汪靜麗 陳子玉 陳鶴鳴

1) (南京郵電大學電子與光學工程學院、微電子學院,南京 210023)

2) (南京郵電大學貝爾英才學院,南京 210023)

提出一種基于夾層結構的偏振無關1×2定向耦合型解復用器,用于分離1310 nm和1550 nm兩個波長.通過合理選擇夾層結構芯區(qū)的折射率及波導間隙,可以調節(jié)同一波長兩個正交偏振模的耦合長度相等,實現偏振無關； 通過合理選擇夾層結構波導寬度,可以使兩個波長分別從不同輸出波導端口輸出,實現解復用功能.運用三維有限時域差分法進行建模仿真,對結構參數進行優(yōu)化,并對器件性能進行了分析.結果表明： 該器件定向耦合波導的長度為 23 μm,插入損耗低至 0.1 dB,輸出波導間的串擾低至—26.23 dB,3 dB 帶寬可達 290 nm 和 200 nm.另外,本文提出的器件采用 Si3N4/SiO2 平臺,可有效減小波導尺寸,提高集成度,不僅實現了偏振無關,而且結構緊湊、損耗低,在未來的集成光路中具有潛在的應用價值.

1 引 言

隨著時代的發(fā)展,人們對通信速率及容量的需求越來越高,波分復用技術作為提高通信容量的典型解決方案得到了廣泛研究.解復用器是波分復用技術中的核心器件,用于分離多個波長,最常見的器件結構包括馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometers,MZI)型[1]、多模干涉 (multimode interference,MMI) 型[2]、光子晶體 (photonic crystal,PhC)型[3]、陣列波導光柵 (arrayed waveguide grating,AWG)型[4]、定向耦合器 (directional coupler,DC)型[5-6]等.其中,MZI型解復用器尺寸偏大且高損耗； MMI型、PhC型和AWG型解復用器偏振依賴性高且?guī)捿^低； 而DC型解復用器因其結構簡單、損耗低及帶寬高,在光子集成方面得到了廣泛應用.

迄今為止,大多數DC型解復用器是在絕緣體上硅 (silicon-on-insulator,SOI) 平臺實現的,尺寸及損耗偏大,影響光子集成度.例如,文獻 [5]提出了一種基于SOI波導的偏振有關單纖三向器,其中DC波導的長度約等于6.3 mm,平均串擾約等于—18 dB； 文獻 [6]提出了一種基于 SOI波導的偏振有關單纖三向器,其中DC波導的長度約等于8.3 mm,平均串擾約等于—20 dB.因此一種新的波導材料Si3N4[7-9]應運而生,成為研究熱點.采用低壓化學氣相沉積方法在SiO2上生長的Si3N4薄膜具有結構穩(wěn)定、損耗低、禁帶寬度寬等優(yōu)點,有利于提高光子集成度.與SOI平臺相比,Si3N4/SiO2平臺表現出了損耗低、工藝容差性好及靈活性高等諸多優(yōu)勢.

此外,大部分DC型解復用器都是偏振相關[10-12]的,即僅考慮某一個偏振模,這大大限制了其應用范圍.實際上,正是由于橫電模 (transverse electric mode,TE)和橫磁模 (transverse magnetic mode,TM)的耦合長度不同,從而導致了DC型器件無法實現偏振無關.為解決這一問題,人們也陸續(xù)提出了若干結構用于調節(jié)TE和TM偏振模的耦合長度相等.例如基于滯后效應制備中間有淺槽的非對稱波導[13]； 采用彎曲 DC 波導結構[14]； 以及采用脊形波導結構[15]等.這些結構雖然實現了器件的偏振無關,但同時還存在著尺寸較大、帶寬較小和損耗較大等缺點.

本文提出了一種基于Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結構的偏振無關 1 × 2 DC 型解復用器.通過合理選擇夾層結構芯區(qū)的折射率及波導間隙,可以調節(jié)同一波長兩個正交偏振模的耦合長度相等,實現偏振無關； 通過合理選擇夾層結構波導寬度,可以使兩個波長分別從不同輸出波導端口輸出,實現解復用功能.采用三維有限時域差分法(three-dimensional finite-difference time-domain,3 D-FDTD)進行建模和分析,結果表明： 器件尺寸較小,DC 波導的長度僅為23 μm,僅為文獻[15]中DC波導長度的一半.同時性能優(yōu)越,損耗低且?guī)捀?在未來的集成光路中具有潛在的應用價值.

