解復用器的案例
【Lumerical系列】無源器件-復用器件（3）丨模式（解）復用器
本期是Lumerical系列中無源器件專題-復用器件的第三期，涉及的器件是模式（解）復用器，該器件基于逆向設計，采用的是DBS算法進行優化。本文將從該器件的研究背景進行介紹，然后給出所設計器件的初始結構以及工作原理，提出了兩種子單元類型的功能區，包括圓形子單元和方形子單元，采用DBS算法對其功能區進行優化，最后將兩種結構的性能進行對比。
背景介紹
模分復用（MDM）技術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，成為解決容量問題的有效方案。其中，模式（解）復用器是最基本的器件，它能將多個分支波導中的基模復用到同一個總線波導中的高階模進行并行傳輸，反之也能將總線波導中的高階模分解為多個分支波導中的基模。
現有的硅基模式（解）復用器包含多種結構，按照其工作原理可分為模式耦合型和模式轉化型。其中模式耦合型的結構包括非對稱定向耦合器（ADC）、微環諧振器（MRR）以及光柵輔助耦合器（GACs）。這些結構通常具有較小的尺寸以及低損耗的特性。ADC結構可以通過級聯擴展為多個模式，而MRR結構可以實現模式和波長的混合（解）復用。然而，這些基于模式耦合的結構需要嚴格的相位匹配條件，這會導致較窄的工作帶寬。基于模式轉化的結構包括絕熱耦合器（AC）、Y分支、多模干涉（MMI）耦合器等。這些結構可以實現相對較寬的工作帶寬，大于50 nm，甚至高達100 nm。然而，這些結構需要足夠的長度來完成模式轉化，往往會導致較大的器件尺寸。最近，又興起一種基于逆向設計的模式（解）復用器，雖然已經報道了多種基于逆向設計的高集成度模式（解）復用器，但為了進一步減小器件的尺寸，本篇文章將逆向設計的功能單元與AC結構相結合，增強了模式轉化的效率，可以顯著減小器件長度。
展開 多模干涉解復用器和分路器數值仿真 ￥500
<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用器和分路器模型，進行了邊界模式分析，并仿真得到不同頻域下的磁場分布結果，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 磁場數值仿真結果</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 電場模數值仿真結果</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 【Lumerical系列】無源器件專題——復用器件（1）
其中，環形諧振腔能使不同波長的光信號實現選擇性諧振，因此，級聯不同環形諧振腔長度的MRR，就能實現多個波長的解復用功能，其結構示意圖如圖2所示。
圖2 MRR型波長解復用器
EDG型：
EDG是通過滿足光程差公式排布的刻蝕光柵齒面實現對不同波長復用光的合束和分束，以此來實現低損耗和多通道的波長（解）復用功能。當一束多波長復用光從輸入波導進入自由傳輸區后，將在EDG齒面處發生衍射，由于EDG齒的排布滿足波長相關的相位差關系，相同波長的光信號將會匯聚，被衍射至同一輸出波導輸出，不同波長的光信號由不同的輸出波導輸出，從而實現波長解復用的功能，其結構示意圖如圖3（a）所示。
圖3 （a）EDG型波長解復用器；（b）AWG型波長解復用器
AWG型：
AWG是通過陣列排布的具有恒定長度差的陣列波導來構建光學相位分布，從而在輸出自由傳輸區域實現不同波長的光信號的分離。當一束多波長復用光由輸入波導耦合至輸入自由傳輸區后，將由輸入自由傳輸區的陣列波導接收，配置恒定的光程差后，在光柵圓處耦合至輸出自由傳輸區，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，而不同波長的光束在羅蘭圓的不同位置發生匯聚并耦合至輸出波導，完成波長的解復用功能，其結構示意圖如圖3（b）所示。
模分復用器件
波導中的不同模式是相互正交的，互不干擾的。因此，利用波導中的不同模式作為載波來傳輸光信號，在很小體積和單波長下就能實現多個通道的并行傳輸，大大提高了通信容量，這就是模分復用技術。其中模式（解）復用器是該技術中的關鍵器件，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，具有結構緊湊、擴展性強等優點，是目前模分復用器件中研究最為廣泛的基礎結構。
展開 Lumerical系列| 一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
圖1 多模耦合方案示意圖
基于微波系統的多模端面耦合器
由于FMF的橫截面比多模石英光波導的橫截面大得多，故引入了基于MWSs的多模端面耦合器來提高耦合效率，如圖2（b）所示。這種MWSs不僅擴展了基模的模場，而且擴展了高階模式（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倒錐形耦合器簡單得多。
圖2 PLC芯片圖示。（a）模式多路（解）復用器示意圖；（b）基于MWSs的多模端面耦合器；（c）模式（解）復用器中的耦合器a和耦合器b；（d）模式旋轉器
圖3為FMF和PLC芯片之間的總體耦合損耗分別在使用MWSs結構和沒有MWSs結構的比較。在沒使用MWSs結構時，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，當使用MWS結構時，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）復用器
