一種超小硅基多波長路由器的仿真研究

2020-06-19 09:19:48

光通信研究 2020年3期

(1. 武漢晴川學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430204； 2. 華東光電集成器件研究所江蘇蘇州 215163)

0 引言

光波長路由器是光通信和光信息處理系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的器件。它是將一束包含多種不同波長的光信號按波長分開并且按照不同通道輸出的濾波器。隨著光通信系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大和光集成度的不斷提高，對于波長信號分離設(shè)備集成化、小尺度的要求也越來越高，尤其是光波長路由器。在過去十幾年中，基于光子晶體(Photonic Crystals，PCs)的波長路由器被設(shè)計(jì)成了不同結(jié)構(gòu)。然而，基于PCs的設(shè)備有一個(gè)內(nèi)在的劣勢，該裝置的結(jié)構(gòu)必須遵循PCs的晶格方向，并且PCs的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作較困難。此外，基于PCs的設(shè)備需要寬大的PCs襯底(至少有數(shù)個(gè)晶格常數(shù))，在橫向尺度上通常占有很大空間。這些對于高度集成的光子集成電路(Photonic Integrated Circuit，PIC)來說,可能帶來不便[1-4]。另外，隨著新興集成光學(xué)器件的蓬勃發(fā)展，集成化器件正逐步替換傳統(tǒng)的光器件。這些都需要我們找到一種新的制作簡單、功耗低和尺寸很小的多波長路由器。

絕緣體上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)波導(dǎo)因?yàn)槠渑c成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技術(shù)兼容[5-7]，已成為PIC的流行設(shè)計(jì)。基于硅基材料，利用現(xiàn)有CMOS工藝對光器件進(jìn)行研發(fā)的新一代技術(shù)，在光通信、數(shù)據(jù)中心、國防、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality/Virtual Reality,AR/VR)技術(shù)、智能汽車、超級計(jì)算以及生物和無人機(jī)等眾多新興領(lǐng)域都將扮演非常重要的角色[8]。國外發(fā)達(dá)國家在硅光子領(lǐng)域已有十多年的投入和積累，已形成了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。因此我們也不能落后。而平面波展開(Plane Wave Expansion，PWE)方法和時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)法是計(jì)算電磁場分布和傳輸?shù)某Ｓ梅椒ā?/p>

本文通過數(shù)值計(jì)算,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種二維結(jié)構(gòu)的硅基多波長路由器，其具有信號通過效率高(>91%)和整體尺寸超小(總長度在20 μm左右)的特點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)1.31 、1.55 和1.65 μm光波長的路由功能。

1 硅基多波長路由器的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬

1.1 硅基多波長路由器的設(shè)計(jì)

我們將選擇硅和二氧化硅的材料組合進(jìn)行光的路由功能設(shè)計(jì)。

具體方式如下：參考文獻(xiàn)[9]，將硅波導(dǎo)的寬度設(shè)定為a，a為我們用PWE方法計(jì)算的最小周期單元的寬度。圖1所示為兩組硅波導(dǎo)的橫電模(Transverse Electric，TE)波矢和頻率圖，圖中的兩個(gè)矩形小圖標(biāo)，黑色代表硅波導(dǎo)，白色為二氧化硅材料，其中硅折射率取3.449 6，二氧化硅折射率取1.527 7。當(dāng)兩波導(dǎo)中心間距為1.7a時(shí)，對應(yīng)的導(dǎo)波能帶為黑色的線條。與文獻(xiàn)[9]中的研究不同的是，當(dāng)兩波導(dǎo)中心間距為3.0a時(shí)，對應(yīng)的導(dǎo)波能帶為綠色的線條，如圖中的中下及右邊兩組黑色和灰褐色矩形小圖標(biāo)所示，灰褐色矩形為所選取的超晶胞,其尺寸均為a×11a。

注：k為波矢；λ為波長。圖1 兩組硅波導(dǎo)的TE波矢和頻率圖

當(dāng)對應(yīng)到光通信中的波長時(shí)，波導(dǎo)寬度a被指定為a=232.5 nm。0.150 00(a/λ)的歸一化頻率將對應(yīng)波長為1.55 μm的通信窗口；0.177 50(a/λ)的歸一化頻率對應(yīng)波長為1.31 μm的另一個(gè)通信窗口；而歸一化頻率0.140 91(a/λ)則對應(yīng)的是波長為1.65 μm位于U-band的通信窗口。

