CN104393925A - 一种基于模式-波长混合复用的发射模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式-波长混合复用的发射模块。节点单元阵列中的各个节点单元均具有四个端口，四个端口分别为用于接收未调制光的第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；相邻的节点单元之间通过各自相对应的端口连接形成N×M阵列排布；位于节点单元阵列边缘的一行节点单元的第一端口分别与激光器阵列的N个激光器单元的输出端各自相连；位于节点单元阵列边缘的一列节点单元的第四端口分别与M通道模式复用器的M个输入端各自相连；M通道模式复用器的输出端与输出多模波导相连。本发明具有小尺寸、高性能的优点，波导交叉少，实现了模式复用-波分复用的混合技术。

Description

一种基于模式-波长混合复用的发射模块

技术领域

本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种基于模式-波长混合复用的发射模块。

背景技术

众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互连作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J.W.Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。当前光互连不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。针对光互连系统数据传输量大的特点，最直接的方法是借用长距离光纤通信系统中常用的波分复用(WDM)技术。然而，由于激光器阵列成本及系统复杂度等因素的限制，密集波分复用系统的可用通道数日趋饱和。因此，亟需发展新的复用技术，从而进一步增加信号传输信道。模式复用技术是最近几年重新受到重视的复用技术，其基本原理是利用多模光纤或多模波导中的多个正交模式分别携带信号进行多通道数据传输，其核心器件是模式(解)复用器。在过去几年已经研制了一些新兴模式复用-解复用器件。例如，文献【Maxim Greenberg等，“Simultaneous dual mode add/drop multiplexers for optical interconnectsbuses，”Optics Communications 266(2006)527–531】设计了一种基于功率渐变(adiabatic power transfer)原理的单偏振的双模插分复用器，但其设计复杂，不易于拓展；文献【S.Bagheri,and William M.J.Green“Silicon-on-insulatormode-selective add-drop unit for on-chip mode-division multiplexing,”6th IEEEInternational Conference on Group IV Photonics,2009(GFP'09),Page(s):166-168,9-11 Sept.2009】给出了一种基于多级模式耦合的双模插分复用器，但仅实现了基模和第一高阶模的复用，其结构复杂、设计不便、器件尺寸大、且不易于扩展；文献【Daoxin Dai,Jian Wang,and Yaocheng Shi,"Silicon mode(de)multiplexerenabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrierlight,"Opt.Lett.38,1422-1424(2013)】给出一种基于级联非对称耦合器结构的多通道模式复用器件；文献【J.Wang,S.He,and D.Dai.On-chip silicon 8-channelhybrid(de)multiplexer enabling simultaneous mode-and polarization-division-multiplexing.Laser&Photonics Reviews.8(2):L18–L22,2014】给出一种8通道的双偏振模式复用器件。

值得注意的是，这些研究还只是关注模式复用-解复用器件本身。为了获得更多通道从而真正提升通信容量，应将模式复用与波分复用相结合，而其关键器件则是新型的混合复用-解复用器。比较直接的方式是直接将模式复用器件与多个波分复用器件(如阵列波导光栅)相结合，但将这种混合复用器与激光器阵列、光调制器阵列集成构成发射模块时，存在波导交叉过多、器件尺寸过大的问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于模式-波长混合复用的发射模块。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括具有N个呈直线排布的激光器单元的激光器阵列、呈N×M阵列排布的总数为N×M个的节点单元阵列、具有M个输入端的M通道模式复用器以及输出多模波导；节点单元阵列中的各个节点单元均具有四个端口，四个端口分别为用于接收未调制光的第一端口、用于接收一路或多路复用的调制光信号的第二端口、用于输出未调制光的第三端口和用于输出一路或多路复用的调制光信号的第四端口；相邻的节点单元之间通过各自相对应的端口连接形成N×M阵列排布，共M行N列；位于节点单元阵列边缘的一行节点单元的第一端口分别与激光器阵列的N个激光器单元的输出端各自相连，且该行节点单元的的第一端口未与其他节点单元相连；位于节点单元阵列边缘的一列节点单元的第四端口分别与M通道模式复用器的M个输入端各自相连，且该行节点单元的的第四端口未与其他节点单元相连；M通道模式复用器的输出端与输出多模波导相连。

