解復(fù)用器
關(guān)注創(chuàng)建者：C乘風(fēng)破浪 創(chuàng)建時(shí)間：2022-05-18
解復(fù)用器的實(shí)例教程
本期是Lumerical系列中無(wú)源器件專(zhuān)題-復(fù)用器件的第三期，涉及的器件是模式（解）復(fù)用器，該器件基于逆向設(shè)計(jì)，采用的是DBS算法進(jìn)行優(yōu)化。本文將從該器件的研究背景進(jìn)行介紹，然后給出所設(shè)計(jì)器件的初始結(jié)構(gòu)以及工作原理，提出了兩種子單元類(lèi)型的功能區(qū)，包括圓形子單元和方形子單元，采用DBS算法對(duì)其功能區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，最后將兩種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對(duì)比。
背景介紹
模分復(fù)用（MDM）技術(shù)是利用多種正交模式作為通信信道，這些信道之間互不干擾，可以顯著提高傳輸容量，成為解決容量問(wèn)題的有效方案。其中，模式（解）復(fù)用器是最基本的器件，它能將多個(gè)分支波導(dǎo)中的基模復(fù)用到同一個(gè)總線波導(dǎo)中的高階模進(jìn)行并行傳輸，反之也能將總線波導(dǎo)中的高階模分解為多個(gè)分支波導(dǎo)中的基模。
現(xiàn)有的硅基模式（解）復(fù)用器包含多種結(jié)構(gòu)，按照其工作原理可分為模式耦合型和模式轉(zhuǎn)化型。其中模式耦合型的結(jié)構(gòu)包括非對(duì)稱(chēng)定向耦合器（ADC）、微環(huán)諧振器（MRR）以及光柵輔助耦合器（GACs）。這些結(jié)構(gòu)通常具有較小的尺寸以及低損耗的特性。ADC結(jié)構(gòu)可以通過(guò)級(jí)聯(lián)擴(kuò)展為多個(gè)模式，而MRR結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)模式和波長(zhǎng)的混合（解）復(fù)用。然而，這些基于模式耦合的結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的相位匹配條件，這會(huì)導(dǎo)致較窄的工作帶寬。基于模式轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)包括絕熱耦合器（AC）、Y分支、多模干涉（MMI）耦合器等。這些結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的工作帶寬，大于50 nm，甚至高達(dá)100 nm。然而，這些結(jié)構(gòu)需要足夠的長(zhǎng)度來(lái)完成模式轉(zhuǎn)化，往往會(huì)導(dǎo)致較大的器件尺寸。最近，又興起一種基于逆向設(shè)計(jì)的模式（解）復(fù)用器，雖然已經(jīng)報(bào)道了多種基于逆向設(shè)計(jì)的高集成度模式（解）復(fù)用器，但為了進(jìn)一步減小器件的尺寸，本篇文章將逆向設(shè)計(jì)的功能單元與AC結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增強(qiáng)了模式轉(zhuǎn)化的效率，可以顯著減小器件長(zhǎng)度。
展開(kāi) <p>本案例基于COMSOL軟件的射頻電磁波模塊建立了多模干涉的解復(fù)用器和分路器模型，進(jìn)行了邊界模式分析，并仿真得到不同頻域下的磁場(chǎng)分布結(jié)果，如圖2和圖3所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/f3109e47688f4ff6b529db5bde50aaed.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖2 磁場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/377c8f9048334939a305d6557f5acb12.gif" alt="Untitled3.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖3 電場(chǎng)模數(shù)值仿真結(jié)果</strong></p><p>感興趣的朋友，可以下載模型源文件，歡迎交流合作</p>
展開(kāi) 其中，環(huán)形諧振腔能使不同波長(zhǎng)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(zhǎng)度的MRR，就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的解復(fù)用功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 MRR型波長(zhǎng)解復(fù)用器
EDG型：
