硅基片上模式复用技术进展

刘　柳, 陈楷旋

(华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波研究中心，广州 510006)



硅基片上模式复用技术进展

刘柳*, 陈楷旋

(华南师范大学华南先进光电子研究院，光及电磁波研究中心，广州 510006)

摘要：模式复用作为光通信的一个复用维度，最近成为国际上的研究热点.文章综述了最近应用于硅基片上模式复用的相关进展，并介绍了一些核心器件及其性能，如：总线波导、复用/解复用器、光纤接口以及多模光开关等.文章从器件的工作原理，分析比较了其性能特点和优缺点，并展望了硅基片上模式复用的发展趋势.

关键词：硅光子学; 光互连; 模式复用

随着大数据和超级计算时代的到来，同时为满足低成本、高能效、高带宽的通信技术要求，传统电互连正逐渐被光互连所替代.光互连不仅应用于远距离光纤通信领域，而对于短距离互连应用，如：机架之间、板间、处理器到存储器或多核处理器片内核之间的通信，光互连也将逐渐成为主流.目前世界上最快的计算机天河二号采用光电混合互连技术，峰值运算速度达33 862.7 TFlop/s，单个控制器的吞吐能力为2.56 Tb/s，其中选用的Xeon Phi处理器拥有57个核心.但是，随着微处理器芯片核数量的增加(>1 000个)，这给核与核之间以及与芯片外部数据传输带宽提出更高要求(～102 Tb/s)[1]，因此，单通道光互连传输带宽需要进一步提高.然而，传统的单模光纤传输系统通信容量已经逼近其理论极限[2-3]，同时单通道传输速率的进一步提高也给发送端和接收端的电信号处理带来更多的挑战[4].利用各种复用技术，如：波分复用(WDM)、空间复用(SDM)、模式复用(MDM)或偏振复用(PDM)等，将数据加载不同光波长、偏振或模式，以便于在单个通道里进行传输，可以在单个驱动器和接收机带宽不变的情况下，有效地提高通道的总传输容量，降低成本、能耗.在光纤通信中，波分复用技术已经相对成熟，但是由于需要稳定的多波长光源，成本较高，并且控制系统复杂，能耗较高.波分复用技术应用在片上光互连时，不宜复用较多的波长，通道间隔也不宜太小.最近，基于空间复用、模式复用或偏振复用的技术已相继被应用于光纤传输，通信速率也达到了100 Tb/s的水平[2]354.在高密度集成芯片上的SDM技术，考虑到串扰的问题，波导不能靠得太近，因此，波导物理尺寸较大，且不便于总体控制和路由.然而，相比多模或少模光纤通信来说，片上模式复用拥有更多的优点.成熟的集成工艺使得波导加工更加精确，更容易实现不同偏振或多个模式的复用.各种模式转换器也可以方便地通过平面波导器件来实现[5].此外，可以联合多种复用方式，使光互连容量成倍增长，为高带宽的数据传输提供巨大潜力.

硅光子芯片具有与集成电子CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容、成本低、热导率高、波导折射率差高和集成度高等优点，最近10年，主要集中在硅基集成光子器件的研究.本文主要回顾了最近硅基片上模式复用技术的进展，包括不同类型的总线多模波导及其弯曲性能、模式复用-解复用器、多维复用技术、多芯光纤与多模波导的耦合方案以及片上光网路多模光开关等问题.

1硅基模式复用的总线波导及其弯曲性能

在硅基上通过锥形波导、定向耦合器等结构，比较容易实现模式转换.对于模式复用来说，模式转换后需要同时合并多个模式，这是一个设计难点，所以出现了几种与不同模式复用器相配合的总线波导.

