單纖三向器件Tprilr 的平面光波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

單纖三向器件Triplexer平面光波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)陳霞，陳思鄉(xiāng)(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)摘要：本文對采用平面光波導(dǎo)技術(shù)的單纖三向器件Triplexer芯片結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對單元結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬分析了結(jié)構(gòu)的工藝容差性。結(jié)果表明，采用雙模耦合器和Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)可以得到工藝容差性高、光譜響應(yīng)優(yōu)良的適用的Triplexer器件。關(guān)鍵詞：單纖三向器件，平面光波導(dǎo)，雙模耦合器，M-Z干涉儀Design optimization of triplexer chip based on planar lightwave circuit Chen Xia, Chen Sixiang( School of Electromechanics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)Abstract: Design optimization of a novel integrated triplexer based on planar lightwave circuit (PLC) for fiber-to-the premise applications is described. The two mode interference and Mach-zehnder interferometer are used to construct the filter chip. Simulation results of high isolation and low insertion loss are gotten for proposed design. And technique tolerance is improved to be applicable for fabricating. deviceKeyword: tri-directional device, PLC, two mode interference, Mach-zehnder interference1、引言單纖三向器件Tprilexer是下一代接入網(wǎng)技術(shù)FTTH光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的不可或缺的器件之一，包含兩個下路波長1490nm、1550nm和一個上路波長1310nm的濾波或復(fù)用/解復(fù)用，三個波長的帶寬要求不同，分別為100nm、20nm和10nm。Triplexer復(fù)用/解復(fù)用主要有兩個難點(diǎn)：一是三個波長是非均勻分布且波長（或頻率）跨度大，二是每個波長的帶寬不同且相差較大。目前的解決方法是基于傳統(tǒng)分立元件的薄膜濾波片（TFF）濾波技術(shù)，但是這種方式引入了大量的分立元件和裝配工序，使得器件的成本較高。平面光波導(dǎo)（PLC）技術(shù)被認(rèn)為是能夠克服用于大批傳統(tǒng)分立元件缺點(diǎn)、適量生產(chǎn)的、能集成化和小型化的、大幅度降低成本的比較有前途的技術(shù)。Triplexer PLC芯片的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在主要有幾種形式：1）波導(dǎo)膜片混合集成形式【1,2】，2）耦合器波導(dǎo)BRAGG光柵結(jié)構(gòu)【3】，3）MMI(Multi-Mode Interferometer)干涉儀AWG(Arrayed Waveguide Grating)結(jié)構(gòu)【4】，4）MZI（MachZehnder Interferometer）干涉儀型結(jié)構(gòu)【5】，5）EDG（Echelle Diffraction Grating）結(jié)構(gòu)【6】。上述幾種方法各有特點(diǎn)，但由于存在諸如器件尺寸、插入損耗、通道帶寬、隔離度或工藝容差性等的問題，目前還沒有成熟的實(shí)用性的產(chǎn)品面世。本文提出一種采用雙模耦合器和MZI干涉儀的新的結(jié)構(gòu)形式，獲得了較好的光譜響應(yīng)和工藝容差性。2、設(shè)計(jì)原理包含兩個輸入輸出雙模耦合器的M-Z干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，當(dāng)干涉儀的兩個臂長度不等時，光波在兩個臂中傳播后會聚時具有一定的相位差，干涉儀對產(chǎn)生干涉的兩束光的作用可以用傳輸矩陣來表示。假定輸入端口1、2的光場為E0和0，歸一化的輸出光強(qiáng)為： (1) (2)其中表示MachZehnder干涉儀兩臂之間的相位差。當(dāng)兩個耦合器的耦合比均為1：1，即相位因子為/4時，歸一化輸出光強(qiáng)可以寫為： (3)于是可以得到輸出口a、b光強(qiáng)最大時波長的表達(dá)式： (4)其中m為干涉級次，因此可以在輸出端口得到不同的波長響應(yīng)。波長響應(yīng)的頻率間隔為： (5)輸出端口光場的響應(yīng)為類正弦形式，一般采用多級級聯(lián)的方式，通過選擇合適的耦合比和配置不同的干涉臂長度差可以形成平頂光譜響應(yīng)的WDM濾波器。圖1(b)是兩級級聯(lián)的形式，同樣假定輸入的光場為E0和0，輸出端口的光場復(fù)振幅為： (6) (7)其中： 根據(jù)傅立葉級數(shù)展開的理論，矩形函數(shù)可以展開為正弦函數(shù)的疊加，或者基頻和相應(yīng)高頻正弦函數(shù)的疊加合成為矩形函數(shù)，因此假定：，那么端口a、b的歸一化輸出光強(qiáng)分別為： (8)k1k2L1L212abk1k2L1L212abk3圖1、具有雙模干涉耦合器的MZI干涉儀及其級聯(lián)形式示意圖(a) 雙模耦合器的MZI干涉儀 (b)二級級聯(lián)形式Fig. 1 The M-Z Interferometer with two mode couplers and cascades(a) M-Z Interferometer with two mode couplers (b) MZI cascades(a)(b) (9)輸出光強(qiáng)是三個耦合器相位因子和Mach-Zehnder干涉儀相位差的函數(shù)，包含干涉儀相位因子正弦諧波的一次項(xiàng)和三次項(xiàng)，因此通過適當(dāng)選擇耦合器耦合比和干涉儀的相位差可以得到較為平坦的光譜響應(yīng)。