偏振无关多模干涉型1×3光功分器的设计

汪静丽; 皇甫利国; 陈鹤鸣

doi:doi:10.3788/AOS202141.0713001

光学学报, 2021, 41 (7): 0713001, 网络出版: 2021-04-11

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Design of Polarization-Insensitive Multimode Interference 1×3 Optical Power Splitter

论文大纲

汪静丽 ^1,*皇甫利国 ¹陈鹤鸣 ²

作者单位

¹ 南京邮电大学电子与光学工程学院, 微电子学院, 江苏南京 210023

² 南京邮电大学贝尔英才学院, 江苏南京 210023

集成光学多模干涉偏振无关三明治结构 integrated optics multimode interference polarization-insensitive sandwiched structure

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摘要

设计具有宽带性能的偏振无关1×3光功分器,采用离子辅助沉积方法调节三明治结构芯层SiN_x的折射率,使得正交偏振模的拍长相等而实现偏振无关;梯形多模干涉波导与锥形波导的组合可实现器件宽带宽、低损耗及良好的分光均匀性。运用有限时域差分法进行建模仿真及参数优化,结果表明:器件的多模干涉波导长度仅为13.2 μm,附加损耗低于0.07 dB,不均匀度低于0.03 dB,0.5 dB带宽高达255 nm,可覆盖S、C、L、U以及部分E波段,在未来集成光学系统中具有较高的应用价值。

Abstract

We proposed a polarization-insensitive 1×3 optical power splitter with broadband performance. Ion assisted deposition was used to change the refractive index of the core SiN_x in a sandwiched structure, so that the beat lengths of the orthogonal polarization modes were equal and thus polarization insensitivity was achieved. A combined structure of trapezoidal multimode interference waveguide and tapered waveguide was introduced to realize broad bandwidth, low loss, and good beam splitting uniformity. Furthermore, a finite-difference time-domain method was applied to simulation and optimization, and the results demonstrate that the length of the multimode interference waveguide is only 13.2 μm; the excess loss and imbalance of the splitter are lower than 0.07 dB and 0.03 dB, respectively. In addition, the 0.5 dB-loss bandwidth is as high as 255 nm, which can cover S, C, L, U, and part of E bands. Therefore, the proposed splitter has potential application value in the future integrated optical systems.

1 引言

近年来,基于绝缘体上硅(SOI)材料的集成光学器件,由于其尺寸小、损耗低及与传统的CMOS工艺兼容等优势,在光通信领域发挥着越来越重要的作用^[1]。基于SOI材料的光功分器是光通信网络中关键的集成器件之一,常见的光功分器结构包括Y分支型^[2]、定向耦合器(DC)型^[3]和多模干涉(MMI)型^[4-5]等。其中:Y分支型光功分器由于分支尖角工艺难度大,容易引起模式失配损耗;DC型光功分器的工艺容差非常小;而MMI型光功分器因其损耗低及工艺容差性良好在集成光学领域得到了广泛应用。

目前,绝大多数MMI型光功分器侧重于实现器件的低损耗^[6-7]和小尺寸^[8-9]等,对于增大带宽的研究却很少,而具有宽带性能的光功分器可拓展其应用范围,满足目前光纤通信高速、大容量且低成本的发展需求。实现MMI型光功分器的宽带性能,可采用的方法是使用亚波长光栅结构的MMI波导^[10],但该方法存在工艺复杂、容差小及偏振敏感等问题。此外,大部分MMI型光功分器是偏振敏感的,会限制其应用范围。一般可通过引入金属作为覆盖层材料^[11]、调节MMI波导宽度^[12]或采用弧形MMI波导^[13]等方法实现偏振无关。然而前者会导致器件损耗增大,后两者会导致器件带宽窄且制作容差小,其应用范围受限。

