硅基片上復(fù)用—解復(fù)用技術(shù)與器件

戴道鋅，王 健，陳思濤

（浙江大學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 杭州310058）

1 引言

以CMOS技術(shù)為支撐的集成電路（IC）按照摩爾定律趨勢(shì)已持續(xù)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，微處理器性能得到了前所未有的提高。而隨著CMOS工藝特征尺寸的減小，傳統(tǒng)電互連在物理層面的諸多缺點(diǎn)逐漸凸顯[1]：電子線路寄生電容的充放電導(dǎo)致功耗成倍地增加；寄生電容引起的時(shí)延也成為進(jìn)一步提升傳輸速度的巨大障礙（單通道速率<25 Gbit/s）[2]；超密集電子線路引發(fā)的電阻增加導(dǎo)致散熱也成為一個(gè)非常關(guān)鍵問題。為降低功耗和散熱、提升處理器運(yùn)算性能，基于并行計(jì)算的多核技術(shù)隨之興起。隨著處理器芯片數(shù)量的日益增長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)片間及片上互聯(lián)的數(shù)據(jù)傳輸速度及帶寬提出了越來越高的要求。以超級(jí)計(jì)算機(jī)為例，Corona架構(gòu)的處理器包含256個(gè)芯片，以實(shí)現(xiàn)10 TFLOP（每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)，亦稱每秒峰值速度）的峰值性能，對(duì)于每浮點(diǎn)運(yùn)算的帶寬要求就達(dá)到10 Tbit/s[3]。此時(shí)，傳統(tǒng)電互連已難以滿足這種片上數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求。

眾所周知，光是一種具有超高頻率的電磁波，作為載波可以實(shí)現(xiàn)超高速信號(hào)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)超大容量片上光互連網(wǎng)絡(luò)，除了采用超高速光調(diào)制器/光探測(cè)器等技術(shù)提升單通道比特率外，引入先進(jìn)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道并行傳輸也是其關(guān)鍵[4,5]。特別地，光具有波長(zhǎng)、偏振、模式等多個(gè)維度參量，可分別發(fā)展波分復(fù)用（WDM）、偏振復(fù)用（PDM）以及模式復(fù)用（MDM）等技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)大容量、高速率、低能耗、低成本的數(shù)據(jù)傳輸提供了有力支撐。而且，將多種復(fù)用方式綜合運(yùn)用還可形成多維混合復(fù)用技術(shù)，從而進(jìn)一步顯著提升光互連通道數(shù)量和傳輸容量，這也正是光互聯(lián)的另一個(gè)電互聯(lián)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，也正是其未來發(fā)展趨勢(shì)[5]。目前WDM、PDM以及MDM等均已成功應(yīng)用于長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸[6]，并不斷向短距離數(shù)據(jù)傳輸推進(jìn)。據(jù)IBM預(yù)計(jì)，2020年左右即有望實(shí)現(xiàn)片上光互連，突破電互聯(lián)瓶頸問題，進(jìn)而取代電互連成為片上和片間數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)闹饕绞健?/p>

值得注意的是，盡管一些復(fù)用技術(shù)在長(zhǎng)距離光纖通信中運(yùn)用非常純熟，但過于復(fù)雜昂貴的復(fù)用技術(shù)并不適用于片上光互連系統(tǒng)。例如，WDM是一種已成功應(yīng)用到長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)且發(fā)揮著不可替代作用的復(fù)用技術(shù)。因此，將WDM技術(shù)引入片上光互連系統(tǒng)被視為順理成章，是當(dāng)前片上光互連的研究重點(diǎn)之一[7]。但考慮到系統(tǒng)成本及復(fù)雜度等因素，并不適合于引入過多的波長(zhǎng)通道。另一方面，片上光互連中信號(hào)傳輸媒介是具有出色偏振/模式保持能力的平面光波導(dǎo)，使得一些復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)便，如新近興起的利用模式正交性實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)—多通道傳輸?shù)哪Ｊ綇?fù)用技術(shù)。