2 工作原理與器件結構設計

2.1 DC工作原理

DC波導由兩根相距較近的直波導構成,根據耦合模理論[16],當兩根波導靠的很近時,波導之間會發(fā)生橫向耦合,在光的傳輸方向上,光能量會周期性地在兩根波導中進行轉移.

最常見的DC結構由兩根結構參數完全相同的平行直波導組成,它們滿足相位匹配條件,當光從第1根波導輸入時,兩根波導中的能量隨著傳輸長度的增加周期性變化.在特定的長度Lc下,光能量第1次100%轉移至另一根波導中,Lc可表示為

其中,Lc被稱作耦合長度,βe和βo分別是偶模和奇模的傳播常數.

2.2 夾層結構實現偏振無關的原理

顧名思義,夾層結構即是A/B/A結構,它由3層材料依次沉積而成,其中A與B材料的折射率不等.假設n0＞n1,由于高、低折射率材料間的電場不連續(xù)性,TE和TM偏振模將被局域在不同的材料層傳輸.夾層結構常用于設計偏振無關器件[17-19],例如文獻[19]將MMI波導結構與夾層結構相結合,通過調整中間層材料的折射率使得TE和TM偏振模的拍長相等,從而實現偏振無關功能.

本文將夾層結構應用于DC波導結構中,若要實現偏振無關功能,即要求同一波長的兩個正交偏振模的Lc相等.如果僅對中間層材料的折射率進行調整,經 3 D-FDTD 建模仿真表明： TE 偏振模的耦合長度總是大于TM偏振模的耦合長度,無法實現偏振無關.因此提出了一種新型夾層結構,如圖1(a)所示,ne和ns分別為包層和襯底的折射率,中間B材料層的折射率為n0,波導寬度為W1；兩側A材料層的折射率為n1,波導寬度為W0,且W1＞W0.通過調節(jié)W0和W1的值,可以使得 DC波導結構中輸入波長的TE和TM偏振模的耦合長度相等,從而實現偏振無關.TE和TM偏振模在夾層波導中的場分布如圖1(b)和圖1(c)所示,TE偏振模局域在中間B材料層傳輸,TM偏振模則局域在兩側A材料層傳輸.

圖1 (a) 夾層結構示意圖； (b) TE 偏振模在夾層波導中的場分布 (n0 ＞ n1)； (c) TM 偏振模在夾層波導中的場分布 (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).

2.3 器件結構設計

所設計的DC型解復用器結構示意圖如圖2(a)所示： 器件由DC波導、S波導和輸出波導3部分構成,其中DC波導結構由兩根平行直波導A和B組成,且波導A和B的結構參數完全相同.LDC為DC波導的長度,W0和W1分別為不同材料層的波導寬度,g0和g1分別為波導A和B的不同材料層之間的波導間隙,S波導的長度和寬度分別為Ls= 12 μm 和Ws= 2.5 μm.所有波導均采用夾層結構,以 DC 波導為例,如圖2(b) 所示,Si3N4層波導的高度和寬度分別為h1= 0.25 μm 和W0；SiNx層波導的高度和寬度分別為h0= 0.1 μm 和W1； 與之對應的,g0為 Si3N4層波導之間的間隙,g1為SiNx層波導之間的間隙.離子輔助沉積方法可調節(jié)中間層SiNx[20-21]的折射率n(SiNx)在1.72—3.43 范圍內變化,Si3N4的折射率約為 2； 另外 S 波導、輸出波導與DC波導具有類似的截面結構,不再贅述.

圖2 解復用器結構示意圖 (a) 俯視圖； (b) DC 波導截面示意圖Fig.2.Schematic configuration of the demultiplexer structure： (a) Top view； (b) cross section of the DC waveguide.

3 器件功能實現與性能分析

3.1 偏振無關功能的實現

首先設計夾層結構,用于實現同一波長的兩個正交偏振模的Lc相等,達到偏振無關的目的.若要實現器件的偏振無關,需要滿足(2)式.

其中,Lc(λ,TE)和Lc(λ,TM)分別表示波長為λ時的TE偏振模和TM偏振模的耦合長度.

