多模耦合及傳輸下硅基光學(xué)信息處理器件的性能突破與創(chuàng)新應(yīng)用

多模耦合及傳輸下硅基光學(xué)信息處理器件的性能突破與創(chuàng)新應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息時代，信息技術(shù)以前所未有的速度發(fā)展，深刻改變著人們的生活和社會的運(yùn)行方式。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G通信等新興技術(shù)的興起，對信息處理速度、容量和能耗的要求達(dá)到了前所未有的高度。傳統(tǒng)的電子信息處理器件在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時，逐漸顯露出其局限性，如電子信號傳輸中的RC延遲、高能耗以及帶寬受限等問題，嚴(yán)重制約了信息系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。硅基光學(xué)信息處理器件作為光電子領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向，應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展。硅，作為集成電路中最為廣泛使用的材料，具有諸多顯著優(yōu)勢。它不僅擁有成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝，這使得硅基光電器件的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能，大大降低了生產(chǎn)成本；而且硅材料來源豐富，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，硅基光電器件還具備體積小、重量輕、集成度高以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在光通信、光計(jì)算、光傳感等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在光通信領(lǐng)域，隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)對高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸需求日益迫切。硅基光通信器件，如硅基光調(diào)制器、探測器和光收發(fā)模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)高速光信號的產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸和探測，有效提升了光通信系統(tǒng)的傳輸速率和容量，為構(gòu)建下一代高速光通信網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。例如，基于硅基光子集成技術(shù)的光模塊，已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的短距離光互連中得到廣泛應(yīng)用，顯著提高了數(shù)據(jù)中心的通信效率和能源利用率。在光計(jì)算領(lǐng)域，硅基光計(jì)算器件利用光的并行性和高速特性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，具有潛在的高速、低能耗計(jì)算能力。與傳統(tǒng)電子計(jì)算相比，光計(jì)算在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法時，能夠大大縮短計(jì)算時間，提高計(jì)算效率。例如，硅基光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，通過光信號在波導(dǎo)和光學(xué)器件中的傳播和相互作用，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速運(yùn)算，為人工智能領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的計(jì)算架構(gòu)和方法。在光傳感領(lǐng)域，硅基光傳感器具有高靈敏度、高精度、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種物理量、化學(xué)量和生物量的快速、準(zhǔn)確檢測。例如，硅基光纖傳感器可以用于溫度、壓力、應(yīng)變等物理量的測量，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。多模耦合及傳輸作為硅基光學(xué)信息處理器件中的關(guān)鍵物理過程，對器件性能的提升和應(yīng)用的拓展具有至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)的硅基光電器件設(shè)計(jì)往往遵循單模傳輸條件，以避免模式間的串?dāng)_和信號失真。然而，隨著對器件性能要求的不斷提高，單模傳輸?shù)木窒扌灾饾u凸顯。多模波導(dǎo)的引入為解決這些問題提供了新的途徑。通過精確控制多模波導(dǎo)中的模式耦合和傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度、更低的損耗和更強(qiáng)的功能拓展。在模式復(fù)用通信中，多模耦合技術(shù)能夠?qū)⒍鄠€信號加載到不同的模式上進(jìn)行傳輸，從而大大提高了光纖的傳輸容量。通過設(shè)計(jì)高效的模式復(fù)用/解復(fù)用器和多模光纖-芯片耦合器，可以實(shí)現(xiàn)多模信號在光纖和硅基芯片之間的高效傳輸和轉(zhuǎn)換。在多模光纖通信系統(tǒng)中，利用多模耦合器將不同模式的光信號耦合到一根光纖中傳輸，在接收端再通過解復(fù)用器將不同模式的信號分離出來，從而實(shí)現(xiàn)了一根光纖傳輸多路信號的功能，有效提升了通信系統(tǒng)的容量和效率。多模傳輸特性的研究還可以用于優(yōu)化硅基光波導(dǎo)器件的性能。例如，通過合理設(shè)計(jì)多模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以減小波導(dǎo)的彎曲損耗和模式色散，提高光信號的傳輸質(zhì)量。對于彎曲波導(dǎo)，傳統(tǒng)的單模波導(dǎo)在彎曲半徑較小時會產(chǎn)生較大的損耗，而多模波導(dǎo)可以通過模式轉(zhuǎn)換和耦合來降低彎曲損耗，從而實(shí)現(xiàn)更加緊湊的器件設(shè)計(jì)。在陣列波導(dǎo)光柵（AWG）等波長解復(fù)用器件中，利用多模傳輸特性可以減小相位誤差，提高器件的波長分辨率和信道隔離度。多模硅基光子學(xué)的發(fā)展還為新功能器件的研發(fā)提供了可能。例如，基于高階模式輔助的光子器件，如偏振控制器件、多模布拉格光柵濾波器和色散補(bǔ)償器等，能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活和高性能的光信號處理功能?；诟唠A模輔助的偏振旋轉(zhuǎn)器可以實(shí)現(xiàn)片上偏振態(tài)的靈活調(diào)控，滿足光通信和光傳感等領(lǐng)域?qū)ζ窨刂频男枨?；多模布拉格光柵濾波器利用基模-高階模轉(zhuǎn)換器和模式復(fù)用/解復(fù)用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高性能的多端口濾波功能，解決了傳統(tǒng)布拉格光柵需要環(huán)形器的問題，為光信號的濾波和波長選擇提供了新的解決方案。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀硅基光學(xué)信息處理器件多模耦合及傳輸?shù)难芯吭趪鴥?nèi)外都取得了顯著進(jìn)展，同時也面臨著一些待解決的問題。國外方面，在模式復(fù)用通信領(lǐng)域，比利時校際微電子中心（imec）、比利時根特大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對多模復(fù)用技術(shù)展開了深入研究。[具體文獻(xiàn)1]中，他們致力于解決多模復(fù)用光纖系統(tǒng)中多通道、高效率、低成本模式復(fù)用器件的問題，研究了三維激光直寫波導(dǎo)、熔融光纖光子燈籠、多平面光轉(zhuǎn)換等技術(shù)，這些技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出了不錯的效果，但在降低模式復(fù)用技術(shù)的復(fù)雜度和成本方面仍有待改進(jìn)。在多模波導(dǎo)器件性能優(yōu)化方面，美國的一些研究團(tuán)隊(duì)在[具體文獻(xiàn)2]中通過對多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，減小了波導(dǎo)的彎曲損耗和模式色散。例如，他們通過精確控制多模波導(dǎo)的尺寸和折射率分布，實(shí)現(xiàn)了對模式傳輸特性的有效調(diào)控，從而提高了光信號的傳輸質(zhì)量。在彎曲波導(dǎo)的研究中，通過引入特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如漸變折射率結(jié)構(gòu)或周期性結(jié)構(gòu)，降低了彎曲損耗，使得多模波導(dǎo)在彎曲半徑較小時仍能保持較低的損耗，為實(shí)現(xiàn)更加緊湊的器件設(shè)計(jì)提供了可能。高階模式輔助的光子器件研究也取得了一定成果。[具體文獻(xiàn)3]中，國外研究人員對基于高階模式輔助的偏振控制器件、多模布拉格光柵濾波器和色散補(bǔ)償器等進(jìn)行了研究。在偏振控制器件方面，通過精確控制高階模式的激發(fā)和傳播，實(shí)現(xiàn)了片上偏振態(tài)的靈活調(diào)控，滿足了光通信和光傳感等領(lǐng)域?qū)ζ窨刂频膰?yán)格要求；在多模布拉格光柵濾波器的研究中，利用基模-高階模轉(zhuǎn)換器和模式復(fù)用/解復(fù)用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高性能的多端口濾波功能，解決了傳統(tǒng)布拉格光柵需要環(huán)形器的問題，為光信號的濾波和波長選擇提供了新的解決方案。國內(nèi)在該領(lǐng)域也有不少重要成果。香港科技大學(xué)（廣州）童業(yè)煜教授團(tuán)隊(duì)在[具體文獻(xiàn)4]中取得了突破性進(jìn)展，他們利用硅光集成芯片成功建立了多模復(fù)用和傳算融合的片間光纖互連通信系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)提出了四向?qū)ΨQ的多模啁啾光柵耦合器結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了高效率地、選擇性激發(fā)8個光纖的線性偏振模式，并且能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)的硅光流片工藝。結(jié)合亞波長Mikaelian透鏡結(jié)構(gòu)的模斑大小轉(zhuǎn)換器，將芯光互連IO接口的尺寸壓縮到35×35μm2，在傳輸效率、模式數(shù)目、結(jié)構(gòu)尺寸上均取得了有效突破。為了解決模間信號串?dāng)_的問題，課題組利用馬赫曾德干涉器構(gòu)成的可重構(gòu)片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，將信號傳輸與運(yùn)算結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了只需通過片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的一次傳輸，就能解決多模信號光纖傳輸后的模間串?dāng)_問題，最終通過傳算融合的硅光集成芯片，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了6個偏振及模式信號的片間通信和信號光域處理，有望以芯片集成方案降低應(yīng)用成本和大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，推動光互連、光計(jì)算、光傳感等領(lǐng)域的發(fā)展。浙江大學(xué)戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)聚焦于多模硅基光子學(xué)的發(fā)展，在[具體文獻(xiàn)5]中回顧和總結(jié)了近年來該領(lǐng)域面向不同應(yīng)用的重要進(jìn)展。在面向模式復(fù)用的多模光子器件研究方面，對模式復(fù)用/解復(fù)用器、多模彎曲波導(dǎo)、多模波導(dǎo)交叉等關(guān)鍵元件進(jìn)行了深入研究。在模式復(fù)用/解復(fù)用器的設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高了復(fù)用和解復(fù)用的效率和精度；在多模彎曲波導(dǎo)的研究中，關(guān)注了其損耗和模式通道串?dāng)_問題，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，降低了彎曲損耗和串?dāng)_；在多模波導(dǎo)交叉的設(shè)計(jì)中，兼顧了基模及高階模的傳輸損耗與通道串?dāng)_問題，提出了有效的解決方案。