由此可見，片上光互連復(fù)用技術(shù)具有諸多獨(dú)特之處，相關(guān)研究已成為領(lǐng)域熱點(diǎn)。對(duì)于片上多通道復(fù)用光互連系統(tǒng)，片上集成（解）復(fù)用器是其關(guān)鍵器件之一。在眾多光子集成器件材料體系中，硅材料以其CMOS兼容性和高集成度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)贏得了業(yè)界青睞，相關(guān)研究取得重要進(jìn)展并形成了“硅光子學(xué)”方向，并使得硅基單片大規(guī)模光子集成成為可能，為實(shí)現(xiàn)低成本、低能耗、多功能的光電子芯片提供有利條件。硅基光子集成器件及芯片將在光通信等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用已成為業(yè)界的共識(shí)[8～10]。為此，本文著重總結(jié)和討論了基于硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的超小型片上集成（解）復(fù)用器件的進(jìn)展，主要包括：基于陣列波導(dǎo)光柵、微環(huán)陣列等結(jié)構(gòu)的超小型波分復(fù)用器件[11～12]；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展的基于級(jí)聯(lián)非對(duì)稱耦合器結(jié)構(gòu)的多通道模式復(fù)用器件[13～16]；用于實(shí)現(xiàn)模式—偏振、偏振—波長(zhǎng)、波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用技術(shù)的混合復(fù)用器件[17]。

2 片上復(fù)用技術(shù)與器件

硅納米線波導(dǎo)超高折射率差，其橫截面尺寸一般僅為220 nm×500 nm，具有超強(qiáng)光場(chǎng)限制能力，且最小彎曲半徑可達(dá)2μm，為實(shí)現(xiàn)超小尺寸集成光子器件（包括各種復(fù)用器件）提供了基礎(chǔ)保障。

2.1 波分復(fù)用器

波分復(fù)用技術(shù)是利用多個(gè)不同波長(zhǎng)的光，在單根光纖/波導(dǎo)上的多通道數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)并行傳輸，極大地拓展了已光互連的通信容量，因而在長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中獲得了極大成功，得到了廣泛應(yīng)用。其關(guān)鍵功能是如何將不同波長(zhǎng)攜帶的多路數(shù)據(jù)合并或分開，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵器件即波分復(fù)用器件。

實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用器件的基本原理是利用光束干涉，可分為雙光束干涉和多光束干涉兩大類。相比于雙光束干涉器件（如馬赫—曾德爾干涉儀），多光束干涉器件可實(shí)現(xiàn)更窄帶寬的濾波，易于實(shí)現(xiàn)多通道密集波長(zhǎng)復(fù)用。最常見的多光束干涉波分復(fù)用器件主要有陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、刻蝕衍射光柵（EDG）、微環(huán)諧振器（MRR）等。其中，AWG、EDG從結(jié)構(gòu)和原理上頗為相似，可實(shí)現(xiàn)并行多通道；而MRR則可通過級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)串行多通道。下面主要討論AWG、MRR兩種波分復(fù)用器件。

2.1.1 陣列波導(dǎo)光柵

圖1（a）和圖1（b）分別是通道間隔為400 GHz、200 GHz的常規(guī)性硅納米線AWG及其測(cè)試頻譜響應(yīng)結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可見，通道間隔較大的AWG器件性能優(yōu)良，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_小于-20 dB。隨著波長(zhǎng)通道間隔減小至200 GHz時(shí)，AWG器件尺寸顯著增加，相應(yīng)的器件性能也明顯變差（例如其通道串?dāng)_增大至約-10 dB）。因此，如何實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良性能的密集型硅納米線AWG器件是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖1 常規(guī)硅納米線AWG波分復(fù)用器件及其測(cè)試頻譜響應(yīng)結(jié)果

為了解決這一問題，引入級(jí)聯(lián)梳狀濾波器的設(shè)計(jì)是一種值得嘗試的辦法。利用梳狀濾波器將輸入的一組通道間隔 為△λch的 信 號(hào) （λ1,λ2,λ3,λ4,...,λN）分 成 奇 數(shù) 組（λ1,λ3,λ5,...）和偶數(shù)組（λ2,λ4,λ6,...），然后再采用兩個(gè)通道間隔為2△λch的波分復(fù)用器件將奇數(shù)組通道、偶數(shù)組通道各自分開。這種方法可以顯著降低波分復(fù)用器件的實(shí)現(xiàn)難度。梳狀濾波器已經(jīng)在基于傳統(tǒng)大截面SiO2光波導(dǎo)的密集型波分復(fù)用模塊中有所應(yīng)用，但鮮有關(guān)于硅納米線梳狀濾波器及其與AWG單片集成的報(bào)道。

