引言
硅基光电子技术具有体积小、带宽高、成本低和功耗低等优点，高速通信网络日益增长的需求推动了硅基光电子技术的快速发展。为了提高传输容量和频谱效率，在硅平台上提出了模分复用（MDM）、波分复用（WDM）和轨道角动量（OAM）复用等技术。在本文中将探讨在硅绝缘体（SOI）平台上利用热光学移相器和反向设计实现输出端口 TE0、TE1 和 TE2 模式之间任意模式选择的新型片上光功率分配器。如图 1 所示，拟议的光功率分配器由一个 1 × 6 多模干涉仪 （MMI）、两个 3 × 3 MMI 开关和一个 6 × 2 反向设计区域组成。![]()
图 1. 在 SOI 平台上利用有源移相器实现任意模式输出的拟议光功率分配器示意图。输入的 TE0 模式光信号首先通过 1 × 6 MMI 分成六个通道。金属加热器通过热光学效应控制这六个臂的光学相位。然后，信号通过两个 3 × 3 MMI 开关，这两个开关的设计基于之前的工作。最后，信号进入反向设计区进行模式转换，从而在输出端口实现所需的 TE0、TE1 或 TE2 模式。逆向设计区域如图 2（a） 所示，利用直接二进制搜索 （DBS） 算法来减少模式转换区域。该器件在垂直和水平方向均为镜像，尺寸分别为 Wc = 7.2 μm、Lc = 4.8 μm、Ow = 1.35 μm。如图 2（b）所示，它是完全蚀刻的，蚀刻的正方形尺寸为 120 nm × 120 nm，符合 IMEC® 等制造代工厂的最小尺寸要求。![]()
图 2. （a） 反向设计区域的结构示意图。（b） 反向设计区域的蚀刻宽度。（c） 从输入到输出的任意模式选择示意图。如图 2（c） 所示，通过控制反向设计区域的输入通道，器件可以输出不同的模式。由于可以在每个输出端口的 TE0、TE1 和 TE2 模式之间选择性地分配功率，因此所提出的光功率分配器可用于各种集成光子应用和片上系统信号处理。利用有限差分时域 （FDTD） 仿真评估了光功率分配器中不同组件的传输性能。1 × 6 MMI 提供六个相等的功率输出，通过金属加热器实现相位控制。表 I 显示了应用于 3 × 3 MMI 开关左侧顶部、中部和底部波导 （WG） 的相位参考值，以分别在右侧顶部、中部和底部波导产生光输出。![]()
图 3（a）-（c） 显示了 3 × 3 MMI 开关分别在顶部、中部和底部 WG 输出信号时的 FDTD 仿真结果。如图 3（d）-（f）所示，顶部、中部和底部 WG 的模拟串扰值分别为-27 dB、-21 dB 和-27 dB。![]()
图 3. 当信号在 （a） 顶部、（b） 中间和 （c） 底部 WG 输出时，3 × 3 MMI 开关在不同相移下的 FDTD 仿真结果。（d）顶部、（e）中部和（f）底部 WG 的模拟传输光谱和串扰。图 4 显示了反向设计区域的 FDTD 仿真和模态传输频谱。图 4（a）-（c）显示，输入 6 × 2 反向设计区域第 3 和第 4、第 2 和第 5 以及第 1 和第 6 输入 WG 的 TE0 模式将分别输出两个 TE2、TE1 和 TE0 模式。如图 4（d）-（f） 所示，由于必须进行方形蚀刻，反向设计区域的穿透损耗较高，在 1550 nm 波长处，TE0、TE1 和 TE2 输出情况的峰值损耗分别为-4.4 dB、-6.8 dB 和-5.15 dB。![]()
图 4. 当信号在 （a） TE0、（b） TE1 和 （c） TE2 输出时，6 × 2 反向设计区域的模式转换 FDTD 仿真结果。信号在 （d） TE0、（e） TE1 和 （f） TE2 输出时的模拟模态传输损耗。在本文中探讨了在 SOI 平台上利用热光学移相器和逆向设计实现输出端口 TE0、TE1 和 TE2 模式之间任意模式选择的微型片上光功率分配器。所提出的设计由一个 1 × 6 MMI、两个 3 × 3 MMI 开关和一个 6 × 2 逆向设计区域组成，可灵活地在不同模式之间选择性地分配功率。这种多功能器件有望应用于集成光电子技术和片上系统信号处理。
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