搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器的设计

汪静丽 陈子玉 陈鹤鸣

基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器的设计

汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣
PDF
HTML
导出引用
导出核心图
  • 提出一种基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器, 用于分离1310 nm和1550 nm两个波长. 通过合理选择夹层结构芯区的折射率及波导间隙, 可以调节同一波长两个正交偏振模的耦合长度相等, 实现偏振无关; 通过合理选择夹层结构波导宽度, 可以使两个波长分别从不同输出波导端口输出, 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, 并对器件性能进行了分析. 结果表明: 该器件定向耦合波导的长度为23 μm, 插入损耗低至0.1 dB, 输出波导间的串扰低至–26.23 dB, 3 dB带宽可达290 nm和200 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.
      通信作者: 汪静丽, jlwang@njupt.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61571237)、江苏省自然科学基金(批准号: BK20151509)、南京邮电大学校级科研基金(批准号: NY217047)和横向课题(批准号: 2017外65)资助的课题
    [1]

    Walker R G, Urquhart J, Bennion I, Carter A C 1990 IEE P-Optoelectron 137 33

    [2]

    Zhang S, Ji W, Yin R, Li X, Gong Z, Lv L 2018 IEEE Photonics Technol. Lett. 30 107

    [3]

    Shih T T, Wu Y D, Lee J J 2009 IEEE Photonics Technol. Lett. 21 18

    [4]

    Hibino Y 2002 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 1090

    [5]

    Song J H, Lim J H, Kim R K, ET AL 2005 IEEE Photonics Technol. Lett. 17 2607

    [6]

    Song J H, Kim K Y, Cho J, ET AL 2005 IEEE Photonics Technol. Lett. 17 1668

    [7]

    刘耀东, 李志华, 余金中 2019 物理 48 82

    Liu Y D, Li Z H, Yu J Z 2019 Physics 48 82

    [8]

    Roeloffzen C G H, Hoekman M, Klein E J, ET AL 2018 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24 121

    [9]

    Sacher W D, Huang Y, Liang D, ET AL 2014 Optical Fiber Communications Conference & Exhibition. IEEE, San Francisco, CA, USA, March 9–13, 2014 pTh1A.3

    [10]

    Gupta R K, Chandran S, Krishna B 2018 3 rd International Conference on Microwave and Photonics, Dhanbad, India, February 9–11, 2018 p1

    [11]

    Chen J Y, Shi Y C 2017 J. Lightwave Technol. 35 5260

    [12]

    Xu H N, Shi Y C 2017 IEEE Photonics Technol. Lett. 29 1265

    [13]

    Shi Y C, Anand S, He S L 2008 Asia Optical Fiber Communication & Optoelectronic Exposition & Conference, Shanghai, China, October 30–November 2, 2018 p1

    [14]

    Chen J Y, Liu L, Shi Y C 2017 IEEE Photonics Technol. Lett. 29 1975

    [15]

    Shi Y C, Anand S, He S L 2009 J. Lightwave Technol. 27 1443

    [16]

    Hardy A, Streifer W 1985 J.Lightwave Technol. LT-3 1135

    [17]

    Chen Y, Joines W T 2003 Opt. Commun. 228 319

    [18]

    Fujisawa T, Koshiba M 2006 IEEE Photonics Technol. Lett. 18 1246

    [19]

    Chiang K S, Liu Q 2011 IEEE Photonics Technol. Lett. 23 1277

    [20]

    汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣 2020 物理学报 69 054206

    Wang J L, Chen Z Y, Chen H M 2020 Acta Phys. Sin. 69 054206

    [21]

    Lee C C, Chen H L, Hsu J C, Tien C L 1999 Appl. Opt. 38 2078

    [22]

    邹祥云, 苑进社, 蒋一祥 2012 物理学报 61 148106

    Zou X Y, Yuan J S, Jiang Y X 2012 Acta Phys. Sin. 61 148106

    [23]

    Wang Q, He S L 2003 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5 449

  • 图 1  (a) 夹层结构示意图; (b) TE偏振模在夹层波导中的场分布(n0 > n1); (c) TM偏振模在夹层波导中的场分布(n0 > n1)

    Fig. 1.  (a) schematic configuration of the sandwiched structure; (b) field distributions for the TE fundamental mode in a sandwiched waveguide (n0 > n1); (c) field distributions for the TM fundamental mode in a sandwiched waveguide(n0 > n1).

