功率分配比大范围可调的光功率分配器集成芯片

廖莎莎; 廖柯; 包航; 张甜甜; 刘继伟; 廖希

doi:doi:10.3788/AOS202141.0623001

光学学报, 2021, 41 (6): 0623001, 网络出版: 2021-04-07

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Optical Power Splitter Integrated Chip with Large Tunable Range of Power Splitting Ratio

论文大纲

廖莎莎 ^1,2,*廖柯 ³包航 ¹张甜甜 ¹刘继伟 ¹廖希 ¹

作者单位

¹ 重庆邮电大学通信与信息工程学院, 重庆 400065

² 东南大学毫米波国家重点实验室, 江苏南京 211189

³ 重庆声光电有限公司, 重庆 400060

集成光学分光器全光器件硅光子学光子集成电路 integrated optics beam splitters all-optical devices silicon photonics photon integrated circuit

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摘要

光功率分配器(OPS)是光子集成电路的基本元件之一,广泛应用于多种领域。功率分配比(PSR)可调的OPS可提高光子集成电路的灵活性,简化光子集成电路系统。提出了一种硅基PSR大范围可调的OPS集成芯片方案,通过将对称2×2多模干涉仪、波导光栅和狭缝结构等硅基器件结合在一起,并改变输入光信号的波长和微型热光调制器两端加载的电压,实现了大范围可调的PSR。实验结果表明,本方案得到的两种OPS结构可分别在6.72 nm和5.56 nm波长范围内实现0.51~36.91和0.88~230.46的PSR变化;在50 ℃的温度变化下,可实现8.58~29.75和5.01~425.43的PSR变化。且该OPS具有尺寸小、质量轻、灵活性高等优势,可广泛应用于光开关、信道划分、功率分配等通信和信号处理领域。

Abstract

Optical power splitter (OPS) is one of the basic components in photonic integrated circuits and it is widely used in many fields. The OPS with tunable power splitting ratio (PSR) can enhance the flexibility of photonic integrated circuits and simplify the photonic integrated circuit system. We propose an integrated chip scheme Si-based OPS with large tunable range of PSR. The scheme combines Si-based devices such as a symmetric 2×2 multimode interferometer, a waveguide grating, and a slot structure. By varying the wavelength of the input signal and adjusting the voltages applied at both ends of the thermo-optic micro modulator, the wide range adjustable PSR is realized. Experimental results show that the two OPS structure can obtain PSR changes 0.51--36.91 and 0.88--230.46 respectively within the wavelength range of 6.72 nm and 5.56 nm, respectively, and PSR changes of 8.58--29.75 and 5.01--425.43 in the temperature changes by 50 ℃. The OPS has the advantages of small size, light weight, and high flexibility, which can be widely used in optical switch, channel division, power distribution and other communication and signal processing fields.

1 引言

光功率分配器(OPS)作为光子集成电路的基础元件^[1],广泛应用于信号监测^[2]、信号反馈^[3]、功率分配^[4-5]、无源光网络^[6-8]等领域。不同应用场景对OPS输出端口的输出功率比要求也不同,而输出功率比可用功率分配比(PSR)来表征。常见的OPS主要基于定向耦合器(DC)、Y分支(Y-junction)和多模干涉仪(MMI)三种结构^[9-10],近年来,人们提出了多种PSR可调的OPS方案。Xu等^[11]利用反向设计法,由所需的PSR反推出1×2 MMI中的多模波导区结构,可实现任意PSR;Shang等^[12]利用SiN材料制作了3层Y分支,通过改变各层间隙的大小,实现了0.1~10范围内的PSR变化;Ren等^[13]通过级联多个MMI实现OPS,通过改变级联个数和每级波导的长度,实现了4~9范围内的PSR变化;Chen等^[14]通过切去1×2 MMI中多模波导的一个角实现了0.05~0.25范围内的PSR变化;Lin等^[1]提出一种可实现任意PSR的OPS方案,该方案在Y分支的分叉处加入两个S波导,通过改变S波导的半径实现PSR的变化;Sia等^[15]利用绝热模式变化器以及Wang等^[16]利用3根宽度、曲率均不同的波导相互耦合实现的OPS方案均由DC变化而来,PSR变化范围在1~2.33内任意可调。上述方案具有结构紧凑、工作带宽大、损耗低等优点,但都是通过改变器件结构或尺寸实现PSR可调,器件制作完成后,无法再调节PSR。Tajaldini等^[17]利用非线性效应和2×2 MMI结构实现了PSR实时可调的OPS,但该方案要求较大的输入光信号功率,且对温度等环境因素比较敏感。此外,热调/电调微环也可以实现可调OPS^[18-19],但这类方案工作带宽窄、调节范围不大,为了增大调节范围还需要额外加入聚合物等,工艺复杂度较大。

