内嵌光栅微环型三维立体功分/波分器

吕涛，田勇，李元，崔晗，蒋卫锋，孙小菡

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

内嵌光栅微环型三维立体功分/波分器

吕涛，田勇，李元，崔晗，蒋卫锋，孙小菡*

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

基于消逝场耦合原理、微环谐振原理和光栅反射原理，设计了一种内嵌光栅微环型三维立体功分/波分器结构。该结构采用以内嵌光栅的微环滤波层为中间层，上下两层输出波导层关于中间层对称的三维立体集成结构，使得器件同时具有滤波和功分的功能，提高了器件的集成度，级联光栅的嵌入则提高了器件的滤波特性。理论分析结果表明，该器件结构具有良好的滤波特性，并且能实现3种不同功率光信号输出。

三维立体集成；功分；波分；微环；内嵌光栅

光功分器［1］是连接光线路终端和光网络单元的核心之一。其制作技术主要有两种：熔融拉锥型光纤功分器［2］和平面波导（PLC）型光功分器［3］。PLC型光功分器利用半导体工艺制备，具有结构紧凑，可批量制作，稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅（SOS）［4］工艺的PLC型光功分器是首先被应用于光通信、传感系统的PLC器件；并且具有热稳定、低非线性、高带宽、集成度高、成本低等特点。光波分器［5］也是连接光线路终端和光网络单元的核心之一。现有的基于微环［6］的波分器多为一环一路，即一个微环分出一个波长，然后用多个隔开的微环分出不同的波长，由于是在一条直输入波导上并联这么多微环，所以器件往往比较长，使得成本增加。现有的可调PLC型波分器的输出特性往往是固定的，且边模抑制能力不强，使得输出特性不是很好。

在光通信中，波分器和功分器往往一起使用，但是现有的功分器和波分器都是各自作为一个独立的器件工作的，导致器件整体体积增大，成本增加。本文设计的三维立体集成［7］的微环型功分/波分器结构，可以将功分器和波分器两类器件的功能实现在同一器件上，并利用光栅结构和三维立体集成结构实现滤波特性优良、功率分配多元化、调制功率低、集成度高等特点。

1　结构设计及基本工作原理

1.1结构设计

本文提出的内嵌光栅微环型三维立体功分/波分器结构如图1所示。

在结构上设有一个直输入波导I1，在与波导同一平面上有一微环结构2，在微环四分之一处有两个完全相同的输出波导O1、O2，两个波导分别位于微环R1正上方和正下方，且距离相同。在微环二分之一处有两个完全相同的输出波导O3、O4，两个波导分别位于微环正上方和正下方。在微环四分之三处有两个完全相同的输出波导O5、O6，两个波导分别位于微环正上方和正下方。上述结构中，在微环的非耦合区刻蚀光栅结构G1、G2、G3、G4，其中光栅G1和G2完全相同，光栅G3和G4完全相同。在光栅上加压电材料［8］，并在上面附上电极以实现光栅调节。

图1　三维立体功分/波分器结构示意图

1.2基本工作原理

光信号从输入波导I1输入，当光信号经过耦合区域1时，部分光能量通过消逝场耦合［9］进入微环R2，该部分能量沿着微环传播，在经过耦合区域2、3、4时，又有部分能量通过消逝场耦合进入输出波导O1、O2、O3、O4、O5、O6，这些能量将从这些输出波导端口输出。剩下的光场将继续沿着微环传播，重新回到耦合区1。此时，若新耦合进微环中的光与耦合区1中的光的相位相同，则两部分光发生干涉，能量加强，光将继续沿着微环波导传播。当光场达到平衡时，能满足干涉条件的光将从输出波导O1、O2、O3、O4、O5、O66个端口输出，而不满足干涉的光将从输入波导I1的另一个端口输出。