综上,本文提出一种基于新结构的偏振无关宽带1×3光功分器。器件采用Si/SiN_x/Si三明治结构实现偏振无关,并且引入梯形MMI波导与锥形波导的新型组合结构:通过调整梯形上底宽度和腰边倾斜角度,可实现宽带宽及良好的分光均匀性;通过采用锥形结构的输入/输出波导,可进一步降低器件损耗并改善器件分光均匀性。采用有限时域差分法^[14](FDTD)进行建模仿真,在空间域和时间域上对电场E、磁场H进行离散处理并进行交替抽样,能直接模拟出电磁场的分布情况,精度高,是目前使用较多的数值模拟方法之一。结果表明:与同类器件相比,所提出的器件尺寸小、损耗低、工作带宽大且偏振无关,在未来集成光学系统中具有较高的应用价值。

2 工作原理及器件结构设计

2.1 MMI工作原理

基于MMI型波导中的自成像效应^[4]可以确定MMI波导的长度L_MMI,对称干涉情况下,1×N的MMI波导中N重像点所对应的长度表示为L_MMI= $\frac{3 L_{π}}{4 N}$ ,因此当N=3时,MMI波导中三重像点所对应的长度为

L_{MMI} = L_{π} / 4, (1)

式中L_π为基模与一阶模的拍长,定义为

L_{π} = \frac{π}{β_{0} - β_{1}} \approx \frac{4 n_{eff} W_{e}^{2}}{3 λ_{0}}, (2)

其中β₀和β₁表示MMI波导中基模与一阶模的传播常数,n_eff为有效折射率,λ₀为光在真空中传输的波长,W_e为基模的等效宽度。

2.2 器件结构的设计

如图1(a)所示,所设计的偏振无关MMI型1×3光功分器由MMI波导和输入、输出波导构成,且上述波导均采用如图1(b)所示的三明治截面结构。其中,Si层和SiN_x层厚度分别是h(Si)=0.25 μm和h(SiN_x)=0.1 μm;Si^[15-16]的折射率为3.47,芯层Si ${N_{x}}^{[17 ⁃ 19]}$ 的折射率n(SiN_x)可由离子辅助沉积法将范围调节为1.72~3.43。器件中位于MMI波导中心处的输入波导和输出波导均为单模直波导和锥形波导的组合结构,其中单模直波导长度和宽度分别为L₀=5 μm和W₀=0.5 μm。输入波导中锥形波导长度为L_{taper_in}=5 μm,宽度由W₀=0.5 μm渐变为W_t0=1 μm,符合绝热条件^[20];输出波导中三根锥形波导长度均为L_{taper_out}=5 μm,宽度由W₀分别渐变为W_t1、W_t2和W_t3,此外三根输出波导的间距为W_g。MMI波导采用等腰梯形结构,其中腰边的倾斜角度为θ,上底和下底宽度分别为W₁和W₂,梯形的高也即MMI波导的长度,为L_MMI。

图 1. 光功分器结构示意图。(a)俯视图;(b)波导截面示意图

Fig. 1. Schematic configuration of the optical power splitter structure. (a) Top view; (b) Cross section of the waveguide

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3 器件参数的优化及性能分析

3.1 梯形MMI波导的优化

梯形MMI波导是实现器件偏振无关性能的关键。因为三明治结构中不同折射率材料之间具有电场不连续性^[21],TE和TM偏振模的光场分别被限制于Si层和SiN_x层中。通过改变芯层SiN_x材料的折射率n(SiN_x),可调节同一波长所对应的正交偏振模的拍长,使其相等,即

L_{π} (λ, TE) = L_{π} (λ, TM), (3)

其中L_π(λ,TE)和L_π(λ,TM)分别表示波长为λ时的TE和TM偏振模的拍长。

由(1)式和(3)式可知,要实现MMI型1×3光功分器的偏振无关性,需要满足

L_{MMI} (λ, TE) = L_{π} (λ, TE) / 4 = L_{MMI} (λ, TM) = L_{π} (λ, TM) / 4, (4)

其中L_MMI(λ,TE)和L_MMI(λ,TM)分别表示同一波长下两正交偏振模的三重像点所对应的长度。

此外,梯形MMI波导中的W₁和θ决定了基于自成像效应产生干涉后的成像质量,也会影响器件的分光均匀性和带宽性能。需将W₁和θ同时引入梯形MMI波导的优化中,令其变化范围分别为2.5~5 μm和0°~8°,且需要保证任意一组W₁和θ时,梯形MMI波导都具有偏振无关性。