本文提出了一种硅基PSR大范围可调的OPS集成芯片方案,在对称2×2 MMI的基础上加入波导光栅(WG)和狭缝结构(Slot),在不改变芯片结构的基础上,通过改变输入光信号的波长和微型热光调制器两端加载的电压,实现PSR大范围可调的OPS。本方案得到的两种OPS结构包括波导光栅辅助多模干涉仪(WG-MMI)和波导光栅、Slot辅助多模干涉仪(WG-Slot-MMI),可分别在6.72 nm和5.56 nm波长范围内实现0.51~36.91和0.88~230.46的PSR变化,并在50 ℃的温度变化下,实现8.58~29.75和5.01~425.43的PSR变化。该OPS具有尺寸小、质量轻、灵活性高等优势,可广泛应用于光开关、信道划分、功率分配等通信和信号处理领域。

2 WG-MMI型可调OPS的原理及仿真

2×2 MMI是一种结构简单的集成器件,具有尺寸小、工作带宽大、损耗低、制作工艺简单和工艺容差大等优点,可作为模式转换器、光复用/解复用器、功率分配器、光开关、环形振荡器、马赫泽德干涉仪等器件的组成部件,实现不同的光信号处理功能,在光通信系统和光网络中有着广泛的应用^[20]。MMI的功率分配基于自映像原理(Self-imaging effect),即入射信号在传播方向上周期性再现的现象。合理选择MMI多模波导区的宽度和长度,就能在输出端得到多个输入光信号的像,从而实现功率等分。如果MMI的多模波导区结构不对称,自映像的条件就会被打破,导致输出端功率出现不均衡现象。为了在输入光信号波长发生变化的情况下实现较大的PSR变化范围,将对波长变化敏感的WG制作在对称2×2 MMI多模波导区的一侧,实现WG-MMI型OPS。为了增加该功率分配器的调节维度,在WG上加入热电极,其结构如图1所示。该OPS采用绝缘体上硅(SOI)材料,包含厚度为220 nm的上硅层和厚度为2 μm的掩埋层。WG-MMI型OPS中2×2 MMI的相关结构参数:波导宽度w₀=500 nm,锥形波导最宽处的宽度w₁=1.9 μm,锥形波导的长度l₁=30 μm,多模波导的宽度w_m=4 μm,多模波导的长度l_m=56.5 μm,相邻两输入/输出端口的间隔g=2.068 μm,波导的高度为220 nm。其中,Λ为波导光栅的周期长度,Δw为光栅梳齿宽度。

图 1. WG-MMI型OPS的结构。(a)三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 1. Structure of the WG-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

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在MMI多模波导的一侧加入均匀波导光栅,当光栅的结构参数发生变化时,端口3和端口4的输出光功率会发生相应的变化。假设N为波导光栅的周期数,光信号由端口1输入OPS,波长范围为1545~1555 nm,P_o1为端口4的输出功率,P_o2为端口3的输出功率。当OPS某一输出端的输出功率很小时,输出功率的细微变化会引起两输出端功率比的剧烈变化,但实际功率分配没有发生较大变化。因此,在优化OPS结构参数时用两输出端功率之差ΔP=P_o1-P_o2来衡量功率分配的性能。

