劉　柳, 陳楷旋

(華南師范大學華南先進光電子研究院，光及電磁波研究中心，廣州 510006)

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硅基片上模式復用技術(shù)進展

劉柳*, 陳楷旋

(華南師范大學華南先進光電子研究院，光及電磁波研究中心，廣州 510006)

摘要：模式復用作為光通信的一個復用維度，最近成為國際上的研究熱點.文章綜述了最近應(yīng)用于硅基片上模式復用的相關(guān)進展，并介紹了一些核心器件及其性能，如：總線波導、復用/解復用器、光纖接口以及多模光開關(guān)等.文章從器件的工作原理，分析比較了其性能特點和優(yōu)缺點，并展望了硅基片上模式復用的發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞：硅光子學; 光互連; 模式復用

隨著大數(shù)據(jù)和超級計算時代的到來，同時為滿足低成本、高能效、高帶寬的通信技術(shù)要求，傳統(tǒng)電互連正逐漸被光互連所替代.光互連不僅應(yīng)用于遠距離光纖通信領(lǐng)域，而對于短距離互連應(yīng)用，如：機架之間、板間、處理器到存儲器或多核處理器片內(nèi)核之間的通信，光互連也將逐漸成為主流.目前世界上最快的計算機天河二號采用光電混合互連技術(shù)，峰值運算速度達33 862.7 TFlop/s，單個控制器的吞吐能力為2.56 Tb/s，其中選用的Xeon Phi處理器擁有57個核心.但是，隨著微處理器芯片核數(shù)量的增加(>1 000個)，這給核與核之間以及與芯片外部數(shù)據(jù)傳輸帶寬提出更高要求(～102 Tb/s)[1]，因此，單通道光互連傳輸帶寬需要進一步提高.然而，傳統(tǒng)的單模光纖傳輸系統(tǒng)通信容量已經(jīng)逼近其理論極限[2-3]，同時單通道傳輸速率的進一步提高也給發(fā)送端和接收端的電信號處理帶來更多的挑戰(zhàn)[4].利用各種復用技術(shù)，如：波分復用(WDM)、空間復用(SDM)、模式復用(MDM)或偏振復用(PDM)等，將數(shù)據(jù)加載不同光波長、偏振或模式，以便于在單個通道里進行傳輸，可以在單個驅(qū)動器和接收機帶寬不變的情況下，有效地提高通道的總傳輸容量，降低成本、能耗.在光纖通信中，波分復用技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是由于需要穩(wěn)定的多波長光源，成本較高，并且控制系統(tǒng)復雜，能耗較高.波分復用技術(shù)應(yīng)用在片上光互連時，不宜復用較多的波長，通道間隔也不宜太小.最近，基于空間復用、模式復用或偏振復用的技術(shù)已相繼被應(yīng)用于光纖傳輸，通信速率也達到了100 Tb/s的水平[2]354.在高密度集成芯片上的SDM技術(shù)，考慮到串擾的問題，波導不能靠得太近，因此，波導物理尺寸較大，且不便于總體控制和路由.然而，相比多?；蛏倌９饫w通信來說，片上模式復用擁有更多的優(yōu)點.成熟的集成工藝使得波導加工更加精確，更容易實現(xiàn)不同偏振或多個模式的復用.各種模式轉(zhuǎn)換器也可以方便地通過平面波導器件來實現(xiàn)[5].此外，可以聯(lián)合多種復用方式，使光互連容量成倍增長，為高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸提供巨大潛力.

硅光子芯片具有與集成電子CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝兼容、成本低、熱導率高、波導折射率差高和集成度高等優(yōu)點，最近10年，主要集中在硅基集成光子器件的研究.本文主要回顧了最近硅基片上模式復用技術(shù)的進展，包括不同類型的總線多模波導及其彎曲性能、模式復用-解復用器、多維復用技術(shù)、多芯光纖與多模波導的耦合方案以及片上光網(wǎng)路多模光開關(guān)等問題.

1硅基模式復用的總線波導及其彎曲性能

在硅基上通過錐形波導、定向耦合器等結(jié)構(gòu)，比較容易實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換.對于模式復用來說，模式轉(zhuǎn)換后需要同時合并多個模式，這是一個設(shè)計難點，所以出現(xiàn)了幾種與不同模式復用器相配合的總線波導.