所述的节点单元的四个端口分别位于上、下、左、右的四面方向，节点单元的四个端口分别为下端口、左端口、上端口、右端口；相邻的节点单元之间通过各自相正对的端口连接形成N×M阵列排布；位于底行的N个节点单元的下端口分别与激光器阵列的N个激光器单元的输出端各自相连，位于最右列的N个节点单元的右端口分别与M通道模式复用器的M个输入端各自相连，M通道模式复用器的输出端与输出多模波导相连。

所述的每个节点单元均包含一个1×2功分器、第一2×2功分器、第二2×2功分器、第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导、第四连接波导、第五连接波导、第六连接波导、第七连接波导、光调制波导和第八连接波导；1×2功分器的输入端与第八连接波导的一端相连，第八连接波导的另一端作为下端口；1×2功分器的一个输出端与第一连接波导的一端相连，1×2功分器另一个输出端通过第四连接波导与第一2×2功分器的一个输入端相连，第一2×2功分器的另一个输入端通过第六连接波导与光调制波导的一端相连；光调制波导的另一端通过第七连接波导与第二2×2功分器的一个输出端相连，第二2×2功分器的另一个输出端与第三连接波导的一端相连；第二2×2功分器的一个输入端与第二连接波导的一端连接，第二2×2功分器的另一个输入端通过第五连接波导与第一2×2功分器的一个输出端相连；第一连接波导与第二连接波导交叉，第一连接波导、第二连接波导的另一端各自延伸并分别作为上端口、左端口；第三连接波导的另一端延伸作为下端口。

所述的1×2功分器具有非均匀功率分配比例，位于节点单元阵列中同一行的所有节点单元的1×2功分器具有同样的功率分配比例，位于同列的各个节点单元中的1×2功分器各自具有不同的功率分配比例；对于节点单元阵列中同列的各个节点单元，各个1×2功分器的另一个输出端的输出功率为1×2功分器输入端的入射总功率的1/(M+1-m)，m为同一列中节点单元的序数，M为一列中节点单元的总数，m＝1,…,M。

所述的节点单元中的第一2×2功分器、第五连接波导、第二2×2功分器、第七连接波导、光调制波导和第六连接波导依次相连构成环形腔；位于同列的节点单元中构成的环形腔具有相同的谐振波长，位于同行的节点单元中构成的环形腔各自具有不同的谐振波长，各个谐振波长组成了均匀间隔递增或者递减的波长序列。

所述的输出多模波导支持至少M个模式。

所述光调制波导为利用电信号调制光场振幅或位相的区域。

所述的光调制波导为载流子浓度可调控的PN结区波导或者是覆盖有石墨烯的波导；载流子浓度可调控的PN结区波导为载流子注入型、载流子耗尽型或者载流子电荷累积型。

所述的1×2功分器、第一2×2功分器或者第二2×2功分器为方向耦合器、多模干涉耦合器或马赫-泽德干涉型耦合器。

所述的第一连接波导与第二连接波导交叉处含有降低损耗及串扰的波导交叉结构。

本发明具有的有益效果是：

本发明具有结构简洁紧凑、设计方便、且波导交叉少，有利于降低插入损耗、以及通道串扰，实现了模式复用-波分复用混合技术。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明节点单元结构的示意图。

