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在全球数字化加速、人工智能技术迅猛发展的背景下, 数据量与计算量正呈现出爆炸式增长的态势. 这一趋势对通信网络的传输容量和传输效率提出了前所未有的严苛要求[1,2]. 绝缘体上硅(silicon on insulator, SOI)材料, 由于其与互补金属氧化物半导体工艺相兼容和高折射率差优势, 已成为支撑大容量通信的核心平台. 在此背景下, 波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)[3,4]、模分复用[5,6]、偏振复用[7,8]等技术, 凭借并行传输信息的能力获得迅猛发展. 尤其是WDM技术, 通过在单一光波导中对不同波长进行高效复用和解复用, 显著地提升了光波导的信息传输效率.
作为WDM系统中的核心器件, 波分复用器承担着将不同波长的光信号精准合并与分离的关键任务, 其工作带宽直接决定了整个WDM系统的传输容量. 目前大多数光子器件的工作波长集中在1310和1550 nm常用通信波段附近, 但从当前的发展态势来看, 1310和1550 nm波段已无法满足通信需求. 为了应对现状, 通信波段正加速向新波段拓展. 其中备受关注的2000 nm波段, 是一个极具发展前景的新兴通信窗口, 已商用的掺铥光纤放大器为其提供了大带宽、高增益的信号放大支持[9]. Rouifed等[10]利用多模干涉耦合器(multimode interference, MMI)设计了支持1550和2000 nm波分复用器, 在目标波长下, 插入损耗(insertion loss, IL)分别为0.14和1.2 dB, 串扰(crosstalk, CT)小于–18.83 dB, 但其尺寸高达293 μm×6 μm. 在MMI结构的基础上, Wang等[11]通过引入亚波长光栅(subwavelength gratings, SWG), 设计了支持1550和2000 nm波分复用器, 其IL小于0.24 dB, CT小于–15.2 dB, 同时器件长度缩减为34.48 μm. 显然, 采用传统方法设计的波分解复用器因器件尺寸较大, 在大规模光子集成电路中的应用受到限制. 此外, 兼容1310, 1550和2000 nm三个重要波段的波分解复用器仍然缺乏.
近期, 受益于纳米尺度下对折射率的灵活调控能力, 逆向设计方法为优化超紧凑器件的设计提供了有效的途径, 已经广泛应用于超紧凑、高性能和多功能纳米光子器件的设计[12–14]. Huang等[15]利用目标优先算法优化了尺寸仅为2.4 μm×10 μm的聚焦双通道波分解复用器, 该器件直接与光栅耦合器连接, 可同步实现光栅耦合和波分解复用功能. 可以看出, 采用逆向设计方法可显著减小光子器件的尺寸. 与此同时, 基于该设计方法构建的波分解复用器具备与其他光子器件有效集成的能力. Sun等[16]采用直接二进制搜索(direct binary search, DBS)算法设计了尺寸仅为7.8 μm×5.2 μm的双波段功率分束解复用器, 同时实现1310与1550 nm波长分离与功率分束功能. 在同一个波导尺寸下, 1310与1550 nm波长跨度小, 二者模场分布与传输特性差异并不显著, 易于在同一结构中实现较为匹配的传输与调控. 然而, 1310—2000 nm的波长间隔高达700 nm, 短波长光场局域性极强, 而长波的模场由于衍射极限较大, 极易泄漏到包层. 因此, 在同一器件内同时实现波长跨度差异显著的三个波段的功率分束与波分复用, 仍面临较大技术挑战.
针对该挑战, 利用DBS算法优化了一种超紧凑的三波长功率分束解复用器(three-wavelength power-splitting (de) multiplexer, 3W-PSDM), 该器件不仅可以同时实现功率分束和波分解复用的功能, 而且工作带宽覆盖1310, 1550和2000 nm波长. 此外, 提出了光子晶体带通滤波器(photonic crystal bandpass filter, PHC-BPF), 与3W-PSDM对应的输出波导连接, 能够进一步减小3 dB带宽. 此项工作为WDM系统实现高密度集成以及提高带宽利用率提供了坚实的理论依据和可靠的器件支持.