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了超越單模條件的“展寬硅光波導(dǎo)器件”體系，包括超低損耗波導(dǎo)、超高品質(zhì)因子（Q）微環(huán)諧振器、低相位誤差光子器件等。利用遠(yuǎn)超單模條件的均勻展寬波導(dǎo)，采用標(biāo)準(zhǔn)流片工藝獲得了極低損耗硅光波導(dǎo)基模傳輸；基于模場調(diào)控的超低損耗均勻展寬波導(dǎo)為實(shí)現(xiàn)超高Q硅光微腔提供了一種更具競爭力的方案；基于展寬波導(dǎo)降低隨機(jī)相位誤差的機(jī)制極大地提高了陣列波導(dǎo)光柵（AWG）與馬赫-曾德爾干涉儀光開關(guān)（MZS）中相移區(qū)波導(dǎo)的容差，實(shí)現(xiàn)了前所未有的極低串?dāng)_AWG器件以及近零隨機(jī)相位誤差MZS及陣列。盡管國內(nèi)外在硅基光學(xué)信息處理器件多模耦合及傳輸方面取得了眾多成果，但仍存在一些待解決的問題。多模復(fù)用技術(shù)中，如何進(jìn)一步降低模式復(fù)用器件的復(fù)雜度和成本，以及如何更有效地解決模間信號串?dāng)_問題，仍然是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在多模波導(dǎo)器件的集成方面，如何實(shí)現(xiàn)更高密度的集成，以及如何提高不同模式之間的耦合效率和穩(wěn)定性，也是需要深入研究的方向。對于高階模式輔助的光子器件，雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但在器件的性能優(yōu)化、可靠性提高以及與其他光電器件的集成等方面，還需要進(jìn)一步的研究和探索。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究硅基光學(xué)信息處理器件中的多模耦合及傳輸特性，通過理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，優(yōu)化器件性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，為硅基光電子技術(shù)的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。圍繞這一目標(biāo)，本研究的主要內(nèi)容如下：多模耦合原理與機(jī)制研究：深入研究硅基光波導(dǎo)中多模耦合的基本原理，包括模式間的相互作用、耦合條件和耦合系數(shù)的計(jì)算方法。基于耦合模理論，建立精確的多模耦合模型，分析不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對耦合特性的影響，如波導(dǎo)的折射率分布、截面尺寸、長度以及彎曲半徑等因素。通過數(shù)值模擬和理論分析，揭示多模耦合的內(nèi)在機(jī)制，為后續(xù)的器件設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。多模傳輸特性分析：研究多模在硅基光波導(dǎo)中的傳輸特性，包括模式色散、損耗特性和傳輸穩(wěn)定性。分析模式色散對光信號傳輸?shù)挠绊?，探索減小模式色散的方法，如優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、采用特殊的折射率分布或引入色散補(bǔ)償技術(shù)。研究不同模式在傳輸過程中的損耗特性，分析損耗的來源和影響因素，如材料吸收、散射損耗以及彎曲損耗等。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量，獲得多模傳輸?shù)膿p耗參數(shù)，為器件的性能評估提供依據(jù)。此外，還將研究多模傳輸?shù)姆€(wěn)定性，分析外界因素（如溫度、應(yīng)力等）對多模傳輸?shù)挠绊?，提出相?yīng)的穩(wěn)定措施。多模耦合及傳輸對器件性能的影響研究：分析多模耦合及傳輸特性對硅基光學(xué)信息處理器件性能的影響，如光調(diào)制器、探測器、光開關(guān)等器件。研究多模耦合對光調(diào)制器調(diào)制效率和帶寬的影響，通過優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高調(diào)制器的性能。探討多模傳輸對探測器響應(yīng)度和噪聲特性的影響，提出改進(jìn)探測器性能的方法。研究多模耦合及傳輸在光開關(guān)中的應(yīng)用，分析其對開關(guān)速度和消光比的影響，優(yōu)化光開關(guān)的設(shè)計(jì)，提高其性能指標(biāo)。通過對這些器件的研究，揭示多模耦合及傳輸與器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)?；诙嗄ｑ詈霞皞鬏?shù)墓杌鈱W(xué)信息處理器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化：根據(jù)多模耦合及傳輸?shù)难芯拷Y(jié)果，設(shè)計(jì)新型的硅基光學(xué)信息處理器件，如多模復(fù)用/解復(fù)用器、多模波導(dǎo)交叉器件、多模光放大器等。利用數(shù)值模擬工具，對器件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效的多模耦合和傳輸，提高器件的性能。例如，在多模復(fù)用/解復(fù)用器的設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)和模式轉(zhuǎn)換機(jī)制，提高復(fù)用和解復(fù)用的效率和精度；在多模波導(dǎo)交叉器件的設(shè)計(jì)中，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小交叉點(diǎn)處的模式串?dāng)_和損耗。同時，考慮器件的集成性和兼容性，使其能夠與其他硅基光電器件集成在同一芯片上，實(shí)現(xiàn)高度集成的硅基光電子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用案例分析：制作基于多模耦合及傳輸?shù)墓杌鈱W(xué)信息處理器件樣品，采用先進(jìn)的微納加工技術(shù)和測試手段，對器件的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測量，獲取器件的多模耦合及傳輸特性參數(shù)，如耦合效率、模式轉(zhuǎn)換效率、傳輸損耗、模式色散等，并與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證理論模型和設(shè)計(jì)方法的正確性。同時，開展應(yīng)用案例分析，將所設(shè)計(jì)的器件應(yīng)用于光通信、光計(jì)算、光傳感等領(lǐng)域，驗(yàn)證其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。例如，將多模復(fù)用/解復(fù)用器應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，測試其對信號傳輸容量和質(zhì)量的提升效果；將多模光放大器應(yīng)用于光傳感系統(tǒng)中，驗(yàn)證其對微弱光信號的放大能力和傳感精度的提高。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用案例分析，為器件的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。二、硅基光學(xué)信息處理器件概述2.1硅基光電子器件發(fā)展歷程硅基光電子器件的發(fā)展歷程是一部不斷創(chuàng)新與突破的科技進(jìn)步史，它緊密伴隨著硅光子技術(shù)的演進(jìn)以及集成技術(shù)的革新。從早期基于硅光子技術(shù)的簡單器件到如今高度集成化的復(fù)雜器件，這一發(fā)展脈絡(luò)見證了光電子領(lǐng)域從萌芽到蓬勃發(fā)展的全過程。硅基光電子器件的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時科學(xué)家們開始探索利用硅材料的光電特性。在這一時期，硅光子學(xué)的初步研究主要聚焦于光學(xué)波導(dǎo)和光電器件的制備。由于硅材料在電子領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了卓越的性能，并且具備成熟的加工工藝，科學(xué)家們自然地將目光投向了利用硅來實(shí)現(xiàn)光信號的處理和傳輸，這一探索為硅基光電子器件的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。早期的硅基光電子器件主要基于硅光子技術(shù)，通過硅波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光信號傳輸。這些早期的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相對簡單，僅能實(shí)現(xiàn)基本的光信號傳導(dǎo)功能，信號傳輸損耗較大，性能也較為有限。到了20世紀(jì)80年代，隨著集成光路（IOL）技術(shù)的出現(xiàn)，硅基光電子技術(shù)迎來了重要的發(fā)展契機(jī)，開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。集成光路技術(shù)的核心在于將光電器件和波導(dǎo)集成到單個芯片上，這一突破徹底改變了光電子器件的設(shè)計(jì)和制造模式。通過集成化，不僅減小了器件的體積，還提高了器件的性能和可靠性，使得硅基光電子器件在通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在這一時期，硅基光探測器、光調(diào)制器等器件逐漸得到發(fā)展，它們能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的檢測和調(diào)制功能，為光通信系統(tǒng)的構(gòu)建提供了關(guān)鍵組件。然而，當(dāng)時的集成技術(shù)還不夠成熟，器件的集成度和性能仍有待進(jìn)一步提高。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著硅光電子技術(shù)的不斷成熟以及市場需求的持續(xù)增長，其在光通信、數(shù)據(jù)中心、傳感和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。硅光電子技術(shù)的快速發(fā)展得益于材料科學(xué)、微電子工藝和光子學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新。在材料方面，科學(xué)家們不斷探索新的硅基材料體系和摻雜技術(shù)，以改善硅材料的光電性能；在微電子工藝方面，光刻、蝕刻、離子注入、化學(xué)氣相沉積等工藝不斷進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的器件制造；在光子學(xué)技術(shù)方面，對光的傳輸、調(diào)制、探測等原理的深入研究，為新型硅基光電子器件的設(shè)計(jì)提供了理論支持。如今，硅光電子技術(shù)已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個重要分支，對推動信息時代的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。近年來，硅基光電子器件在高速通信、數(shù)據(jù)中心和光互連等領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用，推動了光電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。在高速通信領(lǐng)域，隨著5G通信和數(shù)據(jù)中心對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷增長，硅基光通信器件，如硅基光調(diào)制器、探測器和光收發(fā)模塊等，發(fā)揮著越來越重要的作用。這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)高速光信號的產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸和探測，有效提升了光通信系統(tǒng)的傳輸速率和容量。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的短距離光互連中，基于硅基光子集成技術(shù)的光模塊已得到廣泛應(yīng)用，顯著提高了數(shù)據(jù)中心的通信效率和能源利用率。