硅基片上復用—解復用技術與器件

戴道鋅，王 健，陳思濤

（浙江大學光電科學與技術學院 杭州310058）

1 引言

以CMOS技術為支撐的集成電路（IC）按照摩爾定律趨勢已持續發展了半個多世紀，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，傳統電互連在物理層面的諸多缺點逐漸凸顯[1]：電子線路寄生電容的充放電導致功耗成倍地增加；寄生電容引起的時延也成為進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的電阻增加導致散熱也成為一個非常關鍵問題。為降低功耗和散熱、提升處理器運算性能，基于并行計算的多核技術隨之興起。隨著處理器芯片數量的日益增長，系統對片間及片上互聯的數據傳輸速度及帶寬提出了越來越高的要求。以超級計算機為例，Corona架構的處理器包含256個芯片，以實現10 TFLOP（每秒浮點運算次數，亦稱每秒峰值速度）的峰值性能，對于每浮點運算的帶寬要求就達到10 Tbit/s[3]。此時，傳統電互連已難以滿足這種片上數據傳輸帶寬需求。

眾所周知，光是一種具有超高頻率的電磁波，作為載波可以實現超高速信號傳輸。為了實現超大容量片上光互連網絡，除了采用超高速光調制器/光探測器等技術提升單通道比特率外，引入先進復用技術實現多通道并行傳輸也是其關鍵[4,5]。特別地，光具有波長、偏振、模式等多個維度參量，可分別發展波分復用（WDM）、偏振復用（PDM）以及模式復用（MDM）等技術，為實現大容量、高速率、低能耗、低成本的數據傳輸提供了有力支撐。而且，將多種復用方式綜合運用還可形成多維混合復用技術，從而進一步顯著提升光互連通道數量和傳輸容量，這也正是光互聯的另一個電互聯無可比擬的優勢，也正是其未來發展趨勢[5]。目前WDM、PDM以及MDM等均已成功應用于長距離數據傳輸[6]，并不斷向短距離數據傳輸推進。據IBM預計，2020年左右即有望實現片上光互連，突破電互聯瓶頸問題，進而取代電互連成為片上和片間數據高速傳輸的主要方式。

值得注意的是，盡管一些復用技術在長距離光纖通信中運用非常純熟，但過于復雜昂貴的復用技術并不適用于片上光互連系統。例如，WDM是一種已成功應用到長距離光纖通信系統且發揮著不可替代作用的復用技術。因此，將WDM技術引入片上光互連系統被視為順理成章，是當前片上光互連的研究重點之一[7]。但考慮到系統成本及復雜度等因素，并不適合于引入過多的波長通道。另一方面，片上光互連中信號傳輸媒介是具有出色偏振/模式保持能力的平面光波導，使得一些復用技術的實現更為簡便，如新近興起的利用模式正交性實現單波長—多通道傳輸的模式復用技術。

由此可見，片上光互連復用技術具有諸多獨特之處，相關研究已成為領域熱點。對于片上多通道復用光互連系統，片上集成（解）復用器是其關鍵器件之一。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特優勢贏得了業界青睞，相關研究取得重要進展并形成了“硅光子學”方向，并使得硅基單片大規模光子集成成為可能，為實現低成本、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域發揮重要作用已成為業界的共識[8～10]。為此，本文著重總結和討論了基于硅光子技術實現的超小型片上集成（解）復用器件的進展，主要包括：基于陣列波導光柵、微環陣列等結構的超小型波分復用器件[11～12]；結構簡單、易于擴展的基于級聯非對稱耦合器結構的多通道模式復用器件[13～16]；用于實現模式—偏振、偏振—波長、波長—模式混合復用技術的混合復用器件[17]。

2 片上復用技術與器件

硅納米線波導超高折射率差，其橫截面尺寸一般僅為220 nm×500 nm，具有超強光場限制能力，且最小彎曲半徑可達2μm，為實現超小尺寸集成光子器件（包括各種復用器件）提供了基礎保障。

2.1 波分復用器

波分復用技術是利用多個不同波長的光，在單根光纖/波導上的多通道數據實現并行傳輸，極大地拓展了已光互連的通信容量，因而在長距離光通信系統中獲得了極大成功，得到了廣泛應用。其關鍵功能是如何將不同波長攜帶的多路數據合并或分開，對應的關鍵器件即波分復用器件。