类似于多模光纤，在片上模式复用上采用较多的总线硅波导是通过简单增加宽度来支持多个模式.当把数据调制到不同模式上以后，这些模式在总线波导上同时传输，实现多个通道的复用.不同的模式是麦克斯韦方程正交独立的解，所以在光信号传输过程中能够实现低的模式串扰.这种总线波导宽度相对较小.从文献[6]L19中可以看出，支持3、5和8通道的硅波导宽度分别为0.835、1.29和2.363 μm.这种总线波导易于设计和通道数的扩展，制作上跟普通的单模波导一样与CMOS工艺兼容.大多数模式复用器，例如根据耦合模理论的非对称定向耦合器[4, 7-8]，根据模式绝热演变原理的非对称Y分支结构[9]等都应用于这种总线波导设计.但是，这种通过增加波导宽度实现的多模波导，具有弯曲半径较大等不利于紧凑集成的缺点.这种波导中，如果弯曲半径过小，容易将模斑挤到侧壁，类似回音壁模式，造成模斑的不对称，当与直波导耦合时容易引起大的模式串扰和损耗.文献[10]779举例仿真了支持8个模式的波导弯曲半径要求>240 μm才能达到较小的模式串扰.一种减小弯曲半径的方法是通过优化弯曲部分的等效折射率，使得弯曲波导几个模式的模斑能够与直波导相匹配，这样可以减少耦合损耗和模式串扰[11].另一种方法是垂直型的多模波导[12]，由于多模的模斑分布在垂直方向，支持8个模式的多模波导弯曲半径可<5 μm，与单模波导相类似.但是前者需要用到灰度掩膜制作，与普通的CMOS工艺不兼容；后者则需要较大的波导纵横比，制作起来困难，并且三维层面上模式复用器的设计存在较多困难.此外，另外一种形式的总线波导是采用2根紧靠的单模波导组成的槽波导结构[13]3468，可采用基于绝热模式演变耦合的结构来进行模式复用.这种总线结构的等效宽度约为1 μm，但只支持2个模式并且难以扩展.

最近,我们提出了一种基于密集波导阵列(DPWA)的硅基模式复用总线波导结构，以及相关的模式复用-解复用[14]12137.因为不同宽度波导基模的等效折射率不同(图1)，该结构选用不同宽度的硅波导组成模式复用总线，即：w1=350 nm,w2=408 nm,w3=500 nm，如图2A所示，即使波导间靠得很近时，耦合也会很小.如果把3根波导看成一个整体，麦克斯韦方程在这种结构中存在3个横电(TE)基模的解，对应的模斑很好地分布在不同波导位置上.图2中波导间距g=100 nm，总线波导的等效宽度为w1+w2+w3+ 2g= 1.458 μm.因为，总线上不同模式的模斑能与对应的单根波导模斑相匹配，只要简单地将3根波导展开来即能实现复用-解复用性能.

图1　硅纳米线波导随宽度变化的横电模等效折射率[14]12137

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

注：h=220 nm， 计算波长为1.55 μm.

图2　3根波导组成的DPWA界面图(A)和归一化3个最低阶的横电模场振幅分布(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：计算波长为1.55 μm.

这种密集波导阵列总线波导的弯曲有2种方案：(1)如图3A所示，只要将密集波导阵列解复用到单根单模硅波导，再弯曲，最后复用回到密集波导阵列形式，就可以有效地实现弯曲.由于该总线波导结构支持非常紧凑的复用-解复用实现方式，所以整个弯曲过程只占面积约25 μm×25 μm的芯片面积.(2)采用直接弯曲的方法.图3B和图3C仿真了密集波导阵列中的不同模式经过90°弯曲以后的耦合情况.总之，如果弯曲半径>45 μm时，存在较低的插入损耗(<0.1 dB)和串扰(<-20 dB).无论哪种方案，其弯曲半径都远小于前述的传统多模波导.值得一提的是，文献[15]也提出来了类似的多波导阵列结构，文献[16]研究了基于此类波导阵列结构的高效能热光开关.可以看到，基于这种密集波导阵列在提高集成度、提高通信容量、相移器和高密集空间复用等方面都有巨大的应用潜力.

图3　DPWA总线波导的90°弯曲方案(A)及DPWA经不同半径90°弯曲的传输损耗(B)和模式串扰(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：插图为R和-R弯曲结构，弯曲半径相对于波导中心；计算波长为1.55 μm.

