本期文章将介绍一种通过引入硅平面光波电路（PLC）作为中间体来实现高效多模耦合的新方案。其核心思想是通过利用石英光波导操纵LP模式的优势来耦合和解复用高阶模式，解复用后的模式以单模方式与硅光子芯片对接耦合，从而可直接完成进一步的数据发送/接收/路由。
要实现片上高效多模耦合器，如在一个少模光纤（FMF）中同时发射六个模式信道（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），目前是一个很大的挑战，其主要障碍在于FMF和亚微米级硅光波导之间的巨大模式失配。本期文章将介绍一种新型硅光芯片和FMF之间实现高效多模耦合的方案[1]，该方案通过引入PLC作为中间体来实现，FMF中的每个模式信道被有效地耦合/解复用为硅光波导中的相应TE0或TM0模式，所述硅光子波导可以与芯片上的任何其他光子器件连接，诸如波长滤波器、光调制器或光电探测器，以实现光发射器/接收器。提出的多模耦合概念对下一代MDM系统的发展具有很大的前景。该方案包括一个使用多模波导段（MWSs）的端面耦合器，一个三通道双偏振PLC模式（解）复用器，双电平多核双偏振模斑转换器（SSC）和PBS，其示意图如图1所示。从FMF发射的LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y模式经由MWSs有效地对接耦合到多模二氧化硅光波导。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）复用器被用于将这三个导模解复用为三个单模石英光波导中支持的LP01-x/y模式。然后，这些LP01-x/y模式通过SSC对接耦合到相应硅光子波导中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三个PBSs分离TE0/TM0模式。PBS通过使用三个级联定向耦合器来实现，第一个弯曲定向耦合器用于基于相位匹配条件分离TE/TM偏振，另外两个定向耦合器充当滤除不期望的弱交叉耦合功率的关键角色，从而实现高消光比。
图1 多模耦合方案示意图
由于FMF的横截面比多模石英光波导的横截面大得多，故引入了基于MWSs的多模端面耦合器来提高耦合效率，如图2（b）所示。这种MWSs不仅扩展了基模的模场，而且扩展了高阶模式（如LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），以便与FMF更好地模式匹配。此外，基于MWSs的多模端面耦合器可以用单步蚀刻工艺制造，这比以往3D倒锥形耦合器简单得多。
（d）模式旋转器
图3为FMF和PLC芯片之间的总体耦合损耗分别在使用MWSs结构和没有MWSs结构的比较。在没使用MWSs结构时，LP01，LP11a和LP11b模式总耦合损耗分别为1.28 dB，1.82 dB和3.16 dB。相比之下，当使用MWS结构时，其耦合损耗分别显著降低至0.46 dB、0.51 dB和0.57 dB。图3 耦合损耗分别在使用MWSs结构和没有MWSs结构的比较基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）复用器如图2（a）所示。包括耦合器a、模式旋转器和耦合器b。入射的LP01模直接通过总线波导并从端口O2输出；入射的LP11a模由耦合器a解复用为LP01模并从端口O3输出；入射的LP11b模在模式旋转器被旋转到LP11a模，最终在通过耦合器b解复用成LP01模并从端口O1输出。在1550nm波长下，三种模式的光场传输图如图4所示。图4 LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y光场传输图由于LP11b模场的垂直反对称性，使得LP11b模之间的耦合变得不容易，故引入了一个基于垂直不对称性的双电平锥度模式旋转器，如图5（a）所示。利用这种双层轴扭转波导，可以有效地旋转LP11模，这与扭转波导类似。图5（b）和（c）给出了入射LP11b模和LP01模的光场图。为了实现石英光波导中的导模与硅光子波导中的TE0/TM0模之间的有效耦合，提出了一种双能级多芯偏振不敏感SSC，如图6所示。首先将条形硅光子波导演化为具有绝热锥度的三芯波导，然后将三芯波导的三个芯逐渐分离，以实现与硅光波导中模式的最大空间重叠。特别地，在SSC的每个芯的端部处引入角度蚀刻的双层锥形，这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。该多模耦合方案为实现有效的模式耦合/解复用以连接FMF和硅光子芯片提供了一种有希望的选择。为了在MDM系统中进一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于传输中的模间串扰而引起的负面影响。另外，该方案综合了石英光波导对LP模式的控制以及硅光波导对偏振处理的优点，为双偏振多模信道的光纤-芯片耦合提供了一种有效的解决方案。通过引入具有更多模式信道的PLC模式（解）复用器，可以按比例增加模式信道数量。因此，所提出的具有模式（解）复用/耦合的光子芯片为MDM系统所期望的芯片-FMF连接提供了有希望的选择。预计它还将扩展到基于其他材料（如铌酸锂、氮化硅和硫属化物）的光子芯片。采用三维有限差分光束传输法对MWS和PLC模式（解）复用器进行了数值模拟。在ANSYS Lumerical FDE求解器中计算MWS-FMF和SSC-PLC的重叠耦合损耗。利用三维时域有限差分法（3D-FDTD）计算了SSC与石英单模波导之间的总耦合损耗。
参考文献：
[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.
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