用Lumerical软件仿真了Δw对OPS功率分配的影响,假设Λ=0.3 μm, N=180。当Δw由1 μm变化到6.5 μm时,ΔP随Δw和输入光信号波长的变化曲线如图2(a)所示。可以发现,在相同的波长范围内(1545~1555 nm),Δw在1.2~1.4 μm和3.8~4.0 μm两个区域的ΔP变化最剧烈,如图2(a)中虚线框标出的区域。进一步增大该参数区域的仿真精度,通过数值计算发现,在图2(b)(Δw=3.8~4.0 μm)中,Δw=3.8 μm时ΔP的变化最剧烈,输入信号波长由1546.53 nm变化到1553.52 nm时,ΔP由-0.29变化为0.34。图2(c)(Δw=1.2~1.4 μm)中,Δw=1.4 μm时ΔP的变化最剧烈,当输入信号波长由1547.71 nm变化到1555 nm时,ΔP由-0.26变化为0.42。虽然在Δw=1.4 μm时,ΔP的变化范围较大,但所需的波长变化量也较大,因此仿真了Δw=1.4 μm和Δw=3.8 μm两种情况下,Λ对OPS功率分配的影响。

图 2. ΔP随Δw和波长的变化曲线。(a) Δw=1~6.5 μm;(b) Δw=3.8~4.0 μm;(c) Δw=1.2~1.4 μm

Fig. 2. Change curves of ΔP with Δw and wavelength. (a) Δw=1--6.5 μm; (b) Δw=3.8--4.0 μm; (c) Δw=1.2--1.4 μm

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图3为Δw=1.4 μm和Δw=3.8 μm、Λ为0.29~0.31 μm时,ΔP随Λ和输入光信号波长的变化曲线。可以发现,当Λ=0.3 μm时,两种情况下的ΔP变化最剧烈。图4为N对OPS功率分配的影响,由于MMI多模波导的长度有限,可以发现,当Λ=0.3 μm时,N的最大值为188。

图 3. ΔP随Λ和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm;(b) Δw=3.8 μm

Fig. 3. Change curves of ΔP with Λ and wavelength. (a) Δw=1.4 μm; (b) Δw=3.8 μm

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图4(a)和4(b)分别为Δw=1.4 μm和Δw=3.8 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188时,ΔP随N和输入光信号波长的变化曲线。可以发现,在图4(a)中,N=188时,ΔP的变化最剧烈,此时P_o1和P_o2的变化曲线如图4(c)所示。当输入信号的波长为1547.77 nm时,ΔP=-0.30, P_o1=0.09,P_o2=0.39;当输入信号的波长为1555 nm时,ΔP=0.42,P_o1=0.54,P_o2=0.12。这表明只需将输入信号的波长改变7.23 nm,就能使PSR(P_o1/P_o2)由0.23变化为4.47。在图4(b)中,N=188时,ΔP的变化最剧烈,此时P_o1和P_o2的变化曲线如图4(d)所示。当输入信号的波长为1547.25 nm时,ΔP=-0.32,P_o1=0.16,P_o2=0.48;当输入信号的波长为1553.6 nm时,ΔP= 0.35,P_o1=0.52,P_o2=0.17,这表明只需将输入信号的波长改变6.35 nm,就能使PSR由0.33变化为3.05。

图 4. ΔP随N和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(b) Δw=3.8 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(c)~(d) N=188时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长的变化曲线

Fig. 4. Change curves of ΔP with N and wavelength. (a) Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (b) Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (c)--(d) When N=188, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