图3为载流子注入型的光调制波导的光波导截面示意图。

图4为载流子耗尽型的光调制波导的光波导截面示意图。

图5为载流子累积型的光调制波导的光波导截面示意图。

图6为基于石墨烯的光调制波导中的光波导截面示意图。

图7为采用方向耦合器的1x2功分器的结构示意图：

图8为采用多模干涉耦合器的1x2功分器的结构示意图：

图9为采用马赫-泽德干涉仪的1x2功分器的结构示意图：

图10为本发明节点单元的实施例结构示意图。

图11为本发明实施例最终显微结构的示意图。

图中：1、激光器阵列，3、节点单元阵列，4、M通道模式复用器，5、多模波导，1n、激光器单元，3mn、节点单元，3mn1、下端口，3mn2、左端口，3mn3、上端口，3mn4、右端口，3mn5、1×2功分器，3mn6、第一2×2功分器，3mn7、第二2×2功分器，3mn8、第一连接波导，3mn9、第二连接波导，3mn10、第三连接波导，3mn11、第四连接波导，3mn12、第五连接波导，3mn13、第六连接波导，3mn14、第七连接波导，3mn15、光调制波导，3mn16、第八连接波导，11、12、13、…、1N表示各个激光器单元；21、波导芯区，22、P+型掺杂区，23、N+型掺杂区，24、P型掺杂区，25、N型掺杂区，26、SiO2阻挡层，27、隔离层，28、石墨烯，29、金属电极；61、输入端，62、输出端，63、耦合区，64、多模干涉区，65、1×2耦合器，66、2×2耦合器，67、第一马赫-泽德干涉臂，68、第二马赫-泽德干涉臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括具有N个呈直线排布的激光器单元11、12、13、…、1N的激光器阵列1，呈N×M阵列排布的总数为N×M个的节点单元阵列311、312、…、31N、321、322、…、32N、…、3M1、3M2、…、3MN，具有M个输入端的M通道模式复用器4以及输出多模波导5；M为节点单元阵列的行数，N为节点单元阵列的列数。

节点单元阵列中的各个节点单元311、312、…、31N、321、322、…、32N、…、3M1、3M2、…、3MN均具有四个端口，以图1中的节点单元3mn为例，四个端口分别为用于接收未调制光的第一端口3mn1、用于接收一路或多路复用的调制光信号的第二端口3mn2、用于输出未调制光的第三端口3mn3和用于输出一路或多路复用的调制光信号的第四端口3mn4，m为同列下节点单元的序数，n为同行下节点单元的序数，m＝1,…,M、n＝1,…,N；相邻的节点单元之间通过各自相对应的端口连接形成N×M阵列排布，共M行N列；位于节点单元阵列边缘的一行节点单元的第一端口分别与激光器阵列1的N个激光器单元的输出端各自相连，且该行节点单元的的第一端口未与其他节点单元相连；位于节点单元阵列边缘的一列节点单元的第四端口分别与M通道模式复用器4的M个输入端各自相连，且该行节点单元的的第四端口未与其他节点单元相连；M通道模式复用器4的输出端与输出多模波导5相连。

如图2所示，优选的节点单元的四个端口分别位于上、下、左、右的四面方向，节点单元3mn的四个端口，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口分别为下端口3mn1、左端口3mn2、上端口3mn3和右端口3mn4，m＝1,…,M、n＝1,…,N；相邻的节点单元之间通过各自相正对的端口连接形成N×M阵列排布；位于底行或者顶行的N个节点单元的下端口分别与激光器阵列1的N个激光器单元的输出端各自相连，位于最右列或者最左列的N个节点单元的右端口分别与M通道模式复用器4的M个输入端各自相连，M通道模式复用器4的输出端与输出多模波导5相连。

以第m行第n列节点单元3mn为例，节点单元3mn的下端口3mn1与下方相邻的节点单元3(m-1)n的上端口3(m+1)n3相连；节点单元3mn的上端口3mn3与上方相邻的节点单元3(m+1)n的下端口3(m+1)n1相连；节点单元3mn的左端口3mn2与左方相邻的节点单元3m(n-1)的右端口3n(n-1)4相连；节点单元3mn的右端口3mn4与右方相邻的节点单元3m(n+1)的左端口3n(n+1)2相连；1<m<M-1,1<n<N-1。

如图2所示，以第m行第n列节点单元3mn为例，每个节点单元3mn均包含一个1×2功分器3mn5、第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7、第一连接波导3mn8、第二连接波导3mn9、第三连接波导3mn10、第四连接波导3mn11、第五连接波导3mn12、第六连接波导3mn13、第七连接波导3mn14、光调制波导3mn15和第八连接波导3mn16；1×2功分器3mn5的输入端与第八连接波导3mn16的一端相连，第八连接波导3mn16的另一端作为下端口3mn1；1×2功分器3mn5的一个输出端与第一连接波导3mn8的一端相连，1×2功分器3mn5另一个输出端通过第四连接波导3mn11与第一2×2功分器3mn6的一个输入端相连，第一2×2功分器3mn6的另一个输入端通过第六连接波导3mn13与光调制波导3mn15的一端相连；光调制波导3mn15的另一端通过第七连接波导3mn14与第二2×2功分器3mn7的一个输出端相连，第二2×2功分器3mn7的另一个输出端与第三连接波导3mn10的一端相连；第二2×2功分器3mn7的一个输入端与第二连接波导3mn9的一端连接，第二2×2功分器3mn7的另一个输入端通过第五连接波导3mn12与第一2×2功分器3mn6的一个输出端相连；第一连接波导3mn8与第二连接波导3mn9交叉，第一连接波导3mn8、第二连接波导3mn9的另一端各自延伸并分别作为上端口3mn3、左端口3mn2；第三连接波导3mn10的另一端延伸作为下端口3mn4；第一2×2功分器3mn6的另一个输出端可连接也可不连接波导。