基于三通道PLC的偏振不敏感模式（解）復用器如圖2（a）所示。包括耦合器a、模式旋轉器和耦合器b。入射的LP01模直接通過總線波導并從端口O2輸出；入射的LP11a模由耦合器a解復用為LP01模并從端口O3輸出；入射的LP11b模在模式旋轉器被旋轉到LP11a模，最終在通過耦合器b解復用成LP01模并從端口O1輸出。在1550nm波長下，三種模式的光場傳輸圖如圖4所示。
圖4 LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y光場傳輸圖
由于LP11b模場的垂直反對稱性，使得LP11b模之間的耦合變得不容易，故引入了一個基于垂直不對稱性的雙電平錐度模式旋轉器，如圖5（a）所示。
展開 
【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
其核心思想是通過利用石英光波導操縱LP模式的優勢來耦合和解復用高階模式，解復用后的模式以單模方式與硅光子芯片對接耦合，從而可直接完成進一步的數據發送/接收/路由。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p>要實現片上高效多模耦合器，如在一個少模光纖（FMF）中同時發射六個模式信道（LP<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>），目前是一個很大的挑戰，其主要障礙在于FMF和亞微米級硅光波導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之間實現高效多模耦合的方案<sup>[1]</sup>，該方案通過引入PLC作為中間體來實現，FMF中的每個模式信道被有效地耦合/解復用為硅光波導中的相應TE0或TM0模式，所述硅光子波導可以與芯片上的任何其他光子器件連接，諸如波長濾波器、光調制器或光電探測器，以實現光發射器/接收器。提出的多模耦合概念對下一代MDM系統的發展具有很大的前景。</p><p><br></p><p><strong>工作原理</strong></p><p>該方案包括一個使用多模波導段（MWSs）的端面耦合器，一個三通道雙偏振PLC模式（解）復用器，雙電平多核雙偏振模斑轉換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發射的LP<sub>01-x/y</sub>、LP<sub>11a-x/y</sub>和LP<sub>11b-x/y</sub>模式經由MWSs有效地對接耦合到多模二氧化硅光波導。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復用器被用于將這三個導模解復用為三個單模石英光波導中支持的LP<sub>01-x/y</sub>模式。
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：增益平坦濾波器優化
增益平坦濾波器將所有波長恢復到大約相同強度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優化引擎。
1. 建模任務
WDM發射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發射器、WDM復用器和WDM解復用器分別設置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發射器設置
WDM復用器設置
WDM解復用器設置
下圖顯示了優化的主要參數。優化將運行10次，目標是在1500至1600 nm范圍內產生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。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進行優化。組件選項卡應選擇過濾器組件，可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器。
設置優化
優化參數設置
優化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器
為了運行優化，只需計算項目即可。請確保已啟用“Run all optimation”選框。在計算過程中，用戶可以單擊Optimization選項卡并可視化優化的進度，如下圖。
在這個特定的項目中，我們在報告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。我們還可以通過查看濾波器“傳輸”參數，使用WDM分析儀可視化放大器的總體增益和濾波器傳輸值的值。
3. 仿真結果
關閉運行窗口，查看運行結果，如下圖。
展開 OptiSystem：增益平坦濾波器優化
增益平坦濾波器將所有波長恢復到大約相同強度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優化引擎。
1.建模任務
WDM發射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2.仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發射器、WDM復用器和WDM解復用器分別設置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發射器設置
WDM復用器設置
WDM解復用器設置
下圖顯示了優化的主要參數。優化將運行10次，目標是在1500至1600 nm范圍內產生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。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進行優化。組件選項卡應選擇過濾器組件，可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器。
