[0001] 本发明属于多模硅基光子学多模模分复用/解复用技术领域，具体涉及一种基于Y分支和多模干涉耦合器的四模模分复用分解复用器。

[0002] 相比于传统的铜线电互联，基于SOI(silicon‑on‑insulator，绝缘体上Si)的片上光互连在数据传输上有巨大的潜在优势。目前，有以下几种复用技术用于开发光子学通信的数据容量：WDM(Wave‑Division Multiplexing，波分复用)技术和PDM(Polarization Division Multiplexing，极分复用)技术。作为一种互补，MDM(Mode‑Division Multiplexing，模分复用)技术为片上光互连复用提供了另一个维度以进一步提高片上光学通信的数据容量。模分复用器件是MDM系统的核心器件，用来激发、复用和解复用各阶传导模式。一个理想的模分复用器件应该满足低串扰、低插入损耗、较大的光学带宽、制造容差和尺寸小。现在已经提出了多种模分复用器件，包括：非对称定向耦合器、绝热耦合器、非对称Y分支、级联非对称Y分支和MMI(multimode interference coupler，多模干涉耦合器等。

[0003] 但是，这些器件并没有完全满足理想的模分复用器件的要求。非对称定向耦合器虽然带宽很大，但是其制造容差很小，需要精准控制耦合长度以及波导的宽度，并且对于更多模式难以扩展；绝热耦合器、非对称Y分支、级联非对称Y分支的尺寸很大，不利于高密度集成；单纯利用MMI的模分复用器，虽然带宽较大，尺寸较小，但是受制于级联的相移器，其制造容差受到一定限制。

[0033] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 请参见图1，本发明实施例提供了一种基于Y分支和多模干涉耦合器的四模模分复用分解复用器，该四模模分复用分解复用器包括四模复用器和四模解复用器，四模复用器和四模解复用器通过四模总线波导实现四个传导模式的复用，四模复用器和四模解复用器互为镜像对称结构；其中，四模复用器包括：

[0035] 第一单模输入波导～第四单模输入波导，用于分别接收入射光的功率，以分别在四模总线波导中激发基模、二阶模、一阶模和三阶模；

[0036] 第一2×2单模输入配对干涉型MMI，用于根据入射光的功率分别产生第四单模输入波导的二阶像和第三单模输入波导的二阶像；

[0037] 第二2×2单模输入配对干涉型MMI，用于根据入射光的功率分别产生第二单模输入波导的二阶像和第一单模输入波导的二阶像；

[0038] 第一双模Y型波导，用于将第四单模输入波导的二阶像和第三单模输入波导的二阶像分别进行π/2相位延迟后，再进行光功率合成；

[0039] 第二双模Y型波导，用于将第二单模输入波导的二阶像和第一单模输入波导的二阶像分别进行π/2相位延迟后，再进行光功率合成；

[0040] 2×2多模输入一般干涉型MMI，2×2多模输入一般干涉型MMI的输入端与第一双模Y型波导的主波导输出端、第二双模Y型波导的主波导输出端连接，用于根据第一双模Y型波导的光功率合成结果、第二双模Y型波导的光功率合成结果，分别产生第一双模Y型波导的主波导的二阶像和第二双模Y型波导的主波导的二阶像；

[0041] 第三双模Y型波导，用于将2×2多模输入一般干涉型MMI上输出端输出的二阶像分解为基模，对该基模进行等路径等相位控制，并对2×2多模输入一般干涉型MMI下输出端输出的二阶像进行π/2相位延迟控制；

[0042] 第四双模Y型波导，用于将经第三双模Y型波导相位控制后的基模进行光功率合成；

[0043] 第五双模Y型波导，用于将2×2多模输入一般干涉型MMI下输出端输出的二阶像分解为基模，对该基模进行等路径等相位控制，并对2×2多模输入一般干涉型MMI上输出端输出的二阶像进行π/2相位延迟控制；

