【Lumerical系列】無源器件-復用器件（2）原創

摩爾芯創

2026年1月27日 14:37

本期是Lumerical系列中無源器件專題-復用器件的第二期，主要內容為波分復用器的設計與仿真，并以典型的級聯微環（MRR）型波分復用器為例進行仿真實操。首先簡述了微環諧振器作為波分復用器的工作原理，然后使用Lumerical軟件中的MODE模塊進行了雙微環級聯的仿真實操，最后使用INTERCONNECT模塊進行四微環級聯的仿真實操。

工作原理

MRR是一種由環形波導構成的諧振腔結構，當光從輸入端耦合進MRR后，

會被限制在環形諧振腔內循環傳輸，對于一些特定波長的光，其在MRR中傳輸一周之后的相位變化量是2π的整數倍，使得該光會與輸入光發生相長干涉，當光不斷輸入MRR后，光能在MRR中穩定分布，傳輸和貯存，這就是MRR的諧振態。而其他波長的光無法與輸入光發生相長干涉，使其無法在MRR中穩定傳輸，這就是非諧振態。由相長干涉的條件可知，對于諧振態的光，其會滿足下式：

式中neff表示波導的有效折射率；L為環形諧振腔的長度；m為整數。

傳統的上下載型MRR的基本結構如圖1（a）所示，它由兩個直波導和一個環形諧振腔構成。在耦合區1中，假設直波導在耦合前后的電場強度的分別為 A1和A2，而環形波導中的電場分別為B1和B2。在耦合區2中，直波導兩側的電場強度分別為A4和A3，對應的環形波導中的電場分別為B4和B3。定義其耦合系數為k；透過系數為t；環形波導內的損耗系數為a；而光在環形波導中傳輸一周所積累的相位為φ=2πLneff/λ，其中L表示環形波導的周長。通過傳輸矩陣法可將MRR描述為下式：

其中，B2和B3，B1和B4的關系可表示為下式：

通過以上關系式計算可得直通端和下載端的傳輸響應分別表示為下式：

直

通

端

下

載

端

圖1（a）微環結構示意圖；（b）傳輸譜圖

因此，上下載型MRR直通端和下載端的傳輸譜可表示為圖1（b）。由圖可知，MRR的下載端能分離出處于諧振態的波長，因此該結構具有波長選擇性，只需級聯多個不同環形諧振腔長度的MRR，就能實現波分復用功能。

雙微環級聯的仿真實操

通過上述分析可知，要想實現雙通道的波分復用功能，就需在總線波導上級聯兩個諧振波長不同（即環形諧振腔周長不同）的MRR。本次使用的是Lumerical軟件中MODE模塊中的varFDTD求解器進行雙微環級聯的仿真實操。首先是構建仿真模型，其結構如圖2所示。輸入波導（總線波導）被設計在兩個環形諧振腔之間，λ1和λ2分別為MRR1和MRR2的諧振波長，輸出端口1和輸出端口2分別是MRR1和MRR2的下載端。因此，當光從輸入端口進入時，波長為λ1的光信號將從輸出端口1輸出，而波長為λ2的光信號將從輸出端口2輸出，這樣就實現了波長的解復用。

圖2 雙微環級聯結構示意圖

仿真步驟：

1）建立模型，包括SIO2包層和SI芯層；

2）選擇varFDTD求解器，設置仿真區域；

3）加入光源和監視器；

4）運行和優化仿真。

為了使兩個MRR的諧振波長不同，并且互不影響，在其耦合長度相同的條件下需改變其半徑，故設置兩個MRR的半徑分別為5 μm和5.05 μm。當波長范圍為1545-1570 nm時，仿真可得其傳輸譜如圖3所示。結果顯示λ1=1550.82 nm，而λ2=1562.02 nm。

圖3 雙微環級聯的傳輸譜圖

四微環級聯的仿真實操

在使用varFDTD求解器進行MRR仿真時，由于光會在環形諧振腔中不停諧振，因此會花費大量仿真時間，如果將4個MRR級聯，仿真時間更是成倍增加，不利于器件的設計和優化，故本次仿真將采用INTERCONNECT模塊進行仿真。

該模塊中有兩種方法實現本次仿真，第一種是在元件庫中選擇Waveguide→Resonators→Double Bus Ring Resonator，其流程如圖4（a）所示，該方法是對

波導的模式屬性、總線波導之間功率“耦合系數”和“環形諧振腔周長”進行參數化。第二種是在元件庫中選擇S parameters→Optical→Optical N Port S-Parameter，其流程如圖4（b）所示，該方法是先使用FDTD求解器對單個MRR進行仿真，然后導出其S參數，最后將該S參數導入INTERCONNECT中選擇的元件中，不需要設置其他參數。本次仿真采用第一種設計方法。