呂濤，田勇，李元，崔晗，蔣衛(wèi)鋒，孫小菡

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

內(nèi)嵌光柵微環(huán)型三維立體功分/波分器

呂濤，田勇，李元，崔晗，蔣衛(wèi)鋒，孫小菡*

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

基于消逝場耦合原理、微環(huán)諧振原理和光柵反射原理，設計了一種內(nèi)嵌光柵微環(huán)型三維立體功分/波分器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用以內(nèi)嵌光柵的微環(huán)濾波層為中間層，上下兩層輸出波導層關(guān)于中間層對稱的三維立體集成結(jié)構(gòu)，使得器件同時具有濾波和功分的功能，提高了器件的集成度，級聯(lián)光柵的嵌入則提高了器件的濾波特性。理論分析結(jié)果表明，該器件結(jié)構(gòu)具有良好的濾波特性，并且能實現(xiàn)3種不同功率光信號輸出。

三維立體集成；功分；波分；微環(huán)；內(nèi)嵌光柵

光功分器［1］是連接光線路終端和光網(wǎng)絡單元的核心之一。其制作技術(shù)主要有兩種：熔融拉錐型光纖功分器［2］和平面波導（PLC）型光功分器［3］。PLC型光功分器利用半導體工藝制備，具有結(jié)構(gòu)緊湊，可批量制作，穩(wěn)定性高等優(yōu)點。其中基于硅上二氧化硅（SOS）［4］工藝的PLC型光功分器是首先被應用于光通信、傳感系統(tǒng)的PLC器件；并且具有熱穩(wěn)定、低非線性、高帶寬、集成度高、成本低等特點。光波分器［5］也是連接光線路終端和光網(wǎng)絡單元的核心之一。現(xiàn)有的基于微環(huán)［6］的波分器多為一環(huán)一路，即一個微環(huán)分出一個波長，然后用多個隔開的微環(huán)分出不同的波長，由于是在一條直輸入波導上并聯(lián)這么多微環(huán)，所以器件往往比較長，使得成本增加。現(xiàn)有的可調(diào)PLC型波分器的輸出特性往往是固定的，且邊模抑制能力不強，使得輸出特性不是很好。

在光通信中，波分器和功分器往往一起使用，但是現(xiàn)有的功分器和波分器都是各自作為一個獨立的器件工作的，導致器件整體體積增大，成本增加。本文設計的三維立體集成［7］的微環(huán)型功分/波分器結(jié)構(gòu)，可以將功分器和波分器兩類器件的功能實現(xiàn)在同一器件上，并利用光柵結(jié)構(gòu)和三維立體集成結(jié)構(gòu)實現(xiàn)濾波特性優(yōu)良、功率分配多元化、調(diào)制功率低、集成度高等特點。

1　結(jié)構(gòu)設計及基本工作原理

1.1結(jié)構(gòu)設計

本文提出的內(nèi)嵌光柵微環(huán)型三維立體功分/波分器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在結(jié)構(gòu)上設有一個直輸入波導I1，在與波導同一平面上有一微環(huán)結(jié)構(gòu)2，在微環(huán)四分之一處有兩個完全相同的輸出波導O1、O2，兩個波導分別位于微環(huán)R1正上方和正下方，且距離相同。在微環(huán)二分之一處有兩個完全相同的輸出波導O3、O4，兩個波導分別位于微環(huán)正上方和正下方。在微環(huán)四分之三處有兩個完全相同的輸出波導O5、O6，兩個波導分別位于微環(huán)正上方和正下方。上述結(jié)構(gòu)中，在微環(huán)的非耦合區(qū)刻蝕光柵結(jié)構(gòu)G1、G2、G3、G4，其中光柵G1和G2完全相同，光柵G3和G4完全相同。在光柵上加壓電材料［8］，并在上面附上電極以實現(xiàn)光柵調(diào)節(jié)。

圖1　三維立體功分/波分器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2基本工作原理

光信號從輸入波導I1輸入，當光信號經(jīng)過耦合區(qū)域1時，部分光能量通過消逝場耦合［9］進入微環(huán)R2，該部分能量沿著微環(huán)傳播，在經(jīng)過耦合區(qū)域2、3、4時，又有部分能量通過消逝場耦合進入輸出波導O1、O2、O3、O4、O5、O6，這些能量將從這些輸出波導端口輸出。剩下的光場將繼續(xù)沿著微環(huán)傳播，重新回到耦合區(qū)1。此時，若新耦合進微環(huán)中的光與耦合區(qū)1中的光的相位相同，則兩部分光發(fā)生干涉，能量加強，光將繼續(xù)沿著微環(huán)波導傳播。當光場達到平衡時，能滿足干涉條件的光將從輸出波導O1、O2、O3、O4、O5、O66個端口輸出，而不滿足干涉的光將從輸入波導I1的另一個端口輸出。