實現波分復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現更窄帶寬的濾波，易于實現多通道密集波長復用。最常見的多光束干涉波分復用器件主要有陣列波導光柵（AWG）、刻蝕衍射光柵（EDG）、微環諧振器（MRR）等。其中，AWG、EDG從結構和原理上頗為相似，可實現并行多通道；而MRR則可通過級聯結構，實現串行多通道。下面主要討論AWG、MRR兩種波分復用器件。

2.1.1 陣列波導光柵

圖1（a）和圖1（b）分別是通道間隔為400 GHz、200 GHz的常規性硅納米線AWG及其測試頻譜響應結果。從測試結果可見，通道間隔較大的AWG器件性能優良，相鄰通道串擾小于-20 dB。隨著波長通道間隔減小至200 GHz時，AWG器件尺寸顯著增加，相應的器件性能也明顯變差（例如其通道串擾增大至約-10 dB）。因此，如何實現具有優良性能的密集型硅納米線AWG器件是一個挑戰。

圖1 常規硅納米線AWG波分復用器件及其測試頻譜響應結果

為了解決這一問題，引入級聯梳狀濾波器的設計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 （λ1,λ2,λ3,λ4,...,λN）分 成 奇 數 組（λ1,λ3,λ5,...）和偶數組（λ2,λ4,λ6,...），然后再采用兩個通道間隔為2△λch的波分復用器件將奇數組通道、偶數組通道各自分開。這種方法可以顯著降低波分復用器件的實現難度。梳狀濾波器已經在基于傳統大截面SiO2光波導的密集型波分復用模塊中有所應用，但鮮有關于硅納米線梳狀濾波器及其與AWG單片集成的報道。

[18]首次實現了基于硅納米線MZI梳狀濾波器與雙向型AWG器件的單片集成芯片，實現了通道間隔為200 GHz的18通道密集型波分復用芯片。在此設計中，通過合理選擇MZI梳狀濾波器的兩個干涉臂光程差，使之自由頻譜范圍（FSR）△λFSR_MZI同與之相級聯的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AWG的功能，避免了在芯片中引入兩個AWG器件，從而大大減小了芯片尺寸，同時避免了由于工藝偏差而導致的兩個獨立AWG中心波長對準問題。

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。測得的奇數組、偶數組通道頻譜響應如圖2（b）所示。圖2（c）是在同一芯片上的單個MZI梳狀濾波器的傳輸特性。在此，由于奇數組通道、偶數組通道共用同一個陣列波導光柵，因而各通道間隔能夠完美對準，實現了通道間隔為200 GHz的密集波分復用功能，其相鄰通道串擾約為-18 dB，與同一芯片上的單個400 GHz AWG的性能相當，證明了這種方法的有效性。

圖2 MZI梳狀濾波器特性

對于AWG波分復用器件，進一步減小其尺寸，不但有利于提高芯片集成度，也有利于提高器件性能。針對這一問題，已有一些關于新型AWG設計的報道，包括反射式AWG。傳統反射式AWG通常采用在波導端面蒸鍍金屬薄膜作為反射鏡，此時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雜。而對于硅納米線波導AWG，由于該波導結構的超高折射率差，使得具有高反射率的超小型純介質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末端，實現反射式AWG器件。這種采用純介質微反射鏡的設計可大大降低工藝復雜度，同時也使得AWG設計更為靈活，因此反射式硅納米線AWG獲得了廣泛的關注[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，各通道的測試頻譜響應如圖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]、環型微反射鏡[21]等結構。理論上講，這3種微反射鏡可在較大的波長范圍（>100 nm）內獲得高反射率（>90%）。但需要注意的是，對于常用的厚度為220 nm的SOI光波導，由于其TM偏振模具有很強的倏逝場，因而很難實現可用于TM偏振的光子晶體（或布拉格光柵）反射鏡。此時，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

