內嵌光柵微環型三維立體功分/波分器

呂濤，田勇，李元，崔晗，蔣衛鋒，孫小菡

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

內嵌光柵微環型三維立體功分/波分器

呂濤，田勇，李元，崔晗，蔣衛鋒，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、微環諧振原理和光柵反射原理，設計了一種內嵌光柵微環型三維立體功分/波分器結構。該結構采用以內嵌光柵的微環濾波層為中間層，上下兩層輸出波導層關于中間層對稱的三維立體集成結構，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，級聯光柵的嵌入則提高了器件的濾波特性。理論分析結果表明，該器件結構具有良好的濾波特性，并且能實現3種不同功率光信號輸出。

三維立體集成；功分；波分；微環；內嵌光柵

光功分器［1］是連接光線路終端和光網絡單元的核心之一。其制作技術主要有兩種：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，具有結構緊湊，可批量制作，穩定性高等優點。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、傳感系統的PLC器件；并且具有熱穩定、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絡單元的核心之一。現有的基于微環［6］的波分器多為一環一路，即一個微環分出一個波長，然后用多個隔開的微環分出不同的波長，由于是在一條直輸入波導上并聯這么多微環，所以器件往往比較長，使得成本增加。現有的可調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］的微環型功分/波分器結構，可以將功分器和波分器兩類器件的功能實現在同一器件上，并利用光柵結構和三維立體集成結構實現濾波特性優良、功率分配多元化、調制功率低、集成度高等特點。

1　結構設計及基本工作原理

1.1結構設計

本文提出的內嵌光柵微環型三維立體功分/波分器結構如圖1所示。

在結構上設有一個直輸入波導I1，在與波導同一平面上有一微環結構2，在微環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R1正上方和正下方，且距離相同。在微環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正上方和正下方。在微環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正上方和正下方。上述結構中，在微環的非耦合區刻蝕光柵結構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光柵調節。

圖1　三維立體功分/波分器結構示意圖

1.2基本工作原理

光信號從輸入波導I1輸入，當光信號經過耦合區域1時，部分光能量通過消逝場耦合［9］進入微環R2，該部分能量沿著微環傳播，在經過耦合區域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。剩下的光場將繼續沿著微環傳播，重新回到耦合區1。此時，若新耦合進微環中的光與耦合區1中的光的相位相同，則兩部分光發生干涉，能量加強，光將繼續沿著微環波導傳播。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。

結構示意圖中的幾個光柵結構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，以此提高微環的濾波特性，提高輸出光的消光比等參數。具體工作原理如下：當輸入波導1中的光信號在經過耦合區1時，可以將各個波長的光都耦合進入微環波導，這些進入微環波導的光沿著微環傳播經過光柵結構G1時，由光柵的作用可知，某些特定波長的光將被反射，反射光沿著微環順時針傳播并在通過耦合區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沿反方向傳播。當剩下的反射光經過光柵結構G2時，由于光柵結構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，經過兩次反射的光從光柵G2開始沿著微環逆時針，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　結構性能分析

由上述基本工作原理介紹可知，該結構中主要的工作結構是微環和光柵。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，最后將微環中的相對應的特定波長的光去掉即可。

2.1多通道微環的性能分析

對該結構中微環的作用分析可采用基于耦合模理論［10］傳遞函數法［11］。由于上下兩層輸出波導關于微環完全對稱，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表示波導和微環中進入耦合區域1的光振幅，b1、b2是經過耦合區域1后的光振幅；a3、a4、b3、b4，a5、a6、b5、b6，a7、a8、b7、b8為其他幾個耦合區域的輸入和輸出光振幅。

圖2　簡化模型

設區域i的振幅耦合比率和振幅透射比率為κi和ττ，由微環結構理論可得3個輸出端口相對于輸入口的功率為

其中β為傳播常數，α為損耗系數，?i=2πLi（β-jα），Li為微環傳播路徑上相鄰區域間的有效距離，Mi=e-2πLiα為微環中傳播產生的損耗。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等為結構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，均取決于繞微環一周產生的相位差，3個端口輸出的只是功率不同，并且若不考慮微環波導傳輸損耗，則各端口功率比值只與每個耦合區的振幅耦合比率和振幅透射比率有關，因此可以通過改變振幅耦合比率和振幅透射比率來實現實際所需功率比。

3　仿真分析及結果

由于該器件整體含有多通道微環和光柵等，結構較為復雜，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2的分析可知，我們可以將整個器件拆分為微環和光柵兩個部分，分別仿真分析后綜合仿真結果，得到最終的仿真結果。

3.1微環仿真分析

若直接用光學分析軟件對圖1所示結構（忽略光柵結構）進行仿真，其計算量仍然十分巨大，對計算機性能要求很高，很難得出有效結果。基于2.1節對多通道微環的性能分析，我們可以利用理論得到的結果進行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。并假設微環周長L為100 μm，微環和波導截面為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

且可以發現各個端口的輸出功率隨著振幅耦合比率的增大而增大。但是隨著各耦合區振幅耦合比率增大，微環的濾波特性變差，消光比等參數明顯減小，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　各耦合區的振幅耦合透射率對輸出光譜的影響

從圖4中可以發現，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。

耦合區的振幅耦合透射比率主要由波導和微環間的距離、耦合長度等決定，所以可以通過改變波導和微環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的最優化振幅耦合比率為κ1=0.7、κ2=0.6、κ3= 0.01、κ4=0.5，仿真結果如圖5所示。

圖5　振幅耦合比率最優化時的輸出光譜

3.2光柵仿真分析

由3.1節仿真分析可知，當各個耦合區的振幅耦合比率最優化時，輸出信號的消光比很低，與理想情況下的指標有很大差距，而嵌入在微環中的光柵結構則可以提高輸出信號的消光比，改善微環濾波特性。

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、光柵長度等有關，因此可以通過調節光柵上方的壓電材料來改變光柵的結構參數和材料折射率，進而獲得合適的參數來改善消光比等。以提高信號在1.55 μm處的消光比為例，在3.1節得到的最優化振幅耦合比率的基礎上，經過多次仿真，最終得到如下最優化光柵參數：中心波為1.55 μm光柵長度為20 μm，光柵常數為0.05，耦合常數為0.1。仿真結果如圖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。同理可通過級聯不同結構參數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，該結構能輸出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　結論

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

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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，專業為電子科學與技術，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領域，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