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

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

    图 3  W0 = 0.6 μm, W1 = 0.7 μm, g1 = 0.1 μm时, (a) Lc, (b) ΔLc(λ)随n(SiNx)的变化关系

    Fig. 3.  (a) Lc, (b) ΔLc(λ) as a function of n(SiNx) when W0 = 0.6 μm, W1 = 0.7 μm, g1 = 0.1 μm.

    图 4  当 (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm时, Lcg1的变化关系

    Fig. 4.  Lc as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm.

    图 5  当 (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm时, ΔLc(λ)随g1的变化关系

    Fig. 5.  ΔLc(λ) as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm.

    图 6  偏振无关1×2 DC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

    Fig. 6.  Field distributions of the DC 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.

    图 7  Port2和Port3两端口归一化输出光功率随波段的变化 (a) 1310 nm波段; (b) 1550 nm波段

    Fig. 7.  Output powers (normalized to the input power) from Ports 2 and 3 as the wavelength varies: (a) 1310 nm band; (b) 1550 nm band.

    表 1  DC型偏振无关解复用器的结构参数

    Table 1.  Structural parameters of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

    结构参数Pg1/µmLDC/µm
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm00.0826.5
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm20.0827
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm00.0823
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm20.0726
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm20.0637
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.9 µm00.0735
    下载: 导出CSV

    表 2  DC型偏振无关解复用器的透过率

    Table 2.  Transmittance of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

    结构参数T(1310
    nm, TE)
    T(1310
    nm, TM)
    T(1550
    nm, TE)
    T(1550
    nm, TM)
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm0.9420.9310.810.8
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm0.9410.9360.820.814
    W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm0.9770.9640.930.84
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm0.9250.950.840.87
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm0.960.9640.9070.848
    W0 = 0.5 µm, W1 = 0.9 µm0.980.9670.8530.916
    下载: 导出CSV

    表 3  偏振无关1 × 2 DC解复用器的性能参数

    Table 3.  Performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

    性能参数IL/dBCT/dB
    1310 nm, TE0.1–20.92
    1310 nm, TM0.16–21.62
    1550 nm, TE0.32–26.23
    1550 nm, TM0.76–24.2
    下载: 导出CSV

    表 4  DC型偏振无关解复用器的性能参数比较

    Table 4.  Comparison of performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

    器件类型(LDC/面积)/(µm/µm2)$\overline {{\rm{IL}}} $/dB$\overline {{\rm{CT}}} $/dB
    本文230.335–23.24
    文献[14]40 × 25(弯曲波导结构)0.33–22.1
    文献[15]48.20.225–21.25
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Walker R G, Urquhart J, Bennion I, Carter A C 1990 IEE P-Optoelectron 137 33

    [2]

    Zhang S, Ji W, Yin R, Li X, Gong Z, Lv L 2018 IEEE Photonics Technol. Lett. 30 107

    [3]

    Shih T T, Wu Y D, Lee J J 2009 IEEE Photonics Technol. Lett. 21 18

    [4]

    Hibino Y 2002 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 1090

    [5]

    Song J H, Lim J H, Kim R K, ET AL 2005 IEEE Photonics Technol. Lett. 17 2607

    [6]

    Song J H, Kim K Y, Cho J, ET AL 2005 IEEE Photonics Technol. Lett. 17 1668

    [7]

    刘耀东, 李志华, 余金中 2019 物理 48 82

    Liu Y D, Li Z H, Yu J Z 2019 Physics 48 82

    [8]

    Roeloffzen C G H, Hoekman M, Klein E J, ET AL 2018 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24 121

    [9]

    Sacher W D, Huang Y, Liang D, ET AL 2014 Optical Fiber Communications Conference & Exhibition. IEEE, San Francisco, CA, USA, March 9–13, 2014 pTh1A.3

    [10]

    Gupta R K, Chandran S, Krishna B 2018 3 rd International Conference on Microwave and Photonics, Dhanbad, India, February 9–11, 2018 p1