[18]首次實(shí)現(xiàn)了基于硅納米線MZI梳狀濾波器與雙向型AWG器件的單片集成芯片，實(shí)現(xiàn)了通道間隔為200 GHz的18通道密集型波分復(fù)用芯片。在此設(shè)計(jì)中，通過合理選擇MZI梳狀濾波器的兩個(gè)干涉臂光程差，使之自由頻譜范圍（FSR）△λFSR_MZI同與之相級(jí)聯(lián)的AWG的通道間隔△λch_AWG相等，即△λFSR_MZI=△λch_AWG=400 GHz。而通過利用雙向型AWG器件，可等效于兩個(gè)AWG的功能，避免了在芯片中引入兩個(gè)AWG器件，從而大大減小了芯片尺寸，同時(shí)避免了由于工藝偏差而導(dǎo)致的兩個(gè)獨(dú)立AWG中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)問題。

圖2（a）是所研制的硅納米線梳狀濾波器與AWG的單片集成芯片，其尺寸僅為520μm×190μm。測(cè)得的奇數(shù)組、偶數(shù)組通道頻譜響應(yīng)如圖2（b）所示。圖2（c）是在同一芯片上的單個(gè)MZI梳狀濾波器的傳輸特性。在此，由于奇數(shù)組通道、偶數(shù)組通道共用同一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵，因而各通道間隔能夠完美對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了通道間隔為200 GHz的密集波分復(fù)用功能，其相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_約為-18 dB，與同一芯片上的單個(gè)400 GHz AWG的性能相當(dāng)，證明了這種方法的有效性。

圖2 MZI梳狀濾波器特性

對(duì)于AWG波分復(fù)用器件，進(jìn)一步減小其尺寸，不但有利于提高芯片集成度，也有利于提高器件性能。針對(duì)這一問題，已有一些關(guān)于新型AWG設(shè)計(jì)的報(bào)道，包括反射式AWG。傳統(tǒng)反射式AWG通常采用在波導(dǎo)端面蒸鍍金屬薄膜作為反射鏡，此時(shí)要求端面表面光滑且具有很好的陡直度，因而其端面處理工藝較為復(fù)雜。而對(duì)于硅納米線波導(dǎo)AWG，由于該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的超高折射率差，使得具有高反射率的超小型純介質(zhì)微反射鏡及陣列成為可能，從而可直接連接于各條陣列波導(dǎo)末端，實(shí)現(xiàn)反射式AWG器件。這種采用純介質(zhì)微反射鏡的設(shè)計(jì)可大大降低工藝復(fù)雜度，同時(shí)也使得AWG設(shè)計(jì)更為靈活，因此反射式硅納米線AWG獲得了廣泛的關(guān)注[19～21]。

圖3（a）是一種采用光子晶體微反射鏡的反射式硅納米線AWG[19]，其尺寸僅為134μm×115μm，各通道的測(cè)試頻譜響應(yīng)如圖3（b）所示。除光子晶體微反射鏡外，還可采用布拉格光柵反射鏡[20]、環(huán)型微反射鏡[21]等結(jié)構(gòu)。理論上講，這3種微反射鏡可在較大的波長(zhǎng)范圍（>100 nm）內(nèi)獲得高反射率（>90%）。但需要注意的是，對(duì)于常用的厚度為220 nm的SOI光波導(dǎo)，由于其TM偏振模具有很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，因而很難實(shí)現(xiàn)可用于TM偏振的光子晶體（或布拉格光柵）反射鏡。此時(shí)，可考慮采用具有合適彎曲半徑的微腔反射鏡。

圖3 反射式AWG器件及頻譜響應(yīng)

2.1.2 微環(huán)諧振腔濾波器

微環(huán)諧振腔是一種可實(shí)現(xiàn)多種功能的經(jīng)典集成光子器件，有add-drop型和all-pass型兩種典型結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于光濾波、光調(diào)制等。對(duì)于光濾波應(yīng)用，通常希望實(shí)現(xiàn)方型響應(yīng)譜線的光濾波器，使之具有更大的容差，從而避免環(huán)境干擾所引起諧振波長(zhǎng)漂移造成的不良影響。為實(shí)現(xiàn)方型濾波譜線，可采用多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，并精心設(shè)計(jì)各耦合器的耦合系數(shù)。例如，對(duì)于五環(huán)級(jí)聯(lián)濾波器，各耦合系數(shù)分別為0.45、0.09、0.05、0.05、0.09、0.45[22]。其關(guān)鍵在于如何獲得高達(dá)0.45的耦合系數(shù)。