3、Triplexer PLC芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬3.1、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬采用圖1(b)的二級MZI級聯(lián)作為單元結(jié)構(gòu)，選取硅基二氧化硅典型的波導(dǎo)參數(shù)：折射率差0.75%，波導(dǎo)截面尺寸為6um6um。設(shè)計(jì)時首先將1310nm波長作為一組輸出，而將1490nm、1550nm波長作為另一組輸出，兩組波長間的中心頻率間隔為約32000GHz，利用頻率間隔公式（5）粗略計(jì)算出MZI的路徑差L，再根據(jù)公式（4）綜合考慮輸出中心波長位置，得到W1單元結(jié)構(gòu)的L=3.03um。利用公式（8）、（9）進(jìn)行耦合參數(shù)優(yōu)化，確定雙模耦合器在1550nm處的耦合比分別為k1=0.9373，k2=0.9534，k3=0.9123，從而構(gòu)成W1單元結(jié)構(gòu)，分離出1310nm波長的光波。1.36um1.48-1.50um1.55-1.56um5%95%圖2、單元結(jié)構(gòu)的模擬光譜響應(yīng)（a）W1單元結(jié)構(gòu) （b）W2單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Spectrum responses of W1 (a) and W2 (b) units1.25um5%95%1.55-1.56um1.48-1.50um1.47um（a）（b）WavelengthWavelengthRelative Optical PowerRelative Optical Power圖2(a)為W1單元結(jié)構(gòu)的模擬輸出光譜，可以看出，1310nm 波長95以上的光功率在直通端口輸出，0.22dB（95）帶寬為106nm，覆蓋了ITU要求的1310nm波長100nm帶寬范圍；而1490nm和1550nm波長在交叉端口輸出，I TU要求的相應(yīng)帶寬也均在光譜響應(yīng)的0.22dB范圍之內(nèi)。同樣，選擇1490nm和1550nm波長對應(yīng)的頻率間隔8000GHz，可以確定W2單元結(jié)構(gòu)L=6.03um，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)得到在1550nm時k1=0.3673，k2=0.2524，k3=0.0226，從而構(gòu)成W2單元結(jié)構(gòu)分離出這兩個波長。圖2(b)是W2單元結(jié)構(gòu)輸出通道的模擬光譜響應(yīng)，1490nm波長在直通端口輸出，而1550nm波長在交叉端口輸出，ITU要求的1490nm波長20nm帶寬和1550nm波長10nm帶寬均在光譜響應(yīng)的0.22dB通帶范圍內(nèi)，對這兩個波長具有較好的濾波作用。3.2、工藝容差性模擬分析 平面光波導(dǎo)在制作過程中總會存在誤差，誤差的大小與工藝水平有關(guān)，在誤差模擬過程中我們選取典型的誤差范圍：縱向（波導(dǎo)長度方向）誤差為0.5，而橫向（波導(dǎo)寬度方向）誤差為0.1um?？v向誤差主要影響MZI兩臂的路徑差從而改變相干光的相位差，使中心波長產(chǎn)生漂移；橫向誤差主要影響耦合器的耦合系數(shù)，使通道光譜響應(yīng)發(fā)生變形或中心波長產(chǎn)生漂移。在誤差模擬分析時我們考慮了縱向誤差0.5%和橫向誤差0.1um以及兩種誤差之間的組合共8種情況。模擬結(jié)果表明，盡管誤差對通道光譜響應(yīng)有影響，但三個波長及ITU帶寬都在0.22dB響應(yīng)范圍之內(nèi)，保持了單元結(jié)構(gòu)的光譜性能，其中0.5/0.1um誤差組合情況影響最為嚴(yán)重，導(dǎo)致1490nm波長帶寬處于光譜響應(yīng)的0.22dB邊緣。因此總體來說，采用雙模耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)的濾波單元結(jié)構(gòu)具有較好的工藝容差性，克服了方向耦合器和MZI工藝敏感性的缺點(diǎn)，達(dá)到了適用性的工藝制作技術(shù)要求。3.3、Triplexer PLC芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)濾波還不足以達(dá)到對波長隔離度的要求，需要采用單元結(jié)構(gòu)級聯(lián)方式，圖3為由W1、W2單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一種級聯(lián)結(jié)構(gòu)，根據(jù)W1和W2光譜響應(yīng)可以得到級聯(lián)結(jié)構(gòu)的通道隔離度或串?dāng)_，如表1所示?？梢钥闯鲈O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的隔離度或串?dāng)_都滿足ITU的要求標(biāo)準(zhǔn)，由該濾波結(jié)構(gòu)引入的1310nm、1490nm、1550nm的插入損耗（不包括波導(dǎo)損耗）分別為0.88dB，1.1dB，1.1dB。表1、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的通道波長隔離度或串?dāng)_隔離度或串?dāng)_1550nm/1490nm1550nm/1310nm1490nm/1550nm1490nm/1310nm1310nm/1490nm1310nm/1550nmITU標(biāo)準(zhǔn)-30dB-30dB-30dB-30dB-45dB-45dB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)-39dB-52dB-39dB-52dB-50dB-50dB1310nm1490nm1550nmW1W1W1W1W1W2W2W2W2W21310nm1550nm1490nm圖3、級聯(lián)式Triplexer PLC芯片結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic architecture of cascading based triplexer chip4、結(jié)論利用雙模耦合器和MZI結(jié)構(gòu)的級聯(lián)方式得到了對1310nm、1490nm、1550nm波長具有較好光譜響應(yīng)的平面光波導(dǎo)型的Triplexer 芯片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的隔離度和串?dāng)_都滿足ITU的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具有小的插入損耗和好的工藝容差性；采用該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于PLC制造技術(shù)可以得到性能優(yōu)異、成本低廉的Triplexer器件。致謝：感謝深圳大學(xué)光電子學(xué)研究所的段子剛博士提供的幫助！參考文獻(xiàn)1、 M. 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