光子積體電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）是現代高科技領域的核心技術，支撐高速數據傳輸、量子計算及人工智慧加速等應用。實現這些功能的關鍵在於可程式化單元，能動態調整光路的行為。目前已開發的技術包括馬赫-曾德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometers , MZI）、微環共振器及方向耦合器。近期，一種基於多模波導（Multimode Waveguide, MMW）的分束器（Multi-mode Waveguide-based Beam Splitter, MMWBS）被提出並實現，為可程式化光子電路帶來創新解決方案。
工作原理
MMWBS 的核心由MW及兩個緊湊的模式轉換器組成。模式轉換器將多模波導的 TE0 和 TE1 模式均勻分流至兩條單模波導（Single-mode Waveguides, SMW），類似於一個 50:50 的光耦合器。MMW 的長度（L_mmw）決定了這些模式的光程差，進而控制輸出端的分束比。
這種設計猶如馬赫-曾德干涉儀，光路由兩種模式構成的干涉條件所支配，實現對輸出光功率的精準控制。
設計與製造
MMWBS 使用矽基絕緣體（Silicon on Insulator, SOI）晶圓，以電子束微影技術及誘導耦合電漿（Inductively Coupled Plasma, ICP）蝕刻製造。製成裝置的掃描電子顯微圖（Scanning Electron Microscope, SEM）顯示了緊湊的結構設計，展示了先進的製造技術。
模擬與實驗結果
模擬結果顯示，模式轉換器對 TE0 和 TE1 模式的插入損耗分別低於 -0.15 dB 和 -0.18 dB。分束比隨 MMW 長度呈正弦變化，可實現任意分束比。實驗中，50:50 及 1:0 分束器的傳輸光譜與模擬結果高度吻合，插入損耗低於 -0.5 dB，而 1:0 開關的消光比超過 25 dB。此外，裝置在 30℃ 至 70℃ 的溫度範圍內顯示出極佳的穩定性。
應用與未來展望
MMWBS 的優勢在於其低損耗、高穩定性與精準控制的分束比。透過整合熱敏與抗熱敏 MMWBS，可實現可調分束器及相位調節器，作為可程式化單元廣泛應用於深度學習光加速器、整合量子光學及光通信系統。未來研究可探討 MMWBS 與調製器及檢測器的整合，開發完整的PIC。此外，提升 MMWBS 基礎電路的可延伸性與小型化，將進一步推動大規模光子計算網路的實現。
結論
多模波導分束器（MMWBS）展示了重構光子電路領域的重要進展。透過 TE0 與 TE1 模式的干涉，實現了低插入損耗與高消光比的任意分束比控制。該技術的溫度穩定性與可程式化能力，為光學計算、量子資訊處理及通信系統開啟了新局面，展現出巨大的應用潛力。
參考資料
[1] D. Yi and H. K. Tsang, "Towards Reconfigurable Photonic Circuits Based on Multimode Waveguides," Department of Electronic Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, NT, Hong Kong SAR, China, 2023, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2023 IEEE.
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