類似于多模光纖，在片上模式復用上采用較多的總線硅波導是通過簡單增加寬度來支持多個模式.當把數(shù)據(jù)調(diào)制到不同模式上以后，這些模式在總線波導上同時傳輸，實現(xiàn)多個通道的復用.不同的模式是麥克斯韋方程正交獨立的解，所以在光信號傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)低的模式串擾.這種總線波導寬度相對較小.從文獻[6]L19中可以看出，支持3、5和8通道的硅波導寬度分別為0.835、1.29和2.363 μm.這種總線波導易于設(shè)計和通道數(shù)的擴展，制作上跟普通的單模波導一樣與CMOS工藝兼容.大多數(shù)模式復用器，例如根據(jù)耦合模理論的非對稱定向耦合器[4, 7-8]，根據(jù)模式絕熱演變原理的非對稱Y分支結(jié)構(gòu)[9]等都應(yīng)用于這種總線波導設(shè)計.但是，這種通過增加波導寬度實現(xiàn)的多模波導，具有彎曲半徑較大等不利于緊湊集成的缺點.這種波導中，如果彎曲半徑過小，容易將模斑擠到側(cè)壁，類似回音壁模式，造成模斑的不對稱，當與直波導耦合時容易引起大的模式串擾和損耗.文獻[10]779舉例仿真了支持8個模式的波導彎曲半徑要求>240 μm才能達到較小的模式串擾.一種減小彎曲半徑的方法是通過優(yōu)化彎曲部分的等效折射率，使得彎曲波導幾個模式的模斑能夠與直波導相匹配，這樣可以減少耦合損耗和模式串擾[11].另一種方法是垂直型的多模波導[12]，由于多模的模斑分布在垂直方向，支持8個模式的多模波導彎曲半徑可<5 μm，與單模波導相類似.但是前者需要用到灰度掩膜制作，與普通的CMOS工藝不兼容；后者則需要較大的波導縱橫比，制作起來困難，并且三維層面上模式復用器的設(shè)計存在較多困難.此外，另外一種形式的總線波導是采用2根緊靠的單模波導組成的槽波導結(jié)構(gòu)[13]3468，可采用基于絕熱模式演變耦合的結(jié)構(gòu)來進行模式復用.這種總線結(jié)構(gòu)的等效寬度約為1 μm，但只支持2個模式并且難以擴展.

最近,我們提出了一種基于密集波導陣列(DPWA)的硅基模式復用總線波導結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的模式復用-解復用[14]12137.因為不同寬度波導基模的等效折射率不同(圖1)，該結(jié)構(gòu)選用不同寬度的硅波導組成模式復用總線，即：w1=350 nm,w2=408 nm,w3=500 nm，如圖2A所示，即使波導間靠得很近時，耦合也會很小.如果把3根波導看成一個整體，麥克斯韋方程在這種結(jié)構(gòu)中存在3個橫電(TE)基模的解，對應(yīng)的模斑很好地分布在不同波導位置上.圖2中波導間距g=100 nm，總線波導的等效寬度為w1+w2+w3+ 2g= 1.458 μm.因為，總線上不同模式的模斑能與對應(yīng)的單根波導模斑相匹配，只要簡單地將3根波導展開來即能實現(xiàn)復用-解復用性能.

圖1　硅納米線波導隨寬度變化的橫電模等效折射率[14]12137

Figure 1Effective refractive indicesfor transverse electric (TE) modes in an SOI wire waveguide with different widths[14]12137

注：h=220 nm， 計算波長為1.55 μm.

圖2　3根波導組成的DPWA界面圖(A)和歸一化3個最低階的橫電模場振幅分布(B～D)[14]12138

Figure 2Sketch of DPWA with three waveguides (A) and the Amplitude distributions of the Ex fields of the three lowest-order TE modes (B-D)[14]12138

注：計算波長為1.55 μm.

這種密集波導陣列總線波導的彎曲有2種方案：(1)如圖3A所示，只要將密集波導陣列解復用到單根單模硅波導，再彎曲，最后復用回到密集波導陣列形式，就可以有效地實現(xiàn)彎曲.由于該總線波導結(jié)構(gòu)支持非常緊湊的復用-解復用實現(xiàn)方式，所以整個彎曲過程只占面積約25 μm×25 μm的芯片面積.(2)采用直接彎曲的方法.圖3B和圖3C仿真了密集波導陣列中的不同模式經(jīng)過90°彎曲以后的耦合情況.總之，如果彎曲半徑>45 μm時，存在較低的插入損耗(<0.1 dB)和串擾(<-20 dB).無論哪種方案，其彎曲半徑都遠小于前述的傳統(tǒng)多模波導.值得一提的是，文獻[15]也提出來了類似的多波導陣列結(jié)構(gòu)，文獻[16]研究了基于此類波導陣列結(jié)構(gòu)的高效能熱光開關(guān).可以看到，基于這種密集波導陣列在提高集成度、提高通信容量、相移器和高密集空間復用等方面都有巨大的應(yīng)用潛力.