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在逆向设计方法中, 为降低算法对初始结构的敏感性并提升优化效率, 通常利用等效理论模型构建高质量的初始结构, 为智能算法提供物理启发式的导向. 在功率分束器的设计中, Y分支是常用的基础构型[17]. 本研究中的3W-PSDM旨在将三种波长分离至两个对称的输出波导中. 不同波长在同一波导内的有效折射率存在差异, 导致光束的空间分离位置各异. 基于这一特性, 可以参考功率分束器的设计模型, 采用如图1所示的“级联Y型分支”作为基础结构. 其中, 黑色、蓝色、红色实线分别表示Y分支物理模型. 在此物理模型的基础上, 进一步提取出离散等效理论模型, 并将其作为后续优化的初始结构.
传统波导结构对光的调控能力有限, 通常需要较长的耦合或干涉区域以达到目标. 相比之下, 逆向设计的离散结构能够在波导内构建复杂且非均匀的有效折射率场, 为光学调控带来新的可能. 当光波经过时, 亚波长尺度的离散结构会产生强烈的局域散射, 从而打破线性调控的限制, 实现对局部波长、振幅和模式等光学特性的精确调控, 能够在极大缩小尺寸的同时提升性能.
本文先基于Y分支理论设置高质量的初始结构, 随后利用DBS算法对局部区域进行离散化逆向优化. 该算法通过离散的结构为设计区域赋予充足的自由度, 凭借其出色的搜索能力使设计区域的优化过程快速收敛. DBS算法优化流程如图2所示, 算法开始前会将设计区域离散成像素矩阵, 每个像素通过材料的调控而拥有“0”和“1”两种状态. 算法开始后, 首先会随机选择一个像素, 计算该像素在两种状态下器件的品质因子(figures of merit, FOM), FOM可以根据优化目标进行编码; 其次, 比较像素在两种状态下器件的FOM值, 保留性能更优的状态; 最后, 算法继续搜索像素, 重复上述计算. 按照一定顺序完成所有像素的计算为一次迭代, 循环迭代直至器件性能不再提升, 算法停止.
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3W-PSDM旨在将1310, 1550和2000 nm波长分离至各自波导, 并实现各波长1∶1的功率分束. 图3为3W-PSDM三维结构示意图, 该器件由输入波导Port 0、设计区域和输出波导阵列Port 1—6组成. 指定带宽光束从输入波导Port 0注入器件, 随后进入逆向设计区域完成功率均分与波长分离, 最终从对应的输出波导输出. 其中, 1310 nm波段光束从Port 2和Port 5输出; 1550 nm波段光束从Port 1和Port 6输出; 2000 nm波段光束则从Port 3和Port 4输出.
3W-PSDM基于SOI平台设计, 顶层硅厚度为220 nm, 包层材料为SiO2. 图4(a)展示了波长分别为1310, 1550和2000 nm时, 波导有效折射率随波导宽度的变化曲线. 由于长波模场受衍射极限影响更为显著, 模场极易泄露至包层中, 如图4(b)所示. 为此, Port 0, Port 3和Port 4的波导宽度设为650 nm, 以支持2000 nm波长的有效传输; Port 1, Port 2、Port 5和Port 6的宽度设为500 nm, 以满足1310和1550 nm波长的稳定传输. 此外, 为避免相邻波导间发生模式耦合, 同时保证设计区域可被均匀划分为整数个像素单元, 将Port 1与Port 2, Port 2与Port 3, Port 4与 Port 5, Port 5与 Port 6的间距均设为500 nm, Port 3与Port 4 的间距设为700 nm. 整个器件设计区域尺寸为6 μm×6 μm, 被离散为50 pixel×50 pixel的像素矩阵, 单个像素单元大小为120 nm×120 nm. 像素单元的“1”状态为填充硅材料, “0”状态则是在“1”状态的中心刻蚀一个直径为90 nm, 高为220 nm的圆柱, 并在该圆柱内填充SiO2材料. 像素单元的尺寸与状态的设定综合考虑了工艺经验与器件性能需求, 且完全兼容现有微纳加工工艺.