設置優化
優化參數設置
優化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器
為了運行優化，只需計算項目即可。請確保已啟用“Runalloptimation”選框。在計算過程中，用戶可以單擊Optimization選項卡并可視化優化的進度，如下圖。
在這個特定的項目中，我們在報告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。我們還可以通過查看濾波器“傳輸”參數，使用WDM分析儀可視化放大器的總體增益和濾波器傳輸值的值。
1.仿真結果
關閉運行窗口，查看運行結果，如下圖。
A）平坦濾波前 B)平坦濾波后
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增益平坦濾波器將所有波長恢復到大約相同強度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優化引擎。
1. 建模任務
WDM發射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發射器、WDM復用器和WDM解復用器分別設置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發射器設置
WDM復用器設置
WDM解復用器設置
下圖顯示了優化的主要參數。優化將運行10次，目標是在1500至1600 nm范圍內產生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。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進行優化。組件選項卡應選擇過濾器組件，可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器。
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增益平坦濾波器將所有波長恢復到大約相同強度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優化引擎。
1. 建模任務
WDM發射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發射器、WDM復用器和WDM解復用器分別設置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發射器設置
WDM復用器設置
WDM解復用器設置
下圖顯示了優化的主要參數。優化將運行10次，目標是在1500至1600 nm范圍內產生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。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進行優化。組件選項卡應選擇過濾器組件，可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器。
設置優化
優化參數設置
優化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項卡應選擇雙端口分析器
為了運行優化，只需計算項目即可。請確保已啟用“Run all optimation”選框。在計算過程中，用戶可以單擊Optimization選項卡并可視化優化的進度，如下圖。
在這個特定的項目中，我們在報告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。我們還可以通過查看濾波器“傳輸”參數，使用WDM分析儀可視化放大器的總體增益和濾波器傳輸值的值。
3.
展開 基于OptiSystem的波分+時分復用混合光網絡系統
調用WDM Multiplexer Library中Demultiplexers（解復用器）中的WDM Demux 1×4(解復用器)。再調用Transmitters Library中的二進制序列發生器庫中的User defined Bit Sequence Generator（自定義碼發生器），改變Bit sequence的設置作為時鐘Clock模塊，調用Pulse Generators中的NRZ Pulse Generator（非歸零脈沖發生器），Passives Library中的Electrical Signal Time Dalay(電信號時延器)和Optical Modulators中的Amplitude Modulator（光振幅調制器），作為解復用模塊對信號進行解復用。
圖5. 解復用模塊
6. 信號接收模塊
調用Receivers library中的Photodetector PIN(PIN光電探測器)，而為了更具體的表述該光纖系統的傳輸信號的準確性和可靠性，在整個光纖傳輸系統的接收模型后調用Receivers library中Regenerators中的3R Regenerator（3R再生器）和Visualizer library中Electrical中的BER analyzer（誤碼率分析儀），從而進行信號分析。
圖6. 信號接收模塊
結果分析：
波分復用模塊將四個波長的信號光進行復用，隨后進行波長解調輸出。
圖7. 波分復用與解復用
時分復用模塊將四個不同時間的信號光進行復用，隨后進行時間解調輸出。
圖8.