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除了改变输入光信号的波长,还可通过热光效应改变PSR。假设结构参数①:Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=188,结构参数②:Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=188。WG区域温度改变50 ℃时,两种结构参数的PSR变化情况如图5所示。可以发现,图5(a)中PSR随温度的变化率为-3.53×10^-2~8.00×10^-3 ℃^-1,当输入光信号波长为1553.12 nm时,PSR的变化量最大,由2.17变化至3.94;图5(b)中PSR随温度的变化率为-2.36×10^-2~2.96×10^-2 ℃^-1,当输入光信号波长为1555 nm时,PSR的变化量最大,由2.98变化为1.50。这表明该功率分配器可利用热调的方式微调PSR。

图 5. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数①;(b)结构参数②

Fig. 5. Change curves of PSR with the temperature of WG area and wavelength. (a) Structural parameters①; (b) structural parameters②

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3 WG-Slot-MMI型可调OPS的原理及仿真

上述结果表明,在对称MMI多模波导的一侧加入WG,可以打破MMI的对称性,从而改变PSR。为了进一步加大PSR的可调范围,在MMI的多模波导区中加入一段Slot结构,其结构如图6所示。Slot将多模波导拆分成两条波导,且两条波导间会发生耦合,耦合系数由Slot的结构参数和光信号波长决定。选择合适的Slot长度、宽度和起始位置,可以增大PSR随波长的变化范围。假设Slot制作在MMI多模波导的中间,即Slot与端口1和端口2的距离是相同的。Slot左端距离MMI多模波导左端的距离为q,Slot的长为l_s,宽为w_s。同样在WG上制作了热电极,以增加PSR的调节维度。优化上述结构参数,以达到最大的PSR变化。

图 6. WG-Slot-MMI型OPS的结构。(a) 三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 6. Structure of the WG-Slot-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

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首先,仿真了l_s对ΔP的影响,假设q=0 μm, w_s=0.5 μm。当l_s由2.5 μm变化到27.5 μm时,ΔP随l_s和输入光信号波长的变化曲线如图7(a)和7(b)所示,其中,图7(a)中WG为结构参数①,图7(b)中WG为结构参数②。可以发现,在相同的波长范围内(1545~1555 nm),对于结构参数①,l_s=20.5~24.5 μm区域的ΔP变化最剧烈,即图7(a)中虚线框标出的区域。将该区域的仿真精度加大,可以发现,在图7(c)(l_s=20.5~24.5 μm)中,l_s=22.9 μm时ΔP的变化最剧烈,当输入信号波长由1545 nm变化为1554.57 nm时,ΔP由0.67变化为-1.87×10^-3。对于结构参数②,在图7(d)(l_s=22.5~25 μm)中,l_s=22.5 μm时ΔP的变化最剧烈,当输入信号波长由1547.64 nm变化为1553.54 nm时,ΔP由0.70变化为0.08。

表 1. 不同OPS的性能指标

Table 1. Performance indicators of different OPSs

Type	Structureparameter	Wavelengthvariation /nm	ΔP	Tunable rangeof PSR varieswith wavelength	Temperaturecoefficient ofPSR /℃^-1	Maximum tunablerange ofPSR varieswith temperature
WG-MMI	①	7.23	-0.30--0.42	0.23--4.47	-3.52×10^-2--8.00×10^-3	2.17--3.94
WG-MMI	②	6.35	-0.32--0.35	0.33--3.05	-2.36×10^-2--2.96×10^-2	2.98 --1.50
WG-Slot-MMI	③	6.72	0.69--0.24	36.91--0.51	-0.36--0.42	29.75 --8.58
WG-Slot-MMI	④	5.56	0.72--0.05	230.46--0.88	-5.98--8.41	5.01 --425.43

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图 7. ΔP随l_s和波长的变化曲线。(a)结构参数①(l_s=2.5~27.5 μm);(b)结构参数②(l_s=2.5~27.5 μm);(c) 结构参数①(l_s=20.5~24.5 μm);(d) 结构参数②(l_s=22.5~25 μm)

Fig. 7. Change curves of ΔP with l_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=2.5--27.5 μm); (b) structure parameter② (l_s=2.5--27.5 μm); (c) structure parameter① (l_s=20.5--24.5 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5--25 μm)