在參考文獻(xiàn)[22]中，采用的是多模干涉（MMI）耦合器。然而，其代價(jià)是引入了額外損耗、增加諧振腔長(zhǎng)度（Lcav=2πR+2LMMI，致使其FSR變小），而且MMI耦合器的耦合系數(shù)是固定值，無法根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整。為克服這一問題，參考文獻(xiàn)[23]引入了一種彎曲定向耦合器替代MMI耦合器，如圖4所示。在這種結(jié)構(gòu)中，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩條耦合波導(dǎo)寬度（W1、W2）使之滿足位相匹配條件。此時(shí)，即便選取較大的耦合波導(dǎo)間距（如150 nm），也可通過增加耦合區(qū)長(zhǎng)度來獲得足夠大的耦合系數(shù)。從圖4（a）可見，諧振腔長(zhǎng)Lcav=2πR，因而可獲得FSR最大化（僅由最小彎曲半徑?jīng)Q定）。

圖4 彎曲定向耦合器[23]

圖5 是雙環(huán)、三環(huán)和五環(huán)諧振腔濾波器頻譜響應(yīng)測(cè)試結(jié)果及相應(yīng)的仿真計(jì)算結(jié)果。很明顯，隨著級(jí)聯(lián)微環(huán)個(gè)數(shù)的增加，其頻譜響應(yīng)曲線更趨近于方型，消光比也逐漸提升（分別達(dá)到25 dB、30 dB、36 dB）。由于耦合區(qū)域附加損耗幾乎為0，所研制的多環(huán)諧振腔濾波器均具有很低的插入損耗（<1 dB）。

圖5 多環(huán)諧振腔濾波器頻譜響應(yīng)測(cè)試結(jié)果及其仿真計(jì)算結(jié)果

2.2 偏振調(diào)控器件

偏振態(tài)是光波的一個(gè)重要屬性。在平面光波導(dǎo)中，一般存在TE、TM兩種偏振模式。對(duì)于硅納米線光波導(dǎo)而言，由于硅和包層（空氣或SiO2）存在巨大折射率差，其雙折射效應(yīng)極為顯著[24]。因此，大多數(shù)硅納米線光波導(dǎo)器件均具有非常嚴(yán)重的偏振敏感特性。另一方面，硅納米線光波導(dǎo)的超強(qiáng)雙折射效應(yīng)也有利于實(shí)現(xiàn)超小尺寸片上偏振調(diào)控器件，包括起偏器、偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器，可用于偏振復(fù)用系統(tǒng)、量子光學(xué)系統(tǒng)芯片等。下面著重介紹近年來發(fā)展的超小型硅基偏振調(diào)控器件。

2.2.1 起偏器

起偏器是實(shí)現(xiàn)線偏光的重要元件，一般可利用光波導(dǎo)中模場(chǎng)、本征損耗或者截止條件的偏振相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)[25]提出了一種基于硅納米線波導(dǎo)光柵的TM起偏器，如圖6（a）所示。此波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)針對(duì)于TE偏振模而設(shè)計(jì)，使得TE模在1 550 nm波段具有高反射率（低透射率）特性。與之不同的是，TM偏振模由于其有效折射率遠(yuǎn)低于TE偏振模，從而可以一種“布洛赫模”的形式在周期型結(jié)構(gòu)中低損耗傳輸。圖6（b）是TE模、TM模入射時(shí)該起偏器透過率隨周期數(shù)N的增加而變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論仿真結(jié)果。結(jié)果表明，TM偏振模的插入損耗很?。ǚ抡娼Y(jié)果約為0.2 dB、實(shí)測(cè)結(jié)果<1 dB），且隨著周期數(shù)的增加幾乎不變。而對(duì)于TE偏振，其透過率隨著周期數(shù)的增加而下降。當(dāng)周期數(shù)N<20時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性；當(dāng)周期數(shù)繼續(xù)增加至N=40時(shí)，TE偏振透過率的理論值<-60 dB，其實(shí)測(cè)結(jié)果約為-40 dB（原因是受測(cè)試系統(tǒng)中輸入光偏振態(tài)消光比以及探測(cè)器靈敏度的限制）。

圖6 所研制的起偏器及特性

除了常規(guī)硅納米線波導(dǎo)，也可采用具有更強(qiáng)偏振相關(guān)性的混合表面等離子體波導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[26]提出一種基于頂部帶有金屬條的表面等離子體納米波導(dǎo)光柵的TM型起偏器，如圖7（a）所示。在該結(jié)構(gòu)中，表面等離子體波導(dǎo)對(duì)TM偏振光形成很強(qiáng)的約束，使之沿這由金屬條確定的表面等離子體波導(dǎo)傳播，而幾乎不受光柵結(jié)構(gòu)的影響。因此，TM偏振模具有很高的透射率。與之不同的是，波導(dǎo)光柵對(duì)TE偏振模形成強(qiáng)烈的影響。因此，在其布拉格光柵波長(zhǎng)附近的帶寬范圍內(nèi)，TE偏振模具有高反射率、低透過率特性。圖7（b）是不同入射偏振態(tài)情形下（TE或TM）所設(shè)計(jì)起偏器的透過譜。在此例中，相關(guān)參數(shù)為：金屬條寬度為100 nm、光柵周期為430 nm、周期數(shù)為11，相應(yīng)的器件長(zhǎng)度約為4.8μm。從圖7（b）可見，在中心波長(zhǎng)1 550 nm處該起偏器消光比和插入損耗分別為22 dB和1.1 dB，而消光比>20 dB的帶寬達(dá)約50 nm。

