不同模式的自映像。該器件用于設計模式（解）復用器時，常與其他器件相結合，比如Y分支、亞波長光柵、多個MMI級聯等。圖5所示的器件是Y分支與MMI結合，首先兩種不同模式的光信號經過Y分支分束后，再通過90°相移區的相位延遲，最后經過一個2×2 MMI，就實現了兩個模式的分離。
圖5 MMI型模式解復用器
混合復用器件
為了充分發揮光通信的帶寬優勢，研究單一復用技術是一種有效途徑，而將多種復用技術綜合形成多維混合復用技術更能提升光通信系統的傳輸容量。例如將波分復用器和模分復用器進行級聯，就能實現波長和模式的混合（解）復用功能。最普遍的類型就是ADC- MRR型，其結構示意圖如圖6所示。其中，ADC能對不同模式進行分離，而不同半徑的MMR又能對不同波長進行選擇，這種混合復用器件在擴展性上擁有巨大優勢。
圖6 ADC- MRR型波長-模式混合解復用器
主要性能指標
插入損耗（IL）：復用器件在系統中造成的能量損失，是表征器件性能的最為重要的參數之一。
串擾（CT）：其他通道的輸出信號對本通道的輸出信號傳輸產生的影響,用以衡量器件工作時通道間的干擾作用。
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圖5 基于圓形子單元的模式解復用器中TE0和TE1模式的傳輸譜
為了比較子單元形狀對模式解復用性能的影響，本文用方形子單元代替圓形子單元。與緊密排列的圓形子單元相比，緊密排列的方形子單元之間的間距更適合制造工藝的要求。圖6給出了基于方形子單元陣列的模式（解）復用器結構示意圖。
圖4 ADC型模式解復用器
MMI型：
MMI型的模分復用器的主要原理是基于光的自映像效應，通過控制MMI的輸入輸出位置以及長度，就可以在輸出端得到不同模式的自映像。該器件用于設計模式（解）復用器時，常與其他器件相結合，比如Y分支、亞波長光柵、多個MMI級聯等。
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。
Ansys Lumerical軟件試用申請，歡迎聯系摩爾芯創。
最后，本研究提出的方法為設計支持多維復用（包括波長復用、偏振復用和模式復用）的調制器奠定了基礎。實現此類調制器有望顯著提升未來通信鏈路的傳輸容量與性能。
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參考文獻
J. Shen, Y. Zhang, L. Zhang, J. Li, C. Feng, Y. Jiang, H. Wang, X. Li, Y.
然而傳統硅基光子器件只能承載單個波導模式，難以滿足模式復用等重要需求場景。本次分享將介紹基于變換光學新穎原理的大帶寬，支持多模傳輸的波導交叉，彎曲波導，微環諧振腔等多種新型硅基集成光學器件。
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。
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* 第一步：初始化GPIO */
// 打開串口GPIO的時鐘
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
// 將USART Tx的GPIO配置為推挽復用模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* 第一步：初始化GPIO */
// 打開串口GPIO的時鐘
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
// 將USART Tx的GPIO配置為推挽復用模式
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小型航天飛機和可復用火箭復合體
本方案類似于X-37B的發射模式，由可復用火箭+水平降落航天飛機構成，兩者全部可以復用。
這也是唯一一個符合太空旅行和洲際飛行的方案。
圖1）多自由度復用量子存儲示意圖
在多模式復用的長程量子通信中，兩個中繼節點的工作模式可能各不相同，為了能夠執行進一步的糾纏交換，不同的中繼節點必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設計存儲方案和存儲裝置，展現他們的多自由度復用量子存儲器在時間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