在光互連領(lǐng)域，硅基光電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的光信號傳輸，為芯片之間、電路板之間以及系統(tǒng)之間的高速互連提供了可靠的解決方案。在傳感領(lǐng)域，硅基光傳感器具有高靈敏度、高精度、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種物理量、化學(xué)量和生物量的快速、準(zhǔn)確檢測，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在發(fā)展歷程中，硅基光電子器件不斷朝著更高集成度、更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。新型硅基光電子器件，如硅光子晶體、硅納米線等不斷涌現(xiàn)，這些器件具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性，為光電子產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。硅光子晶體利用光子帶隙特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對光的精確控制和操縱，可用于制造高性能的光濾波器、光開關(guān)等器件；硅納米線則具有小尺寸效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，能夠提高光電器件的性能和靈敏度。此外，硅基光電子器件與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的結(jié)合，也為光電子產(chǎn)業(yè)開辟了新的發(fā)展方向。將硅基光電子器件應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、低能耗的光計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為人工智能的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。2.2硅基光學(xué)信息處理器件分類與特點(diǎn)硅基光學(xué)信息處理器件種類繁多，根據(jù)其功能和作用的不同，可大致分為光發(fā)射器、光接收器、光調(diào)制器、光放大器等幾類。這些器件在光信號的產(chǎn)生、傳輸、處理和探測等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，且各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)。光發(fā)射器是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的器件，常見的硅基光發(fā)射器有發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）。硅基LED基于PN結(jié)的電子與空穴復(fù)合原理工作，當(dāng)電流通過PN結(jié)時，電子和空穴在結(jié)區(qū)復(fù)合，釋放出能量以光子的形式輻射出來。其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、發(fā)光效率較高且能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率通常在10%-20%之間，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的白熾燈。通過摻雜不同的雜質(zhì)元素，如氮、砷、磷等，可調(diào)節(jié)其發(fā)光顏色。然而，硅基LED也存在一些局限性，如發(fā)光功率相對較低、調(diào)制速度有限等，在一些對光功率和調(diào)制速率要求較高的應(yīng)用場景中受到一定限制。光接收器則負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，硅基光電探測器是最常見的光接收器。其工作原理是基于光生伏特效應(yīng)或光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)光子照射到探測器的光敏面上時，產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流。硅基光電探測器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、噪聲低等特點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地檢測光信號的變化。在光通信領(lǐng)域，高速硅基光電探測器可實(shí)現(xiàn)對高速光信號的快速響應(yīng)，滿足通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；在光傳感領(lǐng)域，高靈敏度的硅基光電探測器能夠檢測到微弱的光信號，實(shí)現(xiàn)對各種物理量、化學(xué)量和生物量的高精度傳感。不過，硅基光電探測器的響應(yīng)波長范圍相對較窄，在一些需要寬波長范圍檢測的應(yīng)用中，可能需要采用特殊的材料或結(jié)構(gòu)來拓展其響應(yīng)范圍。光調(diào)制器用于對光信號的強(qiáng)度、相位、頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)信息的加載和傳輸。硅基光調(diào)制器主要基于電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)或等離子體色散效應(yīng)等原理工作?；陔姽庑?yīng)的硅基光調(diào)制器具有調(diào)制速度快、帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速光信號的調(diào)制，適用于高速光通信和光計(jì)算等領(lǐng)域；基于熱光效應(yīng)的光調(diào)制器雖然調(diào)制速度相對較慢，但具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn)，在一些對調(diào)制速度要求不高但對功耗和成本較為敏感的應(yīng)用場景中具有一定優(yōu)勢。硅基光調(diào)制器還具有易于集成的特點(diǎn)，能夠與其他硅基光電器件集成在同一芯片上，實(shí)現(xiàn)高度集成的光電子系統(tǒng)。然而，光調(diào)制器在調(diào)制過程中可能會引入一定的信號失真和損耗，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝來降低這些負(fù)面影響。光放大器用于對光信號進(jìn)行放大，以補(bǔ)償光信號在傳輸過程中的損耗。硅基光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器（SOA）和基于稀土摻雜的硅基光放大器。SOA基于受激輻射原理工作，具有增益高、帶寬寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效放大光信號。其在光通信系統(tǒng)中可用于延長光信號的傳輸距離，提高通信系統(tǒng)的性能；基于稀土摻雜的硅基光放大器，如摻鉺硅基光放大器，利用稀土離子的能級特性實(shí)現(xiàn)光信號的放大，具有低噪聲、高增益等特點(diǎn)。但硅基光放大器也面臨著一些挑戰(zhàn)，如噪聲系數(shù)較高、與硅基材料的兼容性有待進(jìn)一步提高等問題，需要通過改進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)來解決?？傮w而言，硅基光學(xué)信息處理器件具有諸多顯著特點(diǎn)。其高集成度使得多個光電器件能夠集成在同一硅基芯片上，大大減小了系統(tǒng)的體積和重量，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)中心的光互連模塊中，通過將光發(fā)射器、光接收器、光調(diào)制器等器件集成在一個硅基芯片上，不僅減小了模塊的尺寸，還降低了信號傳輸過程中的損耗和干擾。硅基光電器件的低功耗特性也符合現(xiàn)代信息技術(shù)對能源效率的要求，能夠有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。與傳統(tǒng)光電子器件相比，硅基光電器件在材料、工藝和器件結(jié)構(gòu)上具有顯著優(yōu)勢。硅材料來源豐富、成本低廉，且具有成熟的CMOS制造工藝，這使得硅基光電器件的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能，降低了生產(chǎn)成本。在工藝方面，先進(jìn)的光刻、蝕刻、離子注入等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的器件制造，提高器件的性能和可靠性；在器件結(jié)構(gòu)上，硅基光電器件能夠充分利用硅材料的特性，設(shè)計(jì)出更加緊湊、高效的結(jié)構(gòu)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。2.3硅基光電子器件材料與工藝硅基光電子器件的性能在很大程度上依賴于材料特性以及制造工藝，硅材料的特性對器件性能有著基礎(chǔ)性的影響，而光刻、蝕刻等制造工藝則在器件的制備過程中起著關(guān)鍵作用。硅材料在電子和光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了諸多優(yōu)異特性，這使其成為硅基光電子器件的核心材料。硅是地殼中含量極為豐富的元素，這為其大規(guī)模應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，顯著降低了生產(chǎn)成本。硅具有較高的折射率，在1.55μm波長處約為3.45，這一特性使得光能夠在硅基波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)有效束縛和低損耗傳輸。較高的折射率意味著光在硅材料中傳播時，能夠被更好地限制在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，減少光的泄漏和散射損耗，從而提高光信號的傳輸效率。硅還具備良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，這使得硅基光電子器件在不同的工作環(huán)境下都能保持較為穩(wěn)定的性能。在高溫或低溫環(huán)境中，硅基器件的性能變化較小，能夠可靠地工作，為其在各種復(fù)雜應(yīng)用場景中的使用提供了保障。然而，硅材料也存在一些局限性，這些局限性對硅基光電子器件的性能產(chǎn)生了一定的制約。硅的間接帶隙特性（約為1.1eV）導(dǎo)致其發(fā)光效率較低，這在需要高效發(fā)光的應(yīng)用場景中成為了一個關(guān)鍵問題，如光發(fā)射器的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的硅基發(fā)光二極管中，由于間接帶隙的存在，電子與空穴復(fù)合時產(chǎn)生光子的概率較低，從而限制了發(fā)光效率的提升。為了解決這一問題，研究人員通常采用與其他材料（如Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體）相結(jié)合的方式，利用這些材料的直接帶隙特性來實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光。在硅基上集成Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體材料，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過精確控制材料的生長和界面特性，實(shí)現(xiàn)了高效的光發(fā)射，為硅基光發(fā)射器的性能提升提供了有效的解決方案。光刻工藝是硅基光電子器件制造中的關(guān)鍵步驟，它對器件的性能有著多方面的重要影響。光刻的主要作用是將設(shè)計(jì)好的電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到硅片上，其分辨率直接決定了器件的最小特征尺寸。隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，如極紫外（EUV）光刻技術(shù)的出現(xiàn)，光刻分辨率得到了顯著提高，能夠?qū)崿F(xiàn)更小尺寸的器件制造。在先進(jìn)的硅基光電子器件中，通過EUV光刻技術(shù)，可以將波導(dǎo)的寬度、光電器件的尺寸等精確控制在納米量級，這對于提高器件的集成度和性能具有重要意義。更小的特征尺寸意味著可以在單位面積的硅片上集成更多的器件，從而實(shí)現(xiàn)更高的集成度；同時，更小的尺寸還可以減少信號傳輸?shù)难舆t和損耗，提高器件的工作速度和效率。光刻過程中的對準(zhǔn)精度也是影響器件性能的重要因素。在多層結(jié)構(gòu)的硅基光電子器件中，各層之間的對準(zhǔn)精度要求極高。如果對準(zhǔn)精度不足，會導(dǎo)致波導(dǎo)之間的連接偏差、光電器件的位置偏移等問題，從而增加光信號的傳輸損耗和串?dāng)_。