圖3　DPWA總線波導的90°彎曲方案(A)及DPWA經(jīng)不同半徑90°彎曲的傳輸損耗(B)和模式串擾(C)[14]12142

Figure 3One solution to 90° bending of DPWA (A), insertion losses (B) and cross-talks (C) of the DPWA under direct 90° bending at different bending radiiR[14]12142

注：插圖為R和-R彎曲結(jié)構(gòu)，彎曲半徑相對于波導中心；計算波長為1.55 μm.

2模式復用-解復用器

模式復用-解復用器是實現(xiàn)片上模式復用的關(guān)鍵器件.表1列舉了近年來幾種典型結(jié)構(gòu)的模式復用器及其性能，其中包括：多模干涉型(MMI)[17]、基于絕熱模式演變原理的耦合器[13]和Y分支[9, 18]、基于耦合模理論的非對稱定向耦合器(ADC)[7-8, 19-20]和應(yīng)用于密集波導陣列的模式復用-解復用器[14,21].多模干涉型的模式解復用器是利用不同模式在多模干涉區(qū)自成像的位置不同，將總線波導中不同模式分解開來，其中高階模式在多個位置上成像，再利用相移器和耦合器等將其合并和轉(zhuǎn)換.這種類型的復用器適合于2個模式的模式復用.對于更多的模式數(shù)，模式間的串擾不易控制，結(jié)構(gòu)也將變得異常復雜.絕熱模式演變形式的耦合器和Y分支是利用非對稱的錐形器和波導結(jié)構(gòu)來激發(fā)總線波導中的偶模和奇模，同時實現(xiàn)2個模式的合并和轉(zhuǎn)換.其中，文獻[13]中總線波導采用槽波導結(jié)構(gòu)，不利于模式數(shù)擴展.Y分支結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總線波導是傳統(tǒng)的寬度增加型多模波導.通過絕熱的錐形器可以級聯(lián)多個Y分支，增加模式數(shù)量，且Y分支的制作容差較大.然而，由于實現(xiàn)模式的絕熱演變，Y分支模式復用器的尺寸較大.相比之下,非對稱定向耦合器也能通過絕熱的錐形器級聯(lián)起來增加通道數(shù)，同時保持較小的尺寸.非對稱定向耦合器的設(shè)計是根據(jù)耦合模理論，利用2根波導中不同模式的等效折射率相同(即相位匹配)時，可以達到高效率的耦合，所以單模波導的基模和多模波導的高階?？梢詫崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換.再利用絕熱錐形器將不同模式合并，可以有效地復用多個模式.文獻[19]基于非對稱定向耦合器提出4通道模式復用器，可以在20 nm寬的波段實現(xiàn)較小的插損和串擾.

表1　近幾年來典型的硅基模式復用結(jié)構(gòu)性能比較

*T：理論值；E：實驗值

我們最近提出的密集波導陣列結(jié)構(gòu)的總線波導中，可以通過簡單的并行錐形器來實現(xiàn)模式復用和解復用[14].如表1所示，對于3個模式的復用，其復用器只需15 μm長即可實現(xiàn)低插損(<0.05 dB)，低串擾(<-20 dB)以及100 nm寬的工作波長范圍.同時，總線波導等效寬度與普通多模波導保持相似，是目前最小的片上模式復用器結(jié)構(gòu).

3模式復用與其他復用方式結(jié)合的多維復用技術(shù)

單一的復用方法已無法滿足高帶寬的要求，結(jié)合模式復用以及其他形式的多維復用技術(shù)，可將硅基單波導的信息通道數(shù)量和總傳輸容量翻倍.目前，在硅基上已經(jīng)實現(xiàn)了許多緊湊型的偏振轉(zhuǎn)換器和復用器[23-26]，因此可以方便地將已有的偏振復用器與模式復用器相結(jié)合使用.文獻[12]在文獻[3]中4通道模式復用的基礎(chǔ)上，通過非對稱定向耦合器和偏振復用器(PBS)，增加了4個不同偏振模式，共實現(xiàn)了8通道的復用.文獻[21]通過在密集波導陣列總線波導中的2通道外接PBS，也可實現(xiàn)不同偏振和不同模式的復用.圖4A為器件的顯微鏡圖，其中包含了偏振相關(guān)的光柵耦合器、PBS、模式復用器和解復用器(圖4B)，和中間的DPWA總線波導(圖4C).該密集波導陣列總線波導復用了3個TE基模和2個TM 基模.只要簡單地用長度L=60 μm的錐形器，把密集波導陣列的間距擴大到800 nm即可實現(xiàn)較低的模式串擾.