结构示意图中的几个光栅结构的作用在于可以滤掉6个输出波导O1、O2、O3、O4、O5、O6中不需要的波长，以此提高微环的滤波特性，提高输出光的消光比等参数。具体工作原理如下：当输入波导1中的光信号在经过耦合区1时，可以将各个波长的光都耦合进入微环波导，这些进入微环波导的光沿着微环传播经过光栅结构G1时，由光栅的作用可知，某些特定波长的光将被反射，反射光沿着微环顺时针传播并在通过耦合区1时将部分能量耦合进入输入波导1，剩下的反射光则继续沿反方向传播。当剩下的反射光经过光栅结构G2时，由于光栅结构G2与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，经过两次反射的光从光栅G2开始沿着微环逆时针，同理可知这部分光将有一部分耦合进入输入波导1，剩下部分又被光栅G1反射，如此循环往复，最终这些特定波长的光将全部通过输入波导I输出。光栅G3、G4的工作原理类似，可进一步提高输出特性。

2　结构性能分析

由上述基本工作原理介绍可知，该结构中主要的工作结构是微环和光栅。而除了光栅会过滤掉部分特定波长的光外，两者的工作过程互不干扰，所以可以分别对两者单独进行分析，最后将微环中的相对应的特定波长的光去掉即可。

2.1多通道微环的性能分析

对该结构中微环的作用分析可采用基于耦合模理论［10］传递函数法［11］。由于上下两层输出波导关于微环完全对称，因此上下对称的输出波导所输出的信号完全相同，因而在计算中可以用一根波导代替，只是该波导的传输功率为上下对称波导的传输功率之和。其理论化简模型如图2所示。其中a1、a2表示波导和微环中进入耦合区域1的光振幅，b1、b2是经过耦合区域1后的光振幅；a3、a4、b3、b4，a5、a6、b5、b6，a7、a8、b7、b8为其他几个耦合区域的输入和输出光振幅。

图2　简化模型

设区域i的振幅耦合比率和振幅透射比率为κi和ττ，由微环结构理论可得3个输出端口相对于输入口的功率为

其中β为传播常数，α为损耗系数，ϕi=2πLi（β-jα），Li为微环传播路径上相邻区域间的有效距离，Mi=e-2πLiα为微环中传播产生的损耗。由对称性便可得到三维立体集成的功分/波分器的各端口输出功率和输入功率P1之比为：

其中P301等为结构中各输出端口的功率。定义各端口的传输光谱如下：

由以上分析可知，3个输出端口输出的波长相同，均取决于绕微环一周产生的相位差，3个端口输出的只是功率不同，并且若不考虑微环波导传输损耗，则各端口功率比值只与每个耦合区的振幅耦合比率和振幅透射比率有关，因此可以通过改变振幅耦合比率和振幅透射比率来实现实际所需功率比。

3　仿真分析及结果

由于该器件整体含有多通道微环和光栅等，结构较为复杂，所以无法用光学分析软件对整个器件进行仿真分析。通过上节2的分析可知，我们可以将整个器件拆分为微环和光栅两个部分，分别仿真分析后综合仿真结果，得到最终的仿真结果。

3.1微环仿真分析

若直接用光学分析软件对图1所示结构（忽略光栅结构）进行仿真，其计算量仍然十分巨大，对计算机性能要求很高，很难得出有效结果。基于2.1节对多通道微环的性能分析，我们可以利用理论得到的结果进行MATLAB仿真。为方便分析，我们假设在无损条件下（即M1=M2=M3=M4=1），光信号波长的范围取在光通信窗口1 550 nm左右。并假设微环周长L为100 μm，微环和波导截面为3 μm×3 μm，衬底折射率为1.445，包层折射率为1.445，芯层折射率为1.474 8，TE模有效折射率neff=1.453，则通过公式可算得相位变化：

首先仿真各区域的振幅耦合比率和振幅透射比率相同的情况下各个端口情况。取κ1=κ2=κ3=κ4，代入仿真程序所得结果如图3所示。

图3　不同振幅耦合射率下的输出光谱

且可以发现各个端口的输出功率随着振幅耦合比率的增大而增大。但是随着各耦合区振幅耦合比率增大，微环的滤波特性变差，消光比等参数明显减小，降低了器件的性能，因此需要合适的κ1、κ2、κ3、κ4。

