序言：和普通的銅線相比，光纖傳輸具有信息量大，噪聲低，速度快等眾多優勢。在短短的幾十年裡，光纖元器件和系統就已經燃起了人們對世界互聯的期盼。這些系統要實現廣泛應用，需要有成本低，集成度高的光處理器，來實現光信號的控制和光電信號的相互轉化，實現光電領域的對接。值得慶幸的是，隨著光處理器的研發和製造水平的不斷進步，大規模商業化應用指日可待。最有希望的處理器將有望通過在二氧化矽，矽，矽鍺半導體製造業原有基礎上的革新來實現。但是為了成功的研究和製造這些器件，研究人員需要能滿足光處理器特有性能分析的高端設計工具。作為光處理器領域的先鋒企業，加拿大著名光通信公司Enablence（卡娜塔，安大略省，加拿大，www.enablence.com）成功引進了COMSOL多物理軟件，並在工作實踐中證實了COMSOL多物理的應用價值。事實說明，COMSOL多物理開始逐漸確立在光處理器設計領域眾多工具中的領跑者地位。
圖 1 Enablence公司的塞爾 Bidnyk博士利用COMSOL多物理優化光處理器設計
在基於平面中階梯光柵技術的集成光學元件設計和製造領域，Enablence公司被譽為全球領先企業。該公司的開創性光學平台通過改進中階梯光柵的大小、性能、和可伸縮性等成功降低了光網絡的成本。並利用在材料領域、器件設計、晶片製造和產品包裝等各個領域的專業儲備打造他們特有的“光路”。
高集成度的光學芯片
Enablence公司通過在常規Si、SiGe半導體製造業中的革新，利用開創性光學微型平台生產出低成本、高性能的集成芯片。微型化的集成電路片可以提高光器件的集成度，利用普通光學技術在一個晶片上只能集成5~30個芯片，而LNL公司可以在同一晶片上集成高達3000個芯片（如圖2）。這些微型芯片的尺寸減弱了晶片的缺陷和不均勻性帶來的影響，大大提高了生產效率。此外，這些微型型器件在晶片尺度上提高了光學元件的集成度，降低了集成成本，而集成成本是光學和光電產品生產成本中最重要一個因素。
圖2 半導體片中包含著數千個光處理器。圖片中有三個器件，每一個區域面積33x10mm，按照堆棧排列。
最上層和最下層器件是40通道解復用器，中間器件是這三個器件的中樞控制器。
微型化的器件不僅尺寸小，還具有極強的處理信號能力。 Enablence公司的芯片的主要目標之一就是實現在光域中多信息處理，而不再通過光電轉化裝置轉換成適於在商用計算機和娛樂設備中使用的電信號。在光域裡，信息處理速度要遠大於電域中的處理速度。這些微型器件可以處理每個光通道傳輸速率超過40GHz的模擬和數字信號。設計工程師們希望通過這些微型器件增加光系統的帶寬來傳輸高清電視和其他寬帶信號，而對於傳統的器件來說會產生瓶頸進而降低光骨幹網的傳輸速率。另一個瓶頸存在於高容量的骨幹網和終端設備之間。而利用成本低廉的光芯片，就很容易實現把寬帶信號傳輸到用戶家中，而用撥號連接和DSL是無法想像的。
這樣的光處理器可以同時處理多項任務，主要對不同波長的光進行分離和耦合，使得它們可以共享一個光鏈路。在電系統中，使用激光器和調製器首先把電信號轉化成光信號，然後利用光端機把多路分立的光信號耦合成一路密集光信號。最後，利用光處理器解復用信號後再分別處理。另外，與光濾波器過濾不同頻率信號的噪聲類似，光處理器為光通道的增刪和權衡提供了很大的便利空間。
圖3三個主要部分組成的典型光器件的有限元網格圖。中心的波導核心被蓋層和高折射率的填充材料包圍，
光波從光核心通道里通過。每個通道可以容納傳輸速率高達40GHz的光波。
Enablence公司生產的器件包括多路解復用器、梳妝濾波器、交織器等器件。器件包括基底、波導核心、蓋層以及填充材料，幾何尺寸在幾十厘米左右（如圖3所示）。 10 x 30 mm大小的器件可以處理40個光波導核心，每一路可以傳輸40GHz信息帶寬，每個光鏈路的帶寬就可以達到1.6T比特，遠遠超出電系統中的容量。由於構成器件的原材料之間具有很大的折射率差，所以當這些器件的尺寸越小，就越難得到需要的光學特性，這成為器件設計和製造中一個主要的挑戰。
