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基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计

汪静丽 陈子玉 陈鹤鸣

基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计

汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-23
  • 修回日期:  2019-12-10
  • 刊出日期:  2020-03-05

基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计

  • 1. 南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 南京 210023
  • 2. 南京邮电大学贝尔英才学院, 南京 210023
  • 通信作者: 汪静丽, jlwang@njupt.edu.cn
    基金项目: 国家级-国家自然科学基金面上项目(61571237)

摘要: 提出一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构多模干涉波导的偏振无关1 × 2解复用器, 用于分离1310和1550 nm两个波长. 通过合理选择三明治结构中间层SiNx的折射率, 可以调节同一波长两个正交偏振态的拍长相等, 实现偏振无关; 根据多模干涉原理, 通过合理选择多模干涉波导的长度与宽度, 可以使两个波长的输出像点分别成正像和反像, 实现解复用功能. 运用三维有限时域差分法进行建模仿真, 对结构参数进行优化, 并对器件关键结构参数的制作容差进行了分析. 结果表明: 该器件多模干涉波导的尺寸为4.6 μm × 227.7 μm, 插入损耗低至0.18 dB, 输出波导间的串扰低至–25.7 dB, 3 dB带宽可达60 nm. 另外, 本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台, 可有效减小波导尺寸, 提高集成度, 不仅实现了偏振无关, 而且结构紧凑、损耗低, 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.

English Abstract

    • 通信技术的飞速发展对网络速率及容量提出了越来越高的要求, 波分复用技术成为光纤通信中提高通信容量的一种重要技术手段. 解复用器是波分复用技术中的关键器件之一, 用于分离多个波长, 最常见的器件结构包括马赫-曾德尔干涉仪 (Mach-Zehnder interferometers, MZI) 型[1]、定向耦合器 (directional couplers, DC)型[2]、光子晶体 (photonic crystal, PhC) 型[3]、阵列波导光栅 (arrayed waveguide grating, AWG) 型[4]和多模干涉 (multimode interference, MMI)型[5,6]等. 其中, DC型解复用器对制造误差非常敏感; MZI型解复用器通常很长并且插入损耗较高; PhC型和AWG型解复用器偏振依赖性高且带宽较低; 而MMI型解复用器因其良好的工艺容差性、低损耗以及高带宽在光子集成方面得到了广泛应用.

      迄今为止, 绝大多数MMI型解复用器是在绝缘体上硅 (silicon-on-insulator, SOI)平台实现的, 然而随着光互连技术朝着超高速和密集集成方向发展, 传统的SOI平台受损耗、工艺容差和灵活性等问题的困扰, 已很难满足光网络和光信息系统发展的需求. Si3N4材料结构稳定, 禁带宽度宽, 对紫外到红外整个波段都是透明的, 损耗低至0.045 ± 0.04 dB/m[7]; 且采用低压化学气相沉积方法可以在SiO2上淀积Si3N4薄膜, 形成Si3N4/SiO2平台. 与SOI平台相比, Si3N4/SiO2平台[8,9]具有低损耗、高工艺容差及更大的灵活性等优势. 2016年, Mu等[10]设计了基于Si3N4/SiO2平台的MMI型偏振相关的复用/解复用器, 表现出了低损耗、高带宽和工艺容差性好等诸多优越性能, 为此类器件的设计提供了新思路.

      此外, MMI型解复用器大部分都是偏振相关的[11,12], 即所设计的器件仅仅能够令某一偏振态的各个波长分离. 而在实际中, 光在光纤中传输时, 其偏振态是难以预测的, 若器件是偏振相关的, 会大大限制其应用范围. 对于采用MMI波导结构的器件而言, 其偏振相关性是由于横电模 (transverse electric mode, TE)和横磁模 (transverse magnetic mode, TM)的拍长不同造成的. 为解决这一问题, 人们在偏振无关MMI型光分束器的设计中采用的办法是引入金属作为覆盖层材料[13]、改变MMI波导的形状为锥形[14]以及使用三明治结构[15,16]等. 文献[13,14]存在损耗较大、工艺实现较为复杂等问题, 文献[15,16]基于SOI平台设计了MMI型光分束器, 器件由一个输入波导、MMI波导、两个输出波导组成, 采用Si/SiNx/Si三明治结构, 实现了偏振无关的1 × 2光分束功能, 尺寸较小(25.4 µm[15]和14.64 µm[16]), 插入损耗分别为TE模式0.21 dB, TM模式0.73 dB[15]和TE模式 0.26 dB, TM模式0.3 dB[16]. 上述文献均只能实现MMI型偏振无关光分束功能, 不能实现解复用功能.

