波分復用的案例
基于OptiSystem的波分+時分復用混合光網絡系統
案例目的：為了增加光通信系統通信容量，本案例設計了四路波分復用乘以四路時分復用混合光網絡系統結構，通過OptiSystem軟件進行仿真分析，研究信號傳輸效果。
系統設計：
該系統主要包括信源模塊，時分復用模塊，波分復用模塊，光纖傳輸鏈路模塊，解復用模塊和信號接收模塊六個主要部分。
1. 信源模塊
調用Transmitters Library中光輸入源庫中的CW Laser（連續激光器）、Transmitters Library中的二進制序列發生器庫中的Pseudo-Random Bit Sequence Generator（偽隨機序列發生器）、還有Pulse Generators中的電發生器中的NRZ Pulse Generator（非歸零脈沖發生器）和Optical Modulators中的MZ Modulator（馬赫曾德調制器）。
圖1. 信源模塊
2. 時分復用模塊
調用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. 時分復用模塊
3. 波分復用模塊
調用WDM Multiplexer Library中多路復用庫中的WDM Mux 4×1(合波器)。
圖3. 波分復用模塊
4. 光纖傳輸鏈路模塊
設置不同長度的光纖測試光傳輸效果，利用EDFA實現光信號放大。
圖4. 光纖傳輸鏈路模塊
5. 解復用模塊
包括波分解復用和時分解復用。
展開 基于Rsoft的Fullwave仿真模塊進行雙芯波導能量耦合與波分復用
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，從而優化結構制備成波分復用器、耦合器、傳感器等光學器件。
最后可以在原有基礎上擴展更復雜的模型，同時可以對輸出頻譜圖數據進行處理得出波長與能量譜的關系。進一波可以研究波導自身的一些參數得到相對較優解。通過參數的分析可以得到最敏感的傳感器，同時也可為波分復用器件的研制提供思路。
圖3 仿真參數設置
圖4 頻譜圖
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯系
【Lumerical系列】無源器件專題——復用器件（1）
本期是Lumerical系列中無源器件專題——復用器件的設計與仿真，主要涉及到波分復用器件、模分復用器件以及基于二者的混合復用器件。我們將會從復用器件的應用背景、基本原理、常見結構以及性能參數等部分進行講解，并使用Ansys Lumerical FDTD或者MODE模塊進行仿真設計。接下來將從復用器件的基本概念開始。
應用背景
人工智能、物聯網、大數據、云計算等新興技術的出現，使得人們對光通信的傳輸質量和速率要求越來越高，提高光通信的信道容量是現代數據傳輸的必然需求。光作為一種電磁波，可以通過振幅、相位、波長、偏振、模式等多個維度進行調制，波分復用、模分復用及偏振復用等片上復用技術應運而生，成為提升帶寬和傳輸速率的常用方法。隨著這些技術的成熟，又衍生出多維混合復用技術。無源器件中的復用器和解復用器正是這些復用技術中的核心功能器件，由于光路是可逆的，本質上這兩種器件是相同的。接下來將對這幾種類型的復用器和解復用器進行簡述。
原理及分類
復用技術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，在發送端經過復用器匯合到一起，并耦合到同一個總線波導中進行并行傳輸，而在接收端經過解復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 復用技術工作原理
波分復用器件
波分復用技術是利用不同波長的光信號在光纖中獨立傳輸的特性，可在現有光網絡中實現數據的多通道并行傳輸，是光纖通信中較成熟的技術。波分復用技術是在發送端通過波分復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，然后在接收端經解復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，恢復為原信號。其核心器件為波分復用器和解復用器，常見的結構包括微環（MRR）型、刻蝕衍射光柵（EDG）型以及陣列波導光柵（AWG）型等。
展開 【Lumerical系列】無源器件-復用器件（2）
圖6 四微環級聯的傳輸譜圖
本期文章以級聯微環型波分復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進行了雙微環級聯以及四微環級聯的仿真實操，下一期文章我們將進行其他類型復用器件的仿真實操，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。Ansys軟件試用，培訓等，歡迎聯系摩爾芯創。
什么是集成光學？
