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

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)

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.

1 引 言

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.

2 工作原理与器件结构设计

2.1 DC工作原理

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

其中,Lc被称作耦合长度,βe和βo分别是偶模和奇模的传播常数.

2.2 夹层结构实现偏振无关的原理

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,ne和ns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W0和W1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)和图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)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 器件结构设计

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,W0和W1分别为不同材料层的波导宽度,g0和g1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Fig.2.Schematic configuration of the demultiplexer structure： (a) Top view； (b) cross section of the DC waveguide.

3 器件功能实现与性能分析

3.1 偏振无关功能的实现

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.

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,Lc随 g1 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.

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W0和W1的值,且g1的值在 0.05—0.2 µm 范围内变化,观察Lc随g1的变化关系.图4给出了不同结构参数时,Lc随g1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W0和W1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).

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,

可以较好地实现器件的偏振无关.

3.2 波长分离功能的实现

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：

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.

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：

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W0和W1,通过优化仿真,可以确定同时满足(3)式和(6)式时对应的g1和LDC.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和表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.

表1 DC 型偏振无关解复用器的结构参数Table 1.Structural parameters of the polarizationinsensitive DC demultiplexer.

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.

3.3 性能分析

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：

其中,Pin是输入波导中的功率,Pd和Pu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,Pd和Pu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.

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].

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.其中为各波长不同偏振态入射时的IL的平均值,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.

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.

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.

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.

4 结 论

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,Lc随g1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.