Optimization and Performance Analysis of 1×2 and 1×4 MMI Splitters on a Polymer Platform for Board-Level Optical Interconnects
本文介绍了用于板级光互连的紧凑型 1×2 和 1×4 多模干涉分束器在聚合物平台上的设计、仿真与优化，在 1550 nm 波长下实现了低过剩损耗、高均匀性和极低的偏振相关损耗。
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在现代电子领域，连接电路板上组件的导线正开始达到其极限。随着计算机和通信设备对数据传输速度的需求不断提高，这些传统的电学路径难以跟上步伐，往往会产生过多的热量或在短距离内损失信号质量。为了解决这个问题，工程师们正转向利用光。通过用引导光束的微小通道（称为光学互连）取代铜线，设备可以更快速、更高效地移动信息。然而，大规模制造这些基于光的网络非常困难且昂贵，尤其是在尝试将单束光分成多条路径以供给计算机不同部分时。这就是一种被称为聚合物的特定材料发挥作用的地方。与僵硬的硅不同，这些柔性塑料可以轻松且廉价地在大面积范围内进行图案化设计，使其成为下一代高速连接的极具吸引力的候选材料。
来自孟加拉国和美国大学的一个研究小组致力于完善这些基于光网络的一个关键组件：一种能将一束光分成两路或四路独立光束的装置。他们称之为分路器。具体而言，他们设计并测试了一种被称为多模干涉分路器的结构。想象一下一个宽阔的走廊，一个人从中心走入；随着他的前进，他的路径自然地扩散开来，然后又在地面上重新形成清晰的图案。同样地，当光进入聚合物波导的宽阔部分时，它会发生扩散并产生自干涉，从而创造出多个可以捕捉光线并将其发送到不同目的地的亮点。研究人员使用强大的计算机模拟来设计这些分路器，测试光在塑料通道中传播时的行为。他们的目标是创造一种体积小、成本低，并且能够均匀分配光功率而不会浪费太多能量的装置。
该团队使用了一种特定的有机-无机杂化聚合物，它作为波导的核心，周围包裹着一层略有不同的聚合物，用以将光限制在内部。他们模拟了两种版本的装置：一种是将光分为两条路径，另一种是将光分为四条路径。通过使用一种追踪光波如何在材料中移动的方法，他们调整了宽中心部分的宽度和长度，以及入口和出口点的形状，以找到完美的尺寸。他们发现，对于两路分路器，特定的长度和宽度产生了最佳结果。对于更为复杂的四路分路器，他们需要一个更宽的部分和特定的长度，以确保光能均匀地分配到四个输出端。
模拟结果非常令人鼓舞。两路分路器成功地将光功率精确地平分为两半，几乎没有能量损失。四路分路器也表现得异常出色，它分配光线的方式使得每个输出端几乎都能接收到总功率的四分之一。研究人员发现，这些装置具有很高的稳定性，这意味着无论光波的方向如何，它们的工作方式都几乎保持不变，这种特性被称为偏振。两路装置的总长度较长，而四路装置也较长，这使得它们足够紧凑，可以轻松安装在标准电路板上。这些装置的能量损耗极低，其中四路分路器仅损失了约 0.34 分贝的功率，这一数值表明其效率很高。
其中一个最重要的发现是，装置的物理尺寸如何影响设计预测的准确性。对于较简单的两路分路器，用于预测理想长度的数学公式几乎是完全准确的，与计算机模拟结果的偏差不到 1%。然而，对于四路分路器，标准公式预测的长度比模拟显示的实际所需长度长了约 20%。研究人员断定，这是因为用于向四路分路器输入光的宽入口并没有像窄入口那样激发所有的必要内部光模式。这一发现非常重要，因为它表明，虽然简单的规则适用于基础设备，但更复杂的设备需要进行仔细的调优，以考虑到光是如何实际进入系统的。
这些模拟装置代表了迈向实用、低成本计算机及数据中心光学网络的重要一步。通过证明这些聚合物分路器可以被设计得既小巧、高效又统一，这项研究表明，制造商很快就能生产出可靠的板级光学互连组件，而无需依赖昂贵或复杂的制造方法。这项工作证实了这些基于塑料的光导管能够胜任分配光信号的任务，为日益增长的高速数据传输需求提供了一种可扩展的解决方案。虽然目前的结果是基于计算机模型，尚未在物理实验室中进行构建和测试，但这些模拟为制造这些组件提供了清晰的路线图，表明通往廉价、高速光学连接的道路正变得更加明朗。
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