總的來說，用集成光路代替集成電路的優點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。由于光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現新型的器件功能。
二、集成光學研究應用
集成光學在工業、軍事、經濟等各個領域內都有廣泛的應用，但主要應用在以下幾方面：
1.通信與光網絡
光集成器件是實現高速率大容量光通信網絡的關鍵硬件，包括高速響應集成激光源、波導光柵陣列密集波分復用器、窄帶響應集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應光開關矩陣、低損耗多址波導分束器等。
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、對環境條件要求低、容錯性強等優勢。而光子計算機的最基本的功能元件就是集成光開關和集成光邏輯元件。
3.其他方面的應用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
展開 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
波分復用技術是大容量光纖通信網絡的關鍵技術，而濾波器是實現波分復用的關鍵器件。教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過仿真求解特定尺寸構型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長1000~1400nm。
1. 構建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構造通過structure腳本實現。此處略去了中心兩圈的納米孔，引入光子晶體缺陷，從而有效形成諧振腔。三角晶格常數為366nm?？装霃綖?35.42nm。
2. 添加網格
設置網格參數，如下圖所示：
注意本案中由于采用三角網格，便于操作與剖分，將默認正方網格屬性更改為菱形，如下
點擊該控件，繼續編輯，參數設置如下
60是設置相交的兩條網格線的夾角，從而形成菱形。注意網格尺寸這里與晶格大小保持一致，均為366nm。
3. 設置仿真區域FDTD
點擊控件region，添加FDTD區域
設置FDTD參數，如下
上圖FDTD 邊界條件設定中，特定在 z min bc 處設為symmetry，對稱模式，因為整個模型在z方向是對稱的，因此為了節約計算機仿真時間，可以這樣便捷設定。
4. 添加偶極子云dipole cloud
Lumerical 一大優勢是很多分析方法可以通過代碼實現。上述控件添加了交互界面，實現偶極子云的添加，輸入光源。通過對話框輸入可編輯變量，變量的屬性，變量的值等。這些變量后續在代碼中需要調用。注意這里的偶極子位置是隨機分布的，通過運行生產代碼，從而形成偶極子云。
5.
展開 什么是集成光學？
總的來說，用集成光路代替集成電路的優點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。由于光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現新型的器件功能。
二、集成光學研究應用
集成光學在工業、軍事、經濟等各個領域內都有廣泛的應用，但主要應用在以下幾方面：
1.通信與光網絡
光集成器件是實現高速率大容量光通信網絡的關鍵硬件，包括高速響應集成激光源、波導光柵陣列密集波分復用器、窄帶響應集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應光開關矩陣、低損耗多址波導分束器等。
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、對環境條件要求低、容錯性強等優勢。而光子計算機的最基本的功能元件就是集成光開關和集成光邏輯元件。
3.其他方面的應用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
展開 基于OptiSystem的LD\LED\EDFA仿真分析
該系統主要包括信源模塊，波分復用模塊，光纖傳輸鏈路模塊，解復用模塊和信號接收模塊。調用Transmitters Library中光輸入源庫中的CW Laser（連續激光器）、Transmitters Library中的二進制序列發生器庫中的Pseudo-Random Bit Sequence Generator（偽隨機序列發生器）、還有Pulse Generators中的電發生器中的NRZ Pulse Generator（非歸零脈沖發生器）和Optical Modulators中的MZ Modulator（馬赫曾德調制器）。共7個通道的信號，進行波分復用，送入傳輸鏈路進行信號的傳輸，采用色散補償光纖DCF進行色散補償，利用EDFA實現光信號放大。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。