EDG是通過(guò)滿(mǎn)足光程差公式排布的刻蝕光柵齒面實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)復(fù)用光的合束和分束，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)低損耗和多通道的波長(zhǎng)（解）復(fù)用功能。當(dāng)一束多波長(zhǎng)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(mǎn)足波長(zhǎng)相關(guān)的相位差關(guān)系，相同波長(zhǎng)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(zhǎng)的光信號(hào)由不同的輸出波導(dǎo)輸出，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解復(fù)用的功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。
圖3 （a）EDG型波長(zhǎng)解復(fù)用器；（b）AWG型波長(zhǎng)解復(fù)用器
AWG型：
AWG是通過(guò)陣列排布的具有恒定長(zhǎng)度差的陣列波導(dǎo)來(lái)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(zhǎng)的光信號(hào)的分離。當(dāng)一束多波長(zhǎng)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(mǎn)足了光程差條件和羅蘭圓排布，相同波長(zhǎng)的光束將聚焦至羅蘭圓上的同一點(diǎn)，而不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)傳輸光信號(hào)，在很小體積和單波長(zhǎng)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(lèi)型包括非對(duì)稱(chēng)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)。
展開(kāi) 其核心思想是通過(guò)利用石英光波導(dǎo)操縱LP模式的優(yōu)勢(shì)來(lái)耦合和解復(fù)用高階模式，解復(fù)用后的模式以單模方式與硅光子芯片對(duì)接耦合，從而可直接完成進(jìn)一步的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收/路由。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p>要實(shí)現(xiàn)片上高效多模耦合器，如在一個(gè)少模光纖（FMF）中同時(shí)發(fā)射六個(gè)模式信道（LP<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>），目前是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，其主要障礙在于FMF和亞微米級(jí)硅光波導(dǎo)之間的巨大模式失配。本期文章將介紹一種新型硅光芯片和FMF之間實(shí)現(xiàn)高效多模耦合的方案<sup>[1]</sup>，該方案通過(guò)引入PLC作為中間體來(lái)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)MF中的每個(gè)模式信道被有效地耦合/解復(fù)用為硅光波導(dǎo)中的相應(yīng)TE0或TM0模式，所述硅光子波導(dǎo)可以與芯片上的任何其他光子器件連接，諸如波長(zhǎng)濾波器、光調(diào)制器或光電探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)光發(fā)射器/接收器。提出的多模耦合概念對(duì)下一代MDM系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的前景。</p><p><br></p><p><strong>工作原理</strong></p><p>該方案包括一個(gè)使用多模波導(dǎo)段（MWSs）的端面耦合器，一個(gè)三通道雙偏振PLC模式（解）復(fù)用器，雙電平多核雙偏振模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發(fā)射的LP<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>模式經(jīng)由MWSs有效地對(duì)接耦合到多模二氧化硅光波導(dǎo)。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器被用于將這三個(gè)導(dǎo)模解復(fù)用為三個(gè)單模石英光波導(dǎo)中支持的LP<sub>01-x/y</sub>模式。
展開(kāi) 圖1 多模耦合方案示意圖
基于微波系統(tǒng)的多模端面耦合器
由于FMF的橫截面比多模石英光波導(dǎo)的橫截面大得多，故引入了基于MWSs的多模端面耦合器來(lái)提高耦合效率，如圖2（b）所示。這種MWSs不僅擴(kuò)展了基模的模場(chǎng)，而且擴(kuò)展了高階模式（如LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），以便與FMF更好地模式匹配。此外，基于MWSs的多模端面耦合器可以用單步蝕刻工藝制造，這比以往3D倒錐形耦合器簡(jiǎn)單得多。
圖2 PLC芯片圖示。（a）模式多路（解）復(fù)用器示意圖；（b）基于MWSs的多模端面耦合器；（c）模式（解）復(fù)用器中的耦合器a和耦合器b；（d）模式旋轉(zhuǎn)器
圖3為FMF和PLC芯片之間的總體耦合損耗分別在使用MWSs結(jié)構(gòu)和沒(méi)有MWSs結(jié)構(gòu)的比較。在沒(méi)使用MWSs結(jié)構(gòu)時(shí)，LP01，LP11a和LP11b模式總耦合損耗分別為1.28 dB，1.82 dB和3.16 dB。相比之下，當(dāng)使用MWS結(jié)構(gòu)時(shí)，其耦合損耗分別顯著降低至0.46 dB、0.51 dB和0.57 dB。
