多模干涉耦合器MMI介绍

多模干涉耦合器 (Multimode Interference coupler, MMI coupler)即利用的是光的自映像原理。主要有结构紧凑、易于制作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点。

自映像原理

如下图所示，在平板波导中，左侧的光源Q在沿着光传输的方向上，将周期性地出现其像Q1，Q2，...[1]

平板光波导中的光源Q和其自映像Q1和Q2

MMI工作原理

多模干涉耦合器的基本原理是利用多模波导中各阶模的干涉而形成的自映像效应。在多模波导中，多个导模沿着波的传播方向互相干涉，在周期性的间隔处出现输入场的一个或多个复制的映像，这就是多模波导的自映像。MMI干涉主要有三种类型，具体请见下表[1]。

硅脊型波导MMI——垂直多模效应

对于Si层在3-11um这种厚度下的SOI波导的分析发现，在MMI区域纵向存在多模效应，从而使得MMI成像不完善，损耗加大，均匀性降低。分别在输入输出波导与MMI的连接处引入taper结构，使纵向多模的激发比重减小，从而减小纵向多模对成像的影响。

以均匀性和附加损耗为评价MMI成像质量的性能指标，定量考察MMI的特性。考察taper结构对抑制纵向多模效应的作用[2]。

硅基MMI的主要性能指标：

1)附加损耗(excess loss，EL)

附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减少值，用分贝来表示。其数学表达式为：

2)不均匀度(imbalance，IM)

不均匀度是衡量MMI各输出端口分光不均匀程度的指标，通常用在实现相等分光的MMI耦合器中。不均匀度定义为输出端口最小光功率与最大光功率比，我们对比值取对数，单位为dB，则：

在实现均匀分光的MMI中，例如，在2×2 3dB MMI中，不均匀度越小,器件的性能越好。通常在1×2的3dB MMI中，由于其输入光场是对称输入的，其不均匀度要远小于理论上应该趋向于0。通常MMI的不均匀度受输入和输出波导的位置影响较大。