以第m行第n列节点单元3mn为例，1×2功分器3mn5具有非均匀功率分配比例，位于节点单元阵列中同一行的所有节点单元的1×2功分器3mn5具有同样的功率分配比例，位于同列的各个节点单元中的1×2功分器3mn5各自具有不同的功率分配比例；对于节点单元阵列中同列的各个节点单元，各个1×2功分器3mn5的另一个输出端的输出功率为1×2功分器3mn5输入端的入射总功率的1/(M+1-m)，m为同列下节点单元的序数，m为同一列中节点单元的序数，M为一列中节点单元的总数，m＝1,…,M。

以第m行第n列节点单元3mn为例，节点单元中的第一2×2功分器3mn6、第五连接波导3mn12、第二2×2功分器3mn7、第七连接波导3mn14、光调制波导3mn15和第六连接波导3mn13依次相连构成环形腔；位于同列的节点单元中构成的环形腔具有相同的谐振波长，位于同行的节点单元中构成的环形腔各自具有不同的谐振波长，各个谐振波长组成了一个均匀间隔递增或者递减的波长序列。例如均匀间隔递增或者递减的波长序列为λ_a～λ_b，位于同行的节点单元构成环形腔的谐振波长为λ_n，n＝1,…,N，各个环形腔的谐振波长可与波长序列λ_a～λ_b中各个波长任意对应，顺序任意。

输出多模波导5支持至少M个模式，分别为基模、第一高阶模、第二高阶模等M个导模，这些模式为正交，具有不同的传播常数。

光调制波导3mn15为利用电信号调制光场振幅或位相的区域，优选的可为载流子浓度可调控的PN结区波导或者是覆盖有石墨烯的波导，如图3～图5所示，载流子浓度可调控的PN结区波导可以为载流子注入型、载流子耗尽型或者载流子电荷累积型。

载流子注入型的光调制波导的光波导横截面如图3所示，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于波导芯区21的两侧。

载流子耗尽型的光调制波导的光波导横截面如图4所示，波导芯区由P型掺杂区24和N型掺杂区25组成，P⁺型掺杂区22和N⁺型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。

载流子电荷累积型的光调制波导的光波导横截面如图5所示，波导芯区由P型掺杂区24、N型掺杂区25以及位于两者之间的SiO₂阻挡层组成，P⁺型掺杂区22和N⁺型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。

覆盖有石墨烯的光调制波导的光波导横截面如图6所示，包含波导芯区21，其表面覆盖有隔离层27、隔离层27之上部分覆盖有石墨烯28，波导芯区21的两侧各有金属电极29，分别与波导芯区21、石墨烯28相接触。

优选的1×2功分器、第一2×2功分器或者第二2×2功分器均可为方向耦合器、多模干涉耦合器或马赫-泽德干涉型耦合器。

对于第一2×2功分器或者第二2×2功分器为例来说，方向耦合器的结构如图7所示，两条连接波导位于耦合区，从中分别引出作为四个端口，两个输出端62，两个输入端61。1×2功分器的耦合方式相同，即选取两个输入端61之一作为其输入端。

多模干涉耦合器的结构如图8所示，耦合区为一段多模波导，从中分别引出四个端口，两个输出端62，两个输入端61。1×2功分器的耦合方式相同，即选取两个输入端61之一作为其输入端。

马赫-泽德干涉型耦合器如图9所示，包含两个输入端61、输入耦合区65、两条长度不同的干涉臂，即第一马赫-泽德干涉臂67和第二马赫-泽德干涉臂68，输入耦合区66以及两个输出端62，改变两条干涉臂长度差即可获得不同的分光比。1×2功分器的耦合方式相同，即选取两个输入端61之一作为其输入端。

第一连接波导3mn8与第二连接波导3mn9交叉处含有降低损耗及串扰的波导交叉结构，如图10所示，即波导宽度展宽的模式转换结构，以降低波导传输的损耗及串扰。

本发明的工作过程和原理如下：

一、以节点单元3mn为例实现的过程是：

从下端口3mn1输入的连续光被分为两部分。其中一部分功率所占比例为(M-m)/(M-m+1)，该部分光未经调制从上端口输出；另一部分光功率所占比例为1/(M-m+1)，经过调制以加载信号之后从右端口输出。