    [11]

    Chen J Y, Shi Y C 2017 J. Lightwave Technol. 35 5260

    [12]

    Xu H N, Shi Y C 2017 IEEE Photonics Technol. Lett. 29 1265

    [13]

    Shi Y C, Anand S, He S L 2008 Asia Optical Fiber Communication & Optoelectronic Exposition & Conference, Shanghai, China, October 30–November 2, 2018 p1

    [14]

    Chen J Y, Liu L, Shi Y C 2017 IEEE Photonics Technol. Lett. 29 1975

    [15]

    Shi Y C, Anand S, He S L 2009 J. Lightwave Technol. 27 1443

    [16]

    Hardy A, Streifer W 1985 J.Lightwave Technol. LT-3 1135

    [17]

    Chen Y, Joines W T 2003 Opt. Commun. 228 319

    [18]

    Fujisawa T, Koshiba M 2006 IEEE Photonics Technol. Lett. 18 1246

    [19]

    Chiang K S, Liu Q 2011 IEEE Photonics Technol. Lett. 23 1277

    [20]

    汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣 2020 物理学报 69 054206

    Wang J L, Chen Z Y, Chen H M 2020 Acta Phys. Sin. 69 054206

    [21]

    Lee C C, Chen H L, Hsu J C, Tien C L 1999 Appl. Opt. 38 2078

    [22]

    邹祥云, 苑进社, 蒋一祥 2012 物理学报 61 148106

    Zou X Y, Yuan J S, Jiang Y X 2012 Acta Phys. Sin. 61 148106

    [23]

    Wang Q, He S L 2003 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5 449

  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  403
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-13
  • 修回日期:  2020-05-13
  • 上网日期:  2020-12-14
  • 刊出日期:  2021-01-05

基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器的设计

  • 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: 国家自然科学基金(批准号: 61571237)、江苏省自然科学基金(批准号: BK20151509)、南京邮电大学校级科研基金(批准号: NY217047)和横向课题(批准号: 2017外65)资助的课题

摘要: 提出一种基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器, 用于分离1310 nm和1550 nm两个波长. 通过合理选择夹层结构芯区的折射率及波导间隙, 可以调节同一波长两个正交偏振模的耦合长度相等, 实现偏振无关; 通过合理选择夹层结构波导宽度, 可以使两个波长分别从不同输出波导端口输出, 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, 并对器件性能进行了分析. 结果表明: 该器件定向耦合波导的长度为23 μm, 插入损耗低至0.1 dB, 输出波导间的串扰低至–26.23 dB, 3 dB带宽可达290 nm和200 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

    • 随着时代的发展, 人们对通信速率及容量的需求越来越高, 波分复用技术作为提高通信容量的典型解决方案得到了广泛研究. 解复用器是波分复用技术中的核心器件, 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]、多模干涉(multimode interference, MMI)型[2]、光子晶体 (photonic crystal, PhC)型[3]、阵列波导光栅 (arrayed waveguide grating, AWG)型[4]、定向耦合器(directional coupler, DC)型[5-6]等. 其中, MZI型解复用器尺寸偏大且高损耗; MMI型、PhC型和AWG型解复用器偏振依赖性高且带宽较低; 而DC型解复用器因其结构简单、损耗低及带宽高, 在光子集成方面得到了广泛应用.

      迄今为止, 大多数DC型解复用器是在绝缘体上硅(silicon-on-insulator, SOI)平台实现的, 尺寸及损耗偏大, 影响光子集成度. 例如, 文献[5]提出了一种基于SOI波导的偏振有关单纤三向器, 其中DC波导的长度约等于6.3 mm, 平均串扰约等于–18 dB; 文献[6]提出了一种基于SOI波导的偏振有关单纤三向器, 其中DC波导的长度约等于8.3 mm, 平均串扰约等于–20 dB. 因此一种新的波导材料Si3N4[7-9]应运而生, 成为研究热点. 采用低压化学气相沉积方法在SiO2上生长的Si3N4薄膜具有结构稳定、损耗低、禁带宽度宽等优点, 有利于提高光子集成度. 与SOI平台相比, Si3N4/SiO2平台表现出了损耗低、工艺容差性好及灵活性高等诸多优势.