2.1.2 微環諧振腔濾波器

微環諧振腔是一種可實現多種功能的經典集成光子器件，有add-drop型和all-pass型兩種典型結構，廣泛應用于光濾波、光調制等。對于光濾波應用，通常希望實現方型響應譜線的光濾波器，使之具有更大的容差，從而避免環境干擾所引起諧振波長漂移造成的不良影響。為實現方型濾波譜線，可采用多環級聯結構，并精心設計各耦合器的耦合系數。例如，對于五環級聯濾波器，各耦合系數分別為0.45、0.09、0.05、0.05、0.09、0.45[22]。其關鍵在于如何獲得高達0.45的耦合系數。

在參考文獻[22]中，采用的是多模干涉（MMI）耦合器。然而，其代價是引入了額外損耗、增加諧振腔長度（Lcav=2πR+2LMMI，致使其FSR變?。襇MI耦合器的耦合系數是固定值，無法根據需要進一步調整。為克服這一問題，參考文獻[23]引入了一種彎曲定向耦合器替代MMI耦合器，如圖4所示。在這種結構中，應優化設計兩條耦合波導寬度（W1、W2）使之滿足位相匹配條件。此時，即便選取較大的耦合波導間距（如150 nm），也可通過增加耦合區長度來獲得足夠大的耦合系數。從圖4（a）可見，諧振腔長Lcav=2πR，因而可獲得FSR最大化（僅由最小彎曲半徑決定）。

圖4 彎曲定向耦合器[23]

圖5 是雙環、三環和五環諧振腔濾波器頻譜響應測試結果及相應的仿真計算結果。很明顯，隨著級聯微環個數的增加，其頻譜響應曲線更趨近于方型，消光比也逐漸提升（分別達到25 dB、30 dB、36 dB）。由于耦合區域附加損耗幾乎為0，所研制的多環諧振腔濾波器均具有很低的插入損耗（<1 dB）。

圖5 多環諧振腔濾波器頻譜響應測試結果及其仿真計算結果

2.2 偏振調控器件

偏振態是光波的一個重要屬性。在平面光波導中，一般存在TE、TM兩種偏振模式。對于硅納米線光波導而言，由于硅和包層（空氣或SiO2）存在巨大折射率差，其雙折射效應極為顯著[24]。因此，大多數硅納米線光波導器件均具有非常嚴重的偏振敏感特性。另一方面，硅納米線光波導的超強雙折射效應也有利于實現超小尺寸片上偏振調控器件，包括起偏器、偏振分束器、偏振旋轉器，可用于偏振復用系統、量子光學系統芯片等。下面著重介紹近年來發展的超小型硅基偏振調控器件。

2.2.1 起偏器

起偏器是實現線偏光的重要元件，一般可利用光波導中模場、本征損耗或者截止條件的偏振相關性來實現。

參考文獻[25]提出了一種基于硅納米線波導光柵的TM起偏器，如圖6（a）所示。此波導光柵結構針對于TE偏振模而設計，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低于TE偏振模，從而可以一種“布洛赫?！钡男问皆谥芷谛徒Y構中低損耗傳輸。圖6（b）是TE模、TM模入射時該起偏器透過率隨周期數N的增加而變化的實驗測試及理論仿真結果。結果表明，TM偏振模的插入損耗很小（仿真結果約為0.2 dB、實測結果<1 dB），且隨著周期數的增加幾乎不變。而對于TE偏振，其透過率隨著周期數的增加而下降。當周期數N<20時，實測結果與仿真結果具有較好的一致性；當周期數繼續增加至N=40時，TE偏振透過率的理論值<-60 dB，其實測結果約為-40 dB（原因是受測試系統中輸入光偏振態消光比以及探測器靈敏度的限制）。

圖6 所研制的起偏器及特性

除了常規硅納米線波導，也可采用具有更強偏振相關性的混合表面等離子體波導。參考文獻[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光柵的TM型起偏器，如圖7（a）所示。在該結構中，表面等離子體波導對TM偏振光形成很強的約束，使之沿這由金屬條確定的表面等離子體波導傳播，而幾乎不受光柵結構的影響。因此，TM偏振模具有很高的透射率。與之不同的是，波導光柵對TE偏振模形成強烈的影響。因此，在其布拉格光柵波長附近的帶寬范圍內，TE偏振模具有高反射率、低透過率特性。圖7（b）是不同入射偏振態情形下（TE或TM）所設計起偏器的透過譜。在此例中，相關參數為：金屬條寬度為100 nm、光柵周期為430 nm、周期數為11，相應的器件長度約為4.8μm。從圖7（b）可見，在中心波長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的帶寬達約50 nm。