2模式复用-解复用器

模式复用-解复用器是实现片上模式复用的关键器件.表1列举了近年来几种典型结构的模式复用器及其性能，其中包括：多模干涉型(MMI)[17]、基于绝热模式演变原理的耦合器[13]和Y分支[9, 18]、基于耦合模理论的非对称定向耦合器(ADC)[7-8, 19-20]和应用于密集波导阵列的模式复用-解复用器[14,21].多模干涉型的模式解复用器是利用不同模式在多模干涉区自成像的位置不同，将总线波导中不同模式分解开来，其中高阶模式在多个位置上成像，再利用相移器和耦合器等将其合并和转换.这种类型的复用器适合于2个模式的模式复用.对于更多的模式数，模式间的串扰不易控制，结构也将变得异常复杂.绝热模式演变形式的耦合器和Y分支是利用非对称的锥形器和波导结构来激发总线波导中的偶模和奇模，同时实现2个模式的合并和转换.其中，文献[13]中总线波导采用槽波导结构，不利于模式数扩展.Y分支结构对应的总线波导是传统的宽度增加型多模波导.通过绝热的锥形器可以级联多个Y分支，增加模式数量，且Y分支的制作容差较大.然而，由于实现模式的绝热演变，Y分支模式复用器的尺寸较大.相比之下,非对称定向耦合器也能通过绝热的锥形器级联起来增加通道数，同时保持较小的尺寸.非对称定向耦合器的设计是根据耦合模理论，利用2根波导中不同模式的等效折射率相同(即相位匹配)时，可以达到高效率的耦合，所以单模波导的基模和多模波导的高阶模可以实现转换.再利用绝热锥形器将不同模式合并，可以有效地复用多个模式.文献[19]基于非对称定向耦合器提出4通道模式复用器，可以在20 nm宽的波段实现较小的插损和串扰.

表1　近几年来典型的硅基模式复用结构性能比较

*T：理论值；E：实验值

我们最近提出的密集波导阵列结构的总线波导中，可以通过简单的并行锥形器来实现模式复用和解复用[14].如表1所示，对于3个模式的复用，其复用器只需15 μm长即可实现低插损(<0.05 dB)，低串扰(<-20 dB)以及100 nm宽的工作波长范围.同时，总线波导等效宽度与普通多模波导保持相似，是目前最小的片上模式复用器结构.

3模式复用与其他复用方式结合的多维复用技术

单一的复用方法已无法满足高带宽的要求，结合模式复用以及其他形式的多维复用技术，可将硅基单波导的信息通道数量和总传输容量翻倍.目前，在硅基上已经实现了许多紧凑型的偏振转换器和复用器[23-26]，因此可以方便地将已有的偏振复用器与模式复用器相结合使用.文献[12]在文献[3]中4通道模式复用的基础上，通过非对称定向耦合器和偏振复用器(PBS)，增加了4个不同偏振模式，共实现了8通道的复用.文献[21]通过在密集波导阵列总线波导中的2通道外接PBS，也可实现不同偏振和不同模式的复用.图4A为器件的显微镜图，其中包含了偏振相关的光栅耦合器、PBS、模式复用器和解复用器(图4B)，和中间的DPWA总线波导(图4C).该密集波导阵列总线波导复用了3个TE基模和2个TM 基模.只要简单地用长度L=60 μm的锥形器，把密集波导阵列的间距扩大到800 nm即可实现较低的模式串扰.

图4基于密集波导阵列的模式复用结构 (A)、(解)复用器(B)及密集波导阵列(C)的扫描电子显微镜图[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

图5显示了从不同波导、不同偏振下输入时的输出波长响应，包含复用-解复用器和50 μm长密集波导阵列总线波导的响应，在80 nm宽的波段里所有模式的传输损耗<0.6 dB，串扰<-15 dB.另外，模式复用还可以与波分复用结合，但这种情况下，设计的模式复用器件必须能在较宽的波段范围内工作.从表1的统计可以看出,大部分模式复用器件能满足这样的要求.其中光栅辅助型的非对称定向耦合器[8]和与微环结合的非对称定向耦合器[7]能够同时实现少量波长和模式的复用.文献[27]中结合4个模式的模式复用和2个16×16的硅基阵列波导光栅，组成了64通道超高通信容量的波分-模分复用系统.按照目前硅基平台上调制器探测器水平，如果每通道带宽每25 Gb/s，使用4个模式，2个偏振以及16个波长多维复用技术，在单通道上可以达到25×4×2×16=3.2 Tb/s的传输速率.不同复用方法相结合是片上光互连必要趋势.

图5　不同模式的光经过复用器、密集波导阵列总线和解复用器后在5个输出端的传输损耗[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多芯光纤与多模波导的耦合

为了联系片上模式复用与基于光纤的模式或空间复用，高效率的多模光纤接口是非常重要结构.集成芯片上多模波导与片外光纤系统互连有多种方式，可以将总线波导不同通道解复用到单根波导，然后与光纤阵列耦合，再通过各种光纤型的扇入扇出器件与多模或多芯光纤相连[28].这种耦合方式效率较低、所用器件较多、插损较大，因此，一种可以直接将片上多模波导与多模或多芯光纤进行耦合的接口结构显得尤为重要.