在制備包含多個波導(dǎo)層和光電器件層的硅基光子集成電路時，各層之間的對準(zhǔn)誤差需要控制在幾納米以內(nèi)，以確保光信號能夠在不同層之間準(zhǔn)確傳輸，減少信號的衰減和干擾。蝕刻工藝同樣在硅基光電子器件制造中發(fā)揮著不可或缺的作用。蝕刻工藝用于去除硅片上不需要的材料，從而形成精確的器件結(jié)構(gòu)。在硅基波導(dǎo)的制作中，通過蝕刻工藝可以精確控制波導(dǎo)的形狀、尺寸和表面粗糙度。波導(dǎo)的形狀和尺寸對光信號的傳輸特性有著直接影響，精確的形狀和尺寸控制能夠確保光信號在波導(dǎo)中以最低的損耗傳輸。通過優(yōu)化蝕刻工藝，使得波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度降低到納米量級，從而減少了光信號在波導(dǎo)傳輸過程中的散射損耗，提高了波導(dǎo)的傳輸效率。蝕刻過程中的各向異性和選擇比也對器件性能有著重要影響。各向異性蝕刻能夠?qū)崿F(xiàn)垂直的側(cè)壁結(jié)構(gòu)，這對于提高器件的集成度和性能至關(guān)重要。在制作高密度的硅基光電子器件時，垂直的側(cè)壁結(jié)構(gòu)可以減少器件之間的間距，提高集成度。而選擇比則決定了蝕刻過程中對不同材料的選擇性，高選擇比能夠確保在蝕刻過程中只去除目標(biāo)材料，而不損傷周圍的其他材料，從而保證器件結(jié)構(gòu)的完整性和性能的穩(wěn)定性。在蝕刻硅基光電器件中的二氧化硅絕緣層時，需要高選擇比的蝕刻工藝，以確保在去除二氧化硅的同時，不會對周圍的硅材料和其他器件結(jié)構(gòu)造成損害。三、多模耦合原理及相關(guān)理論3.1多模耦合基本概念多模耦合，從本質(zhì)上來說，是指在一個光學(xué)系統(tǒng)中，多個光模式之間發(fā)生相互作用，導(dǎo)致能量在這些模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的過程。在硅基光波導(dǎo)這一特定的環(huán)境中，由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料特性的影響，光信號能夠以多種不同的模式進(jìn)行傳播。這些模式在傳播過程中，當(dāng)滿足特定條件時，就會發(fā)生耦合現(xiàn)象。多模耦合在光信號處理中扮演著舉足輕重的角色。在模式復(fù)用通信領(lǐng)域，多模耦合技術(shù)的應(yīng)用使得一根光纖能夠同時傳輸多個信號，極大地提高了光纖的傳輸容量。通過將不同的信號加載到不同的模式上，利用多模耦合器將這些模式耦合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端再通過解復(fù)用器將不同模式的信號分離出來，從而實(shí)現(xiàn)了高速、大容量的通信。在一個典型的多模光纖通信系統(tǒng)中，通過多模耦合技術(shù)，可以在一根光纖中同時傳輸多個不同波長和模式的光信號，顯著提升了通信系統(tǒng)的傳輸效率和容量，滿足了當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。在光?jì)算領(lǐng)域，多模耦合同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。利用多模波導(dǎo)中的模式耦合特性，可以實(shí)現(xiàn)光信號的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。通過控制不同模式之間的耦合強(qiáng)度和相位關(guān)系，可以構(gòu)建出各種光邏輯門和光計(jì)算單元，為光計(jì)算的發(fā)展提供了新的途徑。在基于硅基多模波導(dǎo)的光邏輯門設(shè)計(jì)中，通過精確控制多模耦合過程，實(shí)現(xiàn)了光信號的與、或、非等邏輯運(yùn)算，展示了多模耦合在光計(jì)算領(lǐng)域的巨大潛力。在光傳感領(lǐng)域，多模耦合也有著廣泛的應(yīng)用。基于多模耦合的光傳感器能夠?qū)Ω鞣N物理量、化學(xué)量和生物量進(jìn)行高精度檢測。在基于多模波導(dǎo)的溫度傳感器中，溫度的變化會導(dǎo)致波導(dǎo)材料的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而影響多模耦合的特性，通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對溫度的精確測量。在生物傳感器中，利用多模耦合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測，通過將生物分子固定在波導(dǎo)表面，當(dāng)生物分子與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生相互作用時，會引起波導(dǎo)表面折射率的變化，從而影響多模耦合過程，通過檢測光信號的變化就可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的檢測。3.2多模光纖耦合器工作原理多模光纖耦合器是一種專門為多模光纖設(shè)計(jì)的光學(xué)耦合器件，在光纖通信、光纖傳感、光纖測量以及工業(yè)自動化等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其主要功能是實(shí)現(xiàn)光信號的分路（分支）或合路（組合），確保光信號在光纖網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸和分配。多模光纖耦合器的工作原理基于光的波導(dǎo)效應(yīng)和折射原理。當(dāng)光信號從一根多模光纖輸入到耦合器時，由于光纖折射率的變化，部分光信號會被引導(dǎo)進(jìn)入耦合器的核心區(qū)域。多模光纖的芯徑相對較大，能夠同時傳輸多個光模式。以階躍型多模光纖為例，其折射率分布呈現(xiàn)出芯層折射率高于包層折射率的特點(diǎn)，這種折射率的差異使得光在光纖中傳播時，能夠以不同的模式在芯層中傳輸。當(dāng)光信號進(jìn)入耦合器時，由于耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的折射率分布與光纖不同，光信號會發(fā)生折射，部分光信號進(jìn)入耦合器的核心區(qū)域。在這個過程中，根據(jù)折射定律n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2（其中n_1和n_2分別為兩種介質(zhì)的折射率，\theta_1和\theta_2分別為入射角和折射角），光信號的傳播方向會發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)從光纖到耦合器的傳輸。在耦合器的核心區(qū)域內(nèi)，光信號會經(jīng)歷復(fù)雜的干涉和衍射過程，最終實(shí)現(xiàn)光能量在不同輸出光纖之間的分配。在多模波導(dǎo)中，多個導(dǎo)模沿著波的傳播方向互相干涉，在周期性的間隔處出現(xiàn)輸入場的一個或多個復(fù)制的映像，這就是多模波導(dǎo)的自映像效應(yīng)。以2\times2多模光纖耦合器為例，當(dāng)光信號輸入到耦合器的多模波導(dǎo)區(qū)域時，不同模式的光信號會在傳播過程中發(fā)生干涉。假設(shè)輸入光場\psi(y,0)從z=0處輸入，輸入場可以寫成所有模（包括輻射模）的線性疊加\psi(y,0)=\sum_{\nu}C_{\nu}\psi_{\nu}(y)，其中\(zhòng)psi_{\nu}(y)為\nu次模的光場分布，C_{\nu}為場激勵系數(shù)。在多模波導(dǎo)任一截面場分布可以寫成所有導(dǎo)模的疊加\psi(y,z)=\sum_{\nu=0}^{m-1}C_{\nu}\psi_{\nu}(y)e^{j(\beta_{\nu}-\beta_0)z}。由于不同模式傳播速度不同，存在著傳播常數(shù)差，當(dāng)z不等于0時，不同模式的相位發(fā)生了相對移動，從而使不同模式間的相位關(guān)系與入射時候不再相同。正是由于這種不同模式間的相位的相對移動，使得多模波導(dǎo)不同位置處光場橫向分布和多模波導(dǎo)起始端（z=0處）的光場橫向分布比較發(fā)生了變化。在特定的位置，不同模式的光信號會發(fā)生相長干涉或相消干涉，從而實(shí)現(xiàn)光能量在不同輸出端口的分配。通過精確控制光纖的幾何參數(shù)（如光纖的直徑、長度、波導(dǎo)的寬度和高度等）和材料屬性（如折射率等），可以設(shè)計(jì)出具有特定分光比（即輸入光信號在各個輸出端的分配比例）的多模光纖耦合器。3.3多模干涉耦合器理論分析多模干涉耦合器（MMI）作為一種重要的集成光學(xué)器件，在光通信、光計(jì)算和光傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理基于多模波導(dǎo)中的自映像效應(yīng)，這一效應(yīng)使得光信號在多模波導(dǎo)中傳播時，能夠在特定位置產(chǎn)生輸入光場的一個或多個復(fù)制的映像。對多模干涉耦合器的理論分析主要基于自映像理論和模式傳輸分析法，這兩種方法從不同角度揭示了多模干涉耦合器的工作機(jī)制和性能特點(diǎn)。多模干涉耦合器的自映像理論最早可以追溯到1836年Tabolt提出的自成像現(xiàn)象。1973年，Bryngdahl首次提出了在平面介質(zhì)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)自映像的可能性。隨后，Ulrich等用模式分析法首次解釋了多模干涉的成像原理與規(guī)律。自映像理論的核心是多模波導(dǎo)中多個導(dǎo)模沿著波的傳播方向互相干涉，在周期性的間隔處出現(xiàn)輸入場的一個或多個復(fù)制的映像。對于一個N??N的MMI來說，其成像原理可以簡單地表述為：對于任一輸入光場，在多模波導(dǎo)中沿光場傳輸方向上將周期性地出現(xiàn)輸入光場的一個或者多個像的效應(yīng)。假設(shè)輸入光場\psi(y,0)從z=0處輸入，輸入場可以寫成所有模（包括輻射模）的線性疊加\psi(y,0)=\sum_{\nu}C_{\nu}\psi_{\nu}(y)，其中\(zhòng)psi_{\nu}(y)為\nu次模的光場分布，C_{\nu}為場激勵系數(shù)。在多模波導(dǎo)任一截面場分布可以寫成所有導(dǎo)模的疊加\psi(y,z)=\sum_{\nu=0}^{m-1}C_{\nu}\psi_{\nu}(y)e^{j(\beta_{\nu}-\beta_0)z}。由于不同模式傳播速度不同，存在著傳播常數(shù)差，當(dāng)z不等于0時，不同模式的相位發(fā)生了相對移動，從而使不同模式間的相位關(guān)系與入射時候不再相同。正是由于這種不同模式間的相位的相對移動，使得多模波導(dǎo)不同位置處光場橫向分布和多模波導(dǎo)起始端（z=0處）的光場橫向分布比較發(fā)生了變化。在特定的位置，不同模式的光信號會發(fā)生相長干涉或相消干涉，從而形成輸入光場的自映像。自映像的位置和強(qiáng)度取決于多模波導(dǎo)的參數(shù)（如波導(dǎo)寬度、折射率、長度等）以及輸入光場的特性（如模式組成、相位關(guān)系等）。通過精確控制這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對自映像的位置、強(qiáng)度和模式分布的精確控制，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。模式傳輸分析法是研究多模干涉耦合器的另一種重要方法，它主要用于分析多模波導(dǎo)中的模場分布情況。在平板中存在橫電模（TE）和橫磁模（TM）兩種模式，兩種模式的區(qū)別在于電場和磁場的偏振方向。以TM模式為例，設(shè)多模波導(dǎo)的寬度為W_m，波導(dǎo)芯層和包層的折射率分別為n_1和n_2，輸入波長為\lambda_0時，支持m個波導(dǎo)模式傳播，用\nu=0,1,\cdots,(m-1)表示多模波導(dǎo)中不同模式的階數(shù)。設(shè)橫向的波數(shù)為k_{y\nu}，第\nu階模式的傳播常數(shù)為\beta_{\nu}，通過色散方程k_{y\nu}^2+\beta_{\nu}^2=k_0^2n_1^2（其中k_0=\frac{2\pi}{\lambda_0}），以及k_{y\nu}=(\nu+1)\frac{\pi}{W_{e,\nu}}可以得到各模式的橫向波數(shù)和傳播常數(shù)。大多數(shù)情況下，W_{e,\nu}可以等效看成其基模（W_e）的有效寬度，表達(dá)式為W_{e,\nu}\approxW_e=W_m+\frac{\lambda_0}{\pi}(\frac{n_2}{n_1})^2\sigma(n_1^2-n_2^2)^{-\frac{1}{2}}，其中\(zhòng)sigma代表極化因子，對于TE模式\sigma=0，TM模式\sigma=1。最低二階模式的拍長L_{\pi}可表示為L_{\pi}=\frac{\lambda_0}{2(n_{eff0}-n_{eff1})}，其中n_{eff0}和n_{eff1}分別為對應(yīng)的TE和TM模式的有效折射率。通過模式傳輸分析法，可以計(jì)算出不同模式在多模波導(dǎo)中的傳播常數(shù)、相位變化和模場分布，從而深入了解多模干涉耦合器的工作機(jī)制。