所設(shè)計(jì)的耦合模型是由兩個(gè)平行的單根硅納米線波導(dǎo)形成的，其中心距離為t，如圖1小圖標(biāo)中兩個(gè)黑色平行矩形所示。通過用PWE方法計(jì)算，波導(dǎo)中心間距t=1.7a和t=3.0a被選擇為兩個(gè)所設(shè)計(jì)的耦合模型。

由圖1可知，在選定頻率范圍內(nèi)，不同間距t都分別對應(yīng)兩種模式的波——TE第1能帶和TE第2能帶。對于這種定向耦合模型，當(dāng)單個(gè)硅納米線波導(dǎo)的導(dǎo)模被引入到定向耦合區(qū)域時(shí)，注入的模式則被激化成兩種模式。k1和k2分別為被激化的第1和第2能帶模式對應(yīng)的波矢。然后，這兩種模式由于其相位差在傳播方向互相干擾,在經(jīng)過一個(gè)耦合長度Dc的傳播后，能量將從一個(gè)波導(dǎo)傳到另一個(gè)波導(dǎo)中，Dc被定義為

如果這兩個(gè)耦合長度Dc1(對應(yīng)輸入波長λ1)和Dc2(對應(yīng)輸入波長λ2)滿足:

式中，M為自然數(shù)，則可以分離不同波長的信號在波導(dǎo)中傳播。

在t=1.7a時(shí)，對于1.31和1.55 μm波長，其各自的耦合長度分別為Dc1=6.00 μm和Dc2=2.96 μm，它們可由圖1中的黑色導(dǎo)波能帶線得到。頻率和導(dǎo)波模交點(diǎn)處的波矢k1和k2分別帶入式(1)和式(2)中計(jì)算，其結(jié)果為Dc1≈2Dc2。因此如果耦合區(qū)域的長度D= 6 μm，1.31 μm波長的能量可以完全從第1個(gè)波導(dǎo)耦合到第2個(gè)波導(dǎo)中去；1.55 μm波長的能量在兩次耦合后將被完全耦合到原來的硅納米線波導(dǎo)中；而1.65 μm的波長其耦合長度Dc3=2.1 μm，于是3Dc3≈2Dc2，1.65 μm波長的能量在3次耦合后，與1.31 μm的波長一樣也將被完全耦合到第2個(gè)波導(dǎo)中去。

而當(dāng)t=3a時(shí)，我們考慮把都處于第2個(gè)波導(dǎo)中的1.65和1.31 μm波長的光信號分離。1.31和1.55 μm的波長其各自的耦合長度分別為Dc4=240 μm和Dc5=10 μm，因此在經(jīng)過10 μm的耦合之后，1.65 μm波長被路由到下面一根波導(dǎo)中去，而1.31 μm波長的光信號基本上仍然在原來的波導(dǎo)中。

以上所有結(jié)構(gòu)均在TE模式下運(yùn)算獲得。

1.2 硅基多波長路由器的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證我們的理論分析，我們設(shè)計(jì)了一種3波導(dǎo)的路由結(jié)構(gòu)，如圖2所示。右側(cè)紅色代表折射率為3.449 6的硅，藍(lán)色代表折射率為1.527 7的二氧化硅。不同波長的光信號通過這種路由結(jié)構(gòu)后被分成3路分別傳輸。這種結(jié)構(gòu)非常小巧，其整體尺寸約為20 μm×9 μm。

圖2 硅基多波長路由器模型示意圖

我們利用FDTD法對所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)進(jìn)行光信號傳輸驗(yàn)證。圖3所示為不同波長光信號通過所設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之后的光場能量圖。圖中，λ1、λ2和λ3分別為波長為1.31、1.55和1.65 μm的光信號。由圖可知，其信號基本上能被很好地路由到不同的端口中去。

接下來，我們驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)的不同波長能量透射圖。圖4 所示為不同波長、不同輸出端口與輸入端口的相對能量值。圖中，紅色線為輸入能量，藍(lán)色線為輸出能量。

圖3 硅基多波長路由器不同波長光場能量分布圖

圖4 不同波長、不同輸出端口與輸入端口的相對能量值

經(jīng)計(jì)算，對于波長為1.31、1.55和1.65 μm的光信號，其通過率分別為96.4%、94.6%和91.0%，能滿足高效率光路由器的性能需要。

2 結(jié)束語