波分復(fù)用
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時間：2021-11-27
波分復(fù)用的實例教程
案例目的：為了增加光通信系統(tǒng)通信容量，本案例設(shè)計了四路波分復(fù)用乘以四路時分復(fù)用混合光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過OptiSystem軟件進行仿真分析，研究信號傳輸效果。
系統(tǒng)設(shè)計：
該系統(tǒng)主要包括信源模塊，時分復(fù)用模塊，波分復(fù)用模塊，光纖傳輸鏈路模塊，解復(fù)用模塊和信號接收模塊六個主要部分。
1. 信源模塊
調(diào)用Transmitters Library中光輸入源庫中的CW Laser（連續(xù)激光器）、Transmitters Library中的二進制序列發(fā)生器庫中的Pseudo-Random Bit Sequence Generator（偽隨機序列發(fā)生器）、還有Pulse Generators中的電發(fā)生器中的NRZ Pulse Generator（非歸零脈沖發(fā)生器）和Optical Modulators中的MZ Modulator（馬赫曾德調(diào)制器）。
圖1. 信源模塊
2. 時分復(fù)用模塊
調(diào)用Passives Library中的Time Delay（時延器）和Power Combiners庫中的Power Combiners 4×1（功率耦合器），按圖所示連接。
圖2. 時分復(fù)用模塊
3. 波分復(fù)用模塊
調(diào)用WDM Multiplexer Library中多路復(fù)用庫中的WDM Mux 4×1(合波器)。
圖3. 波分復(fù)用模塊
4. 光纖傳輸鏈路模塊
設(shè)置不同長度的光纖測試光傳輸效果，利用EDFA實現(xiàn)光信號放大。
圖4. 光纖傳輸鏈路模塊
5. 解復(fù)用模塊
包括波分解復(fù)用和時分解復(fù)用。
展開 從光譜圖中還可以更進一步可得到對比度，自由光譜范圍等信息，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)制備成波分復(fù)用器、耦合器、傳感器等光學(xué)器件。
最后可以在原有基礎(chǔ)上擴展更復(fù)雜的模型，同時可以對輸出頻譜圖數(shù)據(jù)進行處理得出波長與能量譜的關(guān)系。進一波可以研究波導(dǎo)自身的一些參數(shù)得到相對較優(yōu)解。通過參數(shù)的分析可以得到最敏感的傳感器，同時也可為波分復(fù)用器件的研制提供思路。
圖3 仿真參數(shù)設(shè)置
圖4 頻譜圖
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本期是Lumerical系列中無源器件專題——復(fù)用器件的設(shè)計與仿真，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)等部分進行講解，并使用Ansys Lumerical FDTD或者MODE模塊進行仿真設(shè)計。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)谋厝恍枨蟆９庾鳛橐环N電磁波，可以通過振幅、相位、波長、偏振、模式等多個維度進行調(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)用器進行簡述。
原理及分類
復(fù)用技術(shù)就是將一系列光信號加載到不同載波上，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，并耦合到同一個總線波導(dǎo)中進行并行傳輸，而在接收端經(jīng)過解復(fù)用器再將這些光信號分離出來，其工作原理如圖1所示。
圖1 復(fù)用技術(shù)工作原理
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在光纖中獨立傳輸?shù)奶匦裕稍诂F(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中實現(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匯合在一起， 耦合到同一根光纖中進行傳輸，然后在接收端經(jīng)解復(fù)用器將不同波長的光信號分離開來，由光接收機進一步處理，恢復(fù)為原信號。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。
展開 圖6 四微環(huán)級聯(lián)的傳輸譜圖
本期文章以級聯(lián)微環(huán)型波分復(fù)用器為例進行了仿真實操。簡單講解了MRR的工作原理，分別用varFDTD求解器和INTERCONNECT進行了雙微環(huán)級聯(lián)以及四微環(huán)級聯(lián)的仿真實操，下一期文章我們將進行其他類型復(fù)用器件的仿真實操，歡迎大家持續(xù)關(guān)注摩爾芯創(chuàng)的更新。Ansys軟件試用，培訓(xùn)等，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。
總的來說，用集成光路代替集成電路的優(yōu)點包括帶寬增加，波分復(fù)用，多路開關(guān)，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經(jīng)濟性好，可靠性高等。由于光和物質(zhì)的多種相互作用，還可以在集成光路的構(gòu)成中，利用諸如光電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等多種物理效應(yīng)，實現(xiàn)新型的器件功能。
二、集成光學(xué)研究應(yīng)用
集成光學(xué)在工業(yè)、軍事、經(jīng)濟等各個領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用，但主要應(yīng)用在以下幾方面：
1.通信與光網(wǎng)絡(luò)