展開 基于optisystem的EDFA通信系統設計
(3) 接收器
用戶可以依據光探測器輸入端的混合信號來選擇不同的模型。如果噪聲用概率密度函數（PSD）來描述，PIN或者APD將采用基于高斯近似的準分析模型來計算噪聲的作用。如果噪聲是與信號混合在一起，那么使用適當的PFD來描述光電子統計時，這個模型可以增加數字化噪聲。電濾波器件的內部庫包括實際的、頻率相關的參數。在這個庫中，用戶可以考慮不同濾波器形式來設計接收器。
(4) 網絡器件
復用器∕解復用器，上路∕下路，陣列波導光柵，靜態和動態開關，循環∕環形元件，交叉連接，·波長轉換。
(5) 無源器件
·濾波器，調制器，耦合器，分波器，合波器，環形器，隔離器，偏振器件，光纖光柵。
(6) 光放大器
EDFA和拉曼放大器已經成為光纖網絡所需的器件，從WDM網絡轉發器到CATV接線放大器，都有著廣泛的應用。OptiSystem能使用戶選擇不同的模型，例如自定義增益和噪聲系數的理想放大器，或者是基于測量或者速率方程靜態或者動態的解的黑匣子模型。通過利用半導體激光器的多功能特性，可以完成放大和波長轉換。
(6) 觀察儀
客戶可以在任何器件使用觀察儀來打開端口數據監視器，并且存取結果。數據監視器可以保存處理過的信號信息，而沒有必要預先確定觀察儀的類型。因此，一個OSA或WDM分析儀可以加在相同的監視器上，一旦一個計算完成，就不需要再次運算。
庫中可以利用的觀察儀包括：·光∕射頻頻譜分析儀，示波器∕光時域分析儀，眼圖分析儀，誤碼率分析儀，WDM分析儀，功率計。
2、光學方案圖編輯器
這個界面可以讓用戶快速而有效的創建和修改自己的設計。每個OptiSystem方案文件可以包含足夠多的設計版本。這些設計版本可以相互獨立的被計算和修改，但是來自于不同版本的計算結果可以合并起來進行比較。
展開 
光通信設計軟件——OptiSystem 光通信系統與放大器設計軟件
也提供用于接收機設計的電子放大器（跨阻放大器、自動增益控制和限幅放大器）。
網絡設計工具
網絡設計工具包括用于光開關、復用器、解復用器、陣列波導（AWGs）、光纖連接器以及PMD仿真器的理想和非理想模型。
濾波器
提供各種用于子系統和系統設計仿真的電和光濾波器，包括標準濾波函數（貝塞爾、高斯、RC、升余弦等），數字IIR / FIR濾波器，周期濾波器，反射/FBG光纖光柵，已實測的濾波器，S參數濾波器以及聲光濾波器。
無源器件
可供各種類型的光電無源器件，可用于建立各種組件和子系統的設計。光元件包括衰減器、耦合器、功分器、合路器、偏振控制器、反射器、taps、隔離器和環行器。電器件包括180和90度混合耦合器、DC隔直、功分器、合路器以及射頻傳輸線。允許設計人員使用實際的測量數據來設定器件的傳遞函數，包括小信號散射矩陣和瓊斯矩陣。
信號處理
信號處理工具用于操作光，電和二進制信號。功能和操作包括偏置發生器、增益、信號的加法和減法、歸一化、電的微分器和積分器、下采樣、串-并和并-串轉換器、電翻轉正反器、電/二進制邏輯運算。
空間和自由空間光通信
OptiSystem有專門的組件用于自由空間光學信道（天線特性、大氣傳播）建模以及器件（多模信號發生器、空間連接器、薄透鏡、空間可視儀）之間多模信號耦合的空間傳播分析。
可視化工具
可視化和后仿真分析工具包括誤碼率測試儀和分析儀，眼圖分析儀、頻譜分析儀、示波器、光時域觀察儀、功率計、偏振分析儀，空間可視化儀器，環通量，DMD分析儀、光子全參數分析儀，濾波器分析儀，和S參數提取。
展開 基于Lumerical掌握光電器件仿真的全流程設計，從基礎原理講解到復雜器件設計
TM-pass起偏器
10.3 基于多模干涉的薄膜鈮酸鋰偏振旋轉分束器
11.案例實操
11.1 基于亞微米諧振器的超大自由光譜范圍的分插光學濾波器
11.2 利用逆向設計算法優化基于絕熱耦合器的超緊湊硅基模分（解）復用器
11.3 用于超寬帶高消光比偏振分束器的硅基多模反對稱切趾布拉格光柵
12.