[0044] 第六双模Y型波导，用于将经第五双模Y型波导相位延迟后的基模进行光功率合成；

[0045] 四模Y型波导，用于将经第六双模Y型波导的光功率合成结果、经第四双模Y型波导的光功率合成结果继续进行光功率合成并将该光功率合成结果输入四模总线波导，以实现同时传输基模、一阶模、二阶模和三阶模。

[0046] 本发明实施例中第一单模输入波导～第四单模输入波导均为单模输入，即仅有一个传导模式，如图1所示第一单模输入波导～第四单模输入分别对应的传导模式为基模、二阶模、一阶模和三阶模。

[0047] 本发明实施例在需要进行π/2相位延迟的位置，均设计有π/2移相器。

[0048] 本发明实施例将第一单模输入波导作为输入端，则在第二2×2单模输入配对干涉型MMI产生的二阶像移相后等相，在2×2多模输入一般干涉型MMI产生的二阶像并移相后等相，以在四模总线波导中激发基模；将第二单模输入波导作为输入端，则在第二2×2单模输入配对干涉型MMI产生的二阶像移相后相差Π，在2×2多模输入一般干涉型MMI产生的二阶像并移相后等相，以在四模总线波导中激发二阶模；将第三单模输入波导作为输入端，则在第一2×2单模输入配对干涉型MMI产生的二阶像移相后等相，在2×2多模输入一般干涉型MMI产生的二阶像移相后相位差Π，以在四模总线波导中激发一阶模；将第四单模输入波导作为输入端，则在第一2×2单模输入配对干涉型MMI产生的二阶像移相后相位差Π，在2×2多模输入一般干涉型MMI产生的二阶像移相后相位差Π，以在四模总线波导中激发三阶模。

[0049] 本发明实施例中第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI的输入/输出端的端口均设计有渐变波导，渐变波导用于将当前对应端口的入射光或出射光在满足绝热近似的条件时输入/输，通过改变该渐变波导长度，可以实现各端口π/2的相位差。比如：第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI分别经渐变波导在对应端口形成二阶自映像即二阶像，通过改变该渐变波导长度，可以实现对应端口π/2的相位差。

[0050] 本发明实施例中第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI的输入/输出端的端口位于±We1/6处，We1为第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI考虑了Goos‑Hahnchen位移后的有效宽度；第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI的长度为Lπ1/2，Lπ1为第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI中基模和一阶模的拍长，Lπ1的计算公式表示为：

[0051] Lπ1＝π/(β0‑β1)≈4nrWe12/3λ0；

[0052] 其中，β0和β1分别为第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI中基模和一阶模的波导传播常数，nr为相对节点常数，λ0为真空中的波长。

[0053] 本发明实施例中2×2多模输入一般干涉型MMI的输入/输出端设计有渐变波导，该渐变波导与2×2多模输入一般干涉型MMI的主波导的边沿对齐。同理，渐变波导用于将当前输入/输出端口的入射光或出射光在满足绝热近似的条件输入/输出。

[0054] 本发明实施例中2×2多模输入一般干涉型MMI的长度为3Lπ2，Lπ2为2×2多模输入一般干涉型MMI中基模和一阶模的拍长，Lπ2的计算公式表示为：

[0055] Lπ＝π/(β2‑β3)≈4nrWe22/3λ0；

[0056] 其中，β2和β3分别为2×2多模输入一般干涉型MMI中基模和一阶模的波导传播常数，We2为2×2多模输入一般干涉型MMI考虑了Goos‑Hahnchen位移后的有效宽度。

[0057] 本发明实施例中第一双模Y型波导～第六双模Y型波导的主波导支持基模、一阶模两个传导模式，第一双模Y型波导～第六双模Y型波导的分支波导支持基模一个传导模式；第三双模Y型波导和第四双模Y型波导互为镜像对称结构，第五双模Y型波导和第六双模Y型波导互为镜像对称结构；第三双模Y型波导和第四双模Y型波导、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导分别构成π/2的相位差，这里可以通过改变第三双模Y型波导～第六双模Y型波导的S型分支波导的曲率半径，使得第三双模Y型波导和第四双模Y型波导组成的上分支与第五双模Y型波导和第六双模Y型波导组成的下分支构成π/2的相位差。其中，第一双模Y型波导的主波导的二阶像的相点上下相差π/2，第二双模Y型波导主波导的二阶像的相点上下相差和‑π/2。

