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(shù)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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術的出現(xiàn)，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(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝恍枨?。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(fā)送端經(jīng)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(jīng)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。

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?shù)奶匦?，可在現(xiàn)有光網(wǎng)絡中實現(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。波分復用技術是在發(fā)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(jīng)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(huán)（MRR）型、刻蝕衍射光柵（EDG）型以及陣列波導光柵（AWG）型等。

MRR型：

MRR由一個環(huán)形諧振腔和輸入輸出波導組成，具有結構簡單、易于集成等優(yōu)點。其中，環(huán)形諧振腔能使不同波長的光信號實現(xiàn)選擇性諧振，因此，級聯(lián)不同環(huán)形諧振腔長度的MRR，就能實現(xiàn)多個波長的解復用功能，其結構示意圖如圖2所示。

EDG型：

EDG是通過滿足光程差公式排布的刻蝕光柵齒面實現(xiàn)對不同波長復用光的合束和分束，以此來實現(xiàn)低損耗和多通道的波長（解）復用功能。當一束多波長復用光從輸入波導進入自由傳輸區(qū)后，將在EDG齒面處發(fā)生衍射，由于EDG齒的排布滿足波長相關的相位差關系，相同波長的光信號將會匯聚，被衍射至同一輸出波導輸出，不同波長的光信號由不同的輸出波導輸出，從而實現(xiàn)波長解復用的功能，其結構示意圖如圖3（a）所示。

AWG型：

AWG是通過陣列排布的具有恒定長度差的陣列波導來構建光學相位分布，從而在輸出自由傳輸區(qū)域實現(xiàn)不同波長的光信號的分離。當一束多波長復用光由輸入波導耦合至輸入自由傳輸區(qū)后，將由輸入自由傳輸區(qū)的陣列波導接收，配置恒定的光程差后，在光柵圓處耦合至輸出自由傳輸區(qū)，由于滿足了光程差條件和羅蘭圓排布，相同波長的光束將聚焦至羅蘭圓上的同一點，而不同波長的光束在羅蘭圓的不同位置發(fā)生匯聚并耦合至輸出波導，完成波長的解復用功能，其結構示意圖如圖3（b）所示。

模分復用器件

波導中的不同模式是相互正交的，互不干擾的。因此，利用波導中的不同模式作為載波來傳輸光信號，在很小體積和單波長下就能實現(xiàn)多個通道的并行傳輸，大大提高了通信容量，這就是模分復用技術。其中模式（解）復用器是該技術中的關鍵器件，主要類型包括非對稱定向耦合器（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，具有結構緊湊、擴展性強等優(yōu)點，是目前模分復用器件中研究最為廣泛的基礎結構。根據(jù)相位匹配條件可知，只需通過合理設計ADC中相鄰兩波導的寬度，就能使兩波導中的某一個特定模式匹配，以此來實現(xiàn)二者的完全耦合。因此，采用多個波導寬度不同的ADC級聯(lián)的方法，就可以實現(xiàn)多個模式的（解）復用功能，該類器件的結構示意圖如圖4所示。

MMI型：

MMI型的模分復用器的主要原理是基于光的自映像效應，通過控制MMI的輸入輸出位置以及長度，就可以在輸出端得到不同模式的自映像。該器件用于設計模式（解）復用器時，常與其他器件相結合，比如Y分支、亞波長光柵、多個MMI級聯(lián)等。圖5所示的器件是Y分支與MMI結合，首先兩種不同模式的光信號經(jīng)過Y分支分束后，再通過90°相移區(qū)的相位延遲，最后經(jīng)過一個2×2 MMI，就實現(xiàn)了兩個模式的分離。

混合復用器件

為了充分發(fā)揮光通信的帶寬優(yōu)勢，研究單一復用技術是一種有效途徑，而將多種復用技術綜合形成多維混合復用技術更能提升光通信系統(tǒng)的傳輸容量。例如將波分復用器和模分復用器進行級聯(lián)，就能實現(xiàn)波長和模式的混合（解）復用功能。最普遍的類型就是ADC- MRR型，其結構示意圖如圖6所示。其中，ADC能對不同模式進行分離，而不同半徑的MMR又能對不同波長進行選擇，這種混合復用器件在擴展性上擁有巨大優(yōu)勢。

主要性能指標

插入損耗（IL）：復用器件在系統(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。

串擾（CT）：其他通道的輸出信號對本通道的輸出信號傳輸產生的影響,用以衡量器件工作時通道間的干擾作用。本期文章主要介紹了復用器件的應用背景，并對復用器件進行了分類，闡述了不同類別器件的工作原理，最后給出了衡量復用器件優(yōu)劣的主要性能指標，后面我們將會使用Ansys Lumerical FDTD或者MODE模塊進行仿真設計，歡迎大家持續(xù)關注公眾號的更新。

參考文獻：

[1]劉大建, 趙偉科, 張龍, 等. 高性能無源硅光波導器件: 發(fā)展與挑戰(zhàn)[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]. Optics express, 2014, 22(5): 5781-5786.

[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.