基于多模干涉的光子晶体马赫-曾德尔干涉仪复用器的概念设计
研究背景与问题提出
随着现代光通信技术的快速发展，波分复用（WDM）系统在实现高容量、多功能光学网络中扮演着核心角色。其中，(解)交织器作为波长解复用结构的关键组件，能够高效分离多个波长信号，从而为网络设计提供更大的灵活性和更高的信道数量支持。然而，传统马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）的设计在输入和输出耦合器方面存在显著缺陷，特别是由于耦合器结构对波长的高度依赖性，导致其性能受到限制。此外，如何实现平坦的传输频谱和低串扰是当前研究中的重要挑战。
针对这些问题，来自伊朗沙希德·贝赫什蒂大学（Shahid Beheshti University）的研究团队提出了一种基于多模干涉（Multimode Interference, MMI）的新型光子晶体马赫-曾德尔干涉仪（Photonic Crystal Mach-Zehnder Interferometer, PC-MZI）设计。该研究旨在通过优化PC-MZI的结构设计，克服传统MZI在输入/输出耦合器上的局限性，并开发出适用于密集波分复用（DWDM）和粗波分复用（CWDM）网络的高性能(解)交织器。
论文来源
这篇论文由Masoud Kamran和Kambiz Abedi共同撰写，他们均来自沙希德·贝赫什蒂大学电气工程学院。论文于2024年6月10日提交，2024年12月29日被接受，并将在《Optical and Quantum Electronics》期刊上发表，文章编号为57:162，DOI为10.1007/s11082-024-08021-y。
研究细节与工作流程
a) 研究流程与方法
1. 设计目标与基本原理
本研究的主要目标是设计一种基于多模干涉的PC-MZI (解)交织器，以实现平坦的通带响应、陡峭的频谱边沿以及低功率损耗和低串扰。研究分为两个主要部分：第一部分设计了基于Y型分束器输入和MMI输出的PC-MZI (解)交织器；第二部分进一步扩展了该设计，提出了基于输入/输出MMI的PC-MZI (解)交织器。
2. 结构设计与参数优化
研究人员采用了二维光子晶体（Photonic Crystal, PC）结构，其晶格由空气中的硅圆柱介质棒组成。介质棒的介电常数为εrods = 11.85，半径为rd = 0.16a（a为晶格常数）。为了实现特定波长范围内的操作，研究选择了a/λ0 = 0.42的工作点，对应的晶格常数为a = 0.65 µm，介质棒半径为108 nm。
研究中使用了有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）进行仿真分析，重点研究了TE偏振光的行为。仿真域采用连续波源激发，并通过高斯光束轮廓模拟输入信号。时间步长为δt = 0.04 fs，仿真持续时间为3 ps（C波段）或5 ps（L和E波段），涵盖了约301个周期的光源。
3. 实验设计与关键步骤
研究包括以下主要步骤： 1. 输入/输出耦合器设计：研究比较了三种主要的输入/输出耦合器结构，即Y型分束器、波导型耦合器和MMI型耦合器。最终选择了MMI型耦合器，因其具有更宽的干扰管理范围和更高的传输特性控制能力。 2. 延迟线与相位调制器设计：通过引入不同长度的延迟线和相位调制器（Phase Shifter, PS），实现了对两路光信号的相位差调控。 3. 多模干涉区域设计：MMI区域通过移除五排连续的介质棒形成，其长度根据工作点确定为lmmi = 26a。输出单模波导用于提取所需的输出信号。 4. 性能评估与优化：通过对不同结构参数（如延迟线长度、MMI长度、有效折射率等）的调整，优化了设备的性能。
4. 创新实验方法与算法
研究团队开发了一种基于粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法的方法，用于优化光子晶体波导的设计参数。此外，研究还利用自成像原理（Self-Imaging Principle）和多模干涉效应（Multimode Interference Effect）来实现平坦的通带响应。
b) 主要结果与数据分析
1. 4通道、6通道、8通道和16通道(解)交织器的性能
研究成功设计并仿真了4通道、6通道、8通道和16通道的PC-MZI (解)交织器。具体结果如下： - 4通道设备：中心波长分别为1.521 µm、1.541 µm、1.554 µm和1.569 µm，相邻信道间距为10 nm，非相邻信道间距为20 nm。功率损耗接近1.55 µm时为0.05 dB，信道隔离度为-24 dB。 - 6通道设备：中心波长范围为1.538 µm至1.578 µm，1 dB带宽为4.2 nm至5 nm，3 dB带宽为7.6 nm至8.5 nm。信道隔离度范围为-12 dB至-26 dB。 - 16通道设备：中心波长范围为1.526 µm至1.604 µm，1 dB带宽为2 nm至4.5 nm，3 dB带宽为3.9 nm至6 nm。相邻信道间距为11 nm，非相邻信道间距为22 nm。
2. 平坦通带与陡峭频谱边沿
所有设计均表现出平坦的通带响应（形状因子>0.5）和陡峭的频谱边沿（滚降率为12–30 dB/nm）。此外，设备的整体功率损耗小于3 dB，信道隔离度低于-14 dB。
3. 结果的意义与逻辑关系
这些结果表明，基于MMI的PC-MZI设计能够有效解决传统MZI在输入/输出耦合器上的局限性，同时满足DWDM和CWDM网络对高性能(解)交织器的需求。
c) 研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于多模干涉的PC-MZI (解)交织器，实现了平坦的通带响应、低功率损耗和低串扰。该设计在DWDM和CWDM网络中具有重要的应用价值，特别是在高密度波分复用系统中。此外，研究提出的优化方法和设计思路为未来光子晶体器件的发展提供了新的方向。
d) 研究亮点
- 创新性设计：首次将MMI应用于PC-MZI的输入/输出耦合器设计，解决了传统MZI的波长依赖性问题。
- 高性能指标：实现了平坦的通带响应、陡峭的频谱边沿和低功率损耗。
- 广泛应用潜力：设计适用于DWDM和CWDM网络，为未来高容量光学通信系统提供了技术支持。
e) 其他有价值的信息
研究团队强调，所有设计的解复用器布局面积均小于1.4 × 10⁻³ mm²，显示出极高的集成度和紧凑性。此外，研究中使用的FDTD仿真方法和PSO优化算法为未来类似研究提供了重要的参考。
总结与意义
这篇论文不仅展示了基于多模干涉的PC-MZI (解)交织器的设计与优化过程，还为光通信领域的高性能波分解复用技术提供了新的解决方案。研究的科学价值在于解决了传统MZI设计中的关键问题，而其应用价值则体现在为下一代高容量光学网络提供了可靠的技术支持。