光芯片内的MUX/DeMUX器件详解

这篇笔记主要梳理下光芯片中的各类波分复用器件(wavelength division multiplexing )。

为了减少光纤的数目，降低成本，提高信道容量，人们提出了波分复用的概念，即不同波长携带不同信号，在同一根光纤中进行传输，在接收端再根据波长的不同，将信号分发到不同的用户，如下图所示。

（图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Wavelength-division_multiplexing）

根据波长间隔的不同，WDM还可细分为粗波分复用(CWDM)和细波分复用(DWDM)。CWDM的波长间隔为20nm，而DWDM的波长间隔为100GHz或者50GHz。

在传统光模块中，波分复用器一般通过薄膜滤波片或者AWG来实现。伴随着硅光芯片的发展，很自然的想法是在芯片中单片集成Mux/DeMux。以下分别介绍几种常见的片上波分复用器。

1）AWG

阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, 简称AWG), 其主要由两个罗兰圆和一系列不同长度的波导构成，如下图所示，

（图片来自https://www.astro.umd.edu/~pgatkine/research.html）

不同波长的光从同一端口进入到左侧的罗兰圆中，在其中进行*传输。当进入到波导阵列时，由于波导长度的区别，不同波长的光将积累不同的相位差，最终经过右侧的罗兰圆，传输到不同的通道中。两个罗兰圆区域可视为平板波导。相邻波导的长度差满足下述的光栅方程，

AWG的典型光谱如下图所示，插损一般在2-3dB左右，串扰为-20dB左右，其光谱为高斯型。

（图片来自文献1）

AWG的插损主要来源于输入/输出波导与罗兰圆连接处模场的不匹配，以及输出波导处相邻端口之间区域对光场的反射。为了降低插损，可通过MMI型结构和bi-level型的taper来改善。由于波导宽度的加工误差，以及波导厚度的不均匀，这些都将导致通道中心波长的漂移。因此通常将波导宽度加宽，并通过热调的方法来调节中心波长。

2）Echelle grating

阶梯型光栅的结构与AWG结构有些相似，区别在于Ecelle grating仅使用一个罗兰圆，并在圆周上刻蚀出闪耀光栅，使得光被反射到同一罗兰圆中、进行传播。根据波长的不同，最终不同波长反射的角度也不同，最终经过干涉，在不同的通道中出射，如下图所示。Echelle grating可以看成罗兰圆和闪耀光栅的结合体。

（图片来自文献2）

光栅方程为，

Echelle grating的插损一般也是在2-3dB左右，其主要来源为闪耀光栅处非完美的反射。因此，常常将光栅处刻蚀成DBR结构，用来增强反射，如下图所示，

（图片来自文献3）

Intel与Mellanox的硅光CWDM4模块都采用了基于Echelle grating的Mux，其主要优势是对工艺相对不敏感，只有slab区域厚度的不均匀会导致中心波长的漂移。

3) 级联Mach-Zehnder干涉器

级联MZI型Mux由多个不同分光比的定向耦合器，以及不同长度的延迟线构成，如下图所示，

（图片来自文献4）

级联MZI的基本原理是通过不同分光比DC的组合，使得系统的transfer function与数字滤波器的传递函数接近，典型的表达式为，

延迟线的长度是delta_L的整数倍，其满足

级联MZI型Mux的典型光谱如下图所示，

（图片来自文献4）

相比于AWG和Echelle grating, 级联MZI的光谱非常平坦，并且插损较小，小于1dB。为了实现较小的串扰，可以级联多个MZI, 如下图所示，

（图片来自文献5）

由于其光谱的平顶较宽，级联MZI比较适合CWDM4情景下的Mux。另外，为了降低延迟线出波导宽度误差导致的波长漂移，通常延迟线处设计成较宽的波导。

4）micro-ring

微环型Mux的原理比较简单，通过设计微环的半径，使得特定波长满足共振条件，并从drop端口输出，如下图所示，

(图片来自文献6)

微环型Mux体积非常小，但是其对工艺和温度非常敏感，因此通常都需要通过热调来调节中心波长。微环型Mux的光谱带宽非常小，只适用于DWDM。微环型Mux的插损也比较小。为了得到flat-top型的光谱，常常通过级联多个微环的方法，如下图所示，

（图片来自文献6）

基于微环的典型WDM链路如下图所示，

（图片来自文献7）

以上是对片上Mux/DeMux的简单小结，几种类型各有优缺点，AWG和Echelle grating的插损相对较大，适用于通道数较多的场景；级联MZI型Mux适用于通道数较少，对光谱平顶要求较高的场景；微环适用于尺寸要求较高，光路规模非常大的场景。由于硅光芯片的波导典型厚度为220nm，1nm的偏差就会带来1nm的中心波长漂移。因此通常需要使用热调的方式，使得中心波长移动到设计值。但热调又回带来额外的功耗，目前还没有较好的解决方法。选用SiN波导，是一个不错的选择，SiN波导对厚度的敏感度相对较小，且对温度不太敏感。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出！

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参考文献：

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