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为了研究w_s和q对ΔP的影响,仿真了两种结构参数下ΔP随w_s和输入光信号波长的变化曲线,结果如图8所示。可以发现,w_s分别在0.64~0.74 μm和0.6~0.7 μm区域内ΔP的变化最剧烈。在图8(c)(w_s=0.64~0.74 μm)中,w_s=0.68 μm时ΔP的变化最剧烈,当输入信号波长由1547.92 nm变化到1554.64 nm时,ΔP由0.69变化为-0.24。在图8(d)(0.6~0.7 μm)中,w_s=0.64 μm时ΔP的变化最剧烈,当输入信号波长由1546.48 nm变化到1552.04 nm时,ΔP由0.72变化为-0.05。

图 8. ΔP随w_s和波长变化曲线。(a)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(b)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(c)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.64~0.74 μm);(d)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.6~0.7 μm)

Fig. 8. Change curves of ΔP with w_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (b) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (c) structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.64--0.74 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.6--0.7 μm)

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ΔP随q和输入光信号波长的变化情况如图9所示,图9(a)和9(b)分别为两种结构参数下ΔP的变化曲线。可以发现,在图9(a)中,q=0 μm时,ΔP的变化最剧烈,此时P_o1和P_o2的变化曲线如图9(c)所示。当输入信号波长为1547.92 nm时,P_o1=0.71,P_o2=0.02;输入信号波长为1554.64 nm时,P_o1=0.25,P_o2=0.49。这表明只需将输入信号的波长改变6.72 nm,就可以使PSR由36.91变化至0.51。在图9(b)中,q=0 μm时,ΔP的变化最剧烈,此时P_o1和P_o2的变化曲线如图9(d)所示。当输入信号波长为1546.48 nm时,P_o1=0.72,P_o2=3.12×10^-3;输入信号波长为1552.04 nm时,P_o1=0.35,P_o2=0.40。这表明只需将输入信号的波长改变5.56 nm,就可以使PSR由230.46变化至0.88。

图 9. ΔP随q和波长的变化曲线。(a)结构参数①,l_s=22.9 μm,w_s=0.68 μm,q=0~35 μm;(b)结构参数②,l_s=22.5 μm,w_s=0.64 μm,q=0~35 μm;(c)~(d) q=0 μm时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长变化曲线

Fig. 9. Change curves of ΔP with q and wavelength. (a) Structure parameter①, l_s=22.9 μm, w_s=0.68 μm, q=0--35 μm; (b) structure parameter②, l_s=22.5 μm, w_s=0.64 μm, q=0--35 μm; (c)--(d) When q=0 μm, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

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图10为WG-Slot-MMI结构参数分别在Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=188, l_s=22.9 μm, w_s=0.68 μm,q=0 μm(结构参数③)和Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=188, l_s=22.5 μm, w_s=0.64 μm,q=0 μm(结构参数④)两种情况下,PSR随WG区域温度的变化的曲线。可以发现,图10(a)中PSR随温度的变化率为-0.36~0.42 ℃^-1,当输入光信号波长为1548.94 nm时,PSR的变化量最大,由29.75变化至8.58;图10(b)中PSR随温度的变化率为-5.98~8.41 ℃^-1,当输入光信号波长为1548.98 nm时,PSR的变化量最大,由5.01变化至420.42。这表明在不改变该功率分配器结构的情况下,可利用热调方式大幅度调节PSR。

图 10. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数③;(b)结构参数④

Fig. 10. Change curves of PSR with the temperature of WG and wavelength. (a) Structure parameter③; (b) structure parameter④

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表1列举了4种结构OPS的性能指标,可以发现,在波长调控和温度调控两种方式下,具有Slot结构的OPS性能更优。虽然结构参数④OPS的PSR调节范围更广,但结构参数③OPS的ΔP变化范围更大,可根据实际应用选取不同结构参数的OPS。