      本文提出了一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构多模干涉波导的偏振无关1 × 2解复用器. 通过在Si3N4/SiO2平台上搭建Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构, 实现偏振无关性能; 采用MMI波导结构, 使得与偏振无关的各个波长的输出像点分别成正像和反像, 实现波长的分离. 采用三维有限时域差分法(three-dimensional finite-difference time-domain, 3D-FDTD)进行建模和分析, 结果表明: 器件的输入输出波导选择锥形结构, 可以提高成像点的成像质量; 优化后的结构容差性更好, 而且尺寸更小, 器件长度更紧凑[17], 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.

    • 通常, 在MMI波导中存在自成像效应[18], 即在传播方向上会周期性地产生自身像, 这是由多模区不同模场在传播过程中互相干涉形成的.

      当输入光场处于不同位置时, 在MMI波导内能激发出不同的模式. ${W_{\rm{e}}}$是多模波导的有效宽度, 当选择输入波导的位置位于相对多模区中心偏移$ \pm {{{W_{\rm{e}}}} / 6}$时, 会发生成对干涉[19]. 周期性成像距离可表示为

      $ L = N{L_{\text{π}}}, ~~ N = 0,1,2,\cdots, $

      N为奇数时, 得到的是与输入波导中心轴线成轴对称的反像; 当N为偶数时, 得到的是输入光场的正像. 其中${L_{\text{π}}}$是拍长, 表示基模和一阶模的拍频长度, 定义为

      $ {L_{\rm{\pi }}} = \frac{p}{{{\beta _0} - {\beta _1}}} \approx \frac{{4{n_{\rm{r}}}{W_{\rm{e}}}^2}}{{3{\lambda _0}}}, $

      其中${\beta _0}$${\beta _1}$分别是多模区域中基模和一阶模的传播常数, ${n_{\rm{r}}}$是有效折射率.

    • 顾名思义, 三明治结构即是A/B/A结构, 如图1(a)所示, 它由三层材料依次沉积而成, 其中A与B材料的折射率不等. 假设${n_0} > {n_1}$, 由于高、低折射率材料间的电场不连续性, TE和TM将被局域在不同的材料层进行传输, 如图1(b)图1(c)所示. 因此, 通过改变三明治结构中间层B材料的折射率${n_0}$, 可以调节TE和TM偏振态的拍长相等, 使得同一波长不同偏振态的输出像点在同一位置, 实现偏振无关.

      图  1  (a) 三明治结构示意图; (b) quasi-TE, (c) quasi-TM基模在三明治波导中的场分布(${n_0} > {n_1}$)

      Figure 1.  (a) Schematic configuration of the sandwiched structure; field distributions for the (b) quasi-TE and (c) quasi-TM fundamental mode in a sandwiched waveguide (${n_0} > {n_1}$).

    • 所设计的MMI型解复用器如图2(a)所示, 器件由输入波导、MMI波导和输出波导三部分组成, 其中输入和输出波导结构完全相同, 均由直波导和锥形波导组合而成. LMMIWMMI分别为MMI波导的长度和宽度; Ltaper = 20 μm是锥形波导的长度, 其宽度从W1 = 1.2 μm渐变至W0 = 0.6 μm, 满足绝热条件[20]; 输入和输出波导中心与MMI波导中心的距离为${{{W_{{\rm{MMI}}}}} / 6}$. 图2(b)所示的Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构中, h0 = 0.11 μm和h1 = 0.25 μm分别为SiNx层和Si3N4层高度; 离子辅助沉积方法可调节中间层SiNx[21-24]的折射率n(SiNx)在1.72—3.43范围内变化, Si3N4的折射率约为2; 另外输入、输出波导与MMI波导具有类似的截面结构, 不再赘述.