在設(shè)計(jì)多模干涉耦合器時，可以利用模式傳輸分析法優(yōu)化波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效的模式耦合和傳輸，提高耦合器的性能。通過調(diào)整波導(dǎo)的寬度、長度和折射率分布，可以控制不同模式之間的耦合強(qiáng)度和相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對自映像的精確控制。在設(shè)計(jì)1×2的3dB多模干涉耦合器時，可以通過模式傳輸分析法優(yōu)化波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得輸入光信號能夠在兩個輸出端口實(shí)現(xiàn)等功率分配，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。四、硅基光學(xué)信息處理器件中的傳輸特性4.1光信號在硅基波導(dǎo)中的傳輸機(jī)制光信號在硅基波導(dǎo)中的傳輸是一個復(fù)雜的物理過程，其傳輸機(jī)制基于光的全反射原理。硅基波導(dǎo)通常由硅芯層和二氧化硅包層組成，硅的折射率（約為3.45）遠(yuǎn)高于二氧化硅（約為1.45），這種顯著的折射率差使得光能夠在硅芯層中實(shí)現(xiàn)有效束縛和低損耗傳輸。當(dāng)光以一定角度進(jìn)入硅基波導(dǎo)時，只要入射角大于臨界角，光就會在硅芯層與包層的界面處發(fā)生全反射，從而沿著波導(dǎo)的軸向傳播。在硅基波導(dǎo)中，光信號的傳輸模式分為單模傳輸和多模傳輸。單模傳輸是指波導(dǎo)中只存在一種傳播模式，通常為基模。在單模傳輸條件下，光信號能夠保持較為穩(wěn)定的傳輸特性，模式間的串?dāng)_較小，信號失真也相對較低。對于硅基波導(dǎo)，當(dāng)波導(dǎo)的尺寸（如寬度和高度）滿足一定條件時，就可以實(shí)現(xiàn)單模傳輸。在光通信領(lǐng)域，單模硅基波導(dǎo)常用于長距離光信號傳輸，因?yàn)槠淠軌蛴行p少信號的衰減和失真，保證信號的高質(zhì)量傳輸。多模傳輸則是指波導(dǎo)中存在多種傳播模式，除了基模外，還包括多個高階模。多模傳輸能夠提高波導(dǎo)的傳輸容量，但也會帶來一些問題，如模式色散和模式串?dāng)_。模式色散是指不同模式的光在波導(dǎo)中傳播速度不同，導(dǎo)致光信號在傳輸過程中發(fā)生展寬，從而限制了信號的傳輸速率和距離。在多模硅基波導(dǎo)中，高階模的傳播常數(shù)與基模不同，隨著傳輸距離的增加，不同模式之間的相位差逐漸增大，導(dǎo)致光信號的脈沖展寬，影響信號的傳輸質(zhì)量。模式串?dāng)_是指不同模式之間的能量相互耦合，導(dǎo)致信號的干擾和失真。在多模波導(dǎo)交叉或耦合結(jié)構(gòu)中，模式串?dāng)_可能會更加嚴(yán)重，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小串?dāng)_的影響。載流子色散效應(yīng)是影響光信號在硅基波導(dǎo)中傳輸?shù)闹匾蛩刂?。?dāng)硅基波導(dǎo)中存在載流子（如電子和空穴）時，載流子的濃度和分布會影響硅材料的折射率，從而對光信號的傳輸產(chǎn)生影響。載流子色散效應(yīng)主要通過自由載流子吸收和等離子體色散效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。自由載流子吸收是指當(dāng)光信號在硅基波導(dǎo)中傳播時，載流子會吸收光子的能量，從而導(dǎo)致光信號的衰減。在硅基光探測器中，自由載流子吸收會影響探測器的響應(yīng)度和噪聲特性，需要通過優(yōu)化探測器的結(jié)構(gòu)和材料來減小自由載流子吸收的影響。等離子體色散效應(yīng)是指載流子濃度的變化會導(dǎo)致硅材料的折射率發(fā)生變化，從而影響光信號的傳播常數(shù)和相位。在硅基光調(diào)制器中，利用等離子體色散效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對光信號的調(diào)制。通過施加電壓改變硅基波導(dǎo)中載流子的濃度，進(jìn)而改變波導(dǎo)的折射率，實(shí)現(xiàn)對光信號相位或強(qiáng)度的調(diào)制。在馬赫-曾德爾干涉型硅基光調(diào)制器中，通過在其中一條臂上施加電壓，改變該臂波導(dǎo)中的載流子濃度，從而改變該臂的折射率，使兩臂之間產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)對光信號的調(diào)制。材料吸收損耗也是影響光信號在硅基波導(dǎo)中傳輸?shù)闹匾蛩刂弧９璨牧媳旧碓谔囟úㄩL范圍內(nèi)存在一定的吸收損耗，這會導(dǎo)致光信號在傳輸過程中逐漸衰減。在1.55μm通信波長附近，硅材料的本征吸收損耗相對較低，但仍然會對光信號的傳輸產(chǎn)生一定的影響。雜質(zhì)吸收也是材料吸收損耗的一個來源，硅基波導(dǎo)中的雜質(zhì)（如過渡金屬離子等）會引入額外的吸收峰，增加光信號的衰減。為了減小材料吸收損耗，可以采用高純度的硅材料，并優(yōu)化波導(dǎo)的制備工藝，減少雜質(zhì)的引入。在硅基波導(dǎo)的制備過程中，通過嚴(yán)格控制原材料的純度和制備環(huán)境，可以有效降低雜質(zhì)吸收損耗，提高光信號的傳輸效率。散射損耗同樣會對光信號在硅基波導(dǎo)中的傳輸產(chǎn)生影響。散射損耗主要包括瑞利散射和米氏散射。瑞利散射是由于波導(dǎo)材料的折射率不均勻性引起的，其散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比。在硅基波導(dǎo)中，由于制備工藝的限制，波導(dǎo)材料可能存在一定的折射率波動，從而導(dǎo)致瑞利散射損耗。為了減小瑞利散射損耗，可以通過優(yōu)化波導(dǎo)的制備工藝，提高材料的均勻性。采用先進(jìn)的化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，可以精確控制硅基波導(dǎo)材料的成分和結(jié)構(gòu)，減少折射率的不均勻性，從而降低瑞利散射損耗。米氏散射則是由于波導(dǎo)中的缺陷（如顆粒、氣泡等）引起的，其散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系較為復(fù)雜。為了減小米氏散射損耗，需要在波導(dǎo)的制備過程中嚴(yán)格控制工藝條件，減少缺陷的產(chǎn)生。通過優(yōu)化光刻、蝕刻等工藝參數(shù)，提高波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的精度和完整性，減少缺陷的出現(xiàn)，從而降低米氏散射損耗。4.2傳輸特性對硅基光學(xué)信息處理器件性能的影響傳輸損耗對硅基光學(xué)信息處理器件性能有著至關(guān)重要的影響。在光信號傳輸過程中，傳輸損耗的存在會導(dǎo)致光信號強(qiáng)度逐漸減弱，從而降低信號的質(zhì)量和可靠性。對于長距離傳輸?shù)墓馔ㄐ畔到y(tǒng)而言，傳輸損耗是一個關(guān)鍵的限制因素。在長距離光纖通信中，每公里的傳輸損耗即使只有零點(diǎn)幾分貝，隨著傳輸距離的增加，信號的衰減也會變得非常顯著。當(dāng)傳輸損耗過大時，光信號可能會衰減到無法被有效檢測和處理的程度，導(dǎo)致通信中斷或數(shù)據(jù)傳輸錯誤。為了補(bǔ)償傳輸損耗，通常需要在傳輸線路中加入光放大器，但光放大器的使用不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，還可能引入額外的噪聲，進(jìn)一步影響信號質(zhì)量。在光傳感領(lǐng)域，傳輸損耗同樣會對傳感器的性能產(chǎn)生重要影響。在基于硅基波導(dǎo)的傳感器中，光信號在波導(dǎo)中傳輸時的損耗會影響傳感器的靈敏度和測量精度。在測量微弱的物理量或化學(xué)量時，傳輸損耗可能會導(dǎo)致光信號的變化被噪聲淹沒，從而無法準(zhǔn)確檢測到目標(biāo)信號。在生物傳感器中，光信號在波導(dǎo)中傳輸時的損耗可能會影響生物分子與光信號的相互作用，導(dǎo)致傳感器對生物分子的檢測靈敏度降低。帶寬作為光信號傳輸特性的另一個重要參數(shù)，對硅基光學(xué)信息處理器件的性能同樣有著深遠(yuǎn)的影響。帶寬決定了光信號能夠傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)速率，對于高速通信和光計(jì)算等應(yīng)用場景至關(guān)重要。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長，對通信帶寬的需求也越來越高。在5G通信和未來的6G通信中，需要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以滿足用戶對高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的需求。硅基光調(diào)制器作為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其帶寬性能直接影響著整個通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果光調(diào)制器的帶寬不足，就無法實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)調(diào)制和傳輸，限制了通信系統(tǒng)的性能。在光計(jì)算領(lǐng)域，帶寬同樣是影響光計(jì)算速度的關(guān)鍵因素。光計(jì)算利用光信號的并行性和高速特性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。在光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，光信號需要在不同的神經(jīng)元之間快速傳輸和處理，帶寬的限制可能會導(dǎo)致計(jì)算速度變慢，影響光計(jì)算的效率。如果光信號在波導(dǎo)中傳輸時的帶寬不足，就無法快速地將信息傳遞到各個神經(jīng)元，從而限制了光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度和性能。色散也是影響光信號傳輸質(zhì)量的重要因素之一，它主要包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散在多模傳輸中表現(xiàn)得尤為明顯，由于不同模式的光在波導(dǎo)中傳播速度不同，隨著傳輸距離的增加，不同模式之間的相位差逐漸增大，導(dǎo)致光信號的脈沖展寬，從而限制了信號的傳輸速率和距離。在多模硅基波導(dǎo)中，高階模的傳播常數(shù)與基模不同，當(dāng)光信號包含多個模式時，不同模式的光在傳輸過程中會逐漸分離，使得光脈沖的寬度逐漸增大。當(dāng)模式色散嚴(yán)重時，光信號的脈沖展寬可能會導(dǎo)致信號之間的干擾和重疊，影響信號的正確解調(diào)和解碼，從而降低通信系統(tǒng)的性能。材料色散是由于材料的折射率隨光的波長變化而引起的，不同波長的光在材料中傳播速度不同，導(dǎo)致光信號在傳輸過程中發(fā)生色散。在硅基光電子器件中，硅材料的折射率在不同波長下存在一定的變化，這會導(dǎo)致不同波長的光在硅基波導(dǎo)中傳播時的速度不同，從而產(chǎn)生材料色散。材料色散會使光信號的頻譜展寬，影響信號的傳輸質(zhì)量，尤其是在高速通信和高精度光傳感等應(yīng)用中，材料色散的影響更為顯著。在高速光通信中，材料色散可能會導(dǎo)致光信號的脈沖展寬和畸變，降低信號的信噪比，從而限制了通信系統(tǒng)的傳輸距離和數(shù)據(jù)速率。波導(dǎo)色散則是由波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和尺寸決定的，波導(dǎo)的幾何形狀和折射率分布會影響光在波導(dǎo)中的傳播特性，從而導(dǎo)致波導(dǎo)色散。在硅基波導(dǎo)中，波導(dǎo)的寬度、高度和折射率分布等參數(shù)的變化都會引起波導(dǎo)色散。波導(dǎo)色散會使光信號的傳播常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致光信號在傳輸過程中發(fā)生相位變化和脈沖展寬。在設(shè)計(jì)硅基光電子器件時，需要充分考慮波導(dǎo)色散的影響，通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，減小波導(dǎo)色散，提高光信號的傳輸質(zhì)量。在設(shè)計(jì)硅基光波導(dǎo)時，可以通過調(diào)整波導(dǎo)的寬度和高度，使其滿足特定的色散要求，從而減小波導(dǎo)色散對光信號傳輸?shù)挠绊憽?.3提升傳輸性能的方法與策略為了提升硅基光學(xué)信息處理器件的傳輸性能，可從多個方面入手，包括優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、選擇合適材料以及改進(jìn)制造工藝等。優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是提升傳輸性能的重要手段之一。通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)的形狀、尺寸和折射率分布，可以有效減小傳輸損耗和色散，提高光信號的傳輸質(zhì)量。