Lumerical无源器件专题第一讲：复用器件仿真设计与案例分享

本期是Lumerical系列中无源器件专题——复用器件的设计与仿真，主要涉及到波分复用器件、模分复用器件以及基于二者的混合复用器件。我们将会从复用器件的应用背景、基本原理、常见结构以及性能参数等部分进行讲解，并使用Ansys Lumerical FDTD或者MODE模块进行仿真设计。接下来将从复用器件的基本概念开始。

应用背景

人工智能、物联网、大数据、云计算等新兴技术的出现，使得人们对光通信的传输质量和速率要求越来越高，提高光通信的信道容量是现代数据传输的必然需求。光作为一种电磁波，可以通过振幅、相位、波长、偏振、模式等多个维度进行调制，波分复用、模分复用及偏振复用等片上复用技术应运而生，成为提升带宽和传输速率的常用方法。随着这些技术的成熟，又衍生出多维混合复用技术。无源器件中的复用器和解复用器正是这些复用技术中的核心功能器件，由于光路是可逆的，本质上这两种器件是相同的。接下来将对这几种类型的复用器和解复用器进行简述。

原理及分类

复用技术就是将一系列光信号加载到不同载波上，如不同的波长或者模式，在发送端经过复用器汇合到一起，并耦合到同一个总线波导中进行并行传输，而在接收端经过解复用器再将这些光信号分离出来，其工作原理如图1所示。

图1 复用技术工作原理

波分复用器件

波分复用技术是利用不同波长的光信号在光纤中独立传输的特性，可在现有光网络中实现数据的多通道并行传输，是光纤通信中较成熟的技术。波分复用技术是在发送端通过波分复用器将两种或多种不同波长的光载波信号汇合在一起， 耦合到同一根光纤中进行传输，然后在接收端经解复用器将不同波长的光信号分离开来，由光接收机进一步处理，恢复为原信号。其核心器件为波分复用器和解复用器，常见的结构包括微环（MRR）型、刻蚀衍射光栅（EDG）型以及阵列波导光栅（AWG）型等。

MRR型：

MRR由一个环形谐振腔和输入输出波导组成，具有结构简单、易于集成等优点。其中，环形谐振腔能使不同波长的光信号实现选择性谐振，因此，级联不同环形谐振腔长度的MRR，就能实现多个波长的解复用功能，其结构示意图如图2所示。  

图2 MRR型波长解复用器

EDG型：

EDG是通过满足光程差公式排布的刻蚀光栅齿面实现对不同波长复用光的合束和分束，以此来实现低损耗和多通道的波长（解）复用功能。当一束多波长复用光从输入波导进入自由传输区后，将在EDG齿面处发生衍射，由于EDG齿的排布满足波长相关的相位差关系，相同波长的光信号将会汇聚，被衍射至同一输出波导输出，不同波长的光信号由不同的输出波导输出，从而实现波长解复用的功能，其结构示意图如图3（a）所示。

图3 （a）EDG型波长解复用器；（b）AWG型波长解复用器

AWG型：

AWG是通过阵列排布的具有恒定长度差的阵列波导来构建光学相位分布，从而在输出自由传输区域实现不同波长的光信号的分离。当一束多波长复用光由输入波导耦合至输入自由传输区后，将由输入自由传输区的阵列波导接收，配置恒定的光程差后，在光栅圆处耦合至输出自由传输区，由于满足了光程差条件和罗兰圆排布，相同波长的光束将聚焦至罗兰圆上的同一点，而不同波长的光束在罗兰圆的不同位置发生汇聚并耦合至输出波导，完成波长的解复用功能，其结构示意图如图3（b）所示。

模分复用器件

波导中的不同模式是相互正交的，互不干扰的。因此，利用波导中的不同模式作为载波来传输光信号，在很小体积和单波长下就能实现多个通道的并行传输，大大提高了通信容量，这就是模分复用技术。其中模式（解）复用器是该技术中的关键器件，主要类型包括非对称定向耦合器（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，具有结构紧凑、扩展性强等优点，是目前模分复用器件中研究最为广泛的基础结构。根据相位匹配条件可知，只需通过合理设计ADC中相邻两波导的宽度，就能使两波导中的某一个特定模式匹配，以此来实现二者的完全耦合。因此，采用多个波导宽度不同的ADC级联的方法，就可以实现多个模式的（解）复用功能，该类器件的结构示意图如图4所示。

图4 ADC型模式解复用器    

MMI型：

MMI型的模分复用器的主要原理是基于光的自映像效应，通过控制MMI的输入输出位置以及长度，就可以在输出端得到不同模式的自映像。该器件用于设计模式（解）复用器时，常与其他器件相结合，比如Y分支、亚波长光栅、多个MMI级联等。图5所示的器件是Y分支与MMI结合，首先两种不同模式的光信号经过Y分支分束后，再通过90°相移区的相位延迟，最后经过一个2×2 MMI，就实现了两个模式的分离。

图5 MMI型模式解复用器

混合复用器件

为了充分发挥光通信的带宽优势，研究单一复用技术是一种有效途径，而将多种复用技术综合形成多维混合复用技术更能提升光通信系统的传输容量。例如将波分复用器和模分复用器进行级联，就能实现波长和模式的混合（解）复用功能。最普遍的类型就是ADC- MRR型，其结构示意图如图6所示。其中，ADC能对不同模式进行分离，而不同半径的MMR又能对不同波长进行选择，这种混合复用器件在扩展性上拥有巨大优势。  

图6 ADC- MRR型波长-模式混合解复用器

主要性能指标

插入损耗（IL）：复用器件在系统中造成的能量损失，是表征器件性能的最为重要的参数之一。

串扰（CT）：其他通道的输出信号对本通道的输出信号传输产生的影响,用以衡量器件工作时通道间的干扰作用。

本期文章主要介绍了复用器件的应用背景，并对复用器件进行了分类，阐述了不同类别器件的工作原理，最后给出了衡量复用器件优劣的主要性能指标，后面我们将会使用Ansys Lumerical FDTD或者MODE模块进行仿真设计，欢迎大家持续关注公众号的更新。

参考文献：

[1]刘大建, 赵伟科, 张龙, 等. 高性能无源硅光波导器件: 发展与挑战[J]. 光学学报, 2022, 42(17): 1713001.

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[3]DAI D, LI C, WANG S, et al. 10-Channel Mode (de) multiplexer with dual polarizations[J]. Laser & Photonics Reviews, 2018, 12(1): 1700109.1-9.

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