模式復(fù)用的案例
【Lumerical系列】無(wú)源器件-復(fù)用器件（3）丨模式（解）復(fù)用器
本期是Lumerical系列中無(wú)源器件專題-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 Nature子刊：中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)，量子存儲(chǔ)領(lǐng)域重要進(jìn)展！
比如在第一個(gè)自由度有M個(gè)存儲(chǔ)模式，第二個(gè)自由度有N個(gè)模式，第三個(gè)自由度有P個(gè)模式，則量子存儲(chǔ)器的總復(fù)用模式數(shù)為各個(gè)自由度模式數(shù)的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時(shí)間、空間和頻率自由度進(jìn)行并行復(fù)用，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了跨越這三個(gè)自由度的復(fù)用量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中采用了2個(gè)時(shí)間模式、2個(gè)頻率模式、3個(gè)空間模式，總模式數(shù)達(dá)到2*2*3=12個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了多自由度并行復(fù)用量子存儲(chǔ)的可行性。這種提升量子存儲(chǔ)模式數(shù)的新方法，將在量子網(wǎng)絡(luò)和量子優(yōu)盤的研究中具有重要應(yīng)用。
圖1）多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)示意圖
在多模式復(fù)用的長(zhǎng)程量子通信中，兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的工作模式可能各不相同，為了能夠執(zhí)行進(jìn)一步的糾纏交換，不同的中繼節(jié)點(diǎn)必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設(shè)計(jì)存儲(chǔ)方案和存儲(chǔ)裝置，展現(xiàn)他們的多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)器在時(shí)間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
圖2）多自由度復(fù)用量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置圖
研究組還進(jìn)一步證明他們的存儲(chǔ)器可以在時(shí)間和頻率自由度實(shí)現(xiàn)任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所有這些操作過(guò)程中，光子攜帶的三維空間量子態(tài)都保持了約89%的保真度。該存儲(chǔ)裝置可以實(shí)現(xiàn)Knill—Laflamme-Milburn型量子計(jì)算所需的所有操作，所以本成果還有望在線性光學(xué)量子計(jì)算等領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。
論文第一作者為博士研究生楊天書。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息和量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部）
展開 Lumerical系列| 一種高效多模耦合/（解）復(fù)用的新方案
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。
引言
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（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），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[1]，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。
工作原理
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LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y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LP01-x/y模式。然后，這些LP01-x/y模式通過(guò)SSC對(duì)接耦合到相應(yīng)硅光子波導(dǎo)中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三個(gè)PBSs分離TE0/TM0模式。PBS通過(guò)使用三個(gè)級(jí)聯(lián)定向耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)彎曲定向耦合器用于基于相位匹配條件分離TE/TM偏振，另外兩個(gè)定向耦合器充當(dāng)濾除不期望的弱交叉耦合功率的關(guān)鍵角色，從而實(shí)現(xiàn)高消光比。
展開 【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復(fù)用的新方案
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。
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【Lumerical系列】無(wú)源器件專題——復(fù)用器件（1）
