硅基片上复用—解复用技术与器件

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2015281

摘要/Abstract

摘要：

近年来，随着云计算、数据中心的迅速发展，光互连凭借其在功耗、速度和带宽等方面具有电互连无可比拟的诸多优势，获得越来越多的关注。为了充分发挥光互连带宽优势，发展波分复用（WDM）、偏振复用（PDM）以及模式复用（MDM）等技术是一种有效途径。而将多种复用方式综合运用则可形成一种多维混合复用技术，从而显著提升光互连通道数量和传输容量。鉴于片上集成（解）复用器是实现多通道并行传输复用系统的关键器件，着重介绍总结了基于硅光子技术实现的超小型片上集成（解）复用器件的进展，包括WDM、PDM、MDM复用—解复用器件以及混合复用—解复用器件。

关键词: 硅波导, 波分复用器, 偏振复用, 模式复用

Abstract:

As the demands of the data communications increase quickly for the applications of cloud-computing as well as data centers，optical interconnects have been very attractive because of the unique advantages on the aspects of low power consumption，high speed and large bandwidth.It is effective to enhance the link capacity by utilizing multiplexing technologies like wavelength-division-multiplexing（WDM），polarization-division-multiplexing（PDM），as well as mode-division-multiplexing（MDM）.It will become very useful when these multiplexing technologies are combined to work together as a hybrid multiplexing technology.Definitely the multiplexer is one of the most important devices for a multiplexed optical interconnect link.A review for the recent progress of ultracompact on-chip multiplexers was given，including WDM devices，PDM devices，MDM devices，and hybrid multiplexers.

Key words: silicon photonic nanowire, wavelength division multiplexing, polarization division multiplexing, mode division multiplexing

戴道锌,王健,陈思涛. 硅基片上复用—解复用技术与器件[J]. 电信科学, 2015, 31(10): 9-21.

Daoxin Dai,Jian Wang,Sitao Chen. Silicon-Based-Chip Multiplexing Technologies and Devices[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(10): 9-21.

图/表 17

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

参考文献 46

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 ， et al. 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 ， et al. 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. mproved 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）： 2799～2285
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 ， et al. 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