在波導(dǎo)形狀設(shè)計(jì)方面，采用彎曲波導(dǎo)時，增大彎曲半徑能夠降低彎曲損耗。研究表明，當(dāng)彎曲半徑從10μm增大到50μm時，彎曲損耗可降低約一個數(shù)量級。采用特殊的彎曲結(jié)構(gòu)，如漸開線彎曲或S形彎曲，也能在一定程度上減小彎曲損耗。這些特殊結(jié)構(gòu)可以使光信號在彎曲過程中更加平穩(wěn)地過渡，減少能量的泄漏和散射。在波導(dǎo)尺寸優(yōu)化方面，減小波導(dǎo)的寬度和高度可以降低傳輸損耗，但同時也會增加模式串?dāng)_的風(fēng)險。因此，需要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。通過精確控制波導(dǎo)的尺寸，使其滿足特定的模式傳輸要求，可以在降低損耗的同時，有效控制模式串?dāng)_。對于單模波導(dǎo)，將波導(dǎo)寬度控制在0.4μm-0.6μm之間，高度控制在0.2μm-0.3μm之間，能夠?qū)崿F(xiàn)較低的傳輸損耗和較小的模式串?dāng)_。優(yōu)化波導(dǎo)的折射率分布也能顯著提升傳輸性能。通過采用漸變折射率分布或多層結(jié)構(gòu)，可以有效減小色散和模式串?dāng)_。在漸變折射率波導(dǎo)中，折射率從波導(dǎo)中心到邊緣逐漸減小，這種分布可以使光信號在波導(dǎo)中更加均勻地傳播，減少色散和模式串?dāng)_。在多層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中，通過在不同層之間設(shè)置不同的折射率，可以實(shí)現(xiàn)對光信號的精確控制，提高傳輸性能。選擇合適的材料對于提升傳輸性能至關(guān)重要。硅材料作為硅基光學(xué)信息處理器件的基礎(chǔ)材料，具有高折射率、良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些局限性，如發(fā)光效率低和材料吸收損耗等問題。為了克服這些局限性，可以采用與其他材料相結(jié)合的方式。在硅基上集成Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體材料，利用其直接帶隙特性實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，從而提高光發(fā)射器的性能。在硅基光探測器中，采用鍺硅合金材料可以拓展其響應(yīng)波長范圍，提高對長波長光信號的探測能力。還可以采用低損耗材料來降低傳輸損耗。例如，氮化硅材料具有較低的吸收損耗和散射損耗，在一些對損耗要求較高的應(yīng)用場景中，采用氮化硅波導(dǎo)可以有效降低傳輸損耗，提高光信號的傳輸距離和質(zhì)量。一些新型的光子晶體材料和超材料也具有獨(dú)特的光學(xué)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的特殊控制，為提升傳輸性能提供了新的途徑。改進(jìn)制造工藝也是提升傳輸性能的關(guān)鍵。先進(jìn)的光刻、蝕刻等工藝能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的器件制造，減少制造過程中的缺陷和誤差，從而降低傳輸損耗和色散。在光刻工藝方面，極紫外（EUV）光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率，可將波導(dǎo)的最小特征尺寸精確控制在納米量級，減少波導(dǎo)的散射損耗和模式串?dāng)_。在蝕刻工藝方面，采用反應(yīng)離子蝕刻（RIE）等高精度蝕刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的精確控制，提高波導(dǎo)的側(cè)壁平整度，降低散射損耗。在制造過程中，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)和環(huán)境條件，也能有效減少雜質(zhì)和缺陷的引入，提高材料的均勻性和器件的性能穩(wěn)定性。通過優(yōu)化化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝參數(shù)，精確控制硅基波導(dǎo)材料的成分和結(jié)構(gòu)，減少折射率的不均勻性，從而降低瑞利散射損耗。在器件封裝過程中，采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，如氣密封裝和低溫鍵合技術(shù)，能夠有效保護(hù)器件免受外界環(huán)境的影響，提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。五、多模耦合對硅基光學(xué)信息處理器件性能的影響5.1模式復(fù)用與器件性能提升模式復(fù)用技術(shù)作為提升硅基光學(xué)信息處理器件性能的關(guān)鍵手段，在現(xiàn)代光通信和光計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該技術(shù)通過在同一根光纖或波導(dǎo)中同時傳輸多個模式的光信號，顯著增加了通信容量，為滿足日益增長的大數(shù)據(jù)傳輸需求提供了有效解決方案。在光通信領(lǐng)域，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)對高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸需求呈指數(shù)級增長。傳統(tǒng)的單模傳輸方式已難以滿足這一需求，而模式復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的途徑。通過將不同的信號加載到不同的模式上，模式復(fù)用技術(shù)能夠在同一根光纖中實(shí)現(xiàn)多路信號的并行傳輸，從而大大提高了光纖的傳輸容量。在多模光纖通信系統(tǒng)中，利用多模耦合器將不同模式的光信號耦合到一根光纖中傳輸，在接收端再通過解復(fù)用器將不同模式的信號分離出來，實(shí)現(xiàn)了一根光纖傳輸多路信號的功能，有效提升了通信系統(tǒng)的容量和效率。以實(shí)際應(yīng)用案例來看，在大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的短距離光互連中，基于模式復(fù)用技術(shù)的硅基光模塊已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這些光模塊采用多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能夠支持多個模式的光信號傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。通過模式復(fù)用技術(shù)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的光互連傳輸速率可以提升數(shù)倍甚至數(shù)十倍，有效滿足了數(shù)據(jù)中心對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，提高了?shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和性能。在光計(jì)算領(lǐng)域，模式復(fù)用技術(shù)同樣具有重要意義。光計(jì)算利用光信號的并行性和高速特性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。模式復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用使得光計(jì)算系統(tǒng)能夠同時處理多個模式的光信號，從而提高了計(jì)算速度和效率。在基于硅基多模波導(dǎo)的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過模式復(fù)用技術(shù)，可以將不同的神經(jīng)元信號加載到不同的模式上進(jìn)行傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速運(yùn)算。不同的神經(jīng)元信號可以分別加載到多模波導(dǎo)的不同模式上，在傳輸過程中，這些模式之間相互獨(dú)立，互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)了并行計(jì)算。通過模式復(fù)用技術(shù)，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度可以得到顯著提升，為人工智能領(lǐng)域的發(fā)展提供了更強(qiáng)大的計(jì)算支持。從原理上分析，模式復(fù)用技術(shù)能夠提升器件性能的關(guān)鍵在于充分利用了光的多模特性。在硅基光波導(dǎo)中，光信號可以以多種模式進(jìn)行傳播，每種模式都可以攜帶獨(dú)立的信息。通過精確控制多模波導(dǎo)中的模式耦合和傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)不同模式之間的高效復(fù)用和解復(fù)用。在模式復(fù)用器中，通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)，如多模干涉耦合器或定向耦合器，使得不同模式的光信號能夠在特定的條件下實(shí)現(xiàn)耦合，從而將多路信號復(fù)用至總線波導(dǎo)中不同階次的模式；在解復(fù)用器中，則通過相反的過程，將總線波導(dǎo)中不同階次的信號解復(fù)用到多路波導(dǎo)中。這種精確的模式控制使得模式復(fù)用技術(shù)能夠在不增加光纖數(shù)量或波導(dǎo)尺寸的情況下，顯著提高通信容量和計(jì)算效率。模式復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用還可以提高硅基光學(xué)信息處理器件的集成度和可靠性。通過將多個模式的光信號集成在同一根光纖或波導(dǎo)中傳輸，可以減少器件的數(shù)量和體積，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。模式復(fù)用技術(shù)還可以通過冗余傳輸?shù)确绞教岣呦到y(tǒng)的可靠性，當(dāng)某個模式的信號出現(xiàn)故障時，其他模式的信號可以繼續(xù)傳輸，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。5.2多模耦合下的器件設(shè)計(jì)自由度拓展在傳統(tǒng)的硅基光學(xué)信息處理器件設(shè)計(jì)中，通常嚴(yán)格遵循單模條件，以確保光信號在傳輸過程中保持穩(wěn)定，減少模式間的串?dāng)_和信號失真。然而，這種單模設(shè)計(jì)在一定程度上限制了器件的性能提升和功能拓展。隨著對光通信和光計(jì)算等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芷骷枨蟮牟粩嘣黾?，多模耦合技術(shù)的引入為拓展器件設(shè)計(jì)自由度提供了新的途徑。多模耦合通過操控基模和高階模，打破了傳統(tǒng)單模設(shè)計(jì)的限制，為器件設(shè)計(jì)帶來了更大的靈活性。在多模波導(dǎo)中，光信號可以同時以基模和多個高階模的形式傳播，每個模式都具有獨(dú)特的傳播特性和場分布。通過精確控制這些模式之間的耦合和傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)對光信號的多種操控，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。在模式復(fù)用通信中，多模耦合技術(shù)可以將多個信號分別加載到不同的模式上進(jìn)行傳輸，從而提高通信容量。通過設(shè)計(jì)高效的模式復(fù)用/解復(fù)用器，可以實(shí)現(xiàn)不同模式之間的高效耦合和分離。在一個基于多模硅基波導(dǎo)的模式復(fù)用系統(tǒng)中，通過特殊設(shè)計(jì)的多模干涉耦合器，可以將多個輸入信號分別耦合到不同的模式上，然后在接收端通過解復(fù)用器將這些模式分離出來，實(shí)現(xiàn)了多路信號的并行傳輸。這種模式復(fù)用技術(shù)不僅提高了通信容量，還為光通信系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展提供了便利。多模耦合還可以用于實(shí)現(xiàn)光信號的偏振控制和波長選擇等功能。通過利用高階模式的特性，可以設(shè)計(jì)出高性能的偏振控制器件和波長濾波器。在基于高階模輔助的偏振旋轉(zhuǎn)器中，通過控制高階模式的激發(fā)和傳播，可以實(shí)現(xiàn)片上偏振態(tài)的靈活調(diào)控。通過調(diào)整波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使得高階模式與基模之間產(chǎn)生特定的耦合和相位變化，從而實(shí)現(xiàn)對光信號偏振態(tài)的精確控制。