4 结论

提出了一种硅基PSR大范围可调的OPS集成芯片方案,通过选取合适的WG、Slot结构参数,并改变输入光信号的波长,实现了PSR最大调节范围分别为0.51~36.91(结构参数③,波长由1547.92 nm变化至1554.64 nm)和0.88~230.46(结构参数④,波长由1546.48 nm变化至1552.04 nm)的OPS。此外,通过控制芯片中微型热光调制器也可以对OPS输出光信号功率进行调节。在50 ℃的温度变化范围内,PSR的最大变化范围分别为8.58~29.75(结构参数③,波长为1548.94 nm)和5.01~425.43(结构参数④,波长为1548.98 nm),热调系数分别为0.42 ℃^-1和8.41 ℃^-1。该OPS具有尺寸小、质量轻、灵活性高等优势,可广泛应用于光开关、信道划分、功率分配等通信与信号处理领域。

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[15] Sia J X B, Wang W J, Guo X, et al. Mid-infrared, ultra-broadband, low-loss, compact arbitrary power splitter based on adiabatic mode evolution[J]. IEEE Photonics Journal, 2019, 11(2): 1-11.

[16] Wang H T, Chen C F, Chi S E. A numerical solution for broadband PLC splitter with variable splitting ratio based on asymmetric three waveguide structures[J]. Applied Sciences, 2019, 9(9): 1892.

[17] Tajaldini M. Jafri M Z M. Arbitrary-ratio power splitter based on nonlinear multimode interference coupler[J]. AIP Conference Proceedings, 2015, 1657(1): 140005.

[18] Peter E, Thomas A, Dhawan A, et al. Active microring based tunable optical power splitters[J]. Optics Communications, 2016, 359: 311-315.

[19] Ghosh R R, Bashir J, Sarangi S R, et al. SpliESR: tunable power splitter based on an electro-optic slotted ring resonator[J]. Optics Communications, 2019, 442: 117-122.

[20] Zheng Y, Shum P P, Luo Y Y, et al. High-resolution, large-dynamic-range multimode interferometer sensor based on a suspended-core microstructured optical fiber[J]. Optics Letters, 2020, 45(4): 1017-1020.

1 引言

2 WG-MMI型可调OPS的原理及仿真

3 WG-Slot-MMI型可调OPS的原理及仿真

4 结论

廖莎莎, 廖柯, 包航, 张甜甜, 刘继伟, 廖希. 功率分配比大范围可调的光功率分配器集成芯片[J]. 光学学报, 2021, 41(6): 0623001. Shasha Liao, Ke Liao, Hang Bao, Tiantian Zhang, Jiwei Liu, Xi Liao. Optical Power Splitter Integrated Chip with Large Tunable Range of Power Splitting Ratio[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(6): 0623001.

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1 引言

2 WG-MMI型可调OPS的原理及仿真

图 1. WG-MMI型OPS的结构。(a)三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 1. Structure of the WG-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

图 2. ΔP随Δw和波长的变化曲线。(a) Δw=1~6.5 μm;(b) Δw=3.8~4.0 μm;(c) Δw=1.2~1.4 μm

Fig. 2. Change curves of ΔP with Δw and wavelength. (a) Δw=1--6.5 μm; (b) Δw=3.8--4.0 μm; (c) Δw=1.2--1.4 μm

图 3. ΔP随Λ和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm;(b) Δw=3.8 μm

Fig. 3. Change curves of ΔP with Λ and wavelength. (a) Δw=1.4 μm; (b) Δw=3.8 μm

图 4. ΔP随N和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(b) Δw=3.8 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(c)~(d) N=188时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长的变化曲线

Fig. 4. Change curves of ΔP with N and wavelength. (a) Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (b) Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (c)--(d) When N=188, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

图 5. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数①;(b)结构参数②

Fig. 5. Change curves of PSR with the temperature of WG area and wavelength. (a) Structural parameters①; (b) structural parameters②

3 WG-Slot-MMI型可调OPS的原理及仿真

图 6. WG-Slot-MMI型OPS的结构。(a) 三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 6. Structure of the WG-Slot-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

