650 nm 聚合物阵列波导光栅波分复用器设计

谭震宇，张 峰，陈长鸣，孙小强，王 菲 ，张大明

(吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春130012)

1 引 言

在三网融合和光纤入户的推进过程中，工作在650 nm 波段的塑料光纤传输系统是很有希望的解决方案之一。此外，在飞机、舰艇等短距离通信环境中，650 nm 的塑料光纤传输系统也有很强的竞争力。与石英光纤相比，塑料光纤有很多优点，如制造简单、价格低廉、接续方便和力学性能良好等［1］。作为波分复用系统核心器件的650 nm聚合物阵列波导光栅( AWG) 波分复用器，可实现光交叉互连、光分插复用等多项功能，由于具有集成度高的特点，易于实现多通道数、窄带宽间隔的波分复用。此外其低成本，高性能的优势，有利于实现规模生产。目前，该器件已成为通信领域的研究热点［2-5］，这些器件大多集中在1 550 nm红外波段［6］，有关红光波段的4 信道、波长间隔为1 nm 的聚合物AWG 器件［7］已于2010年见报。

本文定位于短距离塑料光纤通信这一新兴领域，基于塑料光纤系统常用的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 材料体系，对650 nm AWG 的各个结构参数进行优化，设计出了650 nm AWG 波分复用/解复用器结构，给出了16 信道的AWG 版图。

2 波导结构设计

2.1 材料性能表征

大多数聚合物材料在红光波段损耗极小，具有易于制作，便于集成，价格低廉等优点，极低损耗的红光波段单模波导已有报道［8］。聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸环氧丙酯［P( MMA-GMA) ］聚合物材料与塑料光纤兼容，对650nm 波段的光吸收小，成膜均匀性好。采用自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作为波导包层材料，以双酚A 型环氧树脂作为高折射率调节剂，采用二者在共聚物中的不同配比来调节芯层材料和包层材料的折射率的相关工作也有报导［9-10］。P( MMAGMA) 共聚物的化学结构式及其合成路线以及高折射率调整剂的化学结构式如图1 所示。

由于AWG 器件工作在高阶衍射状态，对材料的折射率非常敏感，因而材料折射率的精确测量将直接影响器件的性能，目前，多采用椭偏法对聚合物薄膜的折射率进行精确测量。图2 为椭偏仪( J.A. Woollam Co. Inc.，M-2000 UI) 测得的芯层和包层聚合物材料折射率随波长变化的曲线，图中显示，在650 nm 波长下，芯层材料折射率为1.547，包层材料折射率为1.530。

图1 P( MMA-GMA) 和折射率调节剂的化学结构式图Fig.1 Chemical structure diagram of P( MMA-GMA)and refractive index modifier

图2 材料折射率随波长变化的曲线Fig.2 Dependence of wavelength on refractive index

2.2 波导尺寸设计

由于大部分光功率集中在波导芯中传输，此时电磁场的主要分量集中在波导的横截面上，采用马卡梯里近似法，在650 nm 波长下，针对P( MMA-GMA) 材料体系对矩形波导进行求解。特征方程和传播常数为:

取λ0=650 nm，n1=1.547，n2=n3=n4=n5=1.53，a=b，得到波导尺寸与波导有效折射率nc的关系曲线如图3 所示。由图3 可以看出，为实现波导的单模传输，选取波导芯宽度和厚度a=b=2 μm。

图3 有效折射率与波导尺寸的关系Fig.3 Relation between rectangle waveguide dimension and effective refractive index

图4 为波导结构示意图，利用光束传播法( Beam Propagation Method，BPM) 对650 nm 波长下波导的传输光场进行仿真，得到如图5 所示的光场分布，图中显示该波导结构可以对650 nm 波长光实现单模传输，并且大部分光场能量被束缚在波导芯层中。

图4 波导截面示意图Fig.4 Schematic of waveguide cross-section

图5 理论模拟的波导截面光场能量分布Fig. 5 Simulated optical field energy distribution of waveguide profile