引入中階梯光柵
設計和製造密集波分複用（DWDM）光處理器有很多方法， 而Enablence公司採用中階梯光柵這項獨創技術。和普通的光波導光柵相比，中階梯光柵具有尺寸小的優勢。另外中階梯光柵可以使用光刻技術製造，對柵面和柵盒的形狀要求也比較低，這對實現特定功能的定制設計提供了很大的空間。近似6x6um光波導核心具有很高的折射率，遠遠高於周圍的包層材料，就形成了一個光波導管。
特定頻率的光從核心中通過有很多種方法，取決於光在通道壁上的反射方式，而每種方式代表著光的一種模式。一種顏色的光可能具有20~30個模式，每種模式具有特定的強度分佈和傳播速度。對設計者來說，確定在波導中可以持續存在的本徵模式是非常重要的。 COMSOL Multiphysics在本證模式計算方面起到了關鍵作用。
設計平面光波電路首先要分析波導模式結構，以及光在波導中的分佈。要計算沿著光波導的傳輸特性，需要求解具有特定复介電常數張量的Maxwell矢量波方程。除了具有折射率分佈的複雜幾何截面外，還需要耦合6個參數分量（包括三個電場和三個磁場分量），這給矢量波方程的求解帶來了極大的挑戰。
任意形狀波導建模
Enablence公司的Serge Bidnyk博士使用COMSOL Multiphysics創立了一系列基於有限元方法的算法，其中包括吸收、週期、金屬和磁性等邊界條件，並成功模擬了任意形狀的波導。設計的模型結構可以很複雜，他想通過模擬通過核心的任意光強度分佈，來獲得器件的特定傳輸頻帶特性。設計和模擬緊密結合的一體化平台，是COMSOL Multiphysics吸引Serge Bidnyk博士的一個重要因素。他編寫了一個基於Matlab語言的算法來生成多種多樣的器件幾何模型，對於每一個幾何模型，Matlab都會調用COMSOL Multiphysics通過對波導模式和傳輸參數的計算來評價器件的性能。在典型的器件仿真中，他使用了4000網格建立了截面模型，來進行橫向模擬和本徵值分析。 COMSOL Multiphysics求解一個幾何模型的本證模式大概需要兩分鐘的時間，這就意味著Bidnyk博士運行完上千個模型需要一到兩天的時間。能把幾何模型的性能模擬和優化集成在一起這一特性也引起了Bidnyk博士的極大關注。 “我不能真正的去考慮使用任何其他工具，是因為其他的工具不像COMSOL Multiphysics可以集成模擬和優化這兩個功能，這可以節省大量的時間。”
Bidnyk博士在他的計算程序中添加了自適應網格劃分功能，可以很好的處理任意幾何形狀和折射率差的波導，即使模型中包含非常薄的層或者混合核心。 COMSOL Multiphysics可以通過變量控製網格大小對於任意形狀波導的模擬是非常有用的。如果網格大小固定，就不能深入了解器件幾何模型中某些小的區域的光學性質。而網格的自適應劃分功能，就可以很容易的獲得任何單元的特性。例如，在器件上表面的金屬電極雖然厚度佷薄（20~200nm），但是它卻因為能影響波導核心中光的性能成為模型中非常重要的部分。
圖4 COMSOL Multiphysics 計算的光導核心中已知頻率光波的模式分佈圖。設計者可以通過優化幾何
形狀消除雙折射效應，並找到最佳傳輸參數的光波模式。圖中反映了近似真實的邊界條件的設置方法。
週期邊界條件也是需要考慮的問題。器件中包含著大量的彼此相鄰的波導核心橫向穿過器件，由於內存和計算時間的限制，只能對其中小部分區域進行詳細的模擬（如圖4所示）。Bidnyk博士利用COMSOL Multiphysics把邊界都設置成類似鏡子功能的邊界條件，近似的模擬實際器件中核心的功能。因為核心距離器件的邊界足夠遠，邊界的影響可以忽略，所以這個近似符合真實的情況。而使用其他的軟件他很難找到模擬這種情況的方法。