节点单元3mn中调制过程具有波长选择性，仅对波长为λ_n的波长能产生调制；从左端口3mn2输入光的波长均偏离该波长λ_n，因而进入节点单元3mn后不会被二次调制而保持原状态地从右端口输出。

二、整体工作过程：

激光器阵列1中的各个激光器单元11、12、13、…、1N各自发出中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_N光。

以M＝4即四个模式为例进行说明，并考虑第一路波长λ₁，激光器发出的波长为λ₁的光进入节点单元311的下端口3111，然后以25％：75％的功率比分为两路，分别从右端口3114、上端口3113两部分输出：

从右端口3114输出的光为调制光，其功率所占比例为输入到节点单元311总功率的25％。该调制光以从左端口进、右端口出的方式从左到右依次穿过节点单元312、313、…、31N，在此过程中不会被二次调制。最后进入到模式复用器4中第一通道的输入端，并从输出多模波导5输出。

从上端口3113输出的光为非调制光，其功率所占比例为输入到节点单元311总功率的75％。这部分光从上端口3113输出后进入到节点单元321的下端口，并以33.3％：66.7％的功率比分为两路，分别从节点单元321的右端口3214、上端口3213两部分输出，从右端口3214输出的光为调制光，其功率所占比例为输入到节点单元321总功率的33.3％。该调制光以从左端口进、右端口出的方式从左到右依次穿过节点单元322、323、…、32N，在此过程中不会被二次调制。最后进入到模式复用器4中第二通道的输入端，并从输出多模波导5输出。

从上端口3213输出的光为非调制光，其功率所占比例为输入到节点单元321总功率的66.7％。这部分光从上端口3213输出后进入到节点单元331的下端口，并以50％：50％的功率比分为两路，分别从节点单元331的右端口3314、上端口3313两部分输出，从右端口3314输出的光为调制光，其功率所占比例为输入到节点单元331总功率的50％。该调制光以从左端口进、右端口出的方式从左到右依次穿过节点单元332、333、…、33N，在此过程中不会被二次调制。最后进入到模式复用器4中第三通道的输入端，并从输出多模波导5输出。

从上端口3313输出的光为非调制光，其功率所占比例为输入到节点单元331总功率的50％。这部分光从上端口3313输出后进入到节点单元341的下端口，并以100％：0％的功率比分为两路，分别从节点单元341的右端口3414、上端口3413两部分输出，从右端口3414输出的光为调制光，其功率所占比例为输入到节点单元341总功率的100％。该调制光以从左端口进、右端口出的方式从左到右依次穿过节点单元342、343、…、34N，在此过程中不会被二次调制。最后进入到模式复用器4中第四通道的输入端，并从输出多模波导5输出。

其它激光器发出光经过相似的过程，最终的情形是：模式复用器4的四个输入通道中的任何一个都包含了分别由波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_N的光所携带的16通道的调制信号，而模式复用器4最终将四个输入端的所有通道全部耦合到同一个波导即输出多模波导5。

三、节点单元3mn中的光传输过程：

以M＝4即四个模式为例进行说明，并考虑节点单元3mn。

如图2所示，波长为λ_n的连续光进入节点单元3mn的下端口3mn1，经过1×2功分器3mn5后分成功分比为1:4的两束光，其中75％的光经由连接波导3mn8从上端口3mn3输出、25％的光经由连接波导3mn11进入到由第一2×2功分器3mn6、第五连接波导3mn12、第二2×2功分器3mn7、第七连接波导3mn14、光调制波导3mn15、第六连接波导3mn13依次相连所构成的环形腔。通过设计腔长使得该环形腔的初始谐振波长与输入光波长λ_n相一致。对光调制波导3mn15进行调制，使得从第二2×2功分器3mn7中与第三连接波导3mn10相连的端口输出的光强得到调制并从右端口3mn4输出。该调制光的波长λ_n与之后的节点单元3m(n+1)、…、3mN中环形腔的谐振波长都不同，因而该调制光以从左端口进、右端口出的方式从左到右依次穿过节点单元3m(n+1)、…、3mN，并进入到模式复用器4中第一通道的输入端，最后从输出多模波导5输出。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