圖7 TM型起偏器及特性

圖8 基于波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的TE型起偏器

類似的，采用波導(dǎo)光柵也同樣可以實(shí)現(xiàn)TE型起偏器[27]，如圖8所示。在該結(jié)構(gòu)中，光柵結(jié)構(gòu)是通過調(diào)制硅芯區(qū)與頂部金屬薄膜之間SiO2薄膜的厚度來實(shí)現(xiàn)。很顯然，該光柵可以針對(duì)TM偏振來設(shè)計(jì)，使之具有高反射率。相應(yīng)地，對(duì)于TE偏振，該光柵結(jié)構(gòu)幾乎沒有形成任何影響。根據(jù)布拉格光柵方程，當(dāng)λ=1 550 nm時(shí)，光柵相關(guān)參數(shù)選取為：Lslot=400 nm、Lrib=220 nm。三維有限時(shí)域差分（FDTD）方法仿真結(jié)果表明，當(dāng)取周期數(shù)P=5時(shí)，中心波長(zhǎng)處的消光比和插損分別為18 dB和0.76 dB，可見該TE型起偏器具有良好的性能，而且器件尺寸僅約為3.1μm。

2.2.2 偏振分束器

偏振分束器（PBS）是偏振調(diào)制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，用于實(shí)現(xiàn)TE和TM偏振的分離。人們已經(jīng)采用MMI、DC、MZI、光子晶體、AWG等多種結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)PBS[24]。其中，采用非對(duì)稱耦合系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)是近幾年新發(fā)展的一種實(shí)現(xiàn)PBS的新設(shè)計(jì)思路，特別以其超大帶寬、超小尺寸、設(shè)計(jì)方便等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。其原理是：通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使得非對(duì)稱耦合系統(tǒng)中兩條波導(dǎo)的某一偏振模滿足相位匹配條件，從而選取合適耦合區(qū)長(zhǎng)度使之完全交叉耦合；而對(duì)于另一個(gè)偏振模，由于雙折射效應(yīng)，幾乎總不滿足相位匹配條件，因而可以很好地抑制其交叉耦合。由此可以很好地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振模的有效分離。

基于這一思路，已有多種用于實(shí)現(xiàn)PBS的非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)的報(bào)道，包括彎曲非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)[28,29]、條形波導(dǎo)—狹縫波導(dǎo)耦合系統(tǒng)[30]、純介質(zhì)三波導(dǎo)非對(duì)稱耦合系統(tǒng)等、基于混合等離子體波導(dǎo)的三波導(dǎo)耦合系統(tǒng)[31]及雙波導(dǎo)耦合系統(tǒng)[32]，如圖9所示。其中，由于硅基混合表明等離子體波導(dǎo)具有超高的雙折射效應(yīng)且與普通硅納米線波導(dǎo)具有很大的差異性，因而有利于實(shí)現(xiàn)超小型PBS。例如，利用如圖9（c）所示的三波導(dǎo)耦合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)尺寸僅為2μm×5.1μm的超小型PBS[31]；而利用基于混合等離子體波導(dǎo)的雙波導(dǎo)耦合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)尺寸更小的PBS器件，其尺寸僅約為1.9μm×3.7μm[32]。

2.2.3 偏振旋轉(zhuǎn)器

偏振旋轉(zhuǎn)器（PR）同樣是偏振調(diào)制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，用于實(shí)現(xiàn)平面波導(dǎo)中TE、TM模的相互轉(zhuǎn)化。其實(shí)現(xiàn)原理通常是基于在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中混雜模式的干涉或者漸變演化的機(jī)制，具體結(jié)構(gòu)一般可采用具有彎曲、傾斜側(cè)壁或者缺角等特殊結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[33]提出一種全新的超小型偏振旋轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，僅需去除方型光波導(dǎo)的一個(gè)邊角，使其支持兩個(gè)傳播常數(shù)為β0、β1的混雜模式。當(dāng)入射線偏振光入射后，將激發(fā)這兩個(gè)混雜模式在缺角光波導(dǎo)中傳輸并發(fā)生干涉。經(jīng)過一段傳輸距離Lπ=π/(β0-β1)后，即可實(shí)現(xiàn)偏振式轉(zhuǎn)換。參考文獻(xiàn)[33]給出的設(shè)計(jì)實(shí)例中，給出了一個(gè)長(zhǎng)度僅為7μm的超小型偏振旋轉(zhuǎn)器。之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于這一設(shè)計(jì)的偏振旋轉(zhuǎn)器具有優(yōu)異性能：在約80 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到-0.51 dB[34]。