下面以λ=1550 nm、W₁=4 μm和θ=3°时为例,讨论L_MMI(λ,TE)和L_MMI(λ,TM)随n(SiN_x)的变化关系。由图2可知,随着n(SiN_x)的增大,输入的1550 nm波长信号所对应的正交偏振模的L_MMI随之单调增加,且L_MMI(λ,TM)的增长幅度大于L_MMI(λ,TE),这是因为TM偏振模主要被限制在芯层SiN_x中传输,所以n(SiN_x)增加时,TM偏振模的有效折射率增长幅度变大。这使得两者存在交叉点(如图2中虚线所圈处),当n(SiN_x)=2.5时,L_MMI(λ,TE)=L_MMI(λ,TM),实现了偏振无关。并且当n(SiN_x)在1.8~2.8范围内变化时,Si/SiN_x/Si的波导结构中TE和TM偏振模的光场分别被限制于Si层和SiN_x层中,即说明n(SiN_x)变化过程中,器件波导依然对两正交偏振模的光场有较强的束缚能力。

图 2. L_MMI随n(SiN_x)的变化,其中插图表示当n(SiN_x)分别为1.8, 2.5和2.8时波导中的光场分布

Fig. 2. L_MMIas a function of n(SiN_x), in which the inset shows the optical field distribution in the waveguide when n(SiN_x) is 1.8, 2.5 and 2.8, respectively

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取值范围内的任意一组W₁和θ,都需要通过调节三明治结构中n(SiN_x)的大小,实现偏振无关。图3给出了不同W₁情况下n(SiN_x)随θ的变化关系:n(SiN_x)随着W₁增加而增加;当W₁固定时,n(SiN_x)随着θ增加而减小。

图 3. MMI波导满足偏振无关时,不同W₁情况下n(SiN_x)随θ的变化

Fig. 3. n(SiN_x) as a function of θ under different W₁ when the MMI waveguide is polarization-insensitive

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为了衡量器件的带宽及分光均匀性,需要计算不同W₁和θ时器件的关键性能:不均匀度(IM,ρ_IM,单位dB)和0.5 dB带宽。通过分析其变化规律,选取合适的W₁和θ。其中0.5 dB带宽是指当器件附加损耗(EL,α_EL,单位dB)小于0.5 dB时,所对应的工作波长范围。IM和EL分别定义为

\begin{array}{l} ρ_{IM} = - 10 \lg (\min P_{i} / \max P_{i}), (5) \\ α_{EL} = - 10 \lg (\overset{3}{\sum_{i = 1}} P_{i} / P_{IN}), (6) \end{array}

式中:min P_i和max P_i分别表示各输出端口光功率中的最小和最大值;P_IN是Port0端口的输入光功率; $\overset{3}{\sum_{i = 1}}$ P_i是Port1至 Port3输出端口的光功率和。

首先,分析不同W₁、不同偏振模时器件的不均匀度随θ的变化关系,如图4(a)和图4(b)所示:不同W₁时,不均匀度随θ的变化较为平缓;当W₁较小时,不均匀度较大,尤其当W₁=2.5 μm和3.0 μm时,ρ_IM≥0.6 dB,器件分光均匀性较差,这主要是MMI波导中三重像点的能量分布不均匀所致;当W₁逐渐增大时,不均匀度随之减小;而当W₁≥4 μm时,ρ_IM≤0.2 dB,器件分光均匀性较好。因此W₁须大于等于4 μm。

图 4. 不同W₁时器件IM随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 4. IM of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

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然后,分析不同W₁、不同偏振模时器件的0.5 dB带宽随θ的变化关系,如图5(a)和图5(b)所示。当θ较小时,器件带宽相对较小;随着θ逐渐增大至3°时,带宽达到峰值;而当θ继续增大时,带宽逐渐减小。其原因是θ较大时三重像点宽度增加,光信号在锥形波导中传输过渡至W₀=0.5 μm的单模波导,损耗增多。此外,当θ固定时,0.5 dB带宽随W₁的增大而减小,尤其当W₁≥4.5 μm时,带宽相对较小,因此需选取较小的W₁以实现器件的宽带宽性能。