文献[29]中提出通过硅基反向锥形耦合器结构，可将硅波导中的6个模式同时耦合到折射率差相对较低的方形氮化硅波导.该氮化硅波导中的基模以及高阶模与少模光纤中的模斑形状较为接近，可以直接与少模光纤相连，进而实现高耦合效率的光纤接口.但该设计中硅基反向锥形结构复杂，长度也达到mm量级，集成度仍然较低.另一方面，光栅耦合器已被成功应用于单模光纤和硅基光波导的接口[30].文献[31]通过优化光栅参数和波导结构，也同时实现了硅波导中的基模和第一阶高阶模与多模光纤的LP01和LP11模的耦合.但该形式的光栅耦合效率仍然很低，且在模式数量方面不具备扩展性.

除了多模光纤以外，硅波导与多芯光纤的耦合相对简单.通过制作光栅耦合器阵列，文献[32]也实现了7个单模硅波导与7芯光纤的耦合，但由于光栅耦合器仍采用传统的倾斜式设计，光波导出射的方向要求相同.这对光波导的放置带来了一定的难度，同时，由于光纤倾斜放置，导致不同芯区与芯片表面的间距不同，增加了通道的不均匀性.最近，我们提出一种倾斜的光栅硅结构，能让单模光纤完全垂直于基底入射进入波导.该设计在峰值耦合效率为28.5%，1 dB带宽为38 nm，二阶反射约1.4%.使用该光栅耦合器设计实现的多芯光纤接口如图6所示.由于光纤与芯片表面完全垂直，因此光波导的出射方向可以任意，而且光纤的每个芯区与芯片表面间距一致，有助于提高集成度和通道均匀性.

图6　倾斜的光栅耦合器与多芯光栅垂直耦合接口

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

5片上光网路多模光开关

随着近年来片上模式复用的研究和应用，怎样同时实现不同模式的光信号交换和路由成为片上模式复用技术新的问题.文献[10]提出了基于非对称定向耦合器的光分插复用器，实现增加或提取某一种模式的数据.进一步，级联多个光分插复用器可以实现与多模波导中不同模式的数据交换.这种光分插复用器实质上是通过解复用多模波导的信号再复用到不同通道中，每次仅对单一通道的信号进行控制.即使文献[10]提出的实现N个模式的N×N开关阵列的方式，其实质也是通过级联N组2×2基模光开关来实现.到目前为止，片上光网路光开关只适用于单模波导的情况[33-35].对于多模波导，不同模式在多模波导的限制因子很不一致，所以对不同模式的光开关集成器件的结构参数也不同，要设计一种能够同时控制多个模式的光开关器件较难.文献[36]通过微环和非对称定向耦合器将2种波长2种模式的信号解复用出来，经过单模的微环开关阵列路由，将光信号用同样方法耦合进入多模波导，这是首次在片上实现多模光开关.然而这种方式仍然需要将不同模式解复用，将高阶模转换为基模再进行控制.如何设计更紧凑、可高效应用于片上模式复用的多模光开关，还需要进一步的研究.

6结论

为满足高数据通信带宽的要求，近年来片上模式复用成为研究热点.本文主要回顾了最近硅基片上模式复用技术的进展，讨论了不同的多模总线波导结构及其弯曲性能. 传统的多模波导结构尺寸小、易于模式扩展，但存在弯曲半径太大缺点.我们新提出的密集波导阵列型的总线波导，在保持其他性能不变的情况下，实现较小弯曲半径.以传统多模波导为总线，通过非对称定向耦合器实现模式复用和解复用，易于通道数的扩展并能与波长、偏振等混合复用.以密集波导阵列为总线的模式复用器以其简单、小尺寸、低插损和低串扰优越性能为以后模式复用技术的发展发挥巨大的潜力.本文还讨论了多模光纤与多模波导的耦合问题，以及各种耦合接口的优缺点；提出了一种能与完全垂直的单模光纤耦合的倾斜式光栅结构，能解决多模波导与多芯耦合问题；研究了目前片上光网路多模光开关方案以及存在的问题.

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【中文责编：谭春林英文责编：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《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

基金项目：国家自然科学基金项目(61107020)；国家高技术研究发展计划 (863计划) 项目(2012AA012201)；广东省引进创新团队计划项目(201001D0104799318)

*通讯作者:刘柳，教授，国家“青年千人计划入选者”，Email: liuliuliu@scnu.edu.cn.

中图分类号：O43

文献标志码：A

文章编号:1000-5463(2016)01-0028-07