DBS算法对设计区域进行优化时, 采用ANSYS Lumerical仿真软件中的时域有限差分算法进行电磁场模拟计算. 优化过程中, 网格步长为dx = 30 nm, dy = 30 nm, dz = 30 nm. 3W-PSDM的FOM函数定义为
式中,
$ \alpha $ 为权重因子;$ {\lambda }_{ij} $ 为i波导中j波长的透过率. 对于3W-PSDM,$ {\lambda }_{i1} $ ,$ {\lambda }_{i2} $ ,$ {\lambda }_{i3} $ 分别为1550 nm, 1310 nm, 2000 nm波长. 在优化过程中, 设计区域关于图5中黑色虚线对称, 这样不仅可以实现完美的1∶1功率分束, 而且大幅度降低计算复杂度和迭代时间. 经过优化, 3W-PSDM的最终结构、光场分布和仿真结果分别如图5(a)—(c)所示. 在1310, 1550, 2000 nm波长处, 对应单通道的仿真IL分别约为3.7, 3.6和3.6 dB, 仿真CT分别小于–23.2, –23.4和–22.0 dB, 3 dB带宽分别约为56, 54和893 nm. 通过改变FOM目标函数以及权重因子, 还能进一步对器件的IL, CT及带宽等性能进行调节. -
3W-PSDM的3 dB带宽偏大, 尤其在2000 nm波段更为明显, 不利于密集波分复用系统应用. 为进一步降低3W-PSDM的3 dB带宽, 提出在其各输出端口分别级联对应波长的PHC-BPF. 各PHC-BPF均与3W-PSDM对应输出波导直接相连, 因此波导宽度(W)与对应输出波导保持一致. 每个PHC-BPF均由两个不同周期的PHC阵列串联构成. PHC阵列都具备带阻特性, 中心过滤波长由布拉格共振条件计算:
式中,
$ \lambda $ 为布拉格中心波长;$ {n}_{\text{eff}} $ 为有效折射率;$ {\varLambda } $ 为PHC阵列的周期.以输出波导Port 1和Port 6处的PHC-BPF为例. 每个PHC单元均是直径为D = 90 nm的二氧化硅圆柱, 这样其结构参数可以与3W-PSDM保持一致. 为实现λ3 = 1550 nm带通功能, 设计了两个中心波长分别为λ1=1500 nm和λ2 = 1600 nm的带阻PHC阵列, 透射光谱分别如图6(a)和图6(b)所示. 当两个PHC阵列的周期分别为Λ1 = 315 nm和Λ2 = 353 nm, 且圆柱单元数为N1 = N2 = 30时, 其中心波长分别对应1500和1600 nm, 插入损耗分别约为28.4和23.7 dB. 由上述两组带阻PHC阵列级联, 可构成中心波长1550 nm的PHC-BPF, 其结构示意图、光场分布及透射谱分别如图7(a)—(c)所示. 结果表明, 1500与1600 nm波长被有效反射, 而1550 nm波长可高效传输. 该滤波器中心波长为1550 nm, 其IL约为0.5 dB; 在1455—1543 nm与1557—1645 nm阻带范围内, IL均大于25 dB, 3 dB带宽仅为6 nm.
按照相同设计思路, 可完成其余输出端口对应PHC-BPF的参数优化, 具体结构参数如表1所列. 其中, Port 2与Port 5处的1310 nm带通PHC-BPF由中心阻带波长1260 nm和1360 nm的两组PHC阵列构成, 周期分别为242 nm和274 nm, 圆柱单元数分别为38和32; Port 3与Port 4处的2000 nm带通PHC-BPF由中心阻带波长1960和2040 nm的两组PHC阵列构成, 周期分别为451 nm和485 nm, 圆柱单元数均为40.