不同W1时器件0.5 dB带宽随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

图 5. 不同W₁时器件0.5 dB带宽随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 5. 0.5 dB bandwidth of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

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综上所述,可选取W₁=4 μm,θ=3°,由此可确定n(SiN_x)=2.5,W₂=5.38 μm,L_MMI=13.2 μm,W_t1=W_t2=W_t3=1.3 μm,W_g=1.8 μm。此时,TE(TM)偏振模对应的ρ_IM=0.106 dB(0.098 dB),0.5 dB带宽为205 nm(223 nm)。

3.2 锥形波导的优化

此外,在梯形MMI波导的优化过程中,当θ由0°增至3°时,干涉所形成的三重像点在y方向的宽度增加,如果只通过W₀=0.5 μm的单模直波导输出,则会造成部分光信号能量泄露,增加器件损耗。因此本研究采用锥形波导与梯形MMI波导的组合结构,并通过对锥形结构的参数优化来提升器件性能。

首先,依次对L_{taper_in}和L_{taper_out}在1 ~10 μm范围内优化,当L_{taper_in}和L_{taper_out}均等于6.5 μm时器件损耗较低,TE(TM)偏振模对应的EL为0.083 dB(0.076 dB)。

其次,输出侧锥形波导宽度(W_t1、W_t2和W_t3)的合理选择可有效减少输出光信号的能量泄露,需对其进一步优化,以降低器件损耗并提高分光均匀性。由于该器件MMI波导中产生对称干涉,因此W_t1=W_t3。下面将W_t1和W_t3作为同一变量,W_t2作为另一变量,W_t1和W_t3的取值范围均为0.8~ 1.7 μm,分析其与器件的IM和EL的关系。

不同偏振模时器件的IM随W_t1、W_t2和W_t3的变化关系,如图6(a)和图6(b)所示:当W_t1、W_t2和W_t3较小时,除了W_t1=W_t2=W_t3外,器件的IM均较大,即均匀性较差;当三个宽度均逐渐增大时,器件的IM随之减小,即均匀性逐渐改善;而当宽度继续增大时,均匀性则略微变差。在W_t1、W_t2和W_t3变化范围内,共有三处(如图6中箭头所指A、B和C点) IM在TE和TM偏振模时较低:当W_t1=W_t3=1.4 μm、W_t2=1.5 μm时,IM分别为0.029 dB和0.024 dB;当W_t1=W_t3=1.4 μm、W_t2=1.6 μm时,IM分别为0.022 dB和0.027 dB;当W_t1=W_t3=1.4 μm、W_t2=1.7 μm时,IM分别为0.021 dB和0.027 dB。

图 6. 器件IM随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 6. IM of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

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不同偏振模时器件的EL随W_t1、W_t2和W_t3的变化关系,如图7(a)和图7(b)所示:当W_t1、W_t2和W_t3较小时,器件EL较大;当宽度逐渐增大时,EL逐渐减小;而当宽度更大时,由于光信号在锥形波导中传输过渡至单模波导,损耗增加,EL相应增大。在W_t1、W_t2和W_t3变化范围内,当W_t1=W_t3=1.4 μm、W_t2=1.5 μm时(如图7中箭头所指A点,且与图6中A点相同),EL在TE和TM偏振模时均取得最小值,分别为0.064 dB和0.062 dB。而图6中所指出的IM较小的B、C两点处的损耗略大,在TE(TM)偏振模时,EL分别为0.092 dB(0.088 dB)和0.106 dB(0.114 dB)。

图 7. 器件EL随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 7. EL of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

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综合比较器件的IM和EL,当W_t1=W_t3=1.4 μm、W_t2=1.5 μm时性能较好,此时器件在TE(TM)偏振模的IM为0.029 dB( 0.024 dB),EL为0.064 dB(0.062 dB)。

