IEEE SiPhotonics2025 | 基于反向设计和热光效应的紧凑型模式分割多路复用器

引言

硅基光电子(SiPh)因其紧凑尺寸、高带宽能力、低功耗和成本效益优势，成为现代通信网络中的重要技术。随着互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术的不断进步，生产高性能、功能特定的光子线路变得越来越可行。然而，随着带宽需求的增长，在保持或提高性能特性的同时进一步微型化光学组件仍然是一个重大挑战[1]。

1模式分割多路复用技术简介

模式分割多路复用(MDM)是几项关键技术之一，旨在增强硅基光电子器件的传输容量。与波长分割多路复用(WDM)和偏振分割多路复用(PDM)一起，MDM通过同时利用不同的光学模式，允许通过单个波导增加数据传输。该技术有效地倍增了光链路的容量，而不需要额外的物理通道。

设计模式分割多路复用器的传统方法通常会导致相对较大的占用面积。这就是反向设计方法发挥作用的地方。与依赖已建立方程或理论的常规设计方法不同，反向设计从所需规格向后推导出最佳结构。在各种反向设计技术中，直接二元搜索(DBS)方法以其在减小器件占用面积同时保持操作完整性方面的有效性而脱颖而出。

2器件架构和设计方法

提出的紧凑型模式分割多路复用器建立在硅绝缘体(SOI)平台上，由三个主要部分组成：1 × 4多模干涉仪(MMI)、4 × 4 MMI开关和4 × 1反向设计区域。这种架构允许可切换操作，实现从基本横电(TE0)模式到任何TE0至TE3模式的转换。

图1：所提出的紧凑型可切换模式分割多路复用器的示意图，显示了MMI分光器、相位移位器、MMI开关和反向设计区域。

当TE0模式光信号进入1 × 4 MMI的左侧输入端口时，它分裂成四个相等的通道。在随后的区域中，通过金属加热器实现的热光相移器控制每个臂的光学相位。每个臂的尺寸约为200 μm × 3 μm。然后信号进入4 × 4 MMI开关部分。

设计的精确尺寸如下：输入波导宽度(WI)为0.5 μm，第一个MMI的宽度(W1)为8 μm，长度(L1)为25.4 μm，第二个MMI的宽度(W2)为8 μm，长度(L2)为109.65 μm。通过MMI开关后，信号进入反向设计区域，该区域实现模式转换，可选择TE0至TE3模式。

在反向设计区域中，150 nm × 150 nm的方形特征被完全刻蚀，相邻特征之间的间距也设置为150 nm。该区域的尺寸为W3 = 6.6 μm和L3 = 8.7 μm，输出波导宽度(WO)为1.8 μm。

图2：基于输入端口的4 × 4 MMI开关的相位分布图，显示不同输入端口如何在输出端生成特定的相位模式。

3直接二元搜索算法

DBS算法在优化反向设计区域中起着关键作用。这个迭代过程旨在找到刻蚀和非刻蚀区域的最佳配置，以产生所需的模式转换。

图3：直接二元搜索反向设计方法的流程图，展示了迭代优化过程。

该算法首先建立初始模式并计算相应的目标值(I0)。然后，所有孔位置被转换为二进制序列N，其中"0"表示非刻蚀区域，"1"表示要刻蚀的区域。在每次迭代中，选定孔的状态被切换（从0到1或从1到0），并计算新的目标值(In)。如果In超过初始I0，则保持该孔的当前状态不变。此过程持续进行，直到达到所需目标或达到预定的迭代限制。

模式样式可以显著影响收敛所需的迭代次数。通过这种系统方法，DBS算法有效地探索设计空间，以确定满足所需模式转换特性同时保持紧凑占用面积的最佳配置。

4性能评估和结果

使用有限差分时域(FDTD)方法对微型化模式分割多路复用器设计的传输性能进行了评估。模拟结果展示了器件将输入TE0模式转换为任何TE0、TE1、TE2或TE3模式的能力，这取决于反向设计区域的哪个输入波导接收信号。

图4：FDTD结果显示4 × 1反向设计区域中的模式转换，输出为(a)TE0、(b)TE1、(c)TE2和(d)TE3模式，以及相应的传输损耗谱。

具体而言，当TE0模式通过4 × 1反向设计区域的第一个输入波导进入时，输出为TE0。类似地，通过第二、第三和第四波导的输入分别导致TE1、TE2和TE3模式输出。所有四个输出模式的模拟传输损耗在1550 nm波长处显示峰值，这是标准的电信波长。

应当注意的是，反向设计区域中选择方形孔刻蚀会导致较高的传输损耗。然而，考虑到通过反向设计方法实现的器件占用面积显著减小，这种权衡是可以接受的。

5结论

提出的紧凑型可切换模式分割多路复用器成功展示了反向设计技术用于微型化硅基光电子组件的潜力。通过将传统MMI结构与热光相移器和优化的反向设计区域相结合，该器件实现了从TE0输入到任何TE0至TE3模式的任意模式转换。

这种方法为高容量光网络提供了更高效、更紧凑的器件。DBS算法在减小组件占用面积同时保持所需功能方面证明是有效的，展示了反向设计方法在下一代光子集成线路开发中的价值。

参考文献

[1] Y.-Z. Lin, Y.-H. Lin, W.-L. Chen, C.-W. Chow, and M.-H. Liao, "Compact Mode-Division Multiplexer Using Inverse Design With Direct Binary Search Method and Thermo-Optic Effect," in IEEE Silicon Photonics Conference (SiPhotonics), 2025.

END