PLC模式多路（解）復(fù)用器
基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器如圖2（a）所示。包括耦合器a、模式旋轉(zhuǎn)器和耦合器b。入射的LP01模直接通過(guò)總線波導(dǎo)并從端口O2輸出；入射的LP11a模由耦合器a解復(fù)用為L(zhǎng)P01模并從端口O3輸出；入射的LP11b模在模式旋轉(zhuǎn)器被旋轉(zhuǎn)到LP11a模，最終在通過(guò)耦合器b解復(fù)用成LP01模并從端口O1輸出。在1550nm波長(zhǎng)下，三種模式的光場(chǎng)傳輸圖如圖4所示。
圖4 LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y光場(chǎng)傳輸圖
由于LP11b模場(chǎng)的垂直反對(duì)稱(chēng)性，使得LP11b模之間的耦合變得不容易，故引入了一個(gè)基于垂直不對(duì)稱(chēng)性的雙電平錐度模式旋轉(zhuǎn)器，如圖5（a）所示。
展開(kāi) 
解復(fù)用器的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
解復(fù)用器的最新內(nèi)容
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個(gè)信道，頻率從195THz 開(kāi)始，信道間隔20GHz，每個(gè)信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。
(4) 網(wǎng)絡(luò)器件
復(fù)用器∕解復(fù)用器，上路∕下路，陣列波導(dǎo)光柵，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，循環(huán)∕環(huán)形元件，交叉連接，·波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
(5) 無(wú)源器件
·濾波器，調(diào)制器，耦合器，分波器，合波器，環(huán)形器，隔離器，偏振器件，光纖光柵。
(6) 光放大器
EDFA和拉曼放大器已經(jīng)成為光纖網(wǎng)絡(luò)所需的器件，從WDM網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器到CATV接線放大器，都有著廣泛的應(yīng)用。
最近，又興起一種基于逆向設(shè)計(jì)的模式（解）復(fù)用器，雖然已經(jīng)報(bào)道了多種基于逆向設(shè)計(jì)的高集成度模式（解）復(fù)用器，但為了進(jìn)一步減小器件的尺寸，本篇文章將逆向設(shè)計(jì)的功能單元與AC結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增強(qiáng)了模式轉(zhuǎn)化的效率，可以顯著減小器件長(zhǎng)度。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理
所提出的硅基模式（解）復(fù)用器的示意圖在圖1中給出，其由三個(gè)部分組成：雙模輸入波導(dǎo)、中間功能區(qū)以及兩個(gè)單模輸出波導(dǎo)。
圖3 （a）EDG型波長(zhǎng)解復(fù)用器；（b）AWG型波長(zhǎng)解復(fù)用器
AWG型：
AWG是通過(guò)陣列排布的具有恒定長(zhǎng)度差的陣列波導(dǎo)來(lái)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(zhǎng)的光信號(hào)的分離。
PLC模式多路（解）復(fù)用器
基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器如圖2（a）所示。包括耦合器a、模式旋轉(zhuǎn)器和耦合器b。入射的LP01模直接通過(guò)總線波導(dǎo)并從端口O2輸出；入射的LP11a模由耦合器a解復(fù)用為L(zhǎng)P01模并從端口O3輸出；入射的LP11b模在模式旋轉(zhuǎn)器被旋轉(zhuǎn)到LP11a模，最終在通過(guò)耦合器b解復(fù)用成LP01模并從端口O1輸出。
復(fù)用器
11.3 用于超寬帶高消光比偏振分束器的硅基多模反對(duì)稱(chēng)切趾布拉格光柵
12.
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個(gè)信道，頻率從195THz 開(kāi)始，信道間隔20GHz，每個(gè)信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。
><p>基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器如圖2（a）所示。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個(gè)信道，頻率從195THz 開(kāi)始，信道間隔20GHz，每個(gè)信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個(gè)信道，頻率從195THz 開(kāi)始，信道間隔20GHz，每個(gè)信道的功率為-20 dBm。