下面分析每个耦合区的振幅耦合比率对输出光谱的影响。由公式可知κ1对于3个端口的作用是一样的，即κ1的改变不影响3个端口输出功率的差异，且κ1越大，3个端口输出的功率越大，因此κ1越大越好，但是κ1的增大导致τ1的减小，从而使得消光比减小，滤波特性变差，经过多次改变κ1进行仿真分析后，κ1取0.7时既能使得输出功率足够大，也能得到较好的消光比。

取κ2=0.1、0，3、0.5、0.7，其余耦合区的振幅耦合比率均取0.1，代入仿真程序得图4（a）同理可得κ3、κ4对输出光谱的影响，如图4（b）和图4（c）。

图4　各耦合区的振幅耦合透射率对输出光谱的影响

从图4中可以发现，κ2对各个输出端口功率差的影响是最大的，且只有κ2能同时改变3个输出端口之间的功率差；κ3对各个端口输出功率差影响较小，只能够改变输出端口功率的大小，且κ3越大，输出功率越小，所以κ3可取较小值；κ4的增大主要增大输出端口5其他两个输出端口的功率差。

耦合区的振幅耦合透射比率主要由波导和微环间的距离、耦合长度等决定，所以可以通过改变波导和微环间距来改变振幅耦合透射比率，进而获得合适的振幅耦合透射比率，得到理想的输出信号。

从上述分析和多次仿真，我们最终选定的各个耦合区的最优化振幅耦合比率为κ1=0.7、κ2=0.6、κ3= 0.01、κ4=0.5，仿真结果如图5所示。

图5　振幅耦合比率最优化时的输出光谱

3.2光栅仿真分析

由3.1节仿真分析可知，当各个耦合区的振幅耦合比率最优化时，输出信号的消光比很低，与理想情况下的指标有很大差距，而嵌入在微环中的光栅结构则可以提高输出信号的消光比，改善微环滤波特性。

从文献［12］可知，光栅的传输光谱和反射中心波长与材料折射率、光栅常数、光栅长度等有关，因此可以通过调节光栅上方的压电材料来改变光栅的结构参数和材料折射率，进而获得合适的参数来改善消光比等。以提高信号在1.55 μm处的消光比为例，在3.1节得到的最优化振幅耦合比率的基础上，经过多次仿真，最终得到如下最优化光栅参数：中心波为1.55 μm光栅长度为20 μm，光栅常数为0.05，耦合常数为0.1。仿真结果如图6所示。

图6　光栅仿真（以1.55 μm为中心波长）

由图6可见该光栅可以提高约8dB的消光比。同理可通过级联不同结构参数的光栅来提高信号其他波长处的消光比。

3.3综合仿真分析

通过级联中心波长为1.541 5 μm、1.558 5 μm、1.55 μm的光栅，可得到最终的输出光谱图如图7所示。

图7　综合仿真输出光谱图

由图7可知，该结构能输出3种不同功率的6路光信号，P1为O1、O2的输出光谱，P2为O3、O4的输出光谱，P3为O5、O6的输出光谱。光信号消光比为15 dB左右，对比图5可知嵌入光栅后消光比比未嵌入光栅时大了约8 dB。

4　结论

针对传统光波分器和光功分器各自分立、集成度低等缺点，本文提出了内嵌光栅微环型三维立体功分/波分器结构。论证了该结构具有滤波器的功能的同时，能通过改变输出波导和微环间的距离来改变振幅耦合透射比率等参数，进而对六路输出波导的输出功率实现不同比率分配。同时微环中的光栅结构能够提高滤波特性，增大输出信号的消光比，并可以通过调节级联光栅上方的压电材料上的电压来改变光栅参数，进而实现更理想的滤波特性。仿真结果表明该结构能同时实现光功分器和光波分器的功能，并且可通过光栅结构提高滤出的光信号的消光比等，从而提高滤波特性。

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吕涛（1994-），男，汉族，浙江省绍兴人，东南大学电子与科学工程学院本科在读，专业为电子科学与技术，lt215214097@ 126.com；

孙小菡（1955-），女，汉族，东南大学电子与科学学院教授，主要研究方向为光波电子学与光纤通信技术领域，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