圖7 TM型起偏器及特性

圖8 基于波導光柵結構的TE型起偏器

類似的，采用波導光柵也同樣可以實現TE型起偏器[27]，如圖8所示。在該結構中，光柵結構是通過調制硅芯區與頂部金屬薄膜之間SiO2薄膜的厚度來實現。很顯然，該光柵可以針對TM偏振來設計，使之具有高反射率。相應地，對于TE偏振，該光柵結構幾乎沒有形成任何影響。根據布拉格光柵方程，當λ=1 550 nm時，光柵相關參數選取為：Lslot=400 nm、Lrib=220 nm。三維有限時域差分（FDTD）方法仿真結果表明，當取周期數P=5時，中心波長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）是偏振調制系統的關鍵器件，用于實現TE和TM偏振的分離。人們已經采用MMI、DC、MZI、光子晶體、AWG等多種結構以實現PBS[24]。其中，采用非對稱耦合系統/結構是近幾年新發展的一種實現PBS的新設計思路，特別以其超大帶寬、超小尺寸、設計方便等突出優點而備受關注。其原理是：通過優化設計使得非對稱耦合系統中兩條波導的某一偏振模滿足相位匹配條件，從而選取合適耦合區長度使之完全交叉耦合；而對于另一個偏振模，由于雙折射效應，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。由此可以很好地實現兩個偏振模的有效分離。

基于這一思路，已有多種用于實現PBS的非對稱耦合結構的報道，包括彎曲非對稱耦合結構[28,29]、條形波導—狹縫波導耦合系統[30]、純介質三波導非對稱耦合系統等、基于混合等離子體波導的三波導耦合系統[31]及雙波導耦合系統[32]，如圖9所示。其中，由于硅基混合表明等離子體波導具有超高的雙折射效應且與普通硅納米線波導具有很大的差異性，因而有利于實現超小型PBS。例如，利用如圖9（c）所示的三波導耦合系統可實現尺寸僅為2μm×5.1μm的超小型PBS[31]；而利用基于混合等離子體波導的雙波導耦合系統可實現尺寸更小的PBS器件，其尺寸僅約為1.9μm×3.7μm[32]。

2.2.3 偏振旋轉器

偏振旋轉器（PR）同樣是偏振調制系統的關鍵器件，用于實現平面波導中TE、TM模的相互轉化。其實現原理通常是基于在非對稱結構中混雜模式的干涉或者漸變演化的機制，具體結構一般可采用具有彎曲、傾斜側壁或者缺角等特殊結構的光波導。參考文獻[33]提出一種全新的超小型偏振旋轉器設計。其結構非常簡單，僅需去除方型光波導的一個邊角，使其支持兩個傳播常數為β0、β1的混雜模式。當入射線偏振光入射后，將激發這兩個混雜模式在缺角光波導中傳輸并發生干涉。經過一段傳輸距離Lπ=π/(β0-β1)后，即可實現偏振式轉換。參考文獻[33]給出的設計實例中，給出了一個長度僅為7μm的超小型偏振旋轉器。之后的實驗結果表明，基于這一設計的偏振旋轉器具有優異性能：在約80 nm的波長范圍內，其轉換效率可達到-0.51 dB[34]。

圖9 基于非對稱耦合系統的新型PBS

參考文獻[35]提出了一種基于緩變光波導中偏振相關模式演變原理實現偏振旋轉的全新方案，如圖10所示。此結構基于截面不對稱的硅納米線波導（如選取空氣薄層或SiN薄層的SOI納米線波導），由兩部分組成：錐型緩變光波導及非對稱耦合結構。在錐型緩變光波導區域，利用特定寬度區域存在雜化模式實現TM0→TE1高階模的轉換，繼而通過非對稱耦合結構將TE1模式耦合至相鄰窄波導的TE0模式，從交叉端口輸出。而當TE0模式從輸入端口輸入時，經過錐型緩變光波導區域時，不發生模式轉化，因而仍以TE0模式進入非對稱耦合結構，由于兩條波導的基模存在顯著相位失配，故幾乎不發生耦合，最終從直通端輸出。