圖4基于密集波導陣列的模式復用結(jié)構(gòu) (A)、(解)復用器(B)及密集波導陣列(C)的掃描電子顯微鏡圖[21]4657

Figure 4Microscope pictures of the testing device for mode multiplexing based on DPWA (A), (de)multiplexer section (B) and the DPWA section(C)[21]4657

圖5顯示了從不同波導、不同偏振下輸入時的輸出波長響應(yīng)，包含復用-解復用器和50 μm長密集波導陣列總線波導的響應(yīng)，在80 nm寬的波段里所有模式的傳輸損耗<0.6 dB，串擾<-15 dB.另外，模式復用還可以與波分復用結(jié)合，但這種情況下，設(shè)計的模式復用器件必須能在較寬的波段范圍內(nèi)工作.從表1的統(tǒng)計可以看出,大部分模式復用器件能滿足這樣的要求.其中光柵輔助型的非對稱定向耦合器[8]和與微環(huán)結(jié)合的非對稱定向耦合器[7]能夠同時實現(xiàn)少量波長和模式的復用.文獻[27]中結(jié)合4個模式的模式復用和2個16×16的硅基陣列波導光柵，組成了64通道超高通信容量的波分-模分復用系統(tǒng).按照目前硅基平臺上調(diào)制器探測器水平，如果每通道帶寬每25 Gb/s，使用4個模式，2個偏振以及16個波長多維復用技術(shù)，在單通道上可以達到25×4×2×16=3.2 Tb/s的傳輸速率.不同復用方法相結(jié)合是片上光互連必要趨勢.

圖5　不同模式的光經(jīng)過復用器、密集波導陣列總線和解復用器后在5個輸出端的傳輸損耗[21]4658

Figure 5Transimission loss of light with different modes through a multiplexer, a straight DPWA,and a demultiplexer at five output ports[21]4658

4多芯光纖與多模波導的耦合

為了聯(lián)系片上模式復用與基于光纖的模式或空間復用，高效率的多模光纖接口是非常重要結(jié)構(gòu).集成芯片上多模波導與片外光纖系統(tǒng)互連有多種方式，可以將總線波導不同通道解復用到單根波導，然后與光纖陣列耦合，再通過各種光纖型的扇入扇出器件與多?；蚨嘈竟饫w相連[28].這種耦合方式效率較低、所用器件較多、插損較大，因此，一種可以直接將片上多模波導與多?；蚨嘈竟饫w進行耦合的接口結(jié)構(gòu)顯得尤為重要.

文獻[29]中提出通過硅基反向錐形耦合器結(jié)構(gòu)，可將硅波導中的6個模式同時耦合到折射率差相對較低的方形氮化硅波導.該氮化硅波導中的基模以及高階模與少模光纖中的模斑形狀較為接近，可以直接與少模光纖相連，進而實現(xiàn)高耦合效率的光纖接口.但該設(shè)計中硅基反向錐形結(jié)構(gòu)復雜，長度也達到mm量級，集成度仍然較低.另一方面，光柵耦合器已被成功應(yīng)用于單模光纖和硅基光波導的接口[30].文獻[31]通過優(yōu)化光柵參數(shù)和波導結(jié)構(gòu)，也同時實現(xiàn)了硅波導中的基模和第一階高階模與多模光纖的LP01和LP11模的耦合.但該形式的光柵耦合效率仍然很低，且在模式數(shù)量方面不具備擴展性.

除了多模光纖以外，硅波導與多芯光纖的耦合相對簡單.通過制作光柵耦合器陣列，文獻[32]也實現(xiàn)了7個單模硅波導與7芯光纖的耦合，但由于光柵耦合器仍采用傳統(tǒng)的傾斜式設(shè)計，光波導出射的方向要求相同.這對光波導的放置帶來了一定的難度，同時，由于光纖傾斜放置，導致不同芯區(qū)與芯片表面的間距不同，增加了通道的不均勻性.最近，我們提出一種傾斜的光柵硅結(jié)構(gòu)，能讓單模光纖完全垂直于基底入射進入波導.該設(shè)計在峰值耦合效率為28.5%，1 dB帶寬為38 nm，二階反射約1.4%.使用該光柵耦合器設(shè)計實現(xiàn)的多芯光纖接口如圖6所示.由于光纖與芯片表面完全垂直，因此光波導的出射方向可以任意，而且光纖的每個芯區(qū)與芯片表面間距一致，有助于提高集成度和通道均勻性.