光集成器件是實現(xiàn)高速率大容量光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵硬件，包括高速響應(yīng)集成激光源、波導(dǎo)光柵陣列密集波分復(fù)用器、窄帶響應(yīng)集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應(yīng)光開關(guān)矩陣、低損耗多址波導(dǎo)分束器等。
2.光子計算機
所謂光子計算機，就是利用光作為信息的傳遞媒體的計算機。光子屬玻色子，不帶電荷，光束可以平行或交叉通過而不相互影響，具有先天的巨平行處理能力。光子計算機還有信息存儲量大、抗干擾能力強、對環(huán)境條件要求低、容錯性強等優(yōu)勢。而光子計算機的最基本的功能元件就是集成光開關(guān)和集成光邏輯元件。
3.其他方面的應(yīng)用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
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波分復(fù)用的最新內(nèi)容
從事硅基光電子學(xué)研究二十余年，研制出硅基和氮化硅基陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器件，性能達到國際領(lǐng)先水平。承擔(dān)863計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目10余項，發(fā)表SCI論文60余篇，申請發(fā)明專利10余項。獲得教育部自然科學(xué)獎一等獎，排名第四。目前擔(dān)任中法PHOTONET光電子國際合作研究網(wǎng)絡(luò)中方聯(lián)絡(luò)人、《半導(dǎo)體光電》期刊編委。
? 光通信與光子集成：硅基光波導(dǎo)用于光開關(guān)、分束器、波分復(fù)用器，支撐數(shù)據(jù)中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
? 其他領(lǐng)域：醫(yī)療內(nèi)窺鏡（聚合物光波導(dǎo)）、激光雷達、工業(yè)檢測、汽車 HUD，市場需求持續(xù)擴容。
盡管產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，仍存在四大技術(shù)瓶頸：
? 光效 - 視場 - 輕薄 “不可能三角”：提升視場角（>60°）則光效驟降，追求超薄則工藝難度飆升。
在這個例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成電路(PIC)建模能力與Icepak強大的熱仿真能力相結(jié)合，用于仿真和設(shè)計波分復(fù)用(WDM)收發(fā)器，同時考慮封裝中其他區(qū)域（例如電子集成電路(EIC)、印刷電路板(PCB) 等）的發(fā)熱。
由圖可知，MRR的下載端能分離出處于諧振態(tài)的波長，因此該結(jié)構(gòu)具有波長選擇性，多用于設(shè)計波分復(fù)用器件。
圖1 （a）MRR結(jié)構(gòu)示意圖；（b）傳輸譜圖
MRR設(shè)計仿真實操
本次案例我們將展示如何使用MODE進行MRR的設(shè)計。本次案例仿真主要分為如下步驟：
建立一個MRR模型。添加FDE求解器，求解波導(dǎo)的群折射率以及耦合長度等參數(shù)。
本期是Lumerical系列中無源器件專題-復(fù)用器件的第二期，主要內(nèi)容為波分復(fù)用器的設(shè)計與仿真，并以典型的級聯(lián)微環(huán)（MRR）型波分復(fù)用器為例進行仿真實操。首先簡述了微環(huán)諧振器作為波分復(fù)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(huán)級聯(lián)的仿真實操，最后使用INTERCONNECT模塊進行四微環(huán)級聯(lián)的仿真實操。
圖1 復(fù)用技術(shù)工作原理
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在光纖中獨立傳輸?shù)奶匦裕稍诂F(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中實現(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匯合在一起， 耦合到同一根光纖中進行傳輸，然后在接收端經(jīng)解復(fù)用器將不同波長的光信號分離開來，由光接收機進一步處理，恢復(fù)為原信號。
有源環(huán)節(jié)不僅包括電相移器、微環(huán)調(diào)制器、馬赫曾德行波調(diào)制器、垂直光電探測器、熱調(diào)諧波導(dǎo)等多種有源光子器件，還包含波分復(fù)用、PAM4收發(fā)等完整的PIC系統(tǒng)，可大大提升學(xué)員設(shè)計復(fù)雜光子集成電路系統(tǒng)的能力。
有源環(huán)節(jié)不僅包括電相移器、微環(huán)調(diào)制器、馬赫曾德行波調(diào)制器、垂直光電探測器、熱調(diào)諧波導(dǎo)等多種有源光子器件，還包含波分復(fù)用、PAM4收發(fā)等完整的PIC系統(tǒng)，可大大提升學(xué)員設(shè)計復(fù)雜光子集成電路系統(tǒng)的能力。
光子器件包括有源器件（如馬赫-曾德爾和微環(huán)調(diào)制器以及鍺光電二極管）和無源組件（如分光器、多模干涉儀、移相器/相位旋轉(zhuǎn)器、錐形波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)和波分復(fù)用濾波器）。該平臺使設(shè)計人員能夠為其高速光通信系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)定制解決方案，以滿足其高帶寬、低時延數(shù)據(jù)傳輸和低功耗要求。
從光譜圖中還可以更進一步可得到對比度，自由光譜范圍等信息，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)制備成波分復(fù)用器、耦合器、傳感器等光學(xué)器件。
最后可以在原有基礎(chǔ)上擴展更復(fù)雜的模型，同時可以對輸出頻譜圖數(shù)據(jù)進行處理得出波長與能量譜的關(guān)系。進一波可以研究波導(dǎo)自身的一些參數(shù)得到相對較優(yōu)解。通過參數(shù)的分析可以得到最敏感的傳感器，同時也可為波分復(fù)用器件的研制提供思路。