參數設置：序列發生器Pseudo-Random Bit Sequence Generator設置如下，Bit rate為40Gbit/s。激光器的波長設置為1550nm，功率設置為1mW，線寬為0.1MHz。光纖設置長度為50km，損耗為0.2dB/km，色散為16ps/nm/km。色散補償光纖長度為10km，損耗為0.5dB/km，色散為-80ps/nm/km。
仿真結果如圖所示。
經過100km的傳輸后，采用光譜儀觀察光譜，可以看到7個通道的信號光如圖所示，保持較高的信噪比。
展開 量子保密通信應用與技術探討
QKD組網與傳統波分系統組網類似,其網絡都是由多段點對點系統組成。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 硅光子技術應用的分析
另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。但也有研究人員認為，相對于電傳輸，利用DWDM是光傳輸的本質優勢，必須要推進利用DWDM的研究開發，最近，MIT的研究人員還在開發使波導不依賴于溫度的技術。
從技術角度來看，硅光信號調制器及硅鍺光偵器已發展得相當成熟，其操作速度皆可達25Gbit/s以上，唯一的考慮在于如何減少硅光信號調制器的尺寸大小、提高對溫度的穩定性，及增加硅鍺光偵器的靈敏度等。利用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程或準CMOS制程整合硅光電組件及電路于單芯片也大致驗證可行。
文章來源：中國電力電子產業網
展開 行業動態 | Ansys Lumerical 光子設計工具獲 GlobalFoundries 認證
光子器件包括有源器件（如馬赫-曾德爾和微環調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/相位旋轉器、錐形波導、彎曲波導和波分復用濾波器）。該平臺使設計人員能夠為其高速光通信系統應用開發定制解決方案，以滿足其高帶寬、低時延數據傳輸和低功耗要求。
目前，已有四款Ansys Lumerical解決方案——FDTD、MODE、CHARGE和HEAT，通過了面向GF Fotonix平臺的認證。這些認證涵蓋從無源到有源光子器件設計的廣泛功能，包括對電氣和熱刺激對光學行為的影響進行建模。Ansys和GlobalFoundries根據真實測量數據對求解器進行了基準測試，確保為雙方客戶提供高保真度仿真。
GlobalFoundries設計平臺和服務高級副總裁Ziv Hammer表示：“Ansys解決方案獲得了面向GF Fontonix平臺開發套件的認證，從而確立了一系列物理設計功能，包括光學、熱和電氣功能，這對我們的客戶至關重要。我們很高興與Ansys合作，幫助我們的客戶克服光子芯片設計方面的挑戰，并助力他們開發未來技術。”
Ansys副總裁兼電子、半導體和光學事業部總經理John Lee表示：“光子通信的優勢是巨大的，但設計PIC不僅耗時、成本高昂，而且一旦進入制造階段就不容出錯。當然，隨著AI等計算密集型技術的出現，人們對此類高容量芯片的需求也在急劇增長。Ansys Lumerical解決方案具有功能多樣性和靈活性，足以滿足這些不斷變化的客戶需求，使客戶能夠敏捷、充滿信心地應對設計挑戰。”
展開 
光波導設計“避坑指南”：90%工程師踩過的坑，OAS光學軟件提前規避
? 光通信與光子集成：硅基光波導用于光開關、分束器、波分復用器，支撐數據中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
? 其他領域：醫療內窺鏡（聚合物光波導）、激光雷達、工業檢測、汽車 HUD，市場需求持續擴容。
盡管產業快速發展，仍存在四大技術瓶頸：
? 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。
? 全彩化難題：光柵色散導致 RGB 三色光耦合效率不均，色偏、彩虹效應難以根除。
? 量產良率低：納米級光柵對基底平整度、潔凈度要求極高，大尺寸鏡片良率僅50-70%。
? 成本偏高：高端材料與設備依賴進口，消費級 AR 眼鏡價格仍超2000 元，普及受限。
02/光學軟件在“四大瓶頸”中的困難
四大技術瓶頸的破解，離不開專業光學軟件的支撐，但當前主流光學軟件在適配光波導場景、解決核心瓶頸時，存在諸多難以突破的困難，成為工程師設計過程中的主要“坑點”。
? 跨尺度仿真斷層，精度與效率失衡
? 光柵優化與色散分析能力不足
? 雜散光分析與工藝適配不足
? 行業適配性差且缺乏自主可控能力
03/OAS光學軟件精準規避設計陷阱
（OAS光學軟件主界面）