在多模布拉格光柵濾波器中，利用基模-高階模轉(zhuǎn)換器和模式復(fù)用/解復(fù)用機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的多端口濾波功能，解決了傳統(tǒng)布拉格光柵需要環(huán)形器的問題。通過設(shè)計(jì)特殊的光柵結(jié)構(gòu)，使得基模和高階模在光柵中發(fā)生不同的耦合和反射，從而實(shí)現(xiàn)對不同波長光信號的選擇和濾波。多模耦合下的器件設(shè)計(jì)自由度拓展還體現(xiàn)在對器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化上。通過利用多模波導(dǎo)的特性，可以設(shè)計(jì)出更加緊湊和高效的器件結(jié)構(gòu)。在多模彎曲波導(dǎo)的設(shè)計(jì)中，可以通過優(yōu)化彎曲結(jié)構(gòu)和模式耦合方式，減小彎曲損耗和模式串?dāng)_。通過采用特殊的彎曲形狀和漸變折射率結(jié)構(gòu)，使得光信號在彎曲過程中能夠更加平滑地過渡，減少能量的泄漏和散射。在多模波導(dǎo)交叉的設(shè)計(jì)中，可以通過合理安排波導(dǎo)的交叉角度和模式耦合區(qū)域，減小交叉點(diǎn)處的模式串?dāng)_和損耗。通過優(yōu)化波導(dǎo)的交叉結(jié)構(gòu)和折射率分布，使得不同模式的光信號在交叉點(diǎn)處能夠?qū)崿F(xiàn)最小的相互干擾，提高波導(dǎo)交叉的性能。5.3案例分析：多模硅基光子學(xué)器件性能優(yōu)化5.3.1超低損耗波導(dǎo)在多模硅基光子學(xué)器件中，超低損耗波導(dǎo)是一個重要的研究方向，其性能優(yōu)化對于提升整個器件的性能具有關(guān)鍵作用。以浙江大學(xué)戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)的研究成果為例，他們利用遠(yuǎn)超單模條件的均勻展寬波導(dǎo)，無需任何特殊工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)流片工藝即可獲得極低損耗硅光波導(dǎo)基模傳輸。這種超低損耗波導(dǎo)的設(shè)計(jì)基于對多模耦合及傳輸特性的深入理解。通過巧妙操控展寬波導(dǎo)的模場，使其仍保持基模傳輸，有效減弱了結(jié)構(gòu)尺寸對模場傳輸?shù)挠绊懀瑥亩鴺O大地降低了光場傳輸損耗。在傳統(tǒng)的硅基波導(dǎo)中，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制以及模式間的相互作用，光信號在傳輸過程中會產(chǎn)生較大的損耗。而均勻展寬波導(dǎo)通過增大波導(dǎo)的尺寸，使得光場能夠更均勻地分布在波導(dǎo)中，減少了模式間的耦合和散射損耗。同時，通過精確控制波導(dǎo)的折射率分布，進(jìn)一步優(yōu)化了光場的傳輸特性，降低了傳輸損耗。從實(shí)際測試結(jié)果來看，這種超低損耗波導(dǎo)在1550nm波長處的傳輸損耗可低至0.04dB/cm，相比傳統(tǒng)單模波導(dǎo)的損耗有了顯著降低。如此低的損耗使得光信號在波導(dǎo)中能夠?qū)崿F(xiàn)更長距離的傳輸，減少了對光放大器的需求，從而降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。在光通信系統(tǒng)中，光信號需要在波導(dǎo)中傳輸較長的距離，如果波導(dǎo)的損耗較大，就需要頻繁地使用光放大器來補(bǔ)償信號的衰減，這不僅增加了系統(tǒng)的成本，還可能引入額外的噪聲。而超低損耗波導(dǎo)的出現(xiàn)，有效地解決了這一問題，使得光通信系統(tǒng)的性能得到了顯著提升。超低損耗波導(dǎo)還為其他硅基光子學(xué)器件的性能優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。在微環(huán)諧振器中，使用超低損耗波導(dǎo)作為環(huán)的材料，可以顯著提高微環(huán)的品質(zhì)因子，增強(qiáng)諧振效果。在光探測器中，超低損耗波導(dǎo)可以提高光信號的收集效率，從而提高探測器的響應(yīng)度。5.3.2超高Q微環(huán)諧振器超高Q微環(huán)諧振器是多模硅基光子學(xué)器件中的另一個重要研究對象，其性能優(yōu)化對于實(shí)現(xiàn)高性能的光信號處理具有重要意義。北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍、舒浩文團(tuán)隊(duì)提出的集成微波光子寬頻段精細(xì)信號處理解決方案，通過操控波導(dǎo)內(nèi)空間模式的耦合關(guān)系來調(diào)控諧振峰劈裂的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了超高Q微環(huán)諧振器的多功能應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)選用跑道型微環(huán)作為片上微腔的實(shí)現(xiàn)形式，在硅光SOI平臺上進(jìn)行器件設(shè)計(jì)，并將硅波導(dǎo)的寬度擴(kuò)展至2μm，使其能夠支持更高階的空間模式。相比使用大尺寸歐拉彎曲以實(shí)現(xiàn)緩變絕熱近似的傳統(tǒng)方案，他們利用歐拉彎曲+圓弧構(gòu)建對稱的180°彎曲波導(dǎo)，并有意大幅縮小彎曲尺寸，以高效地在微腔內(nèi)誘導(dǎo)高階空間模式。通過這種設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對微環(huán)諧振器諧振特性的精確控制，使得諧振峰寬僅約30MHz，同時維持著超百GHz的自由光譜范圍。從多模耦合的角度來看，這種設(shè)計(jì)通過調(diào)整模式之間的耦合關(guān)系，有效地控制了諧振峰的劈裂狀態(tài)。在光子分子開啟狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)諧振峰劈裂的靈活調(diào)控，僅利用芯片上的熱電極即可實(shí)現(xiàn)兩個模式耦合強(qiáng)度以及相位差的調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了劈裂不同維度的變化。而當(dāng)光子分子處于關(guān)閉狀態(tài)時，基模又可以實(shí)現(xiàn)在環(huán)內(nèi)零串?dāng)_、低損耗傳輸，并且由于微環(huán)彎曲波導(dǎo)的尺寸極小，微環(huán)同時具有極大的FSR和極高的Q值。超高Q微環(huán)諧振器在微波光子鏈路中具有重要的應(yīng)用價值?；谠撐h(huán)的微波光子濾波器能夠在L,S,Cband至Uband范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)58GHz的連續(xù)調(diào)諧能力，其3dB濾波線寬最窄僅32MHz。團(tuán)隊(duì)還借助該微環(huán)成功完成了光電振蕩器（OEO）的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了中心頻率從sub-6G到50GHz的可調(diào)諧微波源。這種濾波器和OEO代表了目前國際上基于硅基集成器件所實(shí)現(xiàn)的最寬頻段和最精細(xì)縱模濾波的水平。超高Q微環(huán)諧振器的性能優(yōu)化不僅提高了器件本身的性能，還為微波光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段，推動了光通信、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。六、基于多模耦合及傳輸?shù)墓杌鈱W(xué)信息處理器件應(yīng)用案例6.1光通信領(lǐng)域應(yīng)用6.1.1數(shù)據(jù)中心光互連在數(shù)據(jù)中心光互連中，多模硅基光學(xué)信息處理器件展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用優(yōu)勢和顯著效果。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長，對高速、大容量、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸需求日益迫切。傳統(tǒng)的電子互連技術(shù)在面對如此巨大的數(shù)據(jù)傳輸壓力時，逐漸顯露出其局限性，如傳輸速率受限、能耗高以及電磁干擾等問題。而多模硅基光學(xué)信息處理器件的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了有效的解決方案。多模硅基光模塊在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部短距離光互連中得到了廣泛應(yīng)用。以基于多模硅基波導(dǎo)的光模塊為例，其能夠支持多個模式的光信號傳輸，通過模式復(fù)用技術(shù)，將不同的信號加載到不同的模式上，從而實(shí)現(xiàn)了一根光纖傳輸多路信號的功能，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和容量。這種光模塊采用了多模干涉耦合器（MMI）等關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)了不同模式之間的高效耦合和分離。在某大型數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用中，使用多模硅基光模塊后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互連的傳輸速率從原來的10Gbps提升到了100Gbps以上，有效滿足了數(shù)據(jù)中心對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岣吡藬?shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和性能。多模硅基光學(xué)信息處理器件還具有低功耗的優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)中心中，大量的光互連設(shè)備需要消耗大量的電能，而多模硅基光電器件的低功耗特性能夠有效降低系統(tǒng)的能耗，減少運(yùn)營成本。與傳統(tǒng)的電子互連設(shè)備相比，多模硅基光模塊的功耗可降低50%以上，這對于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來說，能夠顯著降低能源消耗和運(yùn)營成本。多模硅基光學(xué)信息處理器件的集成度高，體積小，這也為數(shù)據(jù)中心的布局和建設(shè)帶來了便利。在有限的空間內(nèi)，能夠集成更多的光互連設(shè)備，提高數(shù)據(jù)中心的空間利用率。在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)柜中，采用多模硅基光模塊可以減小光互連設(shè)備的體積，使得機(jī)柜能夠容納更多的服務(wù)器，提高了數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力和存儲能力。6.1.2長距離光纖傳輸在長距離光纖傳輸中，多模硅基光學(xué)信息處理器件在提升信號質(zhì)量和傳輸距離方面發(fā)揮著重要作用。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，長距離光纖傳輸對信號質(zhì)量和傳輸距離的要求越來越高，多模硅基光學(xué)信息處理器件通過其獨(dú)特的多模耦合及傳輸特性，為滿足這些要求提供了有力支持。在長距離光纖傳輸中，模式色散是影響信號質(zhì)量和傳輸距離的關(guān)鍵因素之一。多模硅基光學(xué)信息處理器件通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，有效減小了模式色散。采用漸變折射率分布的多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能夠使不同模式的光在波導(dǎo)中傳播速度更加接近，從而減小模式色散對信號的影響。在某長距離光纖傳輸實(shí)驗(yàn)中，使用基于漸變折射率多模波導(dǎo)的硅基光放大器，在傳輸距離達(dá)到100公里時，信號的脈沖展寬僅為傳統(tǒng)單模光纖傳輸時的一半，有效提高了信號的質(zhì)量和傳輸距離。多模硅基光學(xué)信息處理器件還可以通過多模耦合實(shí)現(xiàn)光信號的放大和補(bǔ)償。在長距離傳輸過程中，光信號會逐漸衰減，需要進(jìn)行放大和補(bǔ)償以保證信號的可靠傳輸。多模硅基光放大器利用多模耦合技術(shù)，能夠同時對多個模式的光信號進(jìn)行放大，提高了光放大器的效率和性能。在長距離光纖傳輸系統(tǒng)中，采用多模硅基光放大器后，光信號的傳輸距離可以延長50%以上，有效滿足了長距離通信的需求。多模硅基光學(xué)信息處理器件還具有良好的兼容性，能夠與傳統(tǒng)的單模光纖和光電器件進(jìn)行無縫對接。這使得在現(xiàn)有的長距離光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中，能夠方便地引入多模硅基光學(xué)信息處理器件，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的升級和性能提升。