[0058] 本发明实施例中四模Y型波导的主波导的宽度与四模总线波导的宽度相同，且四模Y型波导的主波导支持基模、一阶模、二阶模和三阶模四个传导模式；四模Y型波导的分支波导的宽度与第一双模Y型波导～第六双模Y型波导的主波导的宽度均相同，且四模Y型波导的分支波导支持基模和一阶模两个传导模式。

[0059] 本发明实施例中第一单模输入波导～第四单模输入波导、第一2×2单模输入配对干涉型MMI、第二2×2单模输入配对干涉型MMI、第一双模Y型波导～第六双模Y型波导、2×2多模输入一般干涉型MMI、四模Y型波导的横截面均为矩形。

[0060] 本发明实施例中四模总线波导用于同时传输基模、一阶模、二阶模和三阶模，其长度根据实际应用进行延长、弯曲等设计。

[0061] 本发明实施例经过四模复用器在四模总线波导分别激发基模、一阶模、二阶模、三阶模的过程如下：

[0062] 第一单模输入波导(基模)→第二2×2单模输入配对干涉型MMI→激发单模的二阶像且相位差π/2→第二双模Y型波导的Y分支引入‑π/2→在第二双模Y型波导的主波导处同相(相位差0)→输出Y分支基模→2×2多模输入一般干涉型MMI输出基模的二阶像且相位差π/2→在第三双模Y型波导和第四双模Y型波导构成的上分支、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导构成的下分支引入‑π/2→在四模Y型波导的主波导处同相合成并馈入四模总线波导，并在四模总线波导中激发基模如图2a所示；

[0063] 第二单模输入波导(二阶模)→第二2×2单模输入配对干涉型MMI→激发单模的二阶像且相位差π/2→第二双模Y型波导的Y分支引入π/2→在第二双模Y型波导的主波导处反相(相位差π)→输出Y分支一阶模→2×2多模输入一般干涉型MMI输出一阶模的二阶像且相位差π/2→在第三双模Y型波导和第四双模Y型波导构成的上分支、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导构成的下分支引入‑π/2→在四模Y型波导的主波导处同相合成并馈入四模总线波导，并在四模总线波导中激发二阶模如图2c所示；

[0064] 第三单模输入波导(一阶模)→第一2×2单模输入配对干涉型MMI→激发单模的二阶像且相位差π/2→第一双模Y型波导的Y分支引入‑π/2→在第一双模Y型波导的主波导处同相(相位差0)→输出Y分支基模→2×2多模输入一般干涉型MMI输出基模二阶像且相位差π/2→在第三双模Y型波导和第四双模Y型波导构成的上分支、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导构成的下分支引入π/2→在四模Y型波导的主波导处同相合成(相位差π)并馈入四模总线波导，并在四模总线波导中激发一阶模如图2b所示；

[0065] 第四单模输入波导(三阶模)→第一2×2单模输入配对干涉型MMI→激发单模的二阶像且相位差π/2→第一双模Y型波导的Y分支引入π/2→在第一双模Y型波导的主波导处反相(相位差π)→输出Y分支一阶模→2×2多模输入一般干涉型MMI输出一阶模的二阶像且相位差π/2→在第三双模Y型波导和第四双模Y型波导构成的上分支、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导构成的下分支引入π/2→在四模Y型波导的主波导处同相合成(相位差π)并馈入四模总线波导，并在四模总线波导中激发三阶模如图2d所示。

