光無源器件
關注創建者：匿名 創建時間：2026-03-09
光無源器件的實例教程
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 本期是Lumerical系列中無源器件專題-復用器件的第二期，主要內容為波分復用器的設計與仿真，并以典型的級聯微環（MRR）型波分復用器為例進行仿真實操。首先簡述了微環諧振器作為波分復用器的工作原理，然后使用Lumerical軟件中的MODE模塊進行了雙微環級聯的仿真實操，最后使用INTERCONNECT模塊進行四微環級聯的仿真實操。
工作原理
MRR是一種由環形波導構成的諧振腔結構，當光從輸入端耦合進MRR后，
會被限制在環形諧振腔內循環傳輸，對于一些特定波長的光，其在MRR中傳輸一周之后的相位變化量是2π的整數倍，使得該光會與輸入光發生相長干涉，當光不斷輸入MRR后，光能在MRR中穩定分布，傳輸和貯存，這就是MRR的諧振態。而其他波長的光無法與輸入光發生相長干涉，使其無法在MRR中穩定傳輸，這就是非諧振態。由相長干涉的條件可知，對于諧振態的光，其會滿足下式：
式中neff表示波導的有效折射率；L為環形諧振腔的長度；m為整數。
傳統的上下載型MRR的基本結構如圖1（a）所示，它由兩個直波導和一個環形諧振腔構成。在耦合區1中，假設直波導在耦合前后的電場強度的分別為 A1和A2，而環形波導中的電場分別為B1和B2。在耦合區2中，直波導兩側的電場強度分別為A4和A3，對應的環形波導中的電場分別為B4和B3。定義其耦合系數為k；透過系數為t；環形波導內的損耗系數為a；而光在環形波導中傳輸一周所積累的相位為φ=2πLneff/λ，其中L表示環形波導的周長。
展開 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 性能度量參數
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。實現高耦合效率是設計光耦合器的主要目標。端面耦合器的耦合效率可以簡化為多個因素的乘積，起主要作用的是重疊積分部分，可表示為下式：
其中， 和 分別為光纖模式電場的復振幅和硅波導端面模式電場的復振幅，A表示模場面積。
器件尺寸：考慮到集成密度、制造可行性和封裝難度，器件尺寸是定義端面耦合器優點的另一個重要參數。由于端面耦合器通常由縱向形狀的錐形組成，因此實現緊湊的端面耦合器的主要思想是減小器件長度。
工作帶寬：端面耦合器具有大工作帶寬的固有優勢，因為它基于光的傳播特性而不是光柵耦合器中光的衍射效應工作。大工作帶寬意味著端面耦合器可以在寬的波長范圍內高效穩定地工作，對波長波動不敏感。
容差：由于結構對稱性和簡單性，基于單個錐形的端面耦合器易于制造且簡單，并且具有良好的制造偏差容限和未對準容限。
端面耦合器在水平方向上的結構變換
1. 基于非線性輪廓倒錐形的端面耦合器
線性錐形耦合器的主要優點是其結構簡單和易于制造，而這種結構簡單也導致尺寸極大和耦合效率有限，特別是對于與具有大光斑尺寸光纖的光耦合。在此背景下，非線形倒錐形結構得到廣泛研究，常見變換包括多截面錐形、拋物線錐形或二次錐形以及指數錐形，分別如圖2（b）-（d）所示。
圖2 倒錐形類型（a）線性型；（b）多截面型；（c）拋物線型；（d）指數型
2. 基于多尖端錐形和多錐形的端面耦合器
多尖端錐形被廣泛用于提高模式重疊效率，其結構如圖3（a）所示。該結構由多個尖端組成的錐面，可形成疊加模式，從而增大模場直徑，能更好與光纖模式進行匹配。
展開 本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。
本期文章參考文獻[1]設計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結構的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結構示意圖如圖1所示。
圖1 （a）端面耦合器結構示意圖；（b）橫截面示意圖
如上圖所示，該端面耦合器包含3個 層，且硅波導采用倒錐形結構，用于將光場擴展成更大的波導模式，使其與光纖模式更兼容。此外， 層的有效折射率由亞波長光柵控制，即高折射率（ ）和低折射率（ ）材料的交替條帶。該器件的品質因數（FOM）是波導模式和光纖模式之間的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函數。在此示例中，重點是優化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設計，使用本征模擴展（EME）方法，因為它允許在掃描器件長度或器件的任何部分時立即重新計算S矩陣結果，不需重復運行仿真。設計過程包括以下5個主要步驟：
利用FDE對光纖位置進行優化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優化。加入基底，利用EME進行最終優化。S參數提取：運行以獲取作為波長函數的S參數并將結果導出到數據文件。緊湊模型創建：將S參數數據導入INTERCONNECT。
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連續調制光柵區域光波導的優化
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過其波導工具箱提供了一系列方便的工具，可在設計過程中幫助光學工程師。例如用于光柵結構配置的用戶友好的工作流程，用于光柵分析的嚴格傅里葉模態算法
數字式環境光傳感器（Digital Ambient Light Sensor, ALS）是一種將環境光強度轉換為?數字信號?的光電轉換器件，廣泛應用于手機、筆記本、智能家居等設備的自動亮度調節，以提升視覺舒適度并降低功耗。
四大核心工作原理：
一、光電轉換?：采用?光電二極管?或?光電晶體管?作為感光元件。當可見光（通常覆蓋380–780 nm）照射到半導體材料上時，光子激發電子-空穴對，
光纖光柵是一種新型的光無源器件，具有制作簡單、造價低、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、并易于同光纖系統兼容集成等諸多優點，所以近年來光纖光柵在光通信、光纖激光器和光纖傳感器等領域的應用越來越受到人們的重視，取得了令人矚目的成就。
1. 建模任務
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應用。本案例有兩種項目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。
任務：如何準確計算波導的MTF？需要考慮哪些影響？
任務說明書
在增強現實和混合現實應用（AR/MR）領域的波導器件的設計過程中，準確計算可實現的光學性能是其主要任務之一。除了空間和角度均勻性外，一個非常重要的量是調制傳遞函數（MTF），它可以評估最終器件的分辨率能力。在本例中，我們指出了衍射和相干效應對計算得到的
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
本期是Lumerical系列中無源器件專題-復用器件的第二期，主要內容為波分復用器的設計與仿真，并以典型的級聯微環（MRR）型波分復用器為例進行仿真實操。首先簡述了微環諧振器作為波分復用器的工作原理，然后使用Lumerical軟件中的MODE模塊進行了雙微環級聯的仿真實操，最后使用INTERCONNECT模塊進行四微環級聯的仿真實操。
工作原理
MRR是一種由環形波導構成的諧振腔結構，當光從輸入端耦合進
高性能無源硅光波導器件: 發展與挑戰[J]. 光學學報, 2022, 42(17): 1713001.[2] LI Y, LI C, LI C, et al. Compact two-mode (de) multiplexer based on symmetric Y-junction and multimode interference waveguides[J].
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第二期。本期主要基于一種十字型異質多芯波導的端面耦合器進行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導的寬度和波導之間的距離以及劈尖波導的長度和相對位置進行優化，最終實現了與高數值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。
背景介紹
隨著光芯片制造工藝中套刻技術的發展和三維波導制造工藝的不斷完善
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大