      图  2  解复用器结构示意图 (a) 俯视图; (b) MMI波导截面示意图

      Figure 2.  Schematic configuration of the demultiplexer structure: (a) Top view; (b) cross section of the MMI waveguide.

    • 首先设计三明治结构, 用于实现同一波长的两个正交偏振态拍长相等, 达到偏振无关的目的. 采用3D-FDTD对所提出的偏振无关1 × 2 MMI型解复用器进行建模仿真, 求出两个最低阶模的传播常数${\beta _0}$${\beta _1}$, 代入(2)式, 即可算出同一波长不同偏振态所对应的拍长. 若要实现器件的偏振无关, 所求拍长需要满足(3)式,

      $ {L_{\text{π}}}(\lambda,{\rm{TE}}) = {L_{\text{π}}}(\lambda,{\rm{TM}}), $

      其中${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TE}})$${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TM}})$分别表示波长为$\lambda $时的TE偏振态和TM偏振态的拍长.

      图3(a)图3(c)给出了当WMMI分别为3, 4, 5 μm时, ${L_{\text{π}}}$n(SiNx)的变化关系. 由图3可知, 随着n(SiNx)的增大, 同一波长所对应的两个正交偏振态的拍长均随之单调增加, 且${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TE}})$的增长幅度大于${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TM}})$, 从而使得两者存在交叉点(如图3中虚线所圈处), 交叉点处${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TE}}) = $${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TM}}) $. 这与图1(b)图1(c)所示一致, 正是由于TE模主要限制在中间层SiNx中传输, 所以当n(SiNx)增加时, TE模的有效折射率相应增加, 从而${L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TE}})$随之增大; 对于TM模而言, 由于主要分布于中间层两侧, 受其影响较小, 故而变化较为平缓. 值得注意的是, 不同波长的交叉点分别对应的n(SiNx)几乎相同, 非常有利于器件实现多波长的偏振无关性能. 对比图3(a)图3(c)可见, 对不同的WMMI, 均存在相应的n(SiNx)值, 使得器件满足偏振无关条件(3)式.

      图  3  ${L_{\text{π}}}$n (SiNx)的变化 (a) WMMI = 3 µm; (b) WMMI = 4 µm; (c) WMMI = 5 µm

      Figure 3.  Beat length ${L_{\text{π}}}$ as a function of n (SiNx) when the MMI width WMMI is: (a) 3 µm; (b) 4 µm; (c) 5 µm.

      为了便于后续波长分离时提供相关参数, 需要进一步探讨器件满足偏振无关条件时, WMMIn(SiNx)的变化关系如图4所示, 随着WMMI增大, n(SiNx)值单调递减. 图5(a)给出了对应于图4中每一组WMMIn(SiNx), 所求出的不同波长不同偏振态所对应的拍长. 很明显: 对于同一波长的两个正交偏振态所对应的拍长而言, 两者差别较小. 为了进一步刻画它们间的差异, 引入不同偏振态间的拍长比$M = {L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TE}})/{L_{\text{π}}}(\lambda, {\rm{TM}})$进行描述, 图5(b) 给出了MWMMI的变化关系, 这些离散的点基本围绕在1附近分布, 进一步验证了其满足偏振无关条件.

      图  4  器件满足偏振无关条件时, n(SiNx)随WMMI的变化关系

      Figure 4.  n(SiNx) as functions of WMMI when the demultiplexer is polarization-insensitive.

      图  5  器件满足偏振无关条件时 (a) ${L_{\text{π}}}$和(b) MWMMI的变化

      Figure 5.  (a) ${L_{\text{π}}}$ and (b) M as functions of WMMI when the demultiplexer is polarization-insensitive.

