5.2 波分复用系统（WDM）模型设计案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG） 的设计分析 5.2.1 设计目的 使用 OptiSystem 模拟仿真 AWG 波分复用系统，检测其波长选择性能。 5.2.2 原理简介 阵列波导光栅（AWG：Arrayed Waveguide Grating）波分复用器由输入输出波导、两个 NN 平面波导星形耦合器及 AWG 构成，集成制造在 Si 或 InP 衬底上，该复用器的核心是 AWG，它是一系列规则排列的波导，相邻波导间有一恒定的光程差ΔL，对波长为λ的信号， 每个波导中产生一个相对相移 2πΔL/λ，因此 AWG 相当于一个相位光栅，所以可以进行波 长选择。 NN 平面波导星形耦合器将所有输入波导中的光辐射到中间的自由空间区域，然后再 将它们耦合到所有的输出波导中。自由空间区域的形状用天线理论和傅立叶光学原理设计。 在 AWG 波分复用器中，输入光信号先辐射进第一个平面波导区，然后激励阵列波导， 传输通过阵列波导后，光束在第二个平面波导区的焦点上产生相长性干涉，焦点位置决定于 信号波长λ，结果在特定的端口输出。当波长不同时，焦点位置不同，输出的端口也不同。 5.2.3 模型设计布局图 图 5.1 AWG WDM 系统设计布局图 

上 图 5.1 为 阵 列 波 导 光 栅 波 分 复 用 器 。 其 设 计 主 要 调 用 了 由 OptiBPM 提 供 的 WDM_Phasar 设计的 AWG 元件。 运行编译后，我们可以使用 OSA 直接观察从 AWG 解复用出来的各个信道信号。如图 5.2 所示，为信道 1 的光谱图。 图 5.2 AWG 信道 1 的谱图 而 AWG 的各信道透射谱可得到，如图 5.3 所示，从中我们可以了解到 AWG 波分复用器的 性能。 图 5.3 AWG 透射谱 

功能 OptiBPM 中包含了更多功能 光纤矢量和 LP 模式求解器 最新版本的 OptiBPM 中包括了使用无网格技术的集成多层光纤模式求解器。这些模式可以采用流行的 LP 近似算法获得，也可以采用精确的全矢量模式算法获得。 基于有限差分网格的模式求解器可能会具有光纤计算无法接受的限制。远离纤芯的场的大小在数量级上可 能小于计算有限差分时所产生的误差。经过较长传播距离之后，那些值小的场仍然非常重要。 DXF 和 GDSII 掩模文件格式导入 在 OptiBPM 中，总是可以将 OptiBPM 布局设计导出为标准掩模布局格式，现在还可以将 AutoCAD .DXF 和 Calma .GDS 文件导入为 OptiBPM 布局。 高级优化算法 具备透彻的物理洞察力和牢固的基础设计原理知识可以实现较好的设计。然而，要想获得最好的设计，则 通常会涉及乏味的优化阶段。OptiBPM 全新的优化算法可完全自动执行这一重要步骤。OptiBPM 充分利 用了已有的优化算法，比如一维的黄金分割搜索法，以及用于多维搜索的单纯形法或方向集法。 3D 模式求解器适用于圆形光纤。此类光纤可以由任意数量的无损耗材料同心层组成。   而渐变折射率光纤可以通过一系列折射率恒定的层来近似。这些模式求解器与其他 3D 模式求解 器的不同之处在于它们不使用网格对结构进行近似。  优化功能可提供用户定义的评价函数，并且采用以下三种强大的优化策略之一：黄金分割搜索法、 Nelder-Mead 单纯形法和修正的 Powell 法（一种方向集法）。  现在，AutoCAD .dxf 文件和 Calma .gds 文件已可导入 OptiBPM。用户将能够处理以这类流行文 件格式保存的现有布局，这对他们而言非常有用。  现在，OptiBPM 的运行速度要比以前的版本至少快 50%。最明显的改进将体现在 3D 各向同性 BPM 仿真中。如果您是以前版本的 OptiBPM 用户，现在就可以体验到它们与最新版本的差异。  组移动功能：可选择一组波导，然后使用 Move Group（移动组）对话框将组移动到指定位置。 Optiwave 的先前产品 BPM_CAD 已具备此项功能。“组移动”功能很受欢迎，所以我们现在已将 其部署在 OptiBPM 中。 