通过结合3W-PSDM和PHC-BPF可以实现3 dB带宽的减小, 结构如图8(a)所示, 其尺寸约为6 μm×47 μm. 该结构的光场分布和透射光谱分别如图8(b)—(e)所示, 在1310, 1550, 2000 nm波长处, 对应单通道的仿真IL分别约为4.0, 4.8和4.1 dB, 仿真CT分别小于–19.6, –15.1和–26.2 dB, 3 dB带宽分别约为2, 6和8 nm. 与未集成PHC-BPF的3W-PSDM相比, 虽然器件尺寸和损耗有所增加, 但是3 dB带宽得到有效的减小.
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为确保器件性能的稳健性, 必须充分考虑实际制备中的随机误差, 开展加工容差分析. 在1310, 1550, 2000 nm波长下, 3W-PSDM性能随像素单元大小的变化情况分别如图9(a)—(c)所示. 当像素单元尺寸在–5—5 nm范围内变动时, 对器件性能产生的影响较小. 在1310, 1550, 2000 nm波长处, 对应单通道的仿真IL仍分别小于6.5, 6.4和4.2 dB, 所有通道的仿真CT皆小于–12.6 dB. 因此, 在像素单元直径存在一定制备偏差的情况下, 3W-PSDM依然能够保持相对稳定的性能表现, 具有较高的加工鲁棒性.
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在物理层面上, 光信号处理包括时间、振幅、波长、空间和偏振五个维度[18]. 其中, 波分复用器作为处理波长维度信息的重要器件, 能够实现不同波长信号的复用与解复用功能. 如表2所列, Rouifed等[11]引入SWG结构, 设计了一种支持1550和2000 nm双波段工作的波分复用器, 尺寸为2 μm×34.48 μm. 为缩小器件尺寸, Wu等[19]采用逆向设计算法, 优化得到尺寸仅为7.2 μm×12 μm的6通道波分复用器, 所有通道的IL均小于2.5 dB. 同样基于逆向设计方法, Deng等[20]进一步将工作波段扩展至2000 nm, 实现了尺寸为3 μm×3 μm的2通道波分复用器, 所有通道的IL均小于1.2 dB. 此外, 波分复用器还可以与其他维度融合, 拓展其功能性. 例如, Sun 等[16]将波分解复用功能与振幅维度相结合, 实现了1310 nm与1550 nm波长分离及功率分束功能. 相比之下, 本文提出的3W-PSDM器件具有超紧凑尺寸, 支持功率分束与波分解复用功能, 并覆盖1310, 1550和2000 nm三个重要波段.
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波分复用器的工作带宽是衡量整个WDM系统传输容量的关键指标. 然而, 传统1310和1550 nm通信频段资源日益紧张, 使得波分复用器难以实现对光谱的有效利用. 为了将通信频段扩展到2000 nm波段, 利用逆向设计算法设计了一种超紧凑的3W-PSDM, 其不仅可以同时实现功率分束和波分解复用的功能, 而且工作带宽覆盖1310, 1550和2000 nm波长. 在这三个波长处, 对应单通道的仿真IL分别约为3.7, 3.6和3.6 dB, 仿真CT分别小于–23.2, –23.4和–22.0 dB. 此外, 为了进一步减小3 dB带宽, 提出了工作在不同波段的PHC-BPF. 通过将对应输出波导与PHC-BPF连接, 在1310, 1550和2000 nm波长处, 3W-PSDM的仿真IL分别约为4.0, 4.8和4.1 dB, 仿真CT分别小于–19.6, –15.1 dB和–26.2 dB, 3 dB带宽分别约为2, 6和8 nm. 上述研究对推动WDM系统向更高性能、更集成化、更多带宽方向发展具有重要意义.