3.3 性能分析

综上所述,优化后的器件参数为:W₁=4 μm,W₂=5.38 μm,θ=3°,L_MMI=13.2 μm,n(SiN_x)=2.5,W_g=1.8 μm,L_{taper_in}= L_{taper_out}=6.5 μm,W_t1=W_t3=1.4 μm,W_t2=1.5 μm。图8给出了两正交偏振模时1550 nm波长光信号在器件中的传输光场分布,该器件完成了1550 nm波长光信号的1×3均匀功分,同时也实现了偏振无关。此时,TE(TM)偏振模时器件IM为0.029 dB(0.024 dB),EL为0.064 dB(0.062 dB),该器件损耗低于近年提出的1×3光功分器^[22-23],同时分光均匀性较好。

图 8. MMI型1×3光功分器光场分布图。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 8. Field distributions of the MMI 1×3 optical power splitter. (a) TE mode; (b) TM mode

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实际上,光源并不是单色光,需要考虑光源谱宽对器件性能的影响。图9(a)和图9(b)分析了当光源谱宽为20 nm时,光波长变化对干涉长度L_MMI、附加损耗α_EL 以及分光不均匀度ρ_IM 的影响。由图9(a)可知,L_MMI随着波长的增大而小幅度减小,同时TE和TM偏振模时其取值几乎相同。当λ=1540 nm,L_MMI=13.3 μm时,TE(TM)偏振模下α_EL=0.1 dB(0.09 dB),ρ_IM=0.042 dB(0.035 dB);当λ=1545 nm,L_MMI=13.25 μm时,TE(TM)偏振模下α_EL=0.075 dB(0.07 dB),ρ_IM=0.035 dB(0.031 dB)。可以发现,光源谱宽为20 nm时,所计算的各性能参数值与λ=1550 nm时相差很小,即波长变化对器件的干涉长度、附加损耗及分光不均匀度的影响较小。

图 9. 性能参数随波长的变化。(a) L_MMI; (b) EL和IM

Fig. 9. Performance parameters of the splitter as functions of wavelength. (a) L_MMI; (b) EL and IM

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文献[ 19]表明:SiN_x材料折射率在红外波段随波长变化不敏感,即随着波长的变化,三明治结构中芯层材料的折射率几乎保持不变,对器件的偏振无关特性没有影响。图10给出了器件EL、IM和偏振相关损耗(PDL, α_PDL)随光波长的变化关系,波长范围为300 nm。结果表明:无论是TE还是TM偏振模,器件1550 nm波长处EL均小于0.07 dB,且其PDL小于0.01 dB;TE和TM偏振模的0.5 dB带宽分别为255 nm(1445~1700 nm)和285 nm(1415~1700 nm),可覆盖S、C、L、U以及部分E波段,且该带宽范围内IM均小于0.2 dB。该器件与文献[ 12]和文献[ 13]所提的偏振无关MMI型光功分器相比,EL和IM更低,且0.5 dB带宽被拓宽4倍以上。

图 10. 性能参数EL、PDL及IM随波长的变化(a) EL和PDL;(b) IM

Fig. 10. Performance parameters including EL, PDL and IM as functions of wavelength. (a) EL and PDL; (b) IM

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由于器件在工艺制作中会存在一定的偏差,因此需考察工艺偏差对其光学性能的影响。依次对梯形MMI波导上、下底宽度W₁和W₂以及高L_MMI进行容差分析,结果表明:器件对W₁的工艺容差性较好,当W₁从3.7 μm增加到4.2 μm时,α_EL<0.5 dB,ρ_IM<0.2 dB;器件对W₂的工艺容差性同样较好,当W₂从5.0 μm增加到5.6 μm时,α_EL<0.5 dB,ρ_IM<0.25 dB;当L_MMI有±1 μm的误差时,器件仍然有良好的性能,尤其当L_MMI在13 μm至14 μm范围内变化时,α_EL<0.2 dB,ρ_IM<0.15 dB。该器件表现出的容差性能优于同类型光功分器^[12-13]。