3 AWG 结构参数设计及优化

AWG 器件利用凹面光栅原理来实现对波长的解复用和复用，即分波和合波功能。AWG 解复用器的工作原理如图6 所示: 当含有多个波长的复信号光经中心输入信道波导输入，在输入平板波导内会发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并以同样的相位耦合进入阵列波导区。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，相邻阵列波导的某一波长的输出光就具有相同的相位差，不同波长的光此相位差不同，因此可以设计合适的输出波导的位置，以便不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后完成了波长分配即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入，则完成复用功能。AWG 波分复用器设计优化的参数有:波导芯的厚度b和宽度a，波导的有效折射率nc，衍射级数m，相邻波导间距d，相邻阵列波导的长度差ΔL，平板波导的焦距f，自由光谱区( Free Spectrum Region，FSR) 等。

图6 AWG 原理图Fig.6 Schematic diagram of AWG multiplexer

(1) 首先完成650 nm 波段单模波导结构参数的设计，选择a=b=2 μm。

(2) 输入输出波导的个数选为16，满足实际要求。

(3) 信道间波长间隔参考ITU-T( 国际电信联盟) 在红外通信波段规定的参考间隔100 GHz 的倍数来选定，选为600 GHz(0.845 nm) 。

(4) 衍射级数m与相邻阵列波导长度差ΔL、平板波导焦距f和自由光谱区FSR 之间的关系如式(8) ～(10) 所示，相邻波导间距d越小，整体器件尺寸越小，但是当d接近波导宽度时，会使串扰增大。综合考虑，取d为12 μm，由以下公式可得如图7 所示曲线。

图7 衍射级数m 与FSR，f 和ΔL 的关系Fig.7 Relations between the FSR，f，ΔL and m

从图7 可以看出，当衍射级数增大时，阵列波导长度差ΔL增大，而平板波导焦距f和衍射级数FSR 则减小。m在选取时，应保证自由光谱区FSR 大于NΔλ，考虑到实际器件工作时存在光源波长漂移等因素，选FSR 为(N+2) Δλ 左右。取FSR=15.21 时，由输出平板波导衍射级数公式m=integer( λ0/FSR)［7］计算出m=43。此时相邻阵列波导长度差ΔL=18.047 μm，平板波导焦距f=6 128.93 μm。阵列波导越多，AWG 的远场衍射条纹就越窄越亮，背景光就越弱，衍射效率就越高，输出信道间的串扰就越小。所以在工艺条件允许的条件下，阵列波导数2M+1 取值应尽可能大。但考虑到实际制作工艺的难度，选择阵列波导数2M+1 =71。表1 列出了650 nm 波段聚合物AWG 波分复用器的参数优化结果。

表1 650 nm 聚合物AWG 波分复用器的参数优化值Table 1 Optimized parameters of polymer AWG wavelength division multiplexer at 650 nm

通过对AWG 中输入/输出( I/O) 波导和阵列波导的几何参数，如弯曲半径、波导长度和每条波导在版图中的坐标等进行具体的模拟计算，得到AWG 的版图结构，如图8 所示。

图8 AWG 设计版图Fig.8 Schematic layout of designed AWG device

4 性能模拟

综合上述优化参数，利用Optiwave( BPMWDM) 软件对设计的AWG 器件的光传输特性进行模拟，得到如图9 所示的传输光谱。由模拟结果可以看出，器件的16 个信道光传输性能良好，插入损耗小于14 dB，串扰小于-25 dB，信道间隔平均值为0.845 01 nm/channel。

图9 理论模拟的AWG 传输光谱图Fig.9 Simulated transmission spectrum of AWG

5 结 论

本文对中心波长为650 nm 的16 信道AWG器件进行了理论设计。选择自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作为波导材料，使用双酚A型环氧树脂作为折射率调节剂，根据材料的折射率设计出单模波导截面尺寸，然后优化设计出AWG 器件的结构参数并绘制了版图。模拟结果显示: 器件插入损耗小于14 dB，串扰小于-25 dB，信道间隔平均值为0.845 01 nm/channel。

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