結(jié)構(gòu)示意圖中的幾個光柵結(jié)構(gòu)的作用在于可以濾掉6個輸出波導O1、O2、O3、O4、O5、O6中不需要的波長，以此提高微環(huán)的濾波特性，提高輸出光的消光比等參數(shù)。具體工作原理如下：當輸入波導1中的光信號在經(jīng)過耦合區(qū)1時，可以將各個波長的光都耦合進入微環(huán)波導，這些進入微環(huán)波導的光沿著微環(huán)傳播經(jīng)過光柵結(jié)構(gòu)G1時，由光柵的作用可知，某些特定波長的光將被反射，反射光沿著微環(huán)順時針傳播并在通過耦合區(qū)1時將部分能量耦合進入輸入波導1，剩下的反射光則繼續(xù)沿反方向傳播。當剩下的反射光經(jīng)過光柵結(jié)構(gòu)G2時，由于光柵結(jié)構(gòu)G2與G1完全相同，所以反射的光也相同，所以剩下的反射光全部被反射，經(jīng)過兩次反射的光從光柵G2開始沿著微環(huán)逆時針，同理可知這部分光將有一部分耦合進入輸入波導1，剩下部分又被光柵G1反射，如此循環(huán)往復，最終這些特定波長的光將全部通過輸入波導I輸出。光柵G3、G4的工作原理類似，可進一步提高輸出特性。

2　結(jié)構(gòu)性能分析

由上述基本工作原理介紹可知，該結(jié)構(gòu)中主要的工作結(jié)構(gòu)是微環(huán)和光柵。而除了光柵會過濾掉部分特定波長的光外，兩者的工作過程互不干擾，所以可以分別對兩者單獨進行分析，最后將微環(huán)中的相對應的特定波長的光去掉即可。

2.1多通道微環(huán)的性能分析

對該結(jié)構(gòu)中微環(huán)的作用分析可采用基于耦合模理論［10］傳遞函數(shù)法［11］。由于上下兩層輸出波導關(guān)于微環(huán)完全對稱，因此上下對稱的輸出波導所輸出的信號完全相同，因而在計算中可以用一根波導代替，只是該波導的傳輸功率為上下對稱波導的傳輸功率之和。其理論化簡模型如圖2所示。其中a1、a2表示波導和微環(huán)中進入耦合區(qū)域1的光振幅，b1、b2是經(jīng)過耦合區(qū)域1后的光振幅；a3、a4、b3、b4，a5、a6、b5、b6，a7、a8、b7、b8為其他幾個耦合區(qū)域的輸入和輸出光振幅。

圖2　簡化模型

設區(qū)域i的振幅耦合比率和振幅透射比率為κi和ττ，由微環(huán)結(jié)構(gòu)理論可得3個輸出端口相對于輸入口的功率為

其中β為傳播常數(shù)，α為損耗系數(shù)，?i=2πLi（β-jα），Li為微環(huán)傳播路徑上相鄰區(qū)域間的有效距離，Mi=e-2πLiα為微環(huán)中傳播產(chǎn)生的損耗。由對稱性便可得到三維立體集成的功分/波分器的各端口輸出功率和輸入功率P1之比為：

其中P301等為結(jié)構(gòu)中各輸出端口的功率。定義各端口的傳輸光譜如下：

由以上分析可知，3個輸出端口輸出的波長相同，均取決于繞微環(huán)一周產(chǎn)生的相位差，3個端口輸出的只是功率不同，并且若不考慮微環(huán)波導傳輸損耗，則各端口功率比值只與每個耦合區(qū)的振幅耦合比率和振幅透射比率有關(guān)，因此可以通過改變振幅耦合比率和振幅透射比率來實現(xiàn)實際所需功率比。

3　仿真分析及結(jié)果

由于該器件整體含有多通道微環(huán)和光柵等，結(jié)構(gòu)較為復雜，所以無法用光學分析軟件對整個器件進行仿真分析。通過上節(jié)2的分析可知，我們可以將整個器件拆分為微環(huán)和光柵兩個部分，分別仿真分析后綜合仿真結(jié)果，得到最終的仿真結(jié)果。