此外,目前大多数情况下,SiN_x材料上生长出的晶体均为多晶Si,需要考虑材料的吸收损耗对器件性能的影响。针对上述情况,进一步对所提结构进行参数优化,结果表明:当h(Si)=0.1 μm,h(SiN_x)=0.1 μm,n(SiN_x)=2.5,W₁=4 μm,W₂=5.38 μm,θ=3.5°,L_MMI=13.5 μm,W_g=1.8 μm,W_t1=W_t3=1.4 μm,W_t2=1.5 μm,L_taper=6.5 μm时,器件性能最优。此时TE(TM)偏振模的ρ_IM为0.035 dB(0.028 dB);α_EL为1.56 dB(1.33 dB),与SiN_x上生长单晶Si时器件损耗(α_EL为0.064 dB和0.062 dB)相比,有所增加。近期有研究表明^[24],可以在SiN_x薄膜上生长出单晶Si量子点,未来随着技术不断提高,有望在SiN_x薄膜上生长出单晶Si。Si/SiN_x/Si结构应用于器件时具有优势^[15-16],故此类器件将会有广阔的应用前景。

4 结论

设计了一种偏振无关MMI型1×3光功分器。讨论了利用Si/SiN_x/Si三明治结构实现梯形MMI波导的偏振无关的方法。通过离子辅助沉积方法调整n(SiN_x),使得同一波长下正交偏振模的拍长相等而实现偏振无关。然后对梯形MMI波导与锥形波导的组合结构进行了设计,并分别对梯形MMI波导上底宽度、腰边倾斜角度和锥形波导宽度等参数进行了优化。最后对器件的性能分析表明,该光功分器TE和TM偏振模时的EL分别为0.064 dB和0.062 dB,IM分别为0.029 dB和0.024 dB,0.5 dB带宽可达255 nm和285 nm。器件结构紧凑,性能优越,在未来集成光学系统中有潜在的应用价值。

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[19] Wang QF, LiuS, Tang HH, et al.Study on a-Si: H and SiNx films for tunable filter[C]∥2016 25th Wireless and Optical Communication Conference (WOCC), May 21-23, 2016, Chengdu, China. New York: IEEE Press, 2016: 1- 4.

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[21] 汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣. 基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1×2多模干涉型解复用器的设计[J]. 物理学报, 2020, 69(5): 054206.

Wang J L, Chen Z Y, Chen H M. Design of polarization-insensitive 1×2 multimode interference demultiplexer based on Si3N4/SiNx/Si3N4 sandwiched structure[J]. Acta Physica Sinica, 2020, 69(5): 054206.

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[23] Han X M, Yu Y L. Optimization of a thermally tuned silicon-based reconfigurable optical power splitter with thermal isolations[J]. Optical Engineering, 2017, 56(1): 017106.

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汪静丽, 皇甫利国, 陈鹤鸣. 偏振无关多模干涉型1×3光功分器的设计[J]. 光学学报, 2021, 41(7): 0713001. Jingli Wang, Liguo Huangfu, Heming Chen. Design of Polarization-Insensitive Multimode Interference 1×3 Optical Power Splitter[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(7): 0713001.

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1 引言

2 工作原理及器件结构设计

2.1 MMI工作原理

2.2 器件结构的设计

图 1. 光功分器结构示意图。(a)俯视图;(b)波导截面示意图

Fig. 1. Schematic configuration of the optical power splitter structure. (a) Top view; (b) Cross section of the waveguide

3 器件参数的优化及性能分析

3.1 梯形MMI波导的优化

图 2. L_MMI随n(SiN_x)的变化,其中插图表示当n(SiN_x)分别为1.8, 2.5和2.8时波导中的光场分布

Fig. 2. L_MMIas a function of n(SiN_x), in which the inset shows the optical field distribution in the waveguide when n(SiN_x) is 1.8, 2.5 and 2.8, respectively

图 3. MMI波导满足偏振无关时,不同W₁情况下n(SiN_x)随θ的变化

Fig. 3. n(SiN_x) as a function of θ under different W₁ when the MMI waveguide is polarization-insensitive

图 4. 不同W₁时器件IM随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 4. IM of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

图 5. 不同W₁时器件0.5 dB带宽随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 5. 0.5 dB bandwidth of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

3.2 锥形波导的优化

图 6. 器件IM随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 6. IM of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

图 7. 器件EL随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 7. EL of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