量子保密通信應用與技術探討
但對于傳統波分網絡,長途干線設備端口速率更高、傳輸距離更遠,而QKD商用設備受限于光量子特性和探測器發展水平,只能在百公里光纖跨段上實現10 kbit/s量級的密鑰成碼率(更長光纖鏈路難以保證密鑰穩定成碼),通過多臺QKD設備堆疊和波分復用技術,也只能做到幾十kbit/s的密鑰成碼率。當量子密鑰需求規模啟動后,QKD長途干線將可能首先出現量子密鑰能力的瓶頸,因為很多安全業務系統或網絡的對稱密鑰需求是全國性或在部分重點城市之間的。
城域范圍內的QKD組網也會遇到類似的問題。典型QKD設備量子光脈沖頻率為幾十MHz,高端QKD設備量子光脈沖頻率也僅GHz量級,兩臺通過光纖連接的QKD設備正常工作時的密鑰成碼率為幾kbit/s到幾十kbit/s,且密鑰成碼率隨著光纖鏈路的距離和衰耗增加而下降。QKD網絡的規劃既要滿足典型業務區域相對集中以及集中區域之間相對分散的特點,又要考慮量子密鑰成碼率與光纖鏈路距離之間負相關的特性。
在接入或城域等場景中,QKD設備可以通過光路端口和信號波長等層面的交換,進行點到多點或多點到多點的組網,實現多用戶節點之間的密鑰生成。通過結合光路交換機、波分復用/解復用器、波長選擇開關等設備或器件,可以實現QKD設備的時分復用和波分復用,以及與光通信網絡的融合組網[6]。但這些技術都會引入額外的損耗或干擾,其使用將受限于QKD點對點系統支持的光纖距離和密鑰成碼率。在QKD接入層用戶密鑰需求量不大的場景,引入相關技術可以提高QKD網絡覆蓋和QKD局端設備利用率,但在QKD網絡中密鑰成碼率要求高的線路段,則需要在組網靈活性和密鑰成碼率方面進行權衡。
當前,QKD網絡的規劃難以直接套用傳統通信網層次化的網絡架構,需要根據業務需求、物理位置、光纖資源、QKD設備能力等因素綜合具體考慮。
展開 市場 | 一文看懂硅基光電集成技術
當前，業界對于硅基激光器的研究已實現了一定突破，未來有望實現單片集成的全光芯片。
InP單片光子集成已有多年的發展歷史，目前已實現大規模集成的應用突破。硅基光子集成技術研究歷史較短，但研究力量和關注度極高，目前已有小批量落地產品。Infinera是大規模InP PIC技術及產業的領導者；Intel、Luxtera等致力于硅基光子集成的研究，對推動產業應用做了大量貢獻。
硅光子除了在通信電子領域有廣闊應用前景，在光伏能源、自動控制、航空航天中均有重要作用。
硅光集成（OEIC）--光模塊成為可見的落地應用
硅基光電集成（OEIC），即在硅的襯底上，實現光子的傳輸。其分為單片集成和混合集成。目前，光波復用/解復用、光波長調諧和變換等器件已可實現單芯片集成，而光模塊需要混合集成。雖然混合集成是過渡方案，但使得硅光技術在光模塊領域有了落地的應用。
目前的混合集成方案是在硅基上同時制造出電子器件和光子器件，將電子器件（Si-Ge量子器件、HBT、CMOS、射頻器件、隧道二極管等）、光子器件（激光器、探測器、光開關、光調制器等）、光波導回路集成在同一硅片或SOI上。當前，硅基探測器（Ge探測器）、光調制器（SiGe調制器）、光開關、光波導等均已實現了突破，激光器是最大瓶頸，但也有了Si基量子級鏈激光器、硅納米晶體激光器、硅基III-IV族異質結構混合型激光器、混合型面發射激光器等初步方案。
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