      此外, 大部分DC型解复用器都是偏振相关[10-12]的, 即仅考虑某一个偏振模, 这大大限制了其应用范围. 实际上, 正是由于横电模(transverse electric mode, TE)和横磁模(transverse magnetic mode, TM)的耦合长度不同, 从而导致了DC型器件无法实现偏振无关. 为解决这一问题, 人们也陆续提出了若干结构用于调节TE和TM偏振模的耦合长度相等. 例如基于滞后效应制备中间有浅槽的非对称波导[13]; 采用弯曲DC波导结构[14]; 以及采用脊形波导结构[15]等. 这些结构虽然实现了器件的偏振无关, 但同时还存在着尺寸较大、带宽较小和损耗较大等缺点.

      本文提出了一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4夹层结构的偏振无关1 × 2 DC型解复用器. 通过合理选择夹层结构芯区的折射率及波导间隙, 可以调节同一波长两个正交偏振模的耦合长度相等, 实现偏振无关; 通过合理选择夹层结构波导宽度, 可以使两个波长分别从不同输出波导端口输出, 实现解复用功能. 采用三维有限时域差分法(three-dimensional finite-difference time-domain, 3 D-FDTD)进行建模和分析, 结果表明: 器件尺寸较小, DC波导的长度仅为23 µm, 仅为文献[15]中DC波导长度的一半. 同时性能优越, 损耗低且带宽高, 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.

    • DC波导由两根相距较近的直波导构成, 根据耦合模理论[16], 当两根波导靠的很近时, 波导之间会发生横向耦合, 在光的传输方向上, 光能量会周期性地在两根波导中进行转移.

      最常见的DC结构由两根结构参数完全相同的平行直波导组成, 它们满足相位匹配条件, 当光从第1根波导输入时, 两根波导中的能量随着传输长度的增加周期性变化. 在特定的长度Lc下, 光能量第1次100%转移至另一根波导中, Lc可表示为

      $ {L_{\rm{c}}} = \frac{{\rm{\pi }}}{{{\beta _{\rm{e}}} - {\beta _{\rm{o}}}}}, $

      其中, Lc被称作耦合长度, βeβo分别是偶模和奇模的传播常数.

    • 顾名思义, 夹层结构即是A/B/A结构, 它由3层材料依次沉积而成, 其中A与B材料的折射率不等. 假设n0 > n1, 由于高、低折射率材料间的电场不连续性, TE和TM偏振模将被局域在不同的材料层传输. 夹层结构常用于设计偏振无关器件[17-19], 例如文献[19]将MMI波导结构与夹层结构相结合, 通过调整中间层材料的折射率使得TE和TM偏振模的拍长相等, 从而实现偏振无关功能.

      本文将夹层结构应用于DC波导结构中, 若要实现偏振无关功能, 即要求同一波长的两个正交偏振模的Lc相等. 如果仅对中间层材料的折射率进行调整, 经3 D-FDTD建模仿真表明: TE偏振模的耦合长度总是大于TM偏振模的耦合长度, 无法实现偏振无关. 因此提出了一种新型夹层结构, 如图1(a)所示, nens分别为包层和衬底的折射率, 中间B材料层的折射率为n0, 波导宽度为W1; 两侧A材料层的折射率为n1, 波导宽度为W0, 且W1 > W0. 通过调节W0W1的值, 可以使得DC波导结构中输入波长的TE和TM偏振模的耦合长度相等, 从而实现偏振无关. TE和TM偏振模在夹层波导中的场分布如图1(b)图1(c)所示, TE偏振模局域在中间B材料层传输, TM偏振模则局域在两侧A材料层传输.

      图  1  (a) 夹层结构示意图; (b) TE偏振模在夹层波导中的场分布(n0 > n1); (c) TM偏振模在夹层波导中的场分布(n0 > n1)

      Figure 1.  (a) schematic configuration of the sandwiched structure; (b) field distributions for the TE fundamental mode in a sandwiched waveguide (n0 > n1); (c) field distributions for the TM fundamental mode in a sandwiched waveguide(n0 > n1).