? 跨尺度耦合仿真，平衡三大核心指標
OAS軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
? 精準色散校正，消除色偏與彩虹效應
針對全彩化過程中的色偏、彩虹效應，OAS軟件內置偏振與色散專項分析模塊，可精準模擬RGB三色光的傳播特性與色散規律，生成針對性校正方案。
展開 微納級3D打?。褐袊嬃看髮W嚴德賢課題組《Results in Physics》，基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖
而在空間維度資源中，基于軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復用技術由于攜帶不同拓樸荷數的相互正交的軌道角動量模式成為擴大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式，如波分復用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）等信息傳輸方式上成倍的提高信息傳輸容量。
近日，中國計量大學嚴德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖。該光纖以重慶摩方精密科技有限公司提供的HTL聚合物材料（耐高溫樹脂）為基底，采用兩層傾斜橢圓管的結構設計，通過引入環芯區域在0.4-0.8THz波段成功產生50-52個OAM模式，且在所研究的波段內獲得了高模式純度、低限制損耗和低波導色散等傳輸特性，相關研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission”為題發表在《Results in Physics》。
圖1.3D打印負曲率軌道角動量光纖結構圖
圖1展示了基于摩方精密nanoArch S140打印技術的3D打印光纖樣品圖。光纖整體尺寸為6.57mm，靠近纖芯區域的第二層傾斜橢圓管結構最小尺寸為0.051mm。光纖結構設計完成后，在Comsol Multiphysics有限元仿真軟件中選取光纖結構的任一截面進行仿真研究。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 四波混頻
四波混頻在光纖通信中可能具有重要的有害影響，特別是在波分復用( WDM )的情況下，它可能導致不同波長信道之間的串擾和信道功率的不平衡。抑制這種情況的一種方法是避免等距的通道間距。
另一方面，四波混頻可以在 WDM 電信系統中用于波長信道轉換。這里，輸入信號與其他波長的連續波泵浦光一起被注入一段光纖(可能是高度非線性光纖)，這將導致產生另一個光頻率的輸出信號——與泵浦頻率鏡像的輸入光頻率。
四波混頻適用于激光光譜學，最常見的形式是相干反斯托克斯拉曼光譜學( CARS )，其中兩個輸入波產生具有稍高光學頻率的檢測信號。利用輸入光束之間的可變時間延遲，還可以測量激發態壽命和退相率。
四波混頻也可以用于相位共軛，全息的成像和光學圖像處理。
展開 光通信設計軟件——OptiSPICE 光電回路設計軟件
仿真器
· OptiSPICE仿真器直接將處理光器件的方程合并到電學仿真架構中，因此形成一個單引擎的光電仿真軟件；
· OptiSPICE可以建立熱的宏模型來進行熱分析，用戶可以將其結合到光電仿真中來達到更可靠的仿真結果；
· 支持二極管、晶體管、 BJTs 和MOSFETS 等各種電路元件和激光二極管、光纖和光電探測器等各種光學元件；
· 能模擬集成光路、波分復用（WDM）以及多模信號；
· 先進的數值分析技術保證了信號求解時的收斂性，先進的求解器會自動選取最恰當的收斂算法來進行瞬態模擬；
· 有源和無源器件的模型與業界標準的HSPICE相兼容，用戶可以很容易地將HSPICE格式編寫的外部模型和網表導入到OptiSPICE中；
· 支持BSIM3模型，實現精確的仿真；
· 提供包括S-參數、極點/留數表達式和傳輸線模型等和不同頻率相關的模型。
波形分析
· OptiSPICE 的波形瀏覽器是一個后仿真分析工具，允許設計人員查看從放置在OptiSPICE電路設計中的任何探針捕獲到的光電信號；
· 2D可視化功能包括電流、電壓和光功率、振幅和相位的雙向（時域）分析；
· 通過簡單點擊按鈕，可以將探針的數據自動導入到OptiSystem里，利用OptiSystem先進的后處理環境作進一步的分析（包括眼圖和光譜可視圖，誤碼率和Q因子測量）。
參數提取
· 激光參數提取器允許用戶從激光器的靜態和動態測量值中提取并擬合參數以建立模型；· 濾波器參數提取器允許用戶將S-參數轉變為緊湊和高效的極點/留數表達式。· 多模光纖參數提取器包括一個光纖模式求解器，允許從用戶自定義折射率分布來構建光纖庫。
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