全面的功能 VB 脚本接口扩展 OptiBPM 对 Visual Basic (VB) 脚本接口进行了扩展，从而可提供帮助高级脚本开发的工具。这些工具改 进了使用 VB 脚本时的工作流程并提高了灵活性。新的示例文件演示了这些扩展功能的使用。 此外，还可使用 Visual Basic 标准功能来完善光子设计项目。这些标准 VB 功能包括函数、子程序和类。 示例将演示这些高级语言功能如何帮助创建和维护更复杂的布局结构（如 AWG）。其中一个示例演示了 OptiBPM 设计器中的示例布局 WDM_Phasar 的再创建过程。 请访问我们新的 Optiwave 社区论坛在线门户，根据自身设计需求下载预定制的脚本。该社区的网址为 http://www.optiwave.us。 用户文件中增强的波导轮廓输入 OptiBPM 包含自定义动态链接库 (.DLL)，用于根据用户提供的折射率分布文件定义波导轮廓。数据可以 来自用户的计算结果，也可以是测量数据，例如从波导剖面测量仪器（如 EXFO OWA 9500 光波导分析仪） 测得的数据。 提供的 DLL 读取波导横截面 (.rid) 文件的反射率分布文件，并将其用作波导轮廓定义。由于横截面被定 义为“轮廓”，因此将根据需要自动修改轮廓形状以遵循波导的弯曲和锥度。 自动加载 Visual Basic 脚本 以前版本的 OptiBPM 具备使用批处理或 Visual Basic 脚本执行多个仿真的功能。在 OptiBPM 7.0 及更高 版本中，这两种方法可以组合使用，以实现 OptiBPM 的完全自动化。 

用户可将包含 Visual Basic 脚本的文本文件自动加载到应用程序中。可从脚本页面修改整个布局、输入平 面和任意的用户定义参数。此项功能在运行许多脚本，或其他某个应用程序要在 OptiBPM 仿真之间对脚 本进行动态修改时十分有用。 集成环境 OptiBPM 的集成环境允许在单个布局上将通道、光纤和扩散波导相互结合。通过简单的菜单选择，即可使 用 2D 或 3D 仿真引擎对布局进行仿真，并且可以使用新的输入平面元件在任意传播位置开始仿真。 OptiBPM 与 Design Workshop 的 dw-2000 集成可使这两者的用户更好地实施设计和制造工作流程。与 OptiSystem 集成可提供从波导到系统或子系统层面的连续仿真。 功能强大的优化和容限分析 OptiBPM 包含独有的优化和容限分析功能。用户现在可通过由仿真引擎收集、由编码工具改进的信息（可 根据重要的设计需求对这些信息进行修改）来优化他们的设计。现在，OptiBPM 能够进行蒙特卡罗 (Monte-Carlo) 仿真，这样便可以执行统计分析，以帮助用户预测利用备选设计后工作流程的产量。 改善了对波导几何结构的处理 增加了大量波导形状，包括：椭圆形、抛物锥形、环形和 S 型余弦锥形。现在，OptiBPM 波导实现了完 全参数化，因而使用简单的表达式即可控制波导位置和其他所有波导性质。对波导取向角的限制已不复存 在。 使用用户定义的波导可以在布局中创建并采用任意形状。可通过这些自定义波导形状的路径或通过指定波 导的上臂和下臂来将其限定。这允许创建更多的波导形状，这些波导形状的基本参数可由单变量的标准函 数来描述。 三维轮廓限定了 x-z 平面内 2D 波导的宽度和长度以及在 y 平面内的高度。现在，波导的厚度可以渐缩， 沟道波导可以线性渐缩，而光纤则可以线性和成比例地渐缩。3D 沟道波导轮廓还支持框架层或非对称结 构的横向偏移。 大规模光路分析 BPM 技术作用于微观层面上（最小距离通常约为 0.1 微米），但另一方面，光子线路可以占据整个晶圆（刻 度为 10 cm）。此项分析的刻度变化必须跨越 5 个或更多个数量级。成功的分析需要将基本的显微技术与 更抽象的或系统层面的方法结合在一起。OptiBPM 具有散射数据功能，可以获得任意器件的传输矩阵。当 器件（光路整个布局的一部分）以这种方式表征后，即可将其上载到 OptiSystem。把光路当作光学系统来 分析是十分有效的，这样有助于设计高级光子线路（如格形滤波器、交织器、环状耦合谐振器和 AWG）。 参考文献："Advanced Photonic Circuit Simulation", Proc. of SPIE Vol. 5956 59560K, Warsaw, September, 2005.