    • 所设计的DC型解复用器结构示意图如图2(a)所示: 器件由DC波导、S波导和输出波导3部分构成, 其中DC波导结构由两根平行直波导A和B组成, 且波导A和B的结构参数完全相同. LDC为DC波导的长度, W0W1分别为不同材料层的波导宽度, g0g1分别为波导A和B的不同材料层之间的波导间隙, S波导的长度和宽度分别为Ls = 12 μm和Ws = 2.5 μm. 所有波导均采用夹层结构, 以DC波导为例, 如图2(b)所示, Si3N4层波导的高度和宽度分别为h1 = 0.25 μm和W0; SiNx层波导的高度和宽度分别为h0 = 0.1 μm和W1; 与之对应的, g0为Si3N4层波导之间的间隙, g1为SiNx层波导之间的间隙. 离子辅助沉积方法可调节中间层SiNx[20-21]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S波导、输出波导与DC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) DC波导截面示意图

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

    • 首先设计夹层结构, 用于实现同一波长的两个正交偏振模的Lc相等, 达到偏振无关的目的. 若要实现器件的偏振无关, 需要满足(2)式.

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

      其中, Lc(λ, TE)和Lc(λ, TM)分别表示波长为λ时的TE偏振模和TM偏振模的耦合长度.

      图3给出了当W0 = 0.6 μm, W1 = 0.7 μm, g1 = 0.1 μm时, 不同波长、不同偏振模的Lc和ΔLc(λ)(其中ΔLc(λ) = Lc(λ, TE)–Lc(λ, TM))随n(SiNx)的变化关系. 当ΔLc(λ) = 0时, 满足偏振无关条件(2)式, 此时器件可实现偏振无关. 图3(a)中虚线表示模式在传输过程中严重衰减; 实线则表示模式在传输过程中损耗低. 因此, 为保证传输质量, n(SiNx)需满足大于等于2.7. 此外, 随着n(SiNx)的增大, 同一波长所对应的两个正交偏振模的Lc均随之单调增加, 且Lc(λ, TE)的增长幅度大于Lc(λ, TM). 由图3(b)可知, 随着n(SiNx)的增大, 无论是波长1310 nm还是1550 nm, 其ΔLc(λ)均呈现由负到正的变化, 且单调递增. 当|ΔLc(λ)|大时, Lc(λ, TE)与Lc(λ, TM)差值也大, 实现器件的偏振无关比较困难, 因此希望n(SiNx)尽量偏小. 综上, 选取n(SiNx) = 2.7, 图3(a)中用绿色环标注出了此时所有Lc的值, 它们并不完全相等. 这在图3(b)中更加明显, 当n(SiNx) = 2.7时, 两个波长所对应的|ΔLc(λ)|均不等于零.

      图  3  当W0 = 0.6 μm, W1 = 0.7 μm, g1 = 0.1 μm时, (a) Lc, (b) ΔLc(λ)随n(SiNx)的变化关系

      Figure 3.  (a) Lc, (b) ΔLc(λ) as a function of n(SiNx) when W0 = 0.6 μm, W1 = 0.7 μm, g1 = 0.1 μm.

      为了实现偏振无关性能, 需要进一步探讨夹层波导的结构参数W0, W1及波导间隙g1对不同波长的两个正交偏振模的Lc的影响. 本文选取了若干组W0W1的值, 且g1的值在0.05—0.2 µm范围内变化, 观察Lcg1的变化关系. 图4给出了不同结构参数时, Lcg1的变化关系, 其中图4(a)(d)对应的结构参数依次为W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm; W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm; W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm; W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm. 由图4可知, 随着W0W1值的增大, 两个波长所分别对应的两个正交偏振模的Lc均随之增大; 随着g1的增大, 同一波长所对应的两个正交偏振模的Lc均随之单调增加, 且Lc(λ, TE)的增长幅度大于Lc(λ, TM), 从而使得两者存在交叉点, 交叉点处Lc(λ, TE) = Lc(λ, TM) (图4中的虚线环标示了各个交叉点).

      图  4  当 (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm时, Lcg1的变化关系

      Figure 4.  Lc as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm.