圖3 給出了當W0= 0.6 μm,W1= 0.7 μm,g1= 0.1 μm 時,不同波長、不同偏振模的Lc和ΔLc(λ)(其中 ΔLc(λ) =Lc(λ,TE)—Lc(λ,TM))隨n(SiNx)的變化關系.當 ΔLc(λ) = 0 時,滿足偏振無關條件(2)式,此時器件可實現偏振無關.圖3(a)中虛線表示模式在傳輸過程中嚴重衰減； 實線則表示模式在傳輸過程中損耗低.因此,為保證傳輸質量,n(SiNx) 需滿足大于等于 2.7.此外,隨著n(SiNx)的增大,同一波長所對應的兩個正交偏振模的Lc均隨之單調增加,且Lc(λ,TE)的增長幅度大于Lc(λ,TM).由圖3(b)可知,隨著n(SiNx)的增大,無論是波長 1310 nm 還是 1550 nm,其 ΔLc(λ)均呈現由負到正的變化,且單調遞增.當|ΔLc(λ)|大時,Lc(λ,TE)與Lc(λ,TM)差值也大,實現器件的偏振無關比較困難,因此希望n(SiNx)盡量偏小.綜上,選取n(SiNx) = 2.7,圖3(a)中用綠色環(huán)標注出了此時所有Lc的值,它們并不完全相等.這在圖3(b)中更加明顯,當n(SiNx) = 2.7 時,兩個波長所對應的|ΔLc(λ)|均不等于零.

圖3 當 W0 = 0.6 μm,W1 = 0.7 μm,g1 = 0.1 μm 時,(a) Lc,(b) ΔLc(λ)隨 n(SiNx)的變化關系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.

圖4 當 (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 時,Lc隨 g1 的變化關系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.

為了實現偏振無關性能,需要進一步探討夾層波導的結構參數W0,W1及波導間隙g1對不同波長的兩個正交偏振模的Lc的影響.本文選取了若干組W0和W1的值,且g1的值在 0.05—0.2 μm 范圍內變化,觀察Lc隨g1的變化關系.圖4給出了不同結構參數時,Lc隨g1的變化關系,其中圖4(a)—(d)對應的結構參數依次為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.由圖4可知,隨著W0和W1值的增大,兩個波長所分別對應的兩個正交偏振模的Lc均隨之增大； 隨著g1的增大,同一波長所對應的兩個正交偏振模的Lc均隨之單調增加,且Lc(λ,TE)的增長幅度大于Lc(λ,TM),從而使得兩者存在交叉點,交叉點處Lc(λ,TE) =Lc(λ,TM) (圖4 中的虛線環(huán)標示了各個交叉點).

雖然對于 1310 nm和 1550 nm兩個波長來說,交叉點所對應的g1并不相同,但是值得注意的是,ΔLc(1310 nm)隨著g1的增大而有明顯地增加,而 ΔLc(1550 nm) 隨著g1的增大變化幅度較小,在 0 附近波動,如圖5 所示.因此,合理選擇g1,可以使得ΔLc(1310 nm)逐漸趨于0,而ΔLc(1550 nm)本身就對g1的變化不敏感,在0附近波動,最終使得兩個波長均滿足(3)式,

可以較好地實現器件的偏振無關.

3.2 波長分離功能的實現

當各個波長的偏振無關功能實現后,需要在此基礎上實現多波長的分離功能.Port2和Port3的歸一化輸出功率[22,23]可以表示為：

圖5 當 (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 時,ΔLc(λ)隨 g1的變化關系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.

其中,Pbar是 Port2 的輸出功率,Pcross是 Port3 的輸出功率.為了實現波長分離功能,引入一個功率參數P：

其中,Lc(1310 nm)和Lc(1550 nm)分別表示輸入波長為 1310 nm 和 1550 nm 時的耦合長度.當且僅當P值等于0或者2時,即當兩個波長在DC波導中傳輸時,其中一個波長發(fā)生奇數次耦合,同時另一個波長發(fā)生偶數次耦合,此時1310 nm和1550 nm兩個波長將分別從兩個輸出端口輸出,實現波長分離.

因此,當器件的設計同時滿足(3)式和(6)式時,即可實現偏振無關功能和波長分離功能.表1給出了幾組不同的W0和W1,通過優(yōu)化仿真,可以確定同時滿足(3)式和(6)式時對應的g1和LDC.由表1 可知,當W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm 時,器件的尺寸最小,LDC僅為 23 μm.同時對表1 所涉及的DC型偏振無關解復用器的性能指標分別進行了仿真計算,給出了不同波長的兩個正交偏振模的透過率.如表2 所示,當W0= 0.4 μm,W1=0.8 μm 或者W0= 0.5 μm,W1= 0.9 μm 時,透過率指標整體最優(yōu).綜合表1和表2可知,當DC型解復用器的結構參數為W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm 時,器件尺寸小,性能指標優(yōu)越.

