随着人工智能、云计算及大数据等现代信息技术的迅速发展,人们对信息系统的容量和处理速度的需求也在急速提升,而用于信息处理的集成电路工艺已逼近物理极限,电子间强相互作用导致的“电子瓶颈”问题日益突出。片上光互连能消除RC延迟,且具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点,被认为是解决此问题的最有潜力的技术。滤波器是实现片上光互连的基本器件,其功能是对信号进行选择性通过或阻止,可用于灵活的片上分插复用,以及降低不同信道之间的信号串扰。因此,要实现高集成度、大容量的光互连芯片,离不开高性能的滤波器件支撑。本文面向下一代片上光互连关键的模分复用（MDM）技术,深入研究了基于反向模式变换布拉格光栅的模式调控理论,实现了灵活模式选择滤波、模式复用/解复用和偏振模式滤波三种高性能的模式滤波器件,并通过实际制作和测试验证了器件具有优秀的性能。本文的主要内容和创新点概括如下:
1、针对MDM系统难以实现低阶模式滤波的问题,提出了一种基于局域嵌入光栅阵列的反向模式变换的新滤波机制,利用多模波导模式特点优化局域光栅参数实现了反向耦合增强。基于此,设计了多个模式滤波器作为原理验证,理论模拟结果显示当器件尺寸为13μm×1μm时,器件能够在1550 nm光通信波长附近100 nm的带宽范围内保持插入损耗（IL）<1 d B、模式消光比（ER）>20 d B的优秀性能。实际制作了TE1通、TE2通两种滤波器,测试结果显示器件在整个C波段内具有超过30 d B模式ER,和低于1.3 dB的IL,性能优于同类器件。本设计方法具有通用性,为器件功能扩展提供了空间,且器件结构简单、制作仅需单步刻蚀。
2、利用上述滤波器件作为核心单元,面向多种模式滤波应用场景,设计实现了多种模式滤波功能,包括任意模式滤波、模式复用解复用、偏振模分束。具体内容包括提出了4模式(TE3通和TE2,3通)滤波器,并提出了低通（低阶模式通过）、高通及带通的灵活滤波架构。此外,基于TE2通滤波器和双向耦合方案,提出3模式（解）复用器,在1550 nm光通信波长附近超过100 nm的带宽保持IL<1 d B、模式串扰（CT）>20 d B;基于TE2通滤波器和定向耦合方案,提出偏振模式分束器,并通过优化实现对偏振分束器工作带宽的扩展,在1550 nm光通信波长附近超过200 nm的带宽保持了IL<2 d B、偏振模式CT>20 d B的优秀性能。
3、面向大容量片上光互连系统的超宽带偏振模滤除,提出了一种具有高偏振依赖的能带特性的波导光栅设计方法,该光栅对于TE偏振具有478 nm的超宽带隙,而TM偏振在此范围内正常传导,可用于宽带偏振模式滤波。理论模拟显示,器件在国际电联规定的全部光通信波段（O～U）的415 nm范围内具有低于1 d B的IL和高于21 d B的偏振消光比（PER）,且尺寸仅18μm×3μm。实际制作和测试结果显示,在超过300 nm带宽（受限于测试平台和设备）范围,IL<1 d B,PER>22 d B。该器件是220 nm绝缘体上硅平台已报道的,达到相近性能的最高带宽的TM起偏器。
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