以M＝4、N＝16为例，其中包含64个节点单元、一个4通道模式复用器。

激光器阵列包含16个激光器单元，各激光器单元发射波长的通道间隔为Δλ_ch＝1.6nm，其中激光器单元1n发射的波长为λ_n＝1525.6nm+nΔλ_ch，n＝1,…,N。

在此，各个连接波导选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料是SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404；其包层为空气，折射率为1.0。

考虑M＝4、N＝16的情形，节点单元3mn中的1×2功分器采用方向耦合器结构，由第一2×2功分器3mn6、第五连接波导3mn12、第二2×2功分器3mn7、第七连接波导3mn14、光调制波导3mn15和第六连接波导3mn13依次相连所构成的环形腔，如图2所示，通过选取不同耦合区直波导长度来获得所需的分光比。取波导宽度为w_S＝500nm、两条波导之间的缝隙为w_G1＝200nm，并选取其中的S弯曲波导横向偏移为X_SB＝4μm、长度为L_SB＝15μm，则任意一列中的四个节点单元31n、32n、33n、34n的1×2功分器中耦合区直波导长度L_c分别为0、0.45、1.25、4.5μm，使得其功分别依次为25％:75％、33.3％:66.7％、50％:50％、100％:0％。

节点单元3mn中的第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7也采用由直波导与弯曲半径为R_B的圆弧波导构成的方向耦合器结构，取直波导宽度w_S＝500nm、弯曲波导宽度w_ring＝800nm、两条波导之间的最小缝隙为w_G2＝250nm。

第五连接波导3mn12、第六连接波导3mn13、第七连接波导3mn14、光调制波导3mn15均是弯曲半径为R_B的圆弧波导，与第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7中的圆弧波导构成一个半径为R_B、周长为2πR_B的环形腔，其中光调制波导长度选为πR_B。环形腔谐振波长与该通道的激光器波长对应，故谐振波长为λ_n＝1525.6nm+nΔλ_ch，式中Δλ_ch为通道间隔，取Δλ_ch＝1.6nm，n＝1,2,…,16。根据谐振波长计算取节点单元3m1、3m2、…、3mn、…、3mN中环形腔的弯曲半径R_B依次为4.097μm、4.088μm、4.080μm、4.071μm、4.062μm、4.053μm、4.045μm、4.036μm、4.027μm、4.018μm、4.010μm、4.001μm、3.992μm、3.984μm、3.975μm、3.966μm，m＝1,…,M。所设计的单元节点如图10所示。

光调制波导采用图3所示的光波导截面结构从而通过载流子注入型的机理实现高速调制。本实施例采用的模式复用器4采用基于级联非对称耦合器的结构，共有4个通道。最终形成的发射模块如图11所示。

实施例2

以M＝8、N＝16为例，其中包含128个节点单元、一个4通道模式复用器。

激光器阵列包含16个激光器单元，各激光器单元发射波长的通道间隔为Δλ_ch＝1.6nm。节点单元采用如图2所示的单元机构，各个连接波导选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导，1×2功分器3mn5和第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7采用如图8所示的多模干涉耦合器结构。光调制波导采用图4所示的结构，通过载流子耗尽型的机理实现高速调制。第一连接波导3mn8与第二连接波导3mn9交叉处展宽波导宽度以降低损耗及串扰。

实施例3

以M＝2、N＝8为例，其中包含16个节点单元、一个2通道模式复用器。

激光器阵列包含8个激光器单元，各激光器单元发射波长的通道间隔为Δλ_ch＝1.6nm。节点单元采用如图2所示的单元机构，各个连接波导选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导，1×2功分器3mn5和第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7采用如图9所示的马赫-泽德干涉型耦合器结构。光调制波导采用图5所示的结构，通过载流子累积型的机理实现高速调制。第一连接波导3mn8与第二连接波导3mn9交叉处展宽波导宽度以降低损耗及串扰。

实施例4

以M＝4、N＝64为例，其中包含256个节点单元、一个4通道模式复用器。

激光器阵列包含64个激光器单元，各激光器单元发射波长的通道间隔为Δλ_ch＝1.6nm。节点单元采用如图2所示的单元机构，各个连接波导选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导，1×2功分器3mn5采用图7所示的方向耦合器结构，第一2×2功分器3mn6、第二2×2功分器3mn7均采用如图9所示的马赫-泽德干涉型耦合器结构。光调制波导采用图6所示的结构，通过基于石墨烯调控的机理实现高速调制。第一连接波导3mn8与第二连接波导3mn9交叉处展宽波导宽度以降低损耗及串扰。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：包括具有N个呈直线排布的激光器单元的激光器阵列（1）、呈N×M阵列排布的总数为N×M个的节点单元阵列、具有M个输入端的M通道模式复用器（4）以及输出多模波导（5）；