表 1. 不同OPS的性能指标

Table 1. Performance indicators of different OPSs

图 7. ΔP随l_s和波长的变化曲线。(a)结构参数①(l_s=2.5~27.5 μm);(b)结构参数②(l_s=2.5~27.5 μm);(c) 结构参数①(l_s=20.5~24.5 μm);(d) 结构参数②(l_s=22.5~25 μm)

Fig. 7. Change curves of ΔP with l_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=2.5--27.5 μm); (b) structure parameter② (l_s=2.5--27.5 μm); (c) structure parameter① (l_s=20.5--24.5 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5--25 μm)

图 8. ΔP随w_s和波长变化曲线。(a)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(b)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(c)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.64~0.74 μm);(d)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.6~0.7 μm)

Fig. 8. Change curves of ΔP with w_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (b) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (c) structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.64--0.74 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.6--0.7 μm)

图 9. ΔP随q和波长的变化曲线。(a)结构参数①,l_s=22.9 μm,w_s=0.68 μm,q=0~35 μm;(b)结构参数②,l_s=22.5 μm,w_s=0.64 μm,q=0~35 μm;(c)~(d) q=0 μm时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长变化曲线

Fig. 9. Change curves of ΔP with q and wavelength. (a) Structure parameter①, l_s=22.9 μm, w_s=0.68 μm, q=0--35 μm; (b) structure parameter②, l_s=22.5 μm, w_s=0.64 μm, q=0--35 μm; (c)--(d) When q=0 μm, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

图 10. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数③;(b)结构参数④

Fig. 10. Change curves of PSR with the temperature of WG and wavelength. (a) Structure parameter③; (b) structure parameter④

4 结论

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1 引言

2 WG-MMI型可调OPS的原理及仿真

图 1. WG-MMI型OPS的结构。(a)三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 1. Structure of the WG-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

图 2. ΔP随Δw和波长的变化曲线。(a) Δw=1~6.5 μm;(b) Δw=3.8~4.0 μm;(c) Δw=1.2~1.4 μm

Fig. 2. Change curves of ΔP with Δw and wavelength. (a) Δw=1--6.5 μm; (b) Δw=3.8--4.0 μm; (c) Δw=1.2--1.4 μm

图 3. ΔP随Λ和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm;(b) Δw=3.8 μm

Fig. 3. Change curves of ΔP with Λ and wavelength. (a) Δw=1.4 μm; (b) Δw=3.8 μm

图 4. ΔP随N和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(b) Δw=3.8 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(c)~(d) N=188时图(a)和图(b)中Po1和Po2随波长的变化曲线

Fig. 4. Change curves of ΔP with N and wavelength. (a) Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (b) Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (c)--(d) When N=188, change curves of Po1 and Po2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

图 5. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数①;(b)结构参数②

Fig. 5. Change curves of PSR with the temperature of WG area and wavelength. (a) Structural parameters①; (b) structural parameters②

3 WG-Slot-MMI型可调OPS的原理及仿真

图 6. WG-Slot-MMI型OPS的结构。(a) 三维示意图;(b)俯视图及相关参数

Fig. 6. Structure of the WG-Slot-MMI type OPS. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) top view and related parameters

表 1. 不同OPS的性能指标

Table 1. Performance indicators of different OPSs

图 7. ΔP随ls和波长的变化曲线。(a)结构参数①(ls=2.5~27.5 μm);(b)结构参数②(ls=2.5~27.5 μm);(c) 结构参数①(ls=20.5~24.5 μm);(d) 结构参数②(ls=22.5~25 μm)

Fig. 7. Change curves of ΔP with ls and wavelength. (a) Structure parameter① (ls=2.5--27.5 μm); (b) structure parameter② (ls=2.5--27.5 μm); (c) structure parameter① (ls=20.5--24.5 μm); (d) structure parameter② (ls=22.5--25 μm)