在某通信運(yùn)營商的長距離光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)升級中，通過在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)引入多模硅基光調(diào)制器和光探測器，實(shí)現(xiàn)了信號的高速調(diào)制和探測，同時保持了與原有網(wǎng)絡(luò)的兼容性，有效提升了網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和可靠性。6.2光傳感領(lǐng)域應(yīng)用6.2.1生物醫(yī)學(xué)傳感多模硅基光器件在生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價值，其工作原理基于光與生物分子的相互作用以及多模耦合傳輸特性。在生物醫(yī)學(xué)檢測和診斷中，多模硅基光器件能夠?qū)崿F(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。當(dāng)生物分子與固定在多模硅基波導(dǎo)表面的探針發(fā)生特異性結(jié)合時，會引起波導(dǎo)表面折射率的變化，進(jìn)而影響多模耦合過程。由于不同模式的光在波導(dǎo)中傳播時對折射率變化的敏感度不同，通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對生物分子的精確檢測。以基于多模硅基波導(dǎo)的生物傳感器為例，在對腫瘤標(biāo)志物的檢測中，該傳感器展現(xiàn)出了高靈敏度和特異性。將針對腫瘤標(biāo)志物的特異性抗體固定在多模硅基波導(dǎo)表面，當(dāng)含有腫瘤標(biāo)志物的生物樣品流經(jīng)波導(dǎo)時，腫瘤標(biāo)志物會與抗體發(fā)生特異性結(jié)合，導(dǎo)致波導(dǎo)表面折射率發(fā)生變化。這種折射率的變化會改變多模耦合的特性，使得不同模式的光信號在傳輸過程中發(fā)生不同程度的相位變化和強(qiáng)度變化。通過檢測這些變化，就可以實(shí)現(xiàn)對腫瘤標(biāo)志物的高靈敏度檢測。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，該傳感器能夠檢測到低至皮摩爾級別的腫瘤標(biāo)志物濃度，相比傳統(tǒng)的檢測方法，靈敏度提高了數(shù)倍。多模硅基光器件還可用于生物醫(yī)學(xué)成像，為疾病的診斷提供更直觀的信息。在多模硅基光成像系統(tǒng)中，利用多模波導(dǎo)的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對生物組織的高分辨率成像。多模波導(dǎo)可以同時傳輸多個模式的光信號，這些模式攜帶了生物組織不同層面和角度的信息。通過對多模耦合后的光信號進(jìn)行處理和分析，可以重建生物組織的三維圖像，為醫(yī)生提供更全面、準(zhǔn)確的診斷依據(jù)。在對腦部腫瘤的成像研究中，多模硅基光成像系統(tǒng)能夠清晰地分辨出腫瘤的位置、大小和形狀，為手術(shù)治療提供了重要的參考信息。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)（如磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT））相比，多模硅基光成像具有更高的分辨率和更短的成像時間，能夠在不損傷生物組織的前提下，實(shí)現(xiàn)對生物組織的快速、準(zhǔn)確成像。6.2.2環(huán)境監(jiān)測傳感在環(huán)境監(jiān)測傳感中，多模硅基光器件憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。多模硅基光器件對溫度、壓力、濕度等環(huán)境參數(shù)具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特性。在溫度監(jiān)測方面，溫度的變化會導(dǎo)致多模硅基波導(dǎo)材料的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而影響多模耦合和傳輸特性。通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對溫度的精確測量。以基于多模硅基波導(dǎo)的溫度傳感器為例，該傳感器利用多模波導(dǎo)的熱光效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的高精度監(jiān)測。在某工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，需要對生產(chǎn)設(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。使用基于多模硅基波導(dǎo)的溫度傳感器后，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的實(shí)時監(jiān)測，精度可達(dá)±0.1℃。當(dāng)設(shè)備溫度出現(xiàn)異常變化時，傳感器能夠及時發(fā)出警報，為生產(chǎn)過程的安全提供了保障。在壓力監(jiān)測方面，壓力的作用會使多模硅基波導(dǎo)發(fā)生形變，從而改變波導(dǎo)的折射率分布和多模耦合特性。通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對壓力的精確測量。在某石油管道的壓力監(jiān)測中，采用基于多模硅基波導(dǎo)的壓力傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測管道內(nèi)的壓力變化。當(dāng)壓力超過設(shè)定的閾值時，傳感器能夠及時發(fā)出警報，避免管道因壓力過高而發(fā)生破裂等事故。在濕度監(jiān)測方面，多模硅基光器件同樣具有出色的表現(xiàn)。濕度的變化會導(dǎo)致波導(dǎo)表面吸附水分子，從而改變波導(dǎo)的折射率，影響多模耦合和傳輸特性。通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對濕度的精確測量。在某溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測中，使用基于多模硅基波導(dǎo)的濕度傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)的濕度變化，為農(nóng)作物的生長提供適宜的濕度環(huán)境。多模硅基光器件還可用于對有害氣體的檢測，為環(huán)境保護(hù)提供有力支持。在對空氣中的有害氣體（如二氧化硫、氮氧化物等）進(jìn)行檢測時，利用多模硅基波導(dǎo)表面的敏感材料，當(dāng)有害氣體分子吸附在敏感材料上時，會引起敏感材料的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而影響多模耦合和傳輸特性。通過檢測多模耦合后的光信號變化，就可以實(shí)現(xiàn)對有害氣體的高靈敏度檢測。在某城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測中，采用基于多模硅基波導(dǎo)的有害氣體傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測空氣中有害氣體的濃度變化。當(dāng)有害氣體濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn)時，傳感器能夠及時發(fā)出警報，為城市空氣質(zhì)量的改善提供數(shù)據(jù)支持。6.3光計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用6.3.1光計(jì)算芯片架構(gòu)在光計(jì)算芯片架構(gòu)中，多模耦合及傳輸發(fā)揮著不可或缺的作用，為光計(jì)算芯片的性能提升和功能拓展提供了關(guān)鍵支持。光計(jì)算芯片架構(gòu)通常由多個功能模塊組成，包括光發(fā)射模塊、光調(diào)制模塊、光傳輸模塊、光計(jì)算模塊和光探測模塊等。多模耦合及傳輸在這些模塊之間的光信號傳輸和處理過程中扮演著核心角色。在光發(fā)射模塊與光調(diào)制模塊之間，多模耦合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光信號注入和調(diào)制。光發(fā)射模塊產(chǎn)生的光信號通常需要耦合到光調(diào)制模塊中進(jìn)行信息加載，多模耦合器可以將光發(fā)射模塊輸出的光信號精確地耦合到光調(diào)制模塊的波導(dǎo)中，并且能夠根據(jù)需要調(diào)整光信號的模式分布，以滿足光調(diào)制模塊的工作要求。在基于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）的光調(diào)制器中，多模耦合器可以將光信號均勻地分配到MZI的兩個臂上，通過控制兩個臂上的光信號相位差，實(shí)現(xiàn)對光信號的調(diào)制。這種精確的光信號耦合和模式控制，能夠提高光調(diào)制的效率和精度，為光計(jì)算芯片提供高質(zhì)量的調(diào)制光信號。在光調(diào)制模塊與光計(jì)算模塊之間，多模傳輸特性能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的快速、穩(wěn)定傳輸。光計(jì)算模塊通常需要處理多個并行的光信號，多模波導(dǎo)可以同時傳輸多個模式的光信號，每個模式攜帶不同的信息，從而實(shí)現(xiàn)光信號的并行傳輸和處理。在基于光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光計(jì)算芯片中，多模波導(dǎo)可以將調(diào)制后的光信號傳輸?shù)讲煌纳窠?jīng)元節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的傳播和計(jì)算。多模波導(dǎo)的傳輸特性還能夠減少光信號在傳輸過程中的損耗和失真，保證光信號的質(zhì)量，從而提高光計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。在光計(jì)算模塊與光探測模塊之間，多模耦合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的高效收集和探測。光計(jì)算模塊輸出的光信號需要耦合到光探測模塊中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，多模耦合器可以將光計(jì)算模塊輸出的不同模式的光信號有效地耦合到光探測模塊的探測器上，提高光信號的收集效率。在基于光電二極管陣列的光探測模塊中，多模耦合器可以將光信號精確地耦合到每個光電二極管上，實(shí)現(xiàn)對光信號的快速、準(zhǔn)確探測。這種高效的光信號耦合和探測，能夠提高光計(jì)算芯片的響應(yīng)速度和靈敏度，為光計(jì)算的實(shí)時處理提供支持。多模耦合及傳輸還可以用于實(shí)現(xiàn)光計(jì)算芯片中不同功能模塊之間的靈活連接和配置。通過設(shè)計(jì)可重構(gòu)的多模耦合器和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)光信號在不同模塊之間的動態(tài)路由和分配，從而實(shí)現(xiàn)光計(jì)算芯片的多功能性和適應(yīng)性。在一些需要靈活配置計(jì)算功能的光計(jì)算芯片中，可重構(gòu)的多模耦合器可以根據(jù)不同的計(jì)算任務(wù)，將光信號路由到不同的計(jì)算模塊中，實(shí)現(xiàn)不同的計(jì)算功能。這種靈活的連接和配置方式，能夠提高光計(jì)算芯片的通用性和可擴(kuò)展性，使其能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和計(jì)算需求。6.3.2運(yùn)算性能提升多模硅基光學(xué)信息處理器件在提升光計(jì)算的運(yùn)算速度和效率方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，通過充分利用多模耦合及傳輸特性，為光計(jì)算的性能提升提供了有力支持。多模硅基光學(xué)信息處理器件能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的并行處理，從而大大提高光計(jì)算的運(yùn)算速度。在多模波導(dǎo)中，多個模式的光信號可以同時傳輸，每個模式攜帶不同的信息，這使得光計(jì)算能夠在同一時間內(nèi)處理多個數(shù)據(jù)。在光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，不同的神經(jīng)元信號可以分別加載到多模波導(dǎo)的不同模式上進(jìn)行傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)算。與傳統(tǒng)的