圖6　傾斜的光柵耦合器與多芯光柵垂直耦合接口

Figure 6Perfect vertical fiber interface of multiple silicon waveguide and multicore fiber based on a tilted membrane grating coupler.

5片上光網(wǎng)路多模光開關(guān)

隨著近年來片上模式復用的研究和應(yīng)用，怎樣同時實現(xiàn)不同模式的光信號交換和路由成為片上模式復用技術(shù)新的問題.文獻[10]提出了基于非對稱定向耦合器的光分插復用器，實現(xiàn)增加或提取某一種模式的數(shù)據(jù).進一步，級聯(lián)多個光分插復用器可以實現(xiàn)與多模波導中不同模式的數(shù)據(jù)交換.這種光分插復用器實質(zhì)上是通過解復用多模波導的信號再復用到不同通道中，每次僅對單一通道的信號進行控制.即使文獻[10]提出的實現(xiàn)N個模式的N×N開關(guān)陣列的方式，其實質(zhì)也是通過級聯(lián)N組2×2基模光開關(guān)來實現(xiàn).到目前為止，片上光網(wǎng)路光開關(guān)只適用于單模波導的情況[33-35].對于多模波導，不同模式在多模波導的限制因子很不一致，所以對不同模式的光開關(guān)集成器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)也不同，要設(shè)計一種能夠同時控制多個模式的光開關(guān)器件較難.文獻[36]通過微環(huán)和非對稱定向耦合器將2種波長2種模式的信號解復用出來，經(jīng)過單模的微環(huán)開關(guān)陣列路由，將光信號用同樣方法耦合進入多模波導，這是首次在片上實現(xiàn)多模光開關(guān).然而這種方式仍然需要將不同模式解復用，將高階模轉(zhuǎn)換為基模再進行控制.如何設(shè)計更緊湊、可高效應(yīng)用于片上模式復用的多模光開關(guān)，還需要進一步的研究.

6結(jié)論

為滿足高數(shù)據(jù)通信帶寬的要求，近年來片上模式復用成為研究熱點.本文主要回顧了最近硅基片上模式復用技術(shù)的進展，討論了不同的多模總線波導結(jié)構(gòu)及其彎曲性能. 傳統(tǒng)的多模波導結(jié)構(gòu)尺寸小、易于模式擴展，但存在彎曲半徑太大缺點.我們新提出的密集波導陣列型的總線波導，在保持其他性能不變的情況下，實現(xiàn)較小彎曲半徑.以傳統(tǒng)多模波導為總線，通過非對稱定向耦合器實現(xiàn)模式復用和解復用，易于通道數(shù)的擴展并能與波長、偏振等混合復用.以密集波導陣列為總線的模式復用器以其簡單、小尺寸、低插損和低串擾優(yōu)越性能為以后模式復用技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮巨大的潛力.本文還討論了多模光纖與多模波導的耦合問題，以及各種耦合接口的優(yōu)缺點；提出了一種能與完全垂直的單模光纖耦合的傾斜式光柵結(jié)構(gòu)，能解決多模波導與多芯耦合問題；研究了目前片上光網(wǎng)路多模光開關(guān)方案以及存在的問題.

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【中文責編：譚春林英文責編：肖菁】

Mode Division Multiplexing on a Silicon Chip

LIU Liu*, CHEN Kaixuan

(Centre for Optical and Electromagnetic Research, South China Academy of Advanced Optoelectronics,South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Abstract：Mode division multiplexing, as one of the independent multiplexing dimensions of an optical signal, has drawn a lot of research interest in recent years. The related works concerning on-chip mode division multiplexing technology based on a silicon chip are reviewed in this paper. Some core components and structures, as well as their performance, are discussed, such as, bus waveguides, (de)multiplexers, interfaces to multimode fibers, multimode switches, etc. The working principles of them are introduced, together with some comparative analyses. Future trend for this type of on-chip mode division multiplexing is also discussed.

Key words：silicon photonics; optical interconnect; mode division multiplexing

收稿日期：2016-01-11《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

基金項目：國家自然科學基金項目(61107020)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863計劃) 項目(2012AA012201)；廣東省引進創(chuàng)新團隊計劃項目(201001D0104799318)

*通訊作者:劉柳，教授，國家“青年千人計劃入選者”，Email: liuliuliu@scnu.edu.cn.

中圖分類號：O43

文獻標志碼：A

文章編號:1000-5463(2016)01-0028-07