表1 DC 型偏振無關解復用器的結構參數Table 1.Structural parameters of the polarizationinsensitive DC demultiplexer.

表2 DC 型偏振無關解復用器的透過率Table 2.Transmittance of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

綜上,當參數取LDC= 23 μm,W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm,n(SiNx) = 2.7 時,可以實現偏振無關的 1 × 2 DC 型解復用器.此時1310 nm 和 1550 nm 2 個波長所對應的 2 個正交偏振光信號傳播的光場分布如圖6所示： 1310 nm的兩個偏振模傳輸了Lc(1310 nm)的距離,經由S 波導從輸出端口 Port3 輸出； 1550 nm 的兩個偏振模傳輸了 2 ×Lc(1550 nm)的距離,經由 S 波導從輸出端口Port2輸出.設計的器件成功分離了1310 nm 和 1550 nm,且實現了偏振無關.

3.3 性能分析

對于解復用器,最重要的性能是插入損耗(Insertion Loss,IL)和串擾 (Crosstalk,CT),其定義如(7)式和(8)式所示：

其中,Pin是輸入波導中的功率,Pd和Pu分別是目標輸出波導和非目標輸出波導中的輸出功率(例如,對于 1310 nm 波長,Pd和Pu分別是 Port3 和Port2 的輸出功率).本文設計的偏振無關 1 × 2 DC解復用器的各性能參數如表3所示,IL低至0.1 dB,輸出波導間的CT低至—26.23 dB.

實際上,光源并不是單色光,因而需要考慮光波長變化對器件性能的影響.對于解復用器而言,通常用3 dB帶寬進行衡量.圖7給出了歸一化輸出功率隨波長的變化關系,由圖7(a)可見,當入射光的波長變化范圍為1140—1430 nm時,Port3的輸出光功率仍保持在輸入光功率的一半以上,也即對于 1310 nm 波段,3 dB 帶寬可以達到 290 nm.同理,由圖7(b)可得,對于 1550 nm 波段,3 dB帶寬也可以達到200 nm.本文設計的DC型解復用器表現出了優(yōu)越的高帶寬性能,遠遠高于其他文獻 [11-12,14-15].

此外,我們還將本文所設計器件與其他DC型偏振無關解復用器的性能參數比較,如表4所示.其中為各波長不同偏振態(tài)入射時的IL的平均值,為各波長不同偏振態(tài)入射時的CT的平均值.通過對比可見： 本文所設計的DC型解復用器不僅實現了偏振無關,且尺寸最小,具有結構緊湊、損耗低等優(yōu)點.

圖6 偏振無關 1×2 DC 解復用器件的光場分布圖 (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.

表3 偏振無關 1 × 2 DC 解復用器的性能參數Table 3.Performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

圖7 Port2 和 Port3 兩端口歸一化輸出光功率隨波段的變化 (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4 DC型偏振無關解復用器的性能參數比較Table 4.Comparison of performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

4 結 論

本文設計了一種基于Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結構的偏振無關 1 × 2 DC 解復用器,用于分離1310 nm 和 1550 nm 兩個波長.首先討論了如何利用Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結構實現偏振無關,分析了不同結構參數時,Lc隨g1的變化關系,最終得出結論： 通過合理選擇g1,可以使得Lc(λ,TE) ≈Lc(λ,TM),從而實現器件的偏振無關.然后對如何實現波長分離功能進行了討論,給出了不同結構參數時,器件的尺寸及透過率指標的對比,確定了當參數取LDC= 23 μm,W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm,n(SiNx) = 2.7 時,兩個波長分別從不同輸出波導端口輸出,器件同時實現了偏振無關和解復用功能.最后對器件的性能進行了分析,基于Si3N4/SiO2平臺使器件表現出了高帶寬的優(yōu)越性能,且有效的減小了器件的尺寸.該解復用器的DC 波導的長度僅為 23 μm,在 1310 nm(1550 nm)工作波長下,TE模與TM模的IL分別為0.1 dB(0.32 dB)與0.16 dB(0.76 dB),輸出波導間的CT 分別為—20.92 dB(—21.62 dB)與—26.23 dB(—24.2 dB).器件結構緊湊,性能優(yōu)越,在新型集成光子系統(tǒng)中具有潛在的應用價值.