3.1微環(huán)仿真分析

若直接用光學分析軟件對圖1所示結(jié)構(gòu)（忽略光柵結(jié)構(gòu)）進行仿真，其計算量仍然十分巨大，對計算機性能要求很高，很難得出有效結(jié)果?；?.1節(jié)對多通道微環(huán)的性能分析，我們可以利用理論得到的結(jié)果進行MATLAB仿真。為方便分析，我們假設在無損條件下（即M1=M2=M3=M4=1），光信號波長的范圍取在光通信窗口1 550 nm左右。并假設微環(huán)周長L為100 μm，微環(huán)和波導截面為3 μm×3 μm，襯底折射率為1.445，包層折射率為1.445，芯層折射率為1.474 8，TE模有效折射率neff=1.453，則通過公式可算得相位變化：

首先仿真各區(qū)域的振幅耦合比率和振幅透射比率相同的情況下各個端口情況。取κ1=κ2=κ3=κ4，代入仿真程序所得結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同振幅耦合射率下的輸出光譜

且可以發(fā)現(xiàn)各個端口的輸出功率隨著振幅耦合比率的增大而增大。但是隨著各耦合區(qū)振幅耦合比率增大，微環(huán)的濾波特性變差，消光比等參數(shù)明顯減小，降低了器件的性能，因此需要合適的κ1、κ2、κ3、κ4。

下面分析每個耦合區(qū)的振幅耦合比率對輸出光譜的影響。由公式可知κ1對于3個端口的作用是一樣的，即κ1的改變不影響3個端口輸出功率的差異，且κ1越大，3個端口輸出的功率越大，因此κ1越大越好，但是κ1的增大導致τ1的減小，從而使得消光比減小，濾波特性變差，經(jīng)過多次改變κ1進行仿真分析后，κ1取0.7時既能使得輸出功率足夠大，也能得到較好的消光比。

取κ2=0.1、0，3、0.5、0.7，其余耦合區(qū)的振幅耦合比率均取0.1，代入仿真程序得圖4（a）同理可得κ3、κ4對輸出光譜的影響，如圖4（b）和圖4（c）。

圖4　各耦合區(qū)的振幅耦合透射率對輸出光譜的影響

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，κ2對各個輸出端口功率差的影響是最大的，且只有κ2能同時改變3個輸出端口之間的功率差；κ3對各個端口輸出功率差影響較小，只能夠改變輸出端口功率的大小，且κ3越大，輸出功率越小，所以κ3可取較小值；κ4的增大主要增大輸出端口5其他兩個輸出端口的功率差。

耦合區(qū)的振幅耦合透射比率主要由波導和微環(huán)間的距離、耦合長度等決定，所以可以通過改變波導和微環(huán)間距來改變振幅耦合透射比率，進而獲得合適的振幅耦合透射比率，得到理想的輸出信號。

從上述分析和多次仿真，我們最終選定的各個耦合區(qū)的最優(yōu)化振幅耦合比率為κ1=0.7、κ2=0.6、κ3= 0.01、κ4=0.5，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　振幅耦合比率最優(yōu)化時的輸出光譜

3.2光柵仿真分析

由3.1節(jié)仿真分析可知，當各個耦合區(qū)的振幅耦合比率最優(yōu)化時，輸出信號的消光比很低，與理想情況下的指標有很大差距，而嵌入在微環(huán)中的光柵結(jié)構(gòu)則可以提高輸出信號的消光比，改善微環(huán)濾波特性。

從文獻［12］可知，光柵的傳輸光譜和反射中心波長與材料折射率、光柵常數(shù)、光柵長度等有關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)光柵上方的壓電材料來改變光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料折射率，進而獲得合適的參數(shù)來改善消光比等。以提高信號在1.55 μm處的消光比為例，在3.1節(jié)得到的最優(yōu)化振幅耦合比率的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次仿真，最終得到如下最優(yōu)化光柵參數(shù)：中心波為1.55 μm光柵長度為20 μm，光柵常數(shù)為0.05，耦合常數(shù)為0.1。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　光柵仿真（以1.55 μm為中心波長）

由圖6可見該光柵可以提高約8dB的消光比。同理可通過級聯(lián)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光柵來提高信號其他波長處的消光比。

3.3綜合仿真分析

通過級聯(lián)中心波長為1.541 5 μm、1.558 5 μm、1.55 μm的光柵，可得到最終的輸出光譜圖如圖7所示。

圖7　綜合仿真輸出光譜圖

由圖7可知，該結(jié)構(gòu)能輸出3種不同功率的6路光信號，P1為O1、O2的輸出光譜，P2為O3、O4的輸出光譜，P3為O5、O6的輸出光譜。光信號消光比為15 dB左右，對比圖5可知嵌入光柵后消光比比未嵌入光柵時大了約8 dB。