    • 当各个波长的偏振无关功能实现后, 需要在此基础上实现多波长的分离功能. 由(1)式可知: 当1310和1550 nm两个波长输入同一个多波长偏振无关MMI型器件, 且输出光场为输入光场的像点(正像或反像)时, MMI波导的总长度LMMI满足(4)式:

      ${L_{{\rm{MMI}}}} = p{L_{\text{π}}}(1310\;{\rm{ nm}}) = q{L_{\text{π}}}(1550\;{\rm{ nm}}),\; p \ne q, $

      其中pq均为正整数. 当pq同为奇数(偶数)时, 两个波长的输出光场均成反像(正像), 即像点重叠, 无法实现波长的分离; 当p为奇数(偶数), q为偶数(奇数)时, 1310 nm的输出光场成反像(正像), 1550 nm的输出光场成正像(反像), 两个像点位于不同位置, 波长分离即实现解复用功能. 综上所述且结合文献[25], 要分离1310和1550 nm两个波长, 仅需要满足(5)式即可,

      $\begin{split} & {L_{{\rm{MMI}}}} = n{L_{\text{π}}}(1310\;{\rm{ nm}}) = (n + 1){L_{\text{π}}}(1550\;{\rm{ nm}}),\\ & n = 1,2,3,\cdots \end{split}$

      定义不同波长间拍长比$R = \dfrac{{{L_{\text{π}}}(1310\;{\rm{ nm}})}}{{{L_{\text{π}}}(1550\;{\rm{ nm}})}} = $$\dfrac{{n + 1}}{n} $, 只要寻找到合适的n值, 就能实现波长的分离. 图6给出了RWMMI的变化: 当WMMI增大时, R随之增大, 且在较大的WMMI值附近, R增长较快. 通过对R数值的甄选, 发现仅当WMMI = 4.6 µm时, R = 1.2 = 6/5 (如图6A点所示), 此时n = 5, 满足(5)式, 可以实现两个波长的分离. 此外, 对照图4图5可知, 当WMMI = 4.6 µm时, n(SiNx) = 2.76, 此时波长1310和1550 nm所对应的M分别为1.0015和1.0066, 均很小, 可以实现偏振无关. 将上述数值代入(5)式, 并将各计算结果取平均值, 得到LMMI = 227.7 µm.

      图  6  RWMMI的变化

      Figure 6.  R as functions of WMMI.

      综上, 当参数取WMMI = 4.6 µm, LMMI = 227.7 µm, n(SiNx) = 2.76时, 可以实现偏振无关的1 × 2 MMI型解复用器. 此时1310和1550 nm两个波长所对应的两个正交偏振光信号传播的光场分布如图7所示: 1310 nm的两个偏振态输出像点基本重合, 且成反像, 从输出端口Port2 输出; 1550 nm的两个偏振态输出像点基本重合, 且成正像, 从输出端口Port3输出. 设计的器件成功分离了1310和1550 nm, 且实现了偏振无关.

      图  7  MMI型解复用器件的光场分布图 (a) 1310 nm, TE波; (b) 1310 nm, TM波; (c) 1550 nm, TE波; (d) 1550 nm, TM波

      Figure 7.  Field distributions of the MMI demultiplexer: (a) Quasi-TE mode, at 1310 nm; (b) quasi-TM mode, at 1310 nm; (c) quasi-TE mode, at 1550 nm; (d) quasi-TM mode, at 1550 nm.

    • 对于解复用器, 最重要的性能是插入损耗(insertion loss, IL)和串扰(crosstalk, CT), 其定义如(6)式和(7)式所示:

      $ {\rm{IL}}({\rm{dB}}) = - 10\lg ({P_{\rm{d}}}/{P_{{\rm{in}}}}), $

      $ {\rm{CT}}({\rm{dB}}) = 10\lg ({P_{\rm{u}}}/{P_{\rm{d}}}), $

      其中${P_{{\rm{in}}}}$是输入波导中的功率, ${P_{\rm{d}}}$${P_{\rm{u}}}$分别是目标输出波导和非目标输出波导中的输出功率(例如, 对于1310 nm波长, ${P_{\rm{d}}}$${P_{\rm{u}}}$分别是Port2和Port3的输出功率). 本文设计的MMI型解复用器的各性能参数如表1所示, 插入损耗低至0.18 dB, 输出波导间的串扰低至–25.7 dB.

      性能参数IL/dBCT/dB
      1310 nm, TE0.25–21.32
      1310 nm, TM0.18–24.40
      1550 nm, TE0.65–20.97
      1550 nm, TM0.38–25.70

      表 1  MMI型解复用器的性能参数

      Table 1.  Performances of the MMI demultiplexer.