      虽然对于1310 nm和1550 nm两个波长来说, 交叉点所对应的g1并不相同, 但是值得注意的是, ΔLc(1310 nm)随着g1的增大而有明显地增加, 而ΔLc(1550 nm) 随着g1的增大变化幅度较小, 在0附近波动, 如图5所示. 因此, 合理选择g1, 可以使得ΔLc(1310 nm)逐渐趋于0, 而ΔLc(1550 nm)本身就对g1的变化不敏感, 在0附近波动, 最终使得两个波长均满足(3)式,

      图  5  当 (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm时, ΔLc(λ)随g1的变化关系

      Figure 5.  ΔLc(λ) as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm, (b) W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm, (c) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm, (d) W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm.

      $ {L_{\rm{c}}}\left( {\lambda ,{\rm{TE}}} \right) \approx {L_{\rm{c}}}\left( {\lambda ,{\rm{TM}}} \right), $

      可以较好地实现器件的偏振无关.

    • 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. Port2和Port3的归一化输出功率[22,23]可以表示为:

      $ {P_{{\rm{bar}}}} = {\cos ^2}\left[({{\rm{\pi }}}/{2}) \cdot ({{{L_{{\rm{DC}}}}}}/{{{L_{\rm{c}}}}})\right], $

      $ {P_{{\rm{cross}}}} = {\sin ^2}\left[({{\rm{\pi }}}/{2}) \cdot ({{{L_{{\rm{DC}}}}}}/{{{L_{\rm{c}}}}})\right], $

      其中, Pbar是Port2的输出功率, Pcross是Port3的输出功率. 为了实现波长分离功能, 引入一个功率参数P:

      $\begin{split} P =\;& {\cos ^2}\left(\frac{{\rm{\pi }}}{2} \cdot \frac{{{L_{{\rm{DC}}}}}}{{{L_{\rm{c}}}(1310{\rm{\;nm}})}}\right)\\ &+ {\sin ^2}\left(\frac{{\rm{\pi }}}{2} \cdot \frac{{{L_{{\rm{DC}}}}}}{{{L_{\rm{c}}}(1550{\rm{\;nm}})}}\right), \end{split}$

      其中, Lc(1310 nm)和Lc(1550 nm)分别表示输入波长为1310 nm和1550 nm时的耦合长度. 当且仅当P值等于0或者2时, 即当两个波长在DC波导中传输时, 其中一个波长发生奇数次耦合, 同时另一个波长发生偶数次耦合, 此时1310 nm和1550 nm两个波长将分别从两个输出端口输出, 实现波长分离.

      因此, 当器件的设计同时满足(3)式和(6)式时, 即可实现偏振无关功能和波长分离功能. 表1给出了几组不同的W0W1, 通过优化仿真, 可以确定同时满足(3)式和(6)式时对应的g1LDC. 由表1可知, 当W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm时, 器件的尺寸最小, LDC仅为23 μm. 同时对表1所涉及的DC型偏振无关解复用器的性能指标分别进行了仿真计算, 给出了不同波长的两个正交偏振模的透过率. 如表2所示, 当W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm或者W0 = 0.5 µm, W1 = 0.9 μm时, 透过率指标整体最优. 综合表1表2可知, 当DC型解复用器的结构参数为W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm, g1 = 0.08 μm时, 器件尺寸小, 性能指标优越.

      结构参数Pg1/µmLDC/µm
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm00.0826.5
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm20.0827
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm00.0823
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm20.0726
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm20.0637
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.9 µm00.0735

      表 1  DC型偏振无关解复用器的结构参数

      Table 1.  Structural parameters of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

      结构参数T(1310
      nm, TE)
      T(1310
      nm, TM)
      T(1550
      nm, TE)
      T(1550
      nm, TM)
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.6 µm0.9420.9310.810.8
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.7 µm0.9410.9360.820.814
      W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm0.9770.9640.930.84
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.7 µm0.9250.950.840.87
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.8 µm0.960.9640.9070.848
      W0 = 0.5 µm, W1 = 0.9 µm0.980.9670.8530.916

      表 2  DC型偏振无关解复用器的透过率

      Table 2.  Transmittance of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

      综上, 当参数取LDC = 23 μm, W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm, g1 = 0.08 μm, n(SiNx) = 2.7时, 可以实现偏振无关的1 × 2 DC型解复用器. 此时1310 nm和1550 nm 2个波长所对应的2个正交偏振光信号传播的光场分布如图6所示: 1310 nm的两个偏振模传输了Lc(1310 nm)的距离, 经由S波导从输出端口Port3 输出; 1550 nm的两个偏振模传输了2 × Lc(1550 nm)的距离, 经由S波导从输出端口Port2输出. 设计的器件成功分离了1310 nm和1550 nm, 且实现了偏振无关.