3.3 性能分析

图 8. MMI型1×3光功分器光场分布图。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 8. Field distributions of the MMI 1×3 optical power splitter. (a) TE mode; (b) TM mode

图 9. 性能参数随波长的变化。(a) L_MMI; (b) EL和IM

Fig. 9. Performance parameters of the splitter as functions of wavelength. (a) L_MMI; (b) EL and IM

图 10. 性能参数EL、PDL及IM随波长的变化(a) EL和PDL;(b) IM

Fig. 10. Performance parameters including EL, PDL and IM as functions of wavelength. (a) EL and PDL; (b) IM

4 结论

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1 引言

2 工作原理及器件结构设计

2.1 MMI工作原理

2.2 器件结构的设计

图 1. 光功分器结构示意图。(a)俯视图;(b)波导截面示意图

Fig. 1. Schematic configuration of the optical power splitter structure. (a) Top view; (b) Cross section of the waveguide

3 器件参数的优化及性能分析

3.1 梯形MMI波导的优化

图 2. LMMI随n(SiNx)的变化,其中插图表示当n(SiNx)分别为1.8, 2.5和2.8时波导中的光场分布

Fig. 2. LMMI as a function of n(SiNx), in which the inset shows the optical field distribution in the waveguide when n(SiNx) is 1.8, 2.5 and 2.8, respectively

图 3. MMI波导满足偏振无关时,不同W1情况下n(SiNx)随θ的变化

Fig. 3. n(SiNx) as a function of θ under different W1 when the MMI waveguide is polarization-insensitive

图 4. 不同W1时器件IM随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 4. IM of the splitter as a function of θ under different W1. (a) TE mode; (b) TM mode

图 5. 不同W1时器件0.5 dB带宽随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 5. 0.5 dB bandwidth of the splitter as a function of θ under different W1. (a) TE mode; (b) TM mode

3.2 锥形波导的优化

图 6. 器件IM随Wt1、Wt2和Wt3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 6. IM of the splitter as a function of Wt1, Wt2 and Wt3. (a) TE mode; (b) TM mode

图 7. 器件EL随Wt1、Wt2和Wt3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 7. EL of the splitter as a function of Wt1, Wt2 and Wt3. (a) TE mode; (b) TM mode

3.3 性能分析

图 8. MMI型1×3光功分器光场分布图。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 8. Field distributions of the MMI 1×3 optical power splitter. (a) TE mode; (b) TM mode

图 9. 性能参数随波长的变化。(a) LMMI; (b) EL和IM

Fig. 9. Performance parameters of the splitter as functions of wavelength. (a) LMMI; (b) EL and IM

图 10. 性能参数EL、PDL及IM随波长的变化(a) EL和PDL;(b) IM

Fig. 10. Performance parameters including EL, PDL and IM as functions of wavelength. (a) EL and PDL; (b) IM

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图 2. L_MMI随n(SiN_x)的变化,其中插图表示当n(SiN_x)分别为1.8, 2.5和2.8时波导中的光场分布

Fig. 2. L_MMIas a function of n(SiN_x), in which the inset shows the optical field distribution in the waveguide when n(SiN_x) is 1.8, 2.5 and 2.8, respectively

图 3. MMI波导满足偏振无关时,不同W₁情况下n(SiN_x)随θ的变化

Fig. 3. n(SiN_x) as a function of θ under different W₁ when the MMI waveguide is polarization-insensitive

图 4. 不同W₁时器件IM随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 4. IM of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

图 5. 不同W₁时器件0.5 dB带宽随θ的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 5. 0.5 dB bandwidth of the splitter as a function of θ under different W₁. (a) TE mode; (b) TM mode

图 6. 器件IM随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 6. IM of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

图 7. 器件EL随W_t1、W_t2和W_t3的变化。(a) TE偏振模;(b) TM偏振模

Fig. 7. EL of the splitter as a function of W_t1, W_t2 and W_t3. (a) TE mode; (b) TM mode

图 9. 性能参数随波长的变化。(a) L_MMI; (b) EL和IM

Fig. 9. Performance parameters of the splitter as functions of wavelength. (a) L_MMI; (b) EL and IM