      此外, 在对图2(a)所示结构进行设计时, 曾尝试采用单一的直波导作为输入输出波导, 经过多次仿真模拟发现, 波导宽度对输入光场有影响. 当波导宽度较小时, 会造成光场泄露而引入巨大的插入损耗; 当波导宽度较大时, 则存在高阶模, 从而无法满足单模条件. 表2给出了当MMI型解复用器的输入输出波导仅为直波导(宽度W = 1 µm)时的性能参数, 通过和表1数据的对比, 可以发现其性能有所劣化. 其原因是: 锥形波导和直波导的组合结构, 可在满足单模条件的同时减小色散, 改善了自成像点的质量.

      性能参数IL/dBCT/dB
      1310 nm, TE0.500–17.73
      1310 nm, TM0.173–23.80
      1550 nm, TE1.380–14.21
      1550 nm, TM0.460–22.54

      表 2  输入、输出波导均为直波导时的MMI型解复用器的性能参数

      Table 2.  Performances of the MMI demultiplexer when input and output waveguides are straight.

      实际上, 光源并不是单色光, 因而需要考虑光波长变化对器件性能的影响. 对于解复用器而言, 通常用3 dB带宽进行衡量. 图8给出了归一化输出功率随波长的变化关系, 由图8(a)可见, 当入射光的波长变化范围为1280—1340 nm时, Port2的输出光功率仍保持在输入光功率的一半以上, 也即对于1310 nm波段, 3 dB带宽可以达到60 nm. 同理, 由图8(b)可得, 对于1550 nm波段, 3 dB带宽也可以达到60 nm.

      图  8  Port2和Port3两端口归一化输出光功率随波长的变化 (a) 1310 nm波段; (b) 1550 nm波段

      Figure 8.  Output powers (normalized to the input power) from Port2 and Port3 as the wavelength varies: (a) 1310 nm band; (b) 1550 nm band.

      此外, 由于器件在工艺制作过程中会存在一定的偏差, 因而需考察工艺偏差对其光学性能的影响. 图9图10分别给出了当MMI波导的长度和SiNx的厚度发生变化时, 器件的IL和CT的变化情况. 由图9可知, 器件对MMI波导的长度的工艺容差性较好, 当LMMI从224 µm增加到231 µm时, IL一直小于3 dB, CT一直小于–10 dB. 由图10可知, 当SiNx的厚度有 ± 10 nm的误差时, 器件仍然有着良好的性能, 尤其当h(SiNx)在0.10—0.11 µm范围内变化时, IL < 1 dB, CT < –20 dB.

      图  9  性能参数随LMMI的变化 (a) IL; (b) CT

      Figure 9.  Performance parameters as functions of LMMI: (a) IL; (b) CT.

      图  10  性能参数随h(SiNx)的变化 (a) IL; (b) CT

      Figure 10.  Performance of parameters as functions of h(SiNx): (a) IL; (b) CT.

    • 设计了一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2 MMI解复用器, 用于分离1310和1550 nm两个波长. 首先讨论了如何利用Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构实现偏振无关, 分析了不同WMMI${L_{\text{π}}}$n(SiNx)的变化关系, 最终得出结论: 对于不同的WMMI, 均存在相应的n(SiNx)值, 使得器件满足偏振无关条件. 然后对如何实现波长分离功能进行了讨论, 给出了拍长比RWMMI的变化关系, 确定了参数取WMMI = 4.6 µm, LMMI = 227.7 µm, n(SiNx) = 2.76时, 两个波长的输出光场分别成正像和反像, 器件同时实现了偏振无关和解复用功能. 最后对器件的各种性能进行了分析, 基于Si3N4/SiO2平台使器件表现出了高带宽、高工艺容差性等优越的性能, 且有效地减小了器件的尺寸. 该解复用器的MMI波导的尺寸仅为4.6 µm × 227.7 µm, 在1310 nm (1550 nm)工作波长下, TE模与TM模的IL分别为0.25 dB (0.65 dB)与0.18 dB (0.38 dB), 输出波导间的CT分别为–21.32 dB (–20.97 dB)与–24.4 dB (–25.7 dB). 器件结构简单, 性能优越, 在新型集成光子系统中具有潜在的应用价值.

参考文献 (25)

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