本期是Lumerical系列中無源器件專題——復(fù)用器件的設(shè)計(jì)與仿真，主要涉及到波分復(fù)用器件、模分復(fù)用器件以及基于二者的混合復(fù)用器件。我們將會(huì)從復(fù)用器件的應(yīng)用背景、基本原理、常見結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)等部分進(jìn)行講解，并使用Ansys Lumerical FDTD或者M(jìn)ODE模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。接下來將從復(fù)用器件的基本概念開始。

應(yīng)用背景

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的出現(xiàn)，使得人們對光通信的傳輸質(zhì)量和速率要求越來越高，提高光通信的信道容量是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝恍枨?。光作為一種電磁波，可以通過振幅、相位、波長、偏振、模式等多個(gè)維度進(jìn)行調(diào)制，波分復(fù)用、模分復(fù)用及偏振復(fù)用等片上復(fù)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為提升帶寬和傳輸速率的常用方法。隨著這些技術(shù)的成熟，又衍生出多維混合復(fù)用技術(shù)。無源器件中的復(fù)用器和解復(fù)用器正是這些復(fù)用技術(shù)中的核心功能器件，由于光路是可逆的，本質(zhì)上這兩種器件是相同的。接下來將對這幾種類型的復(fù)用器和解復(fù)用器進(jìn)行簡述。

原理及分類

復(fù)用技術(shù)就是將一系列光信號(hào)加載到不同載波上，如不同的波長或者模式，在發(fā)送端經(jīng)過復(fù)用器匯合到一起，并耦合到同一個(gè)總線波導(dǎo)中進(jìn)行并行傳輸，而在接收端經(jīng)過解復(fù)用器再將這些光信號(hào)分離出來，其工作原理如圖1所示。

波分復(fù)用器件

波分復(fù)用技術(shù)是利用不同波長的光信號(hào)在光纖中獨(dú)立傳輸?shù)奶匦?，可在現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多通道并行傳輸，是光纖通信中較成熟的技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)是在發(fā)送端通過波分復(fù)用器將兩種或多種不同波長的光載波信號(hào)匯合在一起， 耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，然后在接收端經(jīng)解復(fù)用器將不同波長的光信號(hào)分離開來，由光接收機(jī)進(jìn)一步處理，恢復(fù)為原信號(hào)。其核心器件為波分復(fù)用器和解復(fù)用器，常見的結(jié)構(gòu)包括微環(huán)（MRR）型、刻蝕衍射光柵（EDG）型以及陣列波導(dǎo)光柵（AWG）型等。

MRR型：

MRR由一個(gè)環(huán)形諧振腔和輸入輸出波導(dǎo)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。其中，環(huán)形諧振腔能使不同波長的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)選擇性諧振，因此，級(jí)聯(lián)不同環(huán)形諧振腔長度的MRR，就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長的解復(fù)用功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

EDG型：

EDG是通過滿足光程差公式排布的刻蝕光柵齒面實(shí)現(xiàn)對不同波長復(fù)用光的合束和分束，以此來實(shí)現(xiàn)低損耗和多通道的波長（解）復(fù)用功能。當(dāng)一束多波長復(fù)用光從輸入波導(dǎo)進(jìn)入自由傳輸區(qū)后，將在EDG齒面處發(fā)生衍射，由于EDG齒的排布滿足波長相關(guān)的相位差關(guān)系，相同波長的光信號(hào)將會(huì)匯聚，被衍射至同一輸出波導(dǎo)輸出，不同波長的光信號(hào)由不同的輸出波導(dǎo)輸出，從而實(shí)現(xiàn)波長解復(fù)用的功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。

AWG型：

AWG是通過陣列排布的具有恒定長度差的陣列波導(dǎo)來構(gòu)建光學(xué)相位分布，從而在輸出自由傳輸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同波長的光信號(hào)的分離。當(dāng)一束多波長復(fù)用光由輸入波導(dǎo)耦合至輸入自由傳輸區(qū)后，將由輸入自由傳輸區(qū)的陣列波導(dǎo)接收，配置恒定的光程差后，在光柵圓處耦合至輸出自由傳輸區(qū)，由于滿足了光程差條件和羅蘭圓排布，相同波長的光束將聚焦至羅蘭圓上的同一點(diǎn)，而不同波長的光束在羅蘭圓的不同位置發(fā)生匯聚并耦合至輸出波導(dǎo)，完成波長的解復(fù)用功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（b）所示。

模分復(fù)用器件

波導(dǎo)中的不同模式是相互正交的，互不干擾的。因此，利用波導(dǎo)中的不同模式作為載波來傳輸光信號(hào)，在很小體積和單波長下就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的并行傳輸，大大提高了通信容量，這就是模分復(fù)用技術(shù)。其中模式（解）復(fù)用器是該技術(shù)中的關(guān)鍵器件，主要類型包括非對稱定向耦合器（ADC）型、多模干涉耦合器（MMI）型等。ADC型：ADC是基于不同模式的相位匹配原理，具有結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前模分復(fù)用器件中研究最為廣泛的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)相位匹配條件可知，只需通過合理設(shè)計(jì)ADC中相鄰兩波導(dǎo)的寬度，就能使兩波導(dǎo)中的某一個(gè)特定模式匹配，以此來實(shí)現(xiàn)二者的完全耦合。因此，采用多個(gè)波導(dǎo)寬度不同的ADC級(jí)聯(lián)的方法，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模式的（解）復(fù)用功能，該類器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

MMI型：

MMI型的模分復(fù)用器的主要原理是基于光的自映像效應(yīng)，通過控制MMI的輸入輸出位置以及長度，就可以在輸出端得到不同模式的自映像。該器件用于設(shè)計(jì)模式（解）復(fù)用器時(shí)，常與其他器件相結(jié)合，比如Y分支、亞波長光柵、多個(gè)MMI級(jí)聯(lián)等。圖5所示的器件是Y分支與MMI結(jié)合，首先兩種不同模式的光信號(hào)經(jīng)過Y分支分束后，再通過90°相移區(qū)的相位延遲，最后經(jīng)過一個(gè)2×2 MMI，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)模式的分離。

混合復(fù)用器件

為了充分發(fā)揮光通信的帶寬優(yōu)勢，研究單一復(fù)用技術(shù)是一種有效途徑，而將多種復(fù)用技術(shù)綜合形成多維混合復(fù)用技術(shù)更能提升光通信系統(tǒng)的傳輸容量。例如將波分復(fù)用器和模分復(fù)用器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，就能實(shí)現(xiàn)波長和模式的混合（解）復(fù)用功能。最普遍的類型就是ADC- MRR型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。其中，ADC能對不同模式進(jìn)行分離，而不同半徑的MMR又能對不同波長進(jìn)行選擇，這種混合復(fù)用器件在擴(kuò)展性上擁有巨大優(yōu)勢。

主要性能指標(biāo)

插入損耗（IL）：復(fù)用器件在系統(tǒng)中造成的能量損失，是表征器件性能的最為重要的參數(shù)之一。

串?dāng)_（CT）：其他通道的輸出信號(hào)對本通道的輸出信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響,用以衡量器件工作時(shí)通道間的干擾作用。本期文章主要介紹了復(fù)用器件的應(yīng)用背景，并對復(fù)用器件進(jìn)行了分類，闡述了不同類別器件的工作原理，最后給出了衡量復(fù)用器件優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)，后面我們將會(huì)使用Ansys Lumerical FDTD或者M(jìn)ODE模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號(hào)的更新。

參考文獻(xiàn)：

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