由此可見，參考文獻[35]所提出的新結構可同時實現偏振模式分離和轉換，是一種偏振分束—轉換器件（PSR），適用于很多偏振調控系統。仿真結果表明，該PSR器件帶寬達70 nm（消光比>10 dB），波導寬度容差達-10～20 nm，并且通過選擇更長的錐型緩變波導，還可進一步提升其帶寬和工藝容差。特別是，該結構僅需一步刻蝕即可，設計簡便、工藝簡單，因而獲得了廣泛的關注。此外，除截面不對稱的硅納米線波導外，硅脊型納米光波導也存在類似的模式演變（已被實驗證明[36]），可用于偏振模轉化器件。另一方面，在設計錐型緩變波導時，應注意這種可能存在的偏振模轉換，防止由于這種偏振模轉換導致的不良影響[36]。

圖10 偏振旋轉全新方案

2.3 模式復用器件

模式復用技術采用波導或光纖中不同的模式作為傳輸信息的通道，其關鍵器件之一是模式復用器，用于實現基?！唠A模間轉換，并將所激發模式加載至干路波導實現多模式復用。模式復用器是近幾年集成光子器件領域的研究熱點，目前報道的實現方案主要有MMI結構[37]、絕熱模式演變耦合結構[38,39]以及非對稱耦合結構[40,41]等。其中，MMI型模式復用器結構較為復雜、不易于拓展模式通道數；絕熱模式演變耦合型模式復用器設計較為靈活，主要有緩變非對稱Y分支、緩變方向耦合器等結構，其缺點是器件整體很長。相比之下，非對稱耦合結構尺寸較小、設計更為簡單方便，且易于通過級聯方式實現多通道模式復用器件。在性能方面，基于非對稱耦合結構的模式復用器具有低串擾、低插損、大帶寬等特點，獲得了廣泛關注。

圖11 基于非對稱耦合結構的模式復用器

參考文獻[40]首次給出了一種基于非對稱耦和結構的4通道硅納米線模式復用器設計，如圖11所示。該模式復用器由3個級聯的非對稱耦合器組成，各自激發相應的高階模，不同寬度的波導之間通過緩變錐型波導相連。參考文獻[41]研制了一個包含4×1模式復用器、干路多模波導以及1×4模式解復用器的芯片。圖12是當輸入光分別端口I1、I2、I3、I4入射時，各輸出端口(O1～O4)的頻譜響應。光從單模波導端口Ii（i=1、2、3、4）輸入時，分別耦合至干路波導的某一個模式并傳輸一段距離之后，再從相應的輸出端口輸出。測試結果表明，各模式通道中心波長處的片上損耗（on-chip loss）<0.5 dB、串擾<-20 dB，并具有大帶寬特性，使之具有良好的波分復用兼容性，有利于實現模式—波長混合復用技術。

3 混合復用器

3.1 偏振—模式混合復用器

圖12 輸出端口(O1～O4)的頻譜響應

圖13 偏振—模式混合復用器

為同時實現模式復用和偏振復用技術，參考文獻[42]提出一種級聯ADC型的偏振—模式混合復用器（如圖13（a）所示）。該設計包括一個PBS（用于TE基模和TM基模）、3個用于高階TE偏振模的ADC和3個用于高階TM偏振模的ADC，由此獲得4個TE偏振模（TE0、TE1、TE2、TE3)和4個TM偏振模（TM0、TM1、TM2、TM3)的復用或解復用。而為了進一步提高其性能，可以在解復用器的輸出端引入起偏器，從而消除其偏振模串擾。例如，參考文獻[43]中通過引入波導光柵起偏器，如圖13（b）所示。在此設計中，該波導光柵不僅作為一個具有高消光比的起偏器，同時也可用作光纖—芯片耦合器。與參考文獻[42]中結果相比，改進型8通道偏振—模式復用器的性能得到顯著提高，各通道插入損耗<2 dB、串擾<-18 dB。

