紧凑型二氧化硅波导波长模式混合（解）复用器，适用于C/L波段

《Optics & Laser Technology》：Compact silica waveguide wavelength-mode hybrid (de)multiplexer in C/L-band

硅基波导WDM-MDM混合复用器设计，采用Y分支相位调制器与多级MMI耦合器级联结构，通过BPM优化将器件长度控制在14.5mm。实验验证了1550nm和1620nm双波段下E11/E21双模四通道复用功能，插入损耗分别为3.45dB/6.58dB和6.21dB/12.67dB，3dB带宽达61.9nm（1550nm中心波长）和13.5nm（1620nm）。该方案具有CMOS兼容制造优势，为低损耗光子集成提供了紧凑型解决方案。

　　

Xinchao Zhang | Manzhuo Wang | Tingyu Liu | Xiaoqiang Sun | Yuanda Wu | Daming Zhang

吉林大学电子科学与工程学院，综合光电国家重点实验室，长春 130012，中国

摘要

结合波分复用（WDM）和模式分复用（MDM）技术的混合（解）复用方法是平面光波电路容量扩展的有效解决方案。本文展示了一种在C/L波段工作、支持E₁₁和E₂₁模式的4通道二氧化硅波导WDM-MDM混合（解）复用器。该复用器采用带有移相器的Y型分支进行模式解复用，并通过两级MMI耦合器实现波长解复用，从而实现紧凑的结构。设计优化过程中采用了光束传播方法。这种兼容CMOS工艺的混合复用器有望实现低成本、大规模生产。对于E₁₁模式输入，其在λ = 1550 nm时的插入损耗为3.45 dB，在λ = 1620 nm时为6.58 dB；对于E₂₁模式输入，插入损耗分别为λ = 1550 nm时的6.21 dB和λ = 1620 nm时的12.67 dB。无论是E₁₁模式还是E₂₁模式输入，其特征化的3 dB带宽在中心波长为1550 nm时均大于61.9 nm，在中心波长为1620 nm时大于13.5 nm。由于原理简单、结构紧凑，所提出的方案可以扩展为更大规模的混合（解）复用矩阵。

引言

随着人工智能、数据中心和6G技术的发展，对宽带光传输的需求正在迅速增加[[1], [2], [3]]。模式分复用（MDM）[4,5]和波分复用（WDM）[6,7]技术在光通信网络中发挥着关键作用。多种模式或波长可以沿同一路径独立传输，有效扩展传输容量。因此，实现模式和波长的混合复用变得十分重要[8]。

WDM（解）复用器通常由马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[9]、阵列波导光栅（AWG）[[10], [11], [12]]、微环谐振器（MRR）[13,14]和多模干涉耦合器（MMI）[15]构成。非对称Y型分支[16]、非对称定向耦合器（ADC）[17]、亚波长光栅（SWG）[18,19]和MMI耦合器[20]等光学结构也可用于实现MDM（解）复用。为了充分利用不同光技术的优势，需要结合多种结构进行混合复用。Wang等人提出了一种基于ADC辅助AWG的波长-模式混合复用器[21]，可实现4种模式和16种波长的并行传输；基于ADC辅助MMI耦合器的波长-模式混合复用器[22]支持4个独立数据通道[22]；基于ADC辅助MRR结构的波长-模式混合复用器[23]可实现4种模式和8种波长的传输，从而支持32个独立数据通道的传输。尽管ADC结构可以在MDM-WDM框架内实现模式复用，但基模和高阶模式之间的折射率匹配需要特定的耦合器长度，这不可避免地导致复用器长度增加。对于低折射率的平面光波电路（PLC）来说，这一问题更为严重。除了ADC辅助的波长-模式复用器外，还可以采用其他结构来实现混合复用[[24], [25], [26], [27]]。用于实现PLC芯片的材料包括Si、SiN、薄膜铌酸锂（TFLN）和聚合物[[28], [29], [30], [31], [32], [33]]。特别是二氧化硅波导器件具有低光损耗和兼容CMOS工艺的优点。虽然已经实现了基于二氧化硅技术的AWG、模式转换器[34]和模式选择开关[35]，但WDM和MDM模块的集成仍面临尺寸较大的挑战。因此，需要新的方案来提供紧凑的WDM-MDM混合复用解决方案。

在本研究中，理论上设计并实验验证了一种二氧化硅波导WDM-MDM混合（解）复用器。采用级联的Y型分支进行模式（解）复用，以及多级MMI耦合器进行波长（解）复用，以实现紧凑的结构。设计优化过程中采用了光束传播方法（BPM）。混合复用器的制备采用了兼容CMOS的工艺。实验结果表明，该器件支持C/L波段内的E₁₁模式和E₂₁模式的4个独立通道。所提出的WDM-MDM混合（解）复用方案在低损耗片上光复用方面具有良好潜力。

设计与优化

所提出的WDM-MDM混合（解）复用器的示意图如图1所示。矩形二氧化硅波导的横截面图见图1(c)。从下到上的层分别为：硅基底、折射率为1.4447的SiO₂下包层、折射率为1.4741的掺锗（Ge）SiO₂芯层以及同样折射率为1.4447的SiO₂上包层。芯层与包层之间的折射率差为2%。

制备与表征

该（解）复用器采用兼容CMOS工艺制备，如图8所示。首先通过热氧化在硅基底上生长折射率为1.4447的二氧化硅下包层，然后通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在下包层表面沉积高折射率的二氧化硅芯层，并通过掺锗将折射率调整至1.4741。随后制备了多晶硅层。

结果与讨论

对于圆偏振光输入，输出端口O₁-O₄的测量传输光谱如图12所示。如图12(a)所示，对于E₁₁模式输入，其在λ = 1550 nm时的插入损耗为3.45 dB，在λ = 1620 nm时的插入损耗为6.58 dB；相应的串扰分别为CT₅ = -15.83 dB和CT₆ = -10.32 dB。需要注意的是，这里的插入损耗包括光纤-波导耦合损耗和WDM-MDM（解）复用器的传输损耗。

结论

本文展示了一种在C波段和L波段工作、支持E₁₁和E₂₁模式的4通道二氧化硅波导WDM-MDM混合（解）复用器。采用带有移相器的Y型分支进行模式解复用，通过MMI耦合器进行波长解复用，实现了紧凑的结构。通过BPM优化，器件长度控制在14.5 mm以内。这种兼容CMOS工艺的混合复用器有望实现低成本、大规模生产。对于E₁₁和E₂₁模式输入，其特征化的3 dB带宽分别为...

作者贡献声明

Xinchao Zhang：撰写、审稿与编辑、验证、软件设计、概念构思。 Manzhuo Wang：概念构思。 Tingyu Liu：验证。 Xiaoqiang Sun：撰写、审稿与编辑。 Yuanda Wu：撰写、审稿与编辑。 Daming Zhang：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62475091）的支持。