圖9 基于非對(duì)稱耦合系統(tǒng)的新型PBS

參考文獻(xiàn)[35]提出了一種基于緩變光波導(dǎo)中偏振相關(guān)模式演變?cè)韺?shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)的全新方案，如圖10所示。此結(jié)構(gòu)基于截面不對(duì)稱的硅納米線波導(dǎo)（如選取空氣薄層或SiN薄層的SOI納米線波導(dǎo)），由兩部分組成：錐型緩變光波導(dǎo)及非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)。在錐型緩變光波導(dǎo)區(qū)域，利用特定寬度區(qū)域存在雜化模式實(shí)現(xiàn)TM0→TE1高階模的轉(zhuǎn)換，繼而通過非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)將TE1模式耦合至相鄰窄波導(dǎo)的TE0模式，從交叉端口輸出。而當(dāng)TE0模式從輸入端口輸入時(shí)，經(jīng)過錐型緩變光波導(dǎo)區(qū)域時(shí)，不發(fā)生模式轉(zhuǎn)化，因而仍以TE0模式進(jìn)入非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)，由于兩條波導(dǎo)的基模存在顯著相位失配，故幾乎不發(fā)生耦合，最終從直通端輸出。

由此可見，參考文獻(xiàn)[35]所提出的新結(jié)構(gòu)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振模式分離和轉(zhuǎn)換，是一種偏振分束—轉(zhuǎn)換器件（PSR），適用于很多偏振調(diào)控系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該P(yáng)SR器件帶寬達(dá)70 nm（消光比>10 dB），波導(dǎo)寬度容差達(dá)-10～20 nm，并且通過選擇更長(zhǎng)的錐型緩變波導(dǎo)，還可進(jìn)一步提升其帶寬和工藝容差。特別是，該結(jié)構(gòu)僅需一步刻蝕即可，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、工藝簡(jiǎn)單，因而獲得了廣泛的關(guān)注。此外，除截面不對(duì)稱的硅納米線波導(dǎo)外，硅脊型納米光波導(dǎo)也存在類似的模式演變（已被實(shí)驗(yàn)證明[36]），可用于偏振模轉(zhuǎn)化器件。另一方面，在設(shè)計(jì)錐型緩變波導(dǎo)時(shí)，應(yīng)注意這種可能存在的偏振模轉(zhuǎn)換，防止由于這種偏振模轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的不良影響[36]。

圖10 偏振旋轉(zhuǎn)全新方案

2.3 模式復(fù)用器件

模式復(fù)用技術(shù)采用波導(dǎo)或光纖中不同的模式作為傳輸信息的通道，其關(guān)鍵器件之一是模式復(fù)用器，用于實(shí)現(xiàn)基?！唠A模間轉(zhuǎn)換，并將所激發(fā)模式加載至干路波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用。模式復(fù)用器是近幾年集成光子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前報(bào)道的實(shí)現(xiàn)方案主要有MMI結(jié)構(gòu)[37]、絕熱模式演變耦合結(jié)構(gòu)[38,39]以及非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)[40,41]等。其中，MMI型模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不易于拓展模式通道數(shù)；絕熱模式演變耦合型模式復(fù)用器設(shè)計(jì)較為靈活，主要有緩變非對(duì)稱Y分支、緩變方向耦合器等結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是器件整體很長(zhǎng)。相比之下，非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)尺寸較小、設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單方便，且易于通過級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)多通道模式復(fù)用器件。在性能方面，基于非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用器具有低串?dāng)_、低插損、大帶寬等特點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注。