3.2 偏振—波長混合復用器

參考文獻[44]給出了一種由雙向型AWG波分復用器件和偏振分集系統組成的新型偏振—波長混合復用器，由此可以實現雙倍的通道數，如圖14（a）所示。偏振分集系統由一個基于彎曲耦合結構的PBS和一個基于缺角波導的PR組成，雙向型AWG兩側均有N+1條波導（其中位于邊緣的波導作為輸入波導）。當N個波長（λ1,λ2,λ3,…,λN）、兩個偏振態組成的2N通道光信號從輸入端入射后，經過由PBS和PR組成的偏振分集系統得到兩組偏振態均為TE偏振的信號（λ1,λ2,λ3,…,λN）。這兩組光信號分別進入雙向型AWG兩個輸入端口，各波長通道進而由AWG分開，從相應的輸出端口輸出，即實現雙偏振的波分解復用。圖14（b）為各通道的頻譜響應，其中實線、虛線分別為TE偏振、TM偏振輸出通道的測試結果。由于這兩組信號共用同一個AWG，通道中心波長自動對準，避免了使用兩個AWG存在中心波長難以對準的問題。

3.3 波長—模式混合復用器

圖14 所研制偏振—波長混合復用器及測試結果

將多模式、多波長結合起來可以實現一種波分—模式混合復用技術，其關鍵器件是波長—模式混合復用—解復用器。參考文獻[45]給出了由一個基于級聯ADC結構的4通道模式解復用器和4個16通道AWG組成的波長—模式混合解復用器，如圖15所示。其中，4個AWG具有相同的設計，其波長通道間隔均為3.2 nm。當4個模式（TM0、TM1、TM2和TM3）、16個波長攜帶的64通道光信號入射后，首先被4通道模式解復用器分成4組（每組均含有16個波長通道），從模式解復用器的4條單模輸出波導出射，各自進入一個AWG波分解復用器并被分開，從其輸出端口輸出。圖16是光信號分別從輸入端口I1、I2、I3和I4入射時所有64個輸出端口處的頻譜響應，由上到下依次為AWG#1、AWG#2、AWG#3、AWG#4。由圖16可見，光信號從端口Ii（i=1～4）入射時主要從第i個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模式解復用器中模式通道串擾引入。由于基于級聯ADC結構的4通道模式解復用器具有大帶寬特性，該波長—模式混合解復用器的輸出頻譜響應與單個AWG相似。

圖15 64通道波分—模式復用器示意

圖16 測試結果

參考文獻[46]提出一種基于N×N雙向型AWG的新型設計。在這種設計中，一個N×N雙向型AWG等效于2個完全一樣的1×N AWG，顯著減少了所需AWG數量及其所占面積，同時也降低了多個AWG器件波長對準的復雜度。例如，圖17是一個基于波長—模式混合復用的芯片，包含從4×1模式復用器、多模波導到波長—模式混合解復用器的整個鏈路。其中，波長—模式混合解復用器由一個1×4模式解復用器、2個17×17雙向型AWG（16個波長通道）構成，模式復用/解復用器仍采用級聯非對稱耦合結構。實驗測試結果表明，波分—模式復用器的模式解復用器部分引入的模式通道間串擾<-20 dB，而AWG波分復用器部分引入的波長通道間串擾約為-14 dB（與同一芯片上的單個AWG性能相似）。可見，通過多模式、多波長的形式，可以顯著提升可用通道數，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—模式混合復用鏈路

4 結束語

波分復用、偏振復用、模式復用等復用技術是實現光通信/光互連鏈路容量低成本擴增的有效技術，受到廣泛關注，特別是新近發展的模式復用技術，而將多種復用技術有機融合起來實現多維混合復用技術是未來發展趨勢。高性能復用—解復用器件是實現這些復用技術的關鍵。本文著重總結回顧了基于硅納米線光波導的超小型復用—解復用器件方面的最新進展，包括波分復用器件、偏振調控器件、模式復用器件以及模式—偏振、偏振—波長、波長—模式混合復用器件等。從目前結果來看，單元器件研究已經取得較好成效，大多具有超小尺寸、性能優良的特點，但仍需進一步提升，從而達到實用化性能要求。在單元器件不斷完善的基礎上，由于硅納米線光波導器件具有超小尺寸特征，也有望獲得多功能器件的大規模集成，這也正是光子集成發展的大勢所趨。

參考文獻

1 Miller D A B.Device requirements for optical interconnects to silicon chips.Proceedings of IEEE,2009,97(7):1166～1185

2 Vlasov Y A.Silicon CMOS-integrated nano-photonics for computer and data communications beyond 100 Gbit/s.Communications Magazine,IEEE,2012,50(2):S67～S72

