基础知识：多模干涉耦合器 MMI

2026-06-21
在“三星：CPO 硅光平台的最新性能与演进路线”文章中，我们讲到了它的多模干涉耦合器。


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以及在“台积电：用于 CPO 的硅光器件性能与工艺平台”文章中，同样涉及多模干涉耦合器相关内容。


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多模干涉耦合器，英文 Multi-mode Interference，简写为 MMI。它是一种用于光耦合或光分束的器件，常用结构包括 1×2、2×2、1×4 等 MMI。


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那么，什么是多模干涉耦合器？


先从结构上来看。它的输入和输出端口均为单模波导，单模波导通过 taper（渐变过渡）与多模波导相连。



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其基础原理是自映像效应。具体来说，光在一段宽波导（即多模区）中传播一定距离后，无需反射或透镜，输出光场分布会重现输入光场分布。


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进一步来看，当光由一侧端口进入多模波导时，会同时激发出偶对称的 TE₀ 模式和奇对称的 TE₁ 模式。


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由于 TE₀ 与 TE₁ 具有不同的有效折射率，模式之间的相位差会随着传输距离而累积。

单模波导输入时，宽度很窄，光场只能挤在中间，只有 TE₀ 能存活。经过 taper 渐变过渡把单模波导连到多模波导时，空间变大了，不仅 TE₀ 能住，TE₁、TE₂ 也有空间住了。

当传播一定距离后，各模式相位差满足自映像条件，即可重现输入光场的分布。

这个耦合长度是可以计算出来的。耦合长度受多模波导宽度（模式折射率间接体现了宽度的影响）和模式相位差决定。一个简化公式举例如下。


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通过设计多模波导的宽度与耦合长度，可在输出端实现光场的分束与合束。波长越长，需要的 MMI 耦合长度越长。

MMI 的分光比例和耦合效率与波长强相关。根据公式，波长变化会导致相位差变化，进而改变自映像位置，使得分光比偏离设计值。


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例如，一个标准的 1×2 MMI 作为 3 dB 耦合器，设计在 1550 nm 波长下分光比为 50:50。若实际波长偏离，则两个输出端口的光功率会出现不均衡。

上面这些传统的平面 MMI 耦合器均基于二维波导结构。为满足 3D 光子集成中多层波导的层间互联需求，出现了垂直多模干涉（Vertical MMI）耦合器。

例如，HHI 公布的基于 PolyBoard 聚合物平台的垂直 MMI 结构。利用垂直方向上的多模自映像效应，实现两层波导之间的低损耗层间耦合。


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其片上插入损耗低至约 1.0 dB，在 7.2 μm 层间距下的器件损耗小于 1.2 dB。


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