解析矢量描述的相關現象
Bidnyk博士利用COMSOL Multiphysics成功的分析了平面波導中最重要的問題之一：雙折射問題，體現了COMSOL Multiphysics的另一個關鍵優勢。大部分類似的仿真代碼嘗試使用標量函數來處理Maxwell方程，然而電場和磁場卻是矢量。 Bidnyk博士實際上也是想採用的基於矢量研究方法。值得慶幸的是COMSOL Multiphysics可以進行全矢量分析。在COMSOL Multiphysics軟件的幫助下，他開始研究矢量相關的問題，比如電磁場的耦合以及相互作用。特別是，他需要研究偏振態。在光纖傳輸的過程中光的偏振態會發生變化，所以他想設計一個器件來控制光的偏振，並能同效的控制任意的偏振態。
Bidnyk博士把有限元算法推廣到各項異性材料光模式的計算中。可以對波導中機械應力進行分析，進而也可以模擬在不同的生長和退火溫度下材料的生長加工過程。並能精確的求解平面光波導中的平面應力雙折射。
實際上，Dr. Bidnyk說，“在光學性能計算中存在的最大問題是雙折射，影響了光學性能的計算能力。”雙折射是光波導材料的一個參數，在不同的偏振方向具有不同折射率。雙折射與材料生長過程有著密切的關係，特別是熱晶片材料變冷過程中產生的應力。
相比之下，波導核心幾何參數與雙折射有著密切的關係，是設計者可以控制參數之一。COMSOL Multiphysics在這個方面有著非常大的應用空間。軟件對光分析是基於矢量，可以得到雙折射的完全描述。使用COMSOL Multiphysics結構力學模塊，可以預測器件的雙折射參數，進而可以獲得波導核心合適的幾何形狀，來補償固有雙折射的影響，從而設計實現偏振不敏感的器件。
一旦他找到了一個合適的光學層幾何形狀，就可以用軟件來模擬器件的參數。例如設計者可以使用器件上層的金屬層來實現折射率改變，通過蓋層加熱來實現核心材料的微小改變。設計者可以利用金屬電極對光性能的影響，實現光電轉換。
COMSOL Multiphysics在對熱效應和電機械響應聯合求解方面，也表現出很強的能力。對於多物理場的處理，除了用來求解熱場、電場、磁場和結構耦合問題，他也用來模擬極端幾何形狀和近截斷條件下的問題。
複數域求解
在這些器件中另一個重要的控制參數就是對光波的減弱和增強程度。這就突出了COMSOL Multiphysics全矢量場分析和折射率複數描述的能力。 Bidnyk博士通過分析折射率的複數部分來預測損耗。器件工程師可以通過在材料生長過程中摻雜來改變對光波的減弱和增強參數。他就可以設計對光具有不同程度減弱和增強作用的波導核心。 “和一些軟件包不同，COMSOL Multiphysics具有復數計算的能力，我的算法因此可以計算任何形狀的核心的減弱增強作用。”
很多具體的模擬沒有包含在COMSOL Multiphysics預置的標準模型中，Bidnyk博士不得不從最低級、最詳細的水平利用軟件建模計算。因此，在剛開始學習時花費了相當多的時間。跨過COMSOL Multiphysics的圖形界面，他直接使用API來進行計算。利用這種一般的形式，他可以使用軟件中全部特性和參數的接口，他這樣評價，“沒有任何軟件可以像COMSOL Multiphysics這樣讓我如此近的接觸到仿真引擎”。使用這種能力，如同控制計算網格的局部密度一樣，他成功實現了在每條邊界上的電磁場參數定制。
與此同時，包括Enablence在內的各種各樣的公司，在通信產業中使用了這些技術來設計光波導。這些光波導材料涉及GaAs/AlGaAs, InP, LiNbO3, Si/Si, SOI,金屬和聚合物，這些材料在折射率的虛部上都具有很大增益和吸收值。
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