      图  6  偏振无关1×2 DC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 6.  Field distributions of the DC 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(7)式和(8)式所示:

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

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

      其中, Pin是输入波导中的功率, PdPu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, PdPu分别是Port3和Port2的输出功率). 本文设计的偏振无关1 × 2 DC解复用器的各性能参数如表3所示, IL低至0.1 dB, 输出波导间的CT低至–26.23 dB.

      性能参数IL/dBCT/dB
      1310 nm, TE0.1–20.92
      1310 nm, TM0.16–21.62
      1550 nm, TE0.32–26.23
      1550 nm, TM0.76–24.2

      表 3  偏振无关1 × 2 DC解复用器的性能参数

      Table 3.  Performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

      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7给出了归一化输出功率随波长的变化关系, 由图7(a)可见, 当入射光的波长变化范围为1140—1430 nm时, Port3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290 nm. 同理, 由图7(b)可得, 对于1550 nm波段, 3 dB带宽也可以达到200 nm. 本文设计的DC型解复用器表现出了优越的高带宽性能, 远远高于其他文献[11-12, 14-15].

      图  7  Port2和Port3两端口归一化输出光功率随波段的变化 (a) 1310 nm波段; (b) 1550 nm波段

      Figure 7.  Output powers (normalized to the input power) from Ports 2 and 3 as the wavelength varies: (a) 1310 nm band; (b) 1550 nm band.

      此外, 我们还将本文所设计器件与其他DC型偏振无关解复用器的性能参数比较, 如表4所示. 其中$\overline {{\rm{IL}}} $为各波长不同偏振态入射时的IL的平均值, $\overline {{\rm{CT}}} $为各波长不同偏振态入射时的CT的平均值. 通过对比可见: 本文所设计的DC型解复用器不仅实现了偏振无关, 且尺寸最小, 具有结构紧凑、损耗低等优点.

      器件类型(LDC/面积)/(µm/µm2)$\overline {{\rm{IL}}} $/dB$\overline {{\rm{CT}}} $/dB
      本文230.335–23.24
      文献[14]40 × 25(弯曲波导结构)0.33–22.1
      文献[15]48.20.225–21.25

      表 4  DC型偏振无关解复用器的性能参数比较

      Table 4.  Comparison of performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

    • 本文设计了一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4夹层结构的偏振无关1 × 2 DC解复用器, 用于分离1310 nm和1550 nm两个波长. 首先讨论了如何利用Si3N4/SiNx/Si3N4夹层结构实现偏振无关, 分析了不同结构参数时, Lcg1的变化关系, 最终得出结论: 通过合理选择g1, 可以使得Lc(λ, TE) ≈ Lc(λ, TM), 从而实现器件的偏振无关. 然后对如何实现波长分离功能进行了讨论, 给出了不同结构参数时, 器件的尺寸及透过率指标的对比, 确定了当参数取LDC = 23 μm, W0 = 0.4 µm, W1 = 0.8 µm, g1 = 0.08 μm, n(SiNx) = 2.7时, 两个波长分别从不同输出波导端口输出, 器件同时实现了偏振无关和解复用功能. 最后对器件的性能进行了分析, 基于Si3N4/SiO2平台使器件表现出了高带宽的优越性能, 且有效的减小了器件的尺寸. 该解复用器的DC波导的长度仅为23 µm, 在1310 nm(1550 nm)工作波长下, TE模与TM模的IL分别为0.1 dB(0.32 dB)与0.16 dB(0.76 dB), 输出波导间的CT分别为–20.92 dB(–21.62 dB)与–26.23 dB(–24.2 dB). 器件结构紧凑, 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 (23)

目录

    /

    返回文章
    返回