4　結(jié)論

針對傳統(tǒng)光波分器和光功分器各自分立、集成度低等缺點，本文提出了內(nèi)嵌光柵微環(huán)型三維立體功分/波分器結(jié)構(gòu)。論證了該結(jié)構(gòu)具有濾波器的功能的同時，能通過改變輸出波導和微環(huán)間的距離來改變振幅耦合透射比率等參數(shù)，進而對六路輸出波導的輸出功率實現(xiàn)不同比率分配。同時微環(huán)中的光柵結(jié)構(gòu)能夠提高濾波特性，增大輸出信號的消光比，并可以通過調(diào)節(jié)級聯(lián)光柵上方的壓電材料上的電壓來改變光柵參數(shù)，進而實現(xiàn)更理想的濾波特性。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能同時實現(xiàn)光功分器和光波分器的功能，并且可通過光柵結(jié)構(gòu)提高濾出的光信號的消光比等，從而提高濾波特性。

［1］Yu T B，Wang Q J，Zhang J，et al.Ultracompact 2×2 Photonic Crystal Waveguide Power Splitter Based on Self-Imaging Effect Realized by Asymmetric Interference［J］.IEEE Photonics Tech?nology Letters，2011，23（16）：1151-1153.

［2］許強，黃肇明，黃勇.2×6熔融拉錐型單模光纖耦合器的特性分析［J］.光學學報，2005，25（6）：751-754.

［3］Wang L，An J，Wu Y，et al.A Compact and Low-Loss 1×8 Optical Power Splitter Using Silica-Based PLC on Quartz Substrate［J］. Optics Communications，2014，312：203-209.

［4］Politi A，Cryan M J，Rarity J G，et al.Silica-on-Silicon WaveguideQuantum Circuits［J］.Science，2008，320（5876）：646-649.

［5］Yan H，F(xiàn)eng X，Zhang D，et al.Compact Optical Add-Drop Multi?plexers with Parent-Sub Ring Resonators on SOI Substrates［J］. IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（15）：1462-1465.

［6］Bogaerts W，De Heyn P，Van Vaerenbergh T，et al.Silicon Micror?ingresonators［J］.Laser&Photonics Reviews，2012，6（1）：47-73.

［7］Sherwood-Droz N，Lipson M.Scalable 3D Dense Integration of Photonics on Bulk Silicon［J］.Optics Express，2011，19（18）：17758-17765.

［8］高福群，華云松.PVDF壓電式諧振傳感器在密度測量中的實驗研究［J］.光學儀器，2012，34（3）：13-16.

［9］杜垚，陳哲，余健輝，等.耦合型微納光纖偏振濾光器研究［J］.中國激光，2012，39（6）：210-216.

［10］孫一翎，江曉清，楊建義，等.基于弱耦合模理論的空間多波導耦合特性研究［J］.光學學報，2007，26（12）：1781-1786.

［11］王現(xiàn)銀，馬春生，鄂書林，等.聚合物微環(huán)諧振波分復用器傳輸特性的理論分析［J］.光學學報，2005，25（1）：45-50.

［12］Zang Z，Zhang Y.Analysis of Optical Switching in a Yb3+-Doped Fiber Bragg Grating by Using Self-Phase Modulation and Cross-Phase Modulation［J］.Applied Optics，2012，51（16）：3424-3430.

呂濤（1994-），男，漢族，浙江省紹興人，東南大學電子與科學工程學院本科在讀，專業(yè)為電子科學與技術(shù)，lt215214097@ 126.com；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學電子與科學學院教授，主要研究方向為光波電子學與光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，xhsun@seu. edu.cn。

3D Integrated Splitter/Multiplexer Based on Grating-Inserted Micro-Ring

Lü Tao，TIAN Yong，LI Yuan，CUI Han，JIANG Weifeng，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China）

By using the evanescent field coupling，micro-ring resonator and grating reflection principle，a 3D inte?grated splitter/multiplexer based on inserted grating micro-ring structure was proposed.The proposed splitter/multi?plexer consists of a central inserted grating micro-ring filter layer and two symmetric output layers，which can simul?taneously achieve power splitting and wavelength division.The filter characteristics of the compact splitter/multiplex?er can be improved by using the inserted grating.By using the beam propagation method，the optimization of the splitter/multiplexer has been given，which shows the three kinds ofoutput spectra with different power.

3D integration；splitter；multiplexer；micro-ring；inserted grating

TN913.7

A

1005-9490（2016）02-0270-06

EEACC：4130；414010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.007

2015-05-06修改日期：2015-05-08