最近几年对多模光纤和多核光纤的大量研究，揭示了空分复用可以进一步提高单根光纤的通信容量和频谱利用效率。如图1所示，模式作为一个可以携带信息的物理维度，一方面和波长复用兼容可以进一步提高信道数量，另一方面可以在保持信道数量的情况下减少所需激光器的个数。由于硅基光子器件在成本、集成度等方面的绝对优势，开展硅基模分复用器件及系统研究具有十分重要的意义。

图1：N个波长、M个模式同时复用的系统

模分复用系统的核心是基于模式的复用/解复用器件，目前实现的方法主要有非对称的定向耦合器、非对称的分支结构等。

模式复用以基模和一阶模的复用为例，非对称定向耦合器的结构如图2左所示，波导1是单模波导，波导2宽波导部分支持基模和一阶模。根据耦合模理论，当波导1中的基模的有效折射率和波导2中一阶模的有效折射率相等时，相位匹配条件得到满足，波导1中的1基模和波导2中一阶模发生相互耦合，经过一段距离，波导1中的基模全部耦合进波导2中并转化为一阶模；从波导2输入的基模，经绝热的taper到宽波导中还保持基模状态，由于波导2中基模和波导1中基模有效折射率的差异，两者之间不会发生耦合。综上，该非对称的定向耦合器结构完成了基模和一阶模的复用过程。通过级联多个类似的非对称定向耦合器结构，可以实现更多模式的复用。

图2：非对称定向耦合器和非对称多分支结构

模式解复用以三个模式的解复用为例，非对称分支结构如图2右所示，波导1支持基模、一阶模、二阶模三个模式，波导2、波导3、波导4仅支持基模，宽度之和等于波导1的宽度，相互之间角度要足够小。这种分支结构具有如下特性：波导1中的模式会转化为有效折射率最接近的波导2或波导3或波导4中的基模。波导1中的三个模式的有效折射率关系为：基模＞一阶模＞二阶模，波导2、3、4中的基模有效折射率关系为：波导2基模＞波导3基模＞波导4基模，经过器件结构的优化，可以使波导1中的基模转化为波导2中的基模，波导1中的一阶模转化为波导3中的基模，波导1中的二阶模转化为波导4中的基模，从而完成三个模式的解复用。

康奈尔大学、哥伦比亚大学、布鲁克海文国家实验室，加拿大的卡尔顿大学、中科院半导体所、浙江大学以及华中科技大学等国内外研究机构都对片上的模分复用/解复用器件进行了研究。代表性研究成果有3个模式x 3个波长的同时复用/解复用^[1]，4个模式x 2个偏振态的同时复用/解复用^[2]等。

本研究组对硅基模分复用/解复用器件有一定的研究基础，目前正在进行深入研究。

[1]           L.-W. Luo, N. Ophir, C. Chen, L. H. Gabrielli, C. B. Poitras, K. Bergman, et al., "Simultaneous mode and wavelength division multiplexing on-chip," arXiv preprint arXiv:1306.2378, 2013.

[2]           J. Wang, S. He, and D. Dai, "On‐chip silicon 8‐channel hybrid (de) multiplexer enabling simultaneous mode‐and polarization‐division‐multiplexing," Laser & Photonics Reviews, vol. 8, pp. L18-L22, 2014.