圖11 基于非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用器

參考文獻(xiàn)[40]首次給出了一種基于非對(duì)稱耦和結(jié)構(gòu)的4通道硅納米線模式復(fù)用器設(shè)計(jì)，如圖11所示。該模式復(fù)用器由3個(gè)級(jí)聯(lián)的非對(duì)稱耦合器組成，各自激發(fā)相應(yīng)的高階模，不同寬度的波導(dǎo)之間通過緩變錐型波導(dǎo)相連。參考文獻(xiàn)[41]研制了一個(gè)包含4×1模式復(fù)用器、干路多模波導(dǎo)以及1×4模式解復(fù)用器的芯片。圖12是當(dāng)輸入光分別端口I1、I2、I3、I4入射時(shí)，各輸出端口(O1～O4)的頻譜響應(yīng)。光從單模波導(dǎo)端口Ii（i=1、2、3、4）輸入時(shí)，分別耦合至干路波導(dǎo)的某一個(gè)模式并傳輸一段距離之后，再?gòu)南鄳?yīng)的輸出端口輸出。測(cè)試結(jié)果表明，各模式通道中心波長(zhǎng)處的片上損耗（on-chip loss）<0.5 dB、串?dāng)_<-20 dB，并具有大帶寬特性，使之具有良好的波分復(fù)用兼容性，有利于實(shí)現(xiàn)模式—波長(zhǎng)混合復(fù)用技術(shù)。

3 混合復(fù)用器

3.1 偏振—模式混合復(fù)用器

圖12 輸出端口(O1～O4)的頻譜響應(yīng)

圖13 偏振—模式混合復(fù)用器

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用和偏振復(fù)用技術(shù)，參考文獻(xiàn)[42]提出一種級(jí)聯(lián)ADC型的偏振—模式混合復(fù)用器（如圖13（a）所示）。該設(shè)計(jì)包括一個(gè)PBS（用于TE基模和TM基模）、3個(gè)用于高階TE偏振模的ADC和3個(gè)用于高階TM偏振模的ADC，由此獲得4個(gè)TE偏振模（TE0、TE1、TE2、TE3)和4個(gè)TM偏振模（TM0、TM1、TM2、TM3)的復(fù)用或解復(fù)用。而為了進(jìn)一步提高其性能，可以在解復(fù)用器的輸出端引入起偏器，從而消除其偏振模串?dāng)_。例如，參考文獻(xiàn)[43]中通過引入波導(dǎo)光柵起偏器，如圖13（b）所示。在此設(shè)計(jì)中，該波導(dǎo)光柵不僅作為一個(gè)具有高消光比的起偏器，同時(shí)也可用作光纖—芯片耦合器。與參考文獻(xiàn)[42]中結(jié)果相比，改進(jìn)型8通道偏振—模式復(fù)用器的性能得到顯著提高，各通道插入損耗<2 dB、串?dāng)_<-18 dB。

3.2 偏振—波長(zhǎng)混合復(fù)用器

參考文獻(xiàn)[44]給出了一種由雙向型AWG波分復(fù)用器件和偏振分集系統(tǒng)組成的新型偏振—波長(zhǎng)混合復(fù)用器，由此可以實(shí)現(xiàn)雙倍的通道數(shù)，如圖14（a）所示。偏振分集系統(tǒng)由一個(gè)基于彎曲耦合結(jié)構(gòu)的PBS和一個(gè)基于缺角波導(dǎo)的PR組成，雙向型AWG兩側(cè)均有N+1條波導(dǎo)（其中位于邊緣的波導(dǎo)作為輸入波導(dǎo)）。當(dāng)N個(gè)波長(zhǎng)（λ1,λ2,λ3,…,λN）、兩個(gè)偏振態(tài)組成的2N通道光信號(hào)從輸入端入射后，經(jīng)過由PBS和PR組成的偏振分集系統(tǒng)得到兩組偏振態(tài)均為TE偏振的信號(hào)（λ1,λ2,λ3,…,λN）。這兩組光信號(hào)分別進(jìn)入雙向型AWG兩個(gè)輸入端口，各波長(zhǎng)通道進(jìn)而由AWG分開，從相應(yīng)的輸出端口輸出，即實(shí)現(xiàn)雙偏振的波分解復(fù)用。圖14（b）為各通道的頻譜響應(yīng)，其中實(shí)線、虛線分別為TE偏振、TM偏振輸出通道的測(cè)試結(jié)果。由于這兩組信號(hào)共用同一個(gè)AWG，通道中心波長(zhǎng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，避免了使用兩個(gè)AWG存在中心波長(zhǎng)難以對(duì)準(zhǔn)的問題。