图 8. ΔP随ws和波长变化曲线。(a)结构参数①(ls=22.9 μm,ws=0.1~1.1 μm);(b)结构参数②(ls=22.5 μm,ws=0.1~1.1 μm);(c)结构参数①(ls=22.9 μm,ws=0.64~0.74 μm);(d)结构参数②(ls=22.5 μm,ws=0.6~0.7 μm)

Fig. 8. Change curves of ΔP with ws and wavelength. (a) Structure parameter① (ls=22.9 μm, ws=0.1--1.1 μm); (b) structure parameter② (ls=22.5 μm, ws=0.1--1.1 μm); (c) structure parameter① (ls=22.9 μm, ws=0.64--0.74 μm); (d) structure parameter② (ls=22.5 μm, ws=0.6--0.7 μm)

图 9. ΔP随q和波长的变化曲线。(a)结构参数①,ls=22.9 μm,ws=0.68 μm,q=0~35 μm;(b)结构参数②,ls=22.5 μm,ws=0.64 μm,q=0~35 μm;(c)~(d) q=0 μm时图(a)和图(b)中Po1和Po2随波长变化曲线

Fig. 9. Change curves of ΔP with q and wavelength. (a) Structure parameter①, ls=22.9 μm, ws=0.68 μm, q=0--35 μm; (b) structure parameter②, ls=22.5 μm, ws=0.64 μm, q=0--35 μm; (c)--(d) When q=0 μm, change curves of Po1 and Po2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

图 10. PSR随WG区域温度和波长的变化曲线。(a)结构参数③;(b)结构参数④

Fig. 10. Change curves of PSR with the temperature of WG and wavelength. (a) Structure parameter③; (b) structure parameter④

4 结论

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图 4. ΔP随N和波长的变化曲线。(a) Δw=1.4 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(b) Δw=3.8 μm,Λ=0.3 μm,N=168~188;(c)~(d) N=188时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长的变化曲线

Fig. 4. Change curves of ΔP with N and wavelength. (a) Δw=1.4 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (b) Δw=3.8 μm, Λ=0.3 μm, N=168--188; (c)--(d) When N=188, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)

图 7. ΔP随l_s和波长的变化曲线。(a)结构参数①(l_s=2.5~27.5 μm);(b)结构参数②(l_s=2.5~27.5 μm);(c) 结构参数①(l_s=20.5~24.5 μm);(d) 结构参数②(l_s=22.5~25 μm)

Fig. 7. Change curves of ΔP with l_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=2.5--27.5 μm); (b) structure parameter② (l_s=2.5--27.5 μm); (c) structure parameter① (l_s=20.5--24.5 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5--25 μm)

图 8. ΔP随w_s和波长变化曲线。(a)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(b)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.1~1.1 μm);(c)结构参数①(l_s=22.9 μm,w_s=0.64~0.74 μm);(d)结构参数②(l_s=22.5 μm,w_s=0.6~0.7 μm)

Fig. 8. Change curves of ΔP with w_s and wavelength. (a) Structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (b) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.1--1.1 μm); (c) structure parameter① (l_s=22.9 μm, w_s=0.64--0.74 μm); (d) structure parameter② (l_s=22.5 μm, w_s=0.6--0.7 μm)

图 9. ΔP随q和波长的变化曲线。(a)结构参数①,l_s=22.9 μm,w_s=0.68 μm,q=0~35 μm;(b)结构参数②,l_s=22.5 μm,w_s=0.64 μm,q=0~35 μm;(c)~(d) q=0 μm时图(a)和图(b)中P_o1和P_o2随波长变化曲线

Fig. 9. Change curves of ΔP with q and wavelength. (a) Structure parameter①, l_s=22.9 μm, w_s=0.68 μm, q=0--35 μm; (b) structure parameter②, l_s=22.5 μm, w_s=0.64 μm, q=0--35 μm; (c)--(d) When q=0 μm, change curves of P_o1 and P_o2 with wavelength in Fig. (a) and Fig. (b)