3 Ahn J,Fiorentino M,Beausoleil R G,et al.Devices and architectures for photonic chip-scale integration.Appl Phys A,2009(95):989～997

4 Richardson D J,Fini J M,Nelson L E.Space-division multiplexing in optical fibers.Nature Photonics,2013,7(5):354～362

5 Dai D X,Bowers J E.Silicon-based on-chip multiplexing technologies and devices for Peta-bit optical interconnects.Nanophotonics,2014,3(4-5):283～311

6 Richardson D J,Fini J M,Nelson L E.Space-division multiplexing in optical fibers.Nat Photon,2013(7):354～362

7 Alduino A,Liao L,Jones M R,et al.Demonstration of a high speed 4-channel integrated silicon photonics WDM link with hybrid silicon lasers.Integrated Photonics Research,Silicon and Nanophotonics and Photonics in Switching,OSA Technical Digest(CD)(Optical Society of America),2010(3)

8 Dong P,Chen Y K,Duan G H,et al.Silicon photonic devices and integrated circuits.Nanophotonics,2014,3(4-5):215～228

9 Dong P,Chen Y K,Gu T Y,et al.Reconfigurable 100 Gbit/s silicon photonic network-on-chip[invited].J Opt Commun Netw,2015(7):A37～A43

10 Doylend J,Knights A P.The evolution of silicon photonics as an enabling technology for optical interconnection.Laser &Photonics Review,2012(1-22)

11 Dai D X,Fu X,Shi Y C,et al.Experimental demonstration of an ultra-compact Si-nanowire-based reflective arrayed-waveguide grating(de)multiplexer with photonic crystal reflectors.Optics Letters,2010,35(15):2594～2596

12 Chen P X,Chen S T,Guan X W,et al.High-order microring resonators with bent couplers for a box-like filter response.Optics Letters,2014[to appear]

13 Dai D.Silicon mode-(de)multiplexer for a hybrid multiplexing system to achieve ultrahigh capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light.Proceedings of ACP 2012,Guangzhou,China,2012

14 Dai D X,Wang J,Shi Y C.Silicon mode(de)multiplexer enabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light.Optics Letters,2013(38):1422～1424

15 Wang J,He S L,Dai D X.On-chip silicon 8-channel hybrid(de)multiplexer enabling simultaneous mode-and polarizationdivision-multiplexing.Laser & Photonics Reviews,2014,8(2):18～22

16 Wang J,Chen P X,Chen S T,et al.Improved 8-channel silicon mode demultiplexer with grating polarizers.Opt Express,2014(22):12799～12807

17 Wang J,Chen S,Chen P,et al.64-channel hybrid(de)multiplexer enabling wavelength-and mode-division multiplexing for on-chip optical interconnects.Proceedings of ACP 2014,Shanghai,China,2014

18 Chen S T,Fu X,Wang J,et al.Compact dense wavelength division (de)multiplexer utilizing a bidirectional arrayed-waveguide grating integrated with a Mach-Zehnder interferometer.Journal of Lightwave Technology,2015,33(11):2279～2285

19 Dai D,Fu X,Shi Y,et al.Experimental demonstration of an ultra-compact Si-nanowire-based reflective arra yed-waveguide grating(de)multiplexer with photonic crystal reflectors.Opt Lett,2010,35(15):2594～2596

20 Okamoto K,Ishida K.Fabrication of silicon reflection-type arrayed-waveguide gratings with distributed Bragg reflectors.Opt Lett,2013(38):3530～3533

21 Liang D,Srinivasan S,Fattal D A,et al.Teardrop reflector-assisted unidirectional hybrid silicon microring lasers.IEEE Photon Technol Lett,2012,24(22):1988～1990

22 Schmidt X Q,Shakya B J,Lipson M.Cascaded silicon micro-ring modulators for WDM optical interconnection.Opt Express,2006(14):9431～9435

23 Chen P,Chen S,Guan X,et al.High-order microring resonators with bent couplers for a box-like filter response.Opt Lett,2014(39):6304～6307

24 Dai D,Liu L,Gao S,et al.Polarization management for silicon photonic integrated circuits.Laser & Photonics Reviews,2013,7(3):303～328