根據(jù)相位匹配條件可知，只需通過(guò)合理設(shè)計(jì)ADC中相鄰兩波導(dǎo)的寬度，就能使兩波導(dǎo)中的某一個(gè)特定模式匹配，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的完全耦合。因此，采用多個(gè)波導(dǎo)寬度不同的ADC級(jí)聯(lián)的方法，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模式的（解）復(fù)用功能，該類器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
圖4 ADC型模式解復(fù)用器
MMI型：
MMI型的模分復(fù)用器的主要原理是基于光的自映像效應(yīng)，通過(guò)控制MMI的輸入輸出位置以及長(zhǎng)度，就可以在輸出端得到不同模式的自映像。該器件用于設(shè)計(jì)模式（解）復(fù)用器時(shí)，常與其他器件相結(jié)合，比如Y分支、亞波長(zhǎng)光柵、多個(gè)MMI級(jí)聯(lián)等。圖5所示的器件是Y分支與MMI結(jié)合，首先兩種不同模式的光信號(hào)經(jīng)過(guò)Y分支分束后，再通過(guò)90°相移區(qū)的相位延遲，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)2×2 MMI，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)模式的分離。
圖5 MMI型模式解復(fù)用器
混合復(fù)用器件
為了充分發(fā)揮光通信的帶寬優(yōu)勢(shì)，研究單一復(fù)用技術(shù)是一種有效途徑，而將多種復(fù)用技術(shù)綜合形成多維混合復(fù)用技術(shù)更能提升光通信系統(tǒng)的傳輸容量。例如將波分復(fù)用器和模分復(fù)用器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，就能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)和模式的混合（解）復(fù)用功能。最普遍的類型就是ADC- MRR型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。其中，ADC能對(duì)不同模式進(jìn)行分離，而不同半徑的MMR又能對(duì)不同波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，這種混合復(fù)用器件在擴(kuò)展性上擁有巨大優(yōu)勢(shì)。
圖6 ADC- MRR型波長(zhǎng)-模式混合解復(fù)用器
主要性能指標(biāo)
插入損耗（IL）：復(fù)用器件在系統(tǒng)中造成的能量損失，是表征器件性能的最為重要的參數(shù)之一。
串?dāng)_（CT）：其他通道的輸出信號(hào)對(duì)本通道的輸出信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響,用以衡量器件工作時(shí)通道間的干擾作用。
展開 Ansys 仿真技術(shù)賦能AI與數(shù)據(jù)中心高速光電互連（附免費(fèi)參會(huì)名額）
然而傳統(tǒng)硅基光子器件只能承載單個(gè)波導(dǎo)模式，難以滿足模式復(fù)用等重要需求場(chǎng)景。本次分享將介紹基于變換光學(xué)新穎原理的大帶寬，支持多模傳輸?shù)牟▽?dǎo)交叉，彎曲波導(dǎo)，微環(huán)諧振腔等多種新型硅基集成光學(xué)器件。</p><p><br></p><p><strong>14:50-15:30 電磁仿真：驅(qū)動(dòng)光模塊與CPO創(chuàng)新</strong></p><p><strong>演講嘉賓：</strong>何里 | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師</p><p><strong>內(nèi)容簡(jiǎn)介：</strong>隨著AI、5G、云計(jì)算等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的爆發(fā)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨前所未有的帶寬壓力和能耗挑戰(zhàn)，本主題將首先回顧交換機(jī)的發(fā)展背景與傳統(tǒng)架構(gòu)中電光互連的瓶頸，進(jìn)一步介紹光模塊技術(shù)演進(jìn)路徑及CPO架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)；隨后，重點(diǎn)介紹 Ansys 在光模塊與CPO設(shè)計(jì)中的電磁仿真能力，涵蓋高速信號(hào)鏈中的 SI（信號(hào)完整性）分析、熱管理 解決方案，助力客戶在復(fù)雜多物理環(huán)境中優(yōu)化性能、提升可靠性，加速下一代高速光互連系統(tǒng)的創(chuàng)新與落地。</p><p><br></p><p><strong>15:50-16:30 光電收發(fā)一體模塊封裝的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)</strong></p><p><strong>演講嘉賓：</strong>汪云亮 | 華工中央研究院高級(jí)工程師</p><p><strong>內(nèi)容簡(jiǎn)介：</strong>在400G/800G高速光模塊需求激增與CPO（共封裝光學(xué)）技術(shù)變革的雙重驅(qū)動(dòng)下，光電收發(fā)模塊的封裝設(shè)計(jì)正成為影響系統(tǒng)性能、成本及可靠性的核心戰(zhàn)場(chǎng)。將分享通過(guò)優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，并通過(guò)光電鏈路系統(tǒng)仿真，優(yōu)化光電系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)指標(biāo)。
展開 Lumerical 案例| 高效慢光馬赫-曾德爾調(diào)制器實(shí)現(xiàn)0.21V·cm效率且?guī)挸^(guò)110GHz
