基于逆向优化的贝塞尔曲线实现紧凑宽带高阶横电模至基模转换器

《IEEE Photonics Journal》：Inverse-Designed Broadband and Compact TE_N to TE_0 Mode Converters via Optimized Bezier Curves

本研究针对下一代高密度光互连系统中高效、紧凑的模式转换需求，提出了一种可扩展的设计策略。研究人员利用“分相-合”架构，通过优化的三次贝塞尔曲线参数化器件几何结构，成功设计了可将高阶TEN模转换为基模TE0的模式转换器。实验验证了该器件在100nm宽带宽内（1500-1600nm）具有高转换效率与良好的工艺容差，为片上模分复用系统提供了关键器件解决方案。

　　

随着数据流量的爆炸式增长，传统的电子互连正面临带宽和功耗的瓶颈。为了满足数据中心和超级计算机日益增长的需求，科学家们将目光投向了光互连技术。光子集成技术允许我们将多种光学功能集成到微小的芯片上，从而实现高速、低功耗的数据传输。其中，模分复用(MDM)技术是一种极具潜力的方案，它通过在同一根波导中同时传输多个空间模式来成倍提升传输容量。然而，要将这项技术真正应用于片上系统，一个关键挑战在于如何高效地将光源发出的光（通常是基模）转换成系统所需的高阶模式，或者反过来，将接收到的高阶模式信号转换回基模，以便后续探测和处理。这就需要一种性能优异的模式转换器：它必须足够紧凑以节省宝贵的芯片面积，工作带宽要足够宽以适应实际光源的波长变化，并且转换效率要高以减少信号损失。传统基于绝热锥形或级联定向耦合器的设计往往在尺寸、带宽和效率上难以兼顾，特别是在处理高阶模式转换时，设计复杂度和性能会急剧恶化。那么，是否存在一种通用且可扩展的设计方法，能够系统地实现从任意高阶模式到基模的高效、宽带、紧凑转换呢？

为了回答这个问题，研究人员在绝缘体上硅(SOI)平台上，开展了一项关于逆向设计宽带紧凑型模式转换器的研究。他们提出了一种创新的“分相-合”通用架构，并利用优化的三次贝塞尔曲线来参数化器件形状，从而自动寻找到性能最优的器件结构。这项研究最终成功设计并验证了可伸缩的、高性能的TE_N到TE₀模式转换器，相关成果发表在《IEEE Photonics Journal》上。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几个关键技术方法：首先是基于“分相-合”物理机制的可扩展器件架构设计，该架构包含一个1×(N+1)输入分束器、一个绝热相位调制器和一个多模干涉(MMI)组合器。其次是逆向设计优化流程，其核心是将转换器的波导几何形状用多条三次贝塞尔曲线的控制点参数化，并设定特定的目标函数（如模式转换效率、带宽、器件尺寸等），通过数值优化算法（如伴随变量法）自动调整这些参数，直至找到最优解。最后是数值仿真与性能验证，通过时域有限差分(FDTD)法等电磁仿真工具对优化后的器件结构进行严格的全波仿真，计算其模式转换效率、带宽、插入损耗、串扰等关键性能指标，并进行工艺容差分析以评估其实用性。

研究结果

器件架构与设计原理

研究人员提出了一种通用的“分相-合”架构来实现TE_N到TE₀的转换。其核心思想是：首先，通过一个专门设计的1×(N+1)分束器，将输入的TE_N模的场分布在空间上分离成(N+1)路具有特定相位关系的TE₀模（基模）；然后，通过一段绝热相位调制波导，对这些基模分量的相对相位进行精确调控，使其在输出端达到同相；最后，通过一个多模干涉(MMI)耦合器将这些同相的基模分量重新合并，从而在输出端口得到纯净的TE₀模。整个器件的几何形状，特别是相位调制区的波导路径，被参数化为多条平滑的三次贝塞尔曲线，其控制点作为优化变量。

基于贝塞尔曲线的逆向设计与优化

本研究的关键创新在于将器件几何参数化与逆向设计优化相结合。具体而言，相位调制区中连接分束器输出与MMI输入的(N+1)条波导路径，每一条都用一条三次贝塞尔曲线来描述。通过调整这些贝塞尔曲线的控制点坐标，可以灵活地改变波导的弯曲形状和路径长度，从而精确调控光在波导中传播时所累积的相位。优化过程以在目标带宽内最大化模式转换效率为主要目标，同时最小化器件尺寸。优化算法自动搜索贝塞尔曲线控制点的最佳组合，从而“反推”出高性能的器件结构。

可扩展性验证与性能表现

为了验证所提方法的可扩展性，研究人员分别设计了用于TE₁、TE₂和TE₃模转换的器件。仿真结果表明，经过优化的器件在1500纳米至1600纳米的100纳米宽带宽范围内，表现出了优异的性能。TE₁到TE₀转换器的峰值效率达到98.3%，TE₂转换器为95.8%，TE₃转换器为86.8%。尽管随着模式阶数N的增加，损耗有所上升，但所有器件在整个带宽内都保持了平坦的高效转换特性，证明了其宽带工作能力。此外，优化后的器件结构非常紧凑，显著小于传统的绝热锥形设计方案。

工艺容差分析

考虑到实际制造中不可避免的尺寸偏差，研究还对设计进行了工艺容差分析。重点考察了波导宽度和蚀刻深度发生系统性偏差时（±10纳米）对器件性能的影响。分析显示，在设定的工艺偏差范围内，所有设计（TE₁、TE₂、TE₃转换器）的模式转换效率下降均控制在较小范围内（通常小于2%），表明基于贝塞尔曲线优化的设计对制造误差具有很好的鲁棒性，这为其实际流片和量产应用奠定了基础。

结论与讨论

本研究成功提出并验证了一种基于逆向设计和贝塞尔曲线参数化的、用于实现高阶横电模(TE_N)到基模(TE₀)转换的可扩展设计策略。该工作得出的核心结论是：通过采用“分相-合”的物理架构，并将器件几何用优化的三次贝塞尔曲线参数化，可以系统地设计出同时具备紧凑尺寸、宽工作带宽和高转换效率的模式转换器。这种方法展现出了良好的可扩展性，能够有效处理从TE₁到TE₃的模式转换，且设计出的器件对典型的芯片制造误差（±10纳米）表现出较强的鲁棒性。

这项研究的重要意义在于，它为解决模分复用(MDM)系统中的关键瓶颈——高性能模式（解）复用器的设计——提供了一种通用且高效的解决方案。所提出的方法结合了物理直觉（分相合架构）和计算优化（贝塞尔曲线参数化）的优势，避免了纯拓扑优化可能产生的复杂、难以制造的结构，同时又能自动发掘出超越传统直觉设计的优异性能。这些紧凑、宽带、高效率且工艺鲁棒的模式转换器，是构建高密度、大容量片上光互连网络不可或缺的组成部分，有望推动下一代数据中心和高性能计算系统中光子集成技术的实际应用。