25 Guan X,Chen P,Chen S,et al.Low-loss ultracompact transverse-magnetic-pass polarizer with a silicon subwavelength grating waveguide.Opt Lett,2014(39):4514～4517

26 Guan X W,Xu P P,Shi Y C,et al.Ultra-compact broadband TM-pass polarizer using a silicon hybrid plasmonic waveguide grating.Proceedings of Asia Communications and Photonics Conference,Beijing,China,2013

27 Guan X,Xu P,Shi Y,et al.Ultra-compact and ultra-broadband TE-pass polarizer with a silicon hybrid plasmonic waveguide.Proceedings of SPIE Photonics West,San Francisco,USA,2014

28 Dai D,Bowers J E.Novel ultra-short and ultra-broadband polarization beam splitter based on a bent directional coupler.Opt Express,2011(19):18614～18620

29 Wang J,Liang D,Tang Y,et al.Realization of an ultra-short silicon polarization beam splitter with an asymmetrical bent directional coupler.Opt Lett,2013,38(1):4～6

30 Dai D,Wang Z,Bowers J E.Ultrashort broadband polarization beam splitter based on an asymmetrical directional coupler.Opt Lett,2011,36(13):2590～2592

31 Lou F,Dai D,Wosinski L.Ultracompact polarization beam splitter based on a dielectric-hybrid plasmonic-dielectric coupler.Opt Lett,2012,37(16):3372～3374

32 Guan X,Wu H,Shi Y,et al.Ultra-compact and broadband polarization beam splitter utilizing the evanescent coupling between a hybrid plasmonic waveguide and a silicon nanowire.Opt Lett,2013,38(16):3005～3008

33 Wang Z,Dai D.Ultrasmall Si-nanowire-based polarization rotator.J Opt Soc,2008(B25):747～753

34 Vermeulen D,Selvaraja S,Verheyen P,et al.Silicon-on-insulator polarization rotator based on a symmetry breaking silicon overlay.IEEE Photon Technol Lett,2012,24(6):482～484

35 Dai D,Bowers J E.Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires.Opt Express,2011(19):10940～10949

36 Dai D,Tang Y,Bowers J E.Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides.Opt Express,2012,20(12):13425～13439

37 Uematsu T,Ishizaka Y,Kawaguchi Y,et al.Design of a compact two-mode multi/demultiplexer consisting of multi-mode interference waveguides and a wavelength insensitive phase shifter for mode-division multiplexing transmission.J Lightwave Technol,2012,30(15):2421～2426

38 Love J D,Vance R W C,Joblin A.Asymmetric,adiabatic multipronged planar splitters.Optical and Quantum Electronics,1996,28(353)

39 Greenberg M,Orenstein M.Multimode add-drop multiplexing by adiabatic linearly tapered coupling.Opt Express,2005(13)

40 Dai D.Silicon mode-(de)multiplexer for a hybrid multiplexing system to achieve ultrahigh capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light.Asia Communications and Photonics Conference,OSA Technical Digest(online)(Optical Society of America),2012(2)

41 Dai D,Wang J,Shi Y.Silicon mode(de)multiplexer enabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelengthcarrier light.Opt Lett,2013(38):1422～1424

42 Wang J,He S,Dai D.On-chip silicon 8-channel hybrid(de)multiplexer enabling simultaneous mode-and polarizationdivision-multiplexing.Laser & Photonics Rev,2014,8(2):L18～L22

43 Wang J,Chen P,Chen S,et al.Improved 8-channel silicon mode demultiplexer with grating polarizers.Opt Express,2014(22):12799～12807

44 Chen S T,Shi Y C,He S L,et al.Compact monolithically-integrated hybrid (de)multiplexer based on silicon-on-insulator nanowires for PDM-WDM systems.Optics Express,2015,23(10):12840～12849

45 Wang J,Chen S,Dai D.Silicon hybrid demultiplexer with 64 channels for wavelength/mode-division multiplexed on-chip optical interconnects.Opt Lett,2014(39):6993～6996

46 Dai D X,Wang J,Chen S T,et al.Monolithically integrated 64-channel silicon hybrid demultiplexer enabling simultaneous wavelength and mode-division-multiplexing.Laser & Photonics Reviews,2015,9(3):339～344