但其面臨若干挑戰(zhàn)：首先二維光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且光學(xué)模式限制弱，導(dǎo)致制備工藝不兼容且調(diào)制效率低下。其次，共面電極同時(shí)具備電感與電容特性。根據(jù)傳輸線理論，周期性薄槽結(jié)構(gòu)可調(diào)控電感參數(shù)。可采用感應(yīng)電極或其他電極結(jié)構(gòu)提升微波折射率，從而在保持50Ω阻抗的同時(shí)匹配更大光學(xué)群折射率。最后，本研究提出的方法為設(shè)計(jì)支持多維復(fù)用（包括波長(zhǎng)復(fù)用、偏振復(fù)用和模式復(fù)用）的調(diào)制器奠定了基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)此類調(diào)制器有望顯著提升未來(lái)通信鏈路的傳輸容量與性能。
Lumerical軟件試用申請(qǐng)，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。
參考文獻(xiàn)
J. Shen, Y. Zhang, L. Zhang, J. Li, C. Feng, Y. Jiang, H. Wang, X. Li, Y. He, X. Ji, G. Yin, Y. Tian, X. Xiao, Y. Su, Highly Efficient Slow-Light Mach–Zehnder Modulator Achieving 0.21 V cm Efficiency with Bandwidth Surpassing 110 GHz. Laser Photonics Rev 2025, 19, 2401092. https://doi.org/10.1002/lpor.20
展開 看完這篇，不要說(shuō)不懂串口通信！
= ENABLE;
/* 初始化配置NVIC */
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
3、USART配置函數(shù)
void DEBUG_USART_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* 第一步：初始化GPIO */
// 打開串口GPIO的時(shí)鐘
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
// 將USART Tx的GPIO配置為推挽復(fù)用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// 將USART Rx的GPIO配置為浮空輸入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* 第二步：配置串口的初始化結(jié)構(gòu)體 */
// 打開串口外設(shè)的時(shí)鐘
DEBUG_USART_APBxClkCmd
展開 單片機(jī)串口最底層的本質(zhì)！
= 1;
/* 使能中斷 */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
/* 初始化配置NVIC */
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
3、USART配置函數(shù)
void DEBUG_USART_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* 第一步：初始化GPIO */
// 打開串口GPIO的時(shí)鐘
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
// 將USART Tx的GPIO配置為推挽復(fù)用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// 將USART Rx的GPIO配置為浮空輸入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure
展開 SpaceJet剛涼，日本空天客機(jī)新項(xiàng)目已經(jīng)走上了PPT
同時(shí)在過(guò)去國(guó)家主導(dǎo)的太空計(jì)劃和民間的開發(fā)利用層面建立新的合作模式，從而用國(guó)家尖端技術(shù)和政策保障反饋民用事業(yè)和商用計(jì)劃發(fā)展。
換言之，Spaceliner將仍然從典型的日本式“官民合辦”理論出發(fā)。只不過(guò)項(xiàng)目牽頭方從過(guò)去的經(jīng)產(chǎn)省變成了文部科學(xué)省。
Spaceliner的三種模式
從2020年10月開始，由JAXA牽頭，設(shè)立了“革新性未來(lái)宇宙輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路線圖檢討會(huì)”，時(shí)至今日已經(jīng)進(jìn)行了9輪討論。在今年5月的討論會(huì)后，SpaceLiner的模式已經(jīng)接近三種結(jié)果，至少在PPT層面是這樣體現(xiàn)的——
1
類似SpaceX的可復(fù)用火箭方案
JAXA此前一直在進(jìn)行研發(fā)的可復(fù)用火箭構(gòu)想
本方案類似于目前SpaceX所使用的方案，只不過(guò)僅有一級(jí)火箭可重復(fù)使用。這算是相對(duì)成熟的方案，JAXA認(rèn)為至少在應(yīng)用層面上都有相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備。但是其優(yōu)勢(shì)僅限于太空旅行，洲際飛行目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)方案在本質(zhì)是更類似與宇宙飛船，而不是一個(gè)太空客機(jī)。
2
水平起飛，空基發(fā)射航天飛機(jī)方案
本方案則是飛船類似傳統(tǒng)的二級(jí)航天飛機(jī)模式，使用水平起飛，空中點(diǎn)火，水平降落的模式。
展開 