节点单元阵列中的各个节点单元均具有四个端口，四个端口分别为用于接收未调制光的第一端口、用于接收一路或多路复用的调制光信号的第二端口、用于输出未调制光的第三端口和用于输出一路或多路复用的调制光信号的第四端口；相邻的节点单元之间通过各自相对应的端口连接形成N×M阵列排布，共M行N列；位于节点单元阵列边缘的一行节点单元的第一端口分别与激光器阵列（1）的N个激光器单元的输出端各自相连，且该行节点单元的的第一端口未与其他节点单元相连；位于节点单元阵列边缘的一列节点单元的第四端口分别与M通道模式复用器（4）的M个输入端各自相连，且该行节点单元的的第四端口未与其他节点单元相连；M通道模式复用器（4）的输出端与输出多模波导（5）相连。

2. 根据权利要求1所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的节点单元的四个端口分别位于上、下、左、右的四面方向，节点单元的四个端口分别为下端口、左端口、上端口、右端口；相邻的节点单元之间通过各自相正对的端口连接形成N×M阵列排布；位于底行的N个节点单元的下端口分别与激光器阵列（1）的N个激光器单元的输出端各自相连，位于最右列的N个节点单元的右端口分别与M通道模式复用器（4）的M个输入端各自相连，M通道模式复用器（4）的输出端与输出多模波导（5）相连。

3. 根据权利要求1或2任一所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的每个节点单元均包含一个1×2功分器、第一2×2功分器、第二2×2功分器、第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导、第四连接波导、第五连接波导、第六连接波导、第七连接波导、光调制波导和第八连接波导；

1×2功分器的输入端与第八连接波导的一端相连，第八连接波导的另一端作为下端口；1×2功分器的一个输出端与第一连接波导的一端相连，1×2功分器另一个输出端通过第四连接波导与第一2×2功分器的一个输入端相连，第一2×2功分器的另一个输入端通过第六连接波导与光调制波导的一端相连；光调制波导的另一端通过第七连接波导与第二2×2功分器的一个输出端相连，第二2×2功分器的另一个输出端与第三连接波导的一端相连；第二2×2功分器的一个输入端与第二连接波导的一端连接，第二2×2功分器的另一个输入端通过第五连接波导与第一2×2功分器的一个输出端相连；第一连接波导与第二连接波导交叉，第一连接波导、第二连接波导的另一端各自延伸并分别作为上端口、左端口；第三连接波导的另一端延伸作为下端口。

4. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的1×2功分器具有非均匀功率分配比例，位于节点单元阵列中同一行的所有节点单元的1×2功分器具有同样的功率分配比例，位于同列的各个节点单元中的1×2功分器各自具有不同的功率分配比例；对于节点单元阵列中同列的各个节点单元，各个1×2功分器的另一个输出端的输出功率为1×2功分器输入端的入射总功率的1/（M+1-m），m为同一列中节点单元的序数，M为一列中节点单元的总数，m=1,…,M。

5. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的节点单元中的第一2×2功分器、第五连接波导、第二2×2功分器、第七连接波导、光调制波导和第六连接波导依次相连构成环形腔；位于同列的节点单元中构成的环形腔具有相同的谐振波长，位于同行的节点单元中构成的环形腔各自具有不同的谐振波长，各个谐振波长组成了均匀间隔递增或者递减的波长序列。

6. 根据权利要求1所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述输出多模波导（5）支持至少M个模式。

7. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述光调制波导为利用电信号调制光场振幅或位相的区域。

8. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的光调制波导为载流子浓度可调控的PN结区波导或者是覆盖有石墨烯的波导；载流子浓度可调控的PN结区波导为载流子注入型、载流子耗尽型或者载流子电荷累积型。

9. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的1×2功分器、第一2×2功分器或者第二2×2功分器为方向耦合器、多模干涉耦合器或马赫-泽德干涉型耦合器。

10. 根据权利要求3所述的一种基于模式-波长混合复用的发射模块，其特征在于：所述的第一连接波导与第二连接波导交叉处含有降低损耗及串扰的波导交叉结构。