1. 研究背景与动机：

• 背景：随着光通信系统数据容量的急剧增长，千兆无源光网络（GPON）与光纤到户（FTTH）的结合成为满足高带宽需求的关键解决方案。单纤三向器作为FTTH系统的核心器件，负责实现单根光纤中多路光信号的高效复用与解复用。

• 动机：传统单纤三向器存在偏振依赖性和复用能力上的局限性，设计一种支持多维复用的集成氮化硅多模干涉单纤三向器，以提升传输容量并解决传统器件的问题。

2. 器件设计与工作原理：

• 设计：采用布喇格光栅辅助的倾斜多模干涉耦合结构，基于800 nm厚SiN平台设计，波导芯层材料为SiN，上下包层材料为SiO2。

• 工作原理：利用多模干涉的自成像原理，通过优化输入/输出波导宽度、位置、倾斜角度及分段光栅参数，实现三波长（1310 nm、1490 nm、1550 nm）、双偏振态（TE/TM）和三模式（0~2阶）共18路信道的复用与解复用。

3. 器件结构参数优化：

• 输入波导宽度优化：通过分析不同波导宽度下模式的有效折射率，确定最佳输入波导宽度为15 μm，多模波导宽度为25 μm，倾斜角度为9°。

• 输出波导位置与倾斜角度优化：系统优化了输出波导的水平位置和倾斜角度，以平衡TE和TM偏振态的性能，确定最佳输出位置L2=2875 μm，倾斜角度θ=9°。

• 布喇格光栅结构优化：采用分段结构光栅，通过优化光栅周期和周期数，显著改善1490 nm和1550 nm中心波长下各模式的传输效率，同时不影响1310 nm中心波长下的反射效率。

• 波导重叠长度优化：通过计算不同波导重叠长度下的传输效率，确定最佳重叠长度Lt=30 μm。

4. 器件总体性能：

• 传输光谱特性与信道性能：仿真结果表明，各信道的插入损耗低于1.05 dB，相邻信道串扰优于-12.5 dB，低阶模式的传输损耗小于高阶模式。

• 多模光场传输特性：成功实现了三波长、双偏振、三模式共18路信道的复用功能，不同波长的模式经多模波导传输后，均能稳定地从预设波导出射。

• 温度稳定性与工艺容差：器件表现出优异的温度稳定性，TM和TE模式中心波长的平均温度漂移率分别为27 pm/℃和17 pm/℃。同时，器件具有良好的工艺容差特性。

5. 结论与展望：

• 结论：设计的基于SiN的多维复用集成光学三向器，兼具结构紧凑、温度稳定性好、工艺容差大等优势，可满足FTTH系统对高性能、低成本光器件的需求。

• 展望：未来工作可进一步探索器件的实际制备工艺和性能测试，以及在其他光通信系统中的应用潜力。

论文通过详细的理论分析和仿真验证，展示了该器件在提升FTTH系统传输容量方面的显著优势，为光通信领域的研究提供了新的思路和方法。