[0066] 以单基模输入为例，如图3所示，将该单基模输入第四单模输入波导(对应三阶模)；通过渐变波导馈入第一2×2单模输入配对干涉型MMI，在第一2×2单模输入配对干涉型MMI形成第四单模输入波导的二阶像且相位差为π/2；第四单模输入波导的二阶像输入第一双模Y型波导，第一双模Y型波导的主波导为双模波导，即支持基模、一阶模两个传导模式，Y分支为基模波导，两Y分支宽度和与主波导的横截面相等，通过改变渐变波导的长度在第一双模Y型波导的下Y分支波导中，相对于上Y分支波导引入π/2相位差，使得第一2×2单模输入配对干涉型MMI输出的二阶像的相位差经第一双模Y型波导的Y分支后累计为π，再根据Y分支工作原理，上下Y分支相位差为π时，在第一双模Y型波导的主波导中激发一阶模；第一双模Y型波导的主波导的输出馈入2×2多模输入一般干涉型MMI，并在2×2多模输入一般干涉型MMI的输出端形成第一双模Y型波导的二阶像且相位差π/2，具体地：将2×2多模输入一般干涉型MMI的上输出端接入第三双模Y型波导的Y分支，经该Y分支，上Y分支的一阶模的二阶像分解为该Y分支中的基模，并经对称的下Y分支复现上Y分支一阶模的二阶像，同理将2×2多模输入一般干涉型MMI的下输出端接入第五双模Y型波导的Y分支，经该Y分支，上Y分支的一阶模的二阶像分解为该Y分支中的基模，并经对称的下Y分支复现上Y分支一阶模的二阶像，最后通过改变第三双模Y型波导～第六双模Y型波导的S波导曲率半径，在第三双模Y型波导和第四双模Y型波导构成的上分支、第五双模Y型波导和第六双模Y型波导构成的下分支引入π/2相位差；在四模Y型波导的主波导处合成，此处二阶像的相位差为π/2，根据Y分支波导工作原理，在主波导中可以激发三阶模式，以在四模总线波导中激发三阶模。

[0067] 进一步地，如图1所示，四模解复用器和四模复用器关于四模总线波导互为镜像对称结构，具体四模解复用器的结构参见四模复用器，在此不再赘述。最终，经过四模复用器、四模总线波导、四模解复用器后，在四模解复用器的第一单模输出波导～第四单模输出波导处分别输出基模、二阶模、一阶模和三阶模。其中，第一单模输出波导～第四单模输出波导的横截面均为矩形。

[0068] 需要说明的是，由于四模解复用器和四模复用器互为镜像对称结构，因此实际应用中，左侧或右侧均可以作为输入侧即作为四模复用器，对应的另一侧将作为输出侧即作为四模解复用器，图1示意的是左侧作为四模复用器、右侧作为四模解复用器的情况。

[0069] 综上所述，本发明实施例提出的基于Y分支和多模干涉耦合器的四模模分复用分解复用器，可以实现四个传导模的复用和解复用：四模模分复用分解复用器中的四模复用器和四模解复用器为镜像对称结构，均由双模Y型波导、四模Y型波导、2×2单模输入配对干涉型MMI和2×2多模输入一般干涉型MMI基本单元组成，通过由双模Y型波导、四模Y型波导、2×2单模输入配对干涉型MMI和2×2多模输入一般干涉型MMI构成的四模复用器实现不同相位的响应差异，以在不同输入端口激励相应的模式并在四模总线波导中复用，最后在由双模Y型波导、四模Y型波导、2×2单模输入配对干涉型MMI和2×2多模输入一般干涉型MMI构成的四模解复用器分别解析出四个传导模式，从对应单模输出波导输出实现模式解复用。总的来说，本发明所提的四模模分复用分解复用器基于Y型波导和MMI多模耦合器的大工艺容差，通过单模相位的控制，实现该类器件具有低损耗、大带宽、尺寸小和制造容差大特点，并可根据设计思路进行更高阶模式的复用/解复用灵活扩展，提高片上集成光通信的系统容量。

[0070] 第二方面，本发明实施例提供了一种模式干涉幅度均衡器，该模式干涉幅度均衡器包括多个级联的第一方面的基于Y分支和多模干涉耦合器的四模模分复用分解复用器。

[0071] 对于第二方面的实施例而言，由于其基本相近于第一方面的实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见第一方面的实施例的部分说明即可。

[0072] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0073] 尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

[0074] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。