3.3 波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用器

圖14 所研制偏振—波長(zhǎng)混合復(fù)用器及測(cè)試結(jié)果

將多模式、多波長(zhǎng)結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)一種波分—模式混合復(fù)用技術(shù)，其關(guān)鍵器件是波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用—解復(fù)用器。參考文獻(xiàn)[45]給出了由一個(gè)基于級(jí)聯(lián)ADC結(jié)構(gòu)的4通道模式解復(fù)用器和4個(gè)16通道AWG組成的波長(zhǎng)—模式混合解復(fù)用器，如圖15所示。其中，4個(gè)AWG具有相同的設(shè)計(jì)，其波長(zhǎng)通道間隔均為3.2 nm。當(dāng)4個(gè)模式（TM0、TM1、TM2和TM3）、16個(gè)波長(zhǎng)攜帶的64通道光信號(hào)入射后，首先被4通道模式解復(fù)用器分成4組（每組均含有16個(gè)波長(zhǎng)通道），從模式解復(fù)用器的4條單模輸出波導(dǎo)出射，各自進(jìn)入一個(gè)AWG波分解復(fù)用器并被分開，從其輸出端口輸出。圖16是光信號(hào)分別從輸入端口I1、I2、I3和I4入射時(shí)所有64個(gè)輸出端口處的頻譜響應(yīng)，由上到下依次為AWG#1、AWG#2、AWG#3、AWG#4。由圖16可見，光信號(hào)從端口Ii（i=1～4）入射時(shí)主要從第i個(gè)AWG的端口輸出，而AWG #j（j≠i）端口的出射光功率為-25～-16 dB，主要是由1×4模式解復(fù)用器中模式通道串?dāng)_引入。由于基于級(jí)聯(lián)ADC結(jié)構(gòu)的4通道模式解復(fù)用器具有大帶寬特性，該波長(zhǎng)—模式混合解復(fù)用器的輸出頻譜響應(yīng)與單個(gè)AWG相似。

圖15 64通道波分—模式復(fù)用器示意

圖16 測(cè)試結(jié)果

參考文獻(xiàn)[46]提出一種基于N×N雙向型AWG的新型設(shè)計(jì)。在這種設(shè)計(jì)中，一個(gè)N×N雙向型AWG等效于2個(gè)完全一樣的1×N AWG，顯著減少了所需AWG數(shù)量及其所占面積，同時(shí)也降低了多個(gè)AWG器件波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜度。例如，圖17是一個(gè)基于波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用的芯片，包含從4×1模式復(fù)用器、多模波導(dǎo)到波長(zhǎng)—模式混合解復(fù)用器的整個(gè)鏈路。其中，波長(zhǎng)—模式混合解復(fù)用器由一個(gè)1×4模式解復(fù)用器、2個(gè)17×17雙向型AWG（16個(gè)波長(zhǎng)通道）構(gòu)成，模式復(fù)用/解復(fù)用器仍采用級(jí)聯(lián)非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，波分—模式復(fù)用器的模式解復(fù)用器部分引入的模式通道間串?dāng)_<-20 dB，而AWG波分復(fù)用器部分引入的波長(zhǎng)通道間串?dāng)_約為-14 dB（與同一芯片上的單個(gè)AWG性能相似）。可見，通過多模式、多波長(zhǎng)的形式，可以顯著提升可用通道數(shù)，為獲得超大容量光通信/光互連鏈路提供有效途徑。

圖17 波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用鏈路

4 結(jié)束語(yǔ)

波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模式復(fù)用等復(fù)用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光通信/光互連鏈路容量低成本擴(kuò)增的有效技術(shù)，受到廣泛關(guān)注，特別是新近發(fā)展的模式復(fù)用技術(shù)，而將多種復(fù)用技術(shù)有機(jī)融合起來實(shí)現(xiàn)多維混合復(fù)用技術(shù)是未來發(fā)展趨勢(shì)。高性能復(fù)用—解復(fù)用器件是實(shí)現(xiàn)這些復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵。本文著重總結(jié)回顧了基于硅納米線光波導(dǎo)的超小型復(fù)用—解復(fù)用器件方面的最新進(jìn)展，包括波分復(fù)用器件、偏振調(diào)控器件、模式復(fù)用器件以及模式—偏振、偏振—波長(zhǎng)、波長(zhǎng)—模式混合復(fù)用器件等。從目前結(jié)果來看，單元器件研究已經(jīng)取得較好成效，大多具有超小尺寸、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，但仍需進(jìn)一步提升，從而達(dá)到實(shí)用化性能要求。在單元器件不斷完善的基礎(chǔ)上，由于硅納米線光波導(dǎo)器件具有超小尺寸特征，也有望獲得多功能器件的大規(guī)模集成，這也正是光子集成發(fā)展的大勢(shì)所趨。

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