逆向设计的三波长功率分束解复用器
Inverse-designed three-wavelength power-splitting (de)multiplexer
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摘要: 传统通信频段资源短缺导致波分复用器无法实现对光谱的有效利用. 针对这一挑战, 利用逆向设计算法设计了一种超紧凑的三波长功率分束解复用器(three-wavelength power-splitting (de)multiplexer, 3W-PSDM). 该器件不仅可以同时实现功率分束和波分解复用的功能, 而且工作带宽覆盖1310, 1550和2000 nm波长. 在1310, 1550 和2000 nm波长处, 对应单通道的仿真插入损耗(insertion loss, IL)分别约为3.7, 3.6 和3.6 dB, 仿真串扰(crosstalk, CT)分别小于–23.2, –23.4和–22.0 dB, 3 dB带宽分别约为56, 54和893 nm. 此外, 提出了工作在不同波段的光子晶体带通滤波器, 与3W-PSDM对应的输出波导连接, 能够进一步减小3 dB带宽. 结合对应波长的带通滤波器后, 在1310, 1550和2000 nm波长处, 3W-PSDM的仿真IL分别约为4.0, 4.8和4.1 dB, 仿真CT分别小于–19.6, –15.1和–26.2 dB, 3 dB带宽分别约为2, 6和8 nm.
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关键词:
- 逆向设计算法 /
- 三波长功率分束解复用器 /
- 光子晶体带通滤波器
Abstract: Multiplexing technology has rapidly developed due to its ability for parallel information transmission. In particular, wavelength division multiplexing (WDM) technologies significantly improve the information transmission efficiency by effectively multiplexing and demultiplexing different wavelengths in a single optical waveguide. As the core device in the WDM system, the wavelength division multiplexer undertakes the key task of accurately combining and separating optical signals of different wavelengths. Its working bandwidth directly determines the transmission capacity of the entire WDM system. To address the challenge that conventional wavelength division multiplexers cannot effectively utilize the spectrum due to limited traditional communication band resources, an ultra-compact three-wavelength power-splitting (de)multiplexer (3W-PSDM) is designed using an inverse design algorithm. The device not only performs power splitting and wavelength division multiplexing simultaneously, but also operates at 1310, 1550, and 2000 nm. The simulated insertion losses (ILs) for the corresponding channels are about 3.7, 3.6 and 3.6 dB at 1310, 1550 and 2000 nm, respectively. The simulated crosstalks (CTs) are lower than –23.2, –23.4, and –22.0 dB, respectively. The 3 dB bandwidths are about 56, 54, and 893 nm, respectively. In addition, photonic crystal bandpass filters operating at different wavebands are proposed, which can be connected with the corresponding output waveguides of 3W-PSDM to reduce 3 dB bandwidths. When combined with photonic crystal bandpass filters, 3W-PSDM shows that the simulated ILs are about 4.0, 4.8 and 4.1 dB at 1310, 1550, and 2000 nm, respectively. The simulated CTs are lower than –19.6, –15.1, and –26.2 dB, respectively. The 3 dB bandwidths are about 2, 6, and 8 nm, respectively. -
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表 1 PHC-BPF 的参数
Table 1. PHC-BPF parameters.
Parameters λ1/nm λ2/nm λ3/nm Λ1/nm Λ2/nm D/nm N1 N2 W/nm Port 1/Port 6 1500 1600 1550 315 353 90 30 30 500 Port 2/Port 5 1260 1360 1310 242 274 90 38 32 500 Port 3/Port 4 1960 2040 2000 451 485 90 40 40 650 表 2 波分解复用器性能对比
Table 2. Performance comparison of wavelength division multiplexers.
Structure Function Design scheme Footprint/μm2 Wavelength/nm Performance/dB [11] Wavelength division multiplexing MMI 2×34.48 1310 and 1550 Simulated IL < 0.24 [19] Wavelength division multiplexing DBS algorithm 7.2×12 1500, 1520, 1540, 1560,
1580 and 1600Simulated IL < 2.5 [20] Wavelength division multiplexing Topology
optimization3×3 1550 and 2000 Measured IL < 1.2 [16] Power splitting and wavelength
division multiplexingDBS algorithm 7.8×5.2 1310 and 1550 Simulated IL < 0.37 This work Power splitting and wavelength
division multiplexingDBS algorithm 6×6 1310, 1550, and 2000 Simulated single-channel
IL < 3.7 -
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