基于夾層結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān)1×2定向耦合型解復(fù)用器的設(shè)計(jì)*

汪靜麗 陳子玉 陳鶴鳴

1) (南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院,南京 210023)

2) (南京郵電大學(xué)貝爾英才學(xué)院,南京 210023)

提出一種基于夾層結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān)1×2定向耦合型解復(fù)用器,用于分離1310 nm和1550 nm兩個(gè)波長.通過合理選擇夾層結(jié)構(gòu)芯區(qū)的折射率及波導(dǎo)間隙,可以調(diào)節(jié)同一波長兩個(gè)正交偏振模的耦合長度相等,實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)； 通過合理選擇夾層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)寬度,可以使兩個(gè)波長分別從不同輸出波導(dǎo)端口輸出,實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能.運(yùn)用三維有限時(shí)域差分法進(jìn)行建模仿真,對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)器件性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明： 該器件定向耦合波導(dǎo)的長度為 23 μm,插入損耗低至 0.1 dB,輸出波導(dǎo)間的串?dāng)_低至—26.23 dB,3 dB 帶寬可達(dá) 290 nm 和 200 nm.另外,本文提出的器件采用 Si3N4/SiO2 平臺(tái),可有效減小波導(dǎo)尺寸,提高集成度,不僅實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān),而且結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低,在未來的集成光路中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

1 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)通信速率及容量的需求越來越高,波分復(fù)用技術(shù)作為提高通信容量的典型解決方案得到了廣泛研究.解復(fù)用器是波分復(fù)用技術(shù)中的核心器件,用于分離多個(gè)波長,最常見的器件結(jié)構(gòu)包括馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometers,MZI)型[1]、多模干涉 (multimode interference,MMI) 型[2]、光子晶體 (photonic crystal,PhC)型[3]、陣列波導(dǎo)光柵 (arrayed waveguide grating,AWG)型[4]、定向耦合器 (directional coupler,DC)型[5-6]等.其中,MZI型解復(fù)用器尺寸偏大且高損耗； MMI型、PhC型和AWG型解復(fù)用器偏振依賴性高且?guī)捿^低； 而DC型解復(fù)用器因其結(jié)構(gòu)簡單、損耗低及帶寬高,在光子集成方面得到了廣泛應(yīng)用.

迄今為止,大多數(shù)DC型解復(fù)用器是在絕緣體上硅 (silicon-on-insulator,SOI) 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的,尺寸及損耗偏大,影響光子集成度.例如,文獻(xiàn) [5]提出了一種基于SOI波導(dǎo)的偏振有關(guān)單纖三向器,其中DC波導(dǎo)的長度約等于6.3 mm,平均串?dāng)_約等于—18 dB； 文獻(xiàn) [6]提出了一種基于 SOI波導(dǎo)的偏振有關(guān)單纖三向器,其中DC波導(dǎo)的長度約等于8.3 mm,平均串?dāng)_約等于—20 dB.因此一種新的波導(dǎo)材料Si3N4[7-9]應(yīng)運(yùn)而生,成為研究熱點(diǎn).采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在SiO2上生長的Si3N4薄膜具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、損耗低、禁帶寬度寬等優(yōu)點(diǎn),有利于提高光子集成度.與SOI平臺(tái)相比,Si3N4/SiO2平臺(tái)表現(xiàn)出了損耗低、工藝容差性好及靈活性高等諸多優(yōu)勢(shì).

此外,大部分DC型解復(fù)用器都是偏振相關(guān)[10-12]的,即僅考慮某一個(gè)偏振模,這大大限制了其應(yīng)用范圍.實(shí)際上,正是由于橫電模 (transverse electric mode,TE)和橫磁模 (transverse magnetic mode,TM)的耦合長度不同,從而導(dǎo)致了DC型器件無法實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān).為解決這一問題,人們也陸續(xù)提出了若干結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)TE和TM偏振模的耦合長度相等.例如基于滯后效應(yīng)制備中間有淺槽的非對(duì)稱波導(dǎo)[13]； 采用彎曲 DC 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[14]； 以及采用脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[15]等.這些結(jié)構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了器件的偏振無關(guān),但同時(shí)還存在著尺寸較大、帶寬較小和損耗較大等缺點(diǎn).

本文提出了一種基于Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān) 1 × 2 DC 型解復(fù)用器.通過合理選擇夾層結(jié)構(gòu)芯區(qū)的折射率及波導(dǎo)間隙,可以調(diào)節(jié)同一波長兩個(gè)正交偏振模的耦合長度相等,實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)； 通過合理選擇夾層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)寬度,可以使兩個(gè)波長分別從不同輸出波導(dǎo)端口輸出,實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能.采用三維有限時(shí)域差分法(three-dimensional finite-difference time-domain,3 D-FDTD)進(jìn)行建模和分析,結(jié)果表明： 器件尺寸較小,DC 波導(dǎo)的長度僅為23 μm,僅為文獻(xiàn)[15]中DC波導(dǎo)長度的一半.同時(shí)性能優(yōu)越,損耗低且?guī)捀?在未來的集成光路中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

2 工作原理與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 DC工作原理

DC波導(dǎo)由兩根相距較近的直波導(dǎo)構(gòu)成,根據(jù)耦合模理論[16],當(dāng)兩根波導(dǎo)靠的很近時(shí),波導(dǎo)之間會(huì)發(fā)生橫向耦合,在光的傳輸方向上,光能量會(huì)周期性地在兩根波導(dǎo)中進(jìn)行轉(zhuǎn)移.

最常見的DC結(jié)構(gòu)由兩根結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的平行直波導(dǎo)組成,它們滿足相位匹配條件,當(dāng)光從第1根波導(dǎo)輸入時(shí),兩根波導(dǎo)中的能量隨著傳輸長度的增加周期性變化.在特定的長度Lc下,光能量第1次100%轉(zhuǎn)移至另一根波導(dǎo)中,Lc可表示為

其中,Lc被稱作耦合長度,βe和βo分別是偶模和奇模的傳播常數(shù).

2.2 夾層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)的原理

顧名思義,夾層結(jié)構(gòu)即是A/B/A結(jié)構(gòu),它由3層材料依次沉積而成,其中A與B材料的折射率不等.假設(shè)n0＞n1,由于高、低折射率材料間的電場(chǎng)不連續(xù)性,TE和TM偏振模將被局域在不同的材料層傳輸.夾層結(jié)構(gòu)常用于設(shè)計(jì)偏振無關(guān)器件[17-19],例如文獻(xiàn)[19]將MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與夾層結(jié)構(gòu)相結(jié)合,通過調(diào)整中間層材料的折射率使得TE和TM偏振模的拍長相等,從而實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)功能.

本文將夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于DC波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中,若要實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)功能,即要求同一波長的兩個(gè)正交偏振模的Lc相等.如果僅對(duì)中間層材料的折射率進(jìn)行調(diào)整,經(jīng) 3 D-FDTD 建模仿真表明： TE 偏振模的耦合長度總是大于TM偏振模的耦合長度,無法實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān).因此提出了一種新型夾層結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示,ne和ns分別為包層和襯底的折射率,中間B材料層的折射率為n0,波導(dǎo)寬度為W1；兩側(cè)A材料層的折射率為n1,波導(dǎo)寬度為W0,且W1＞W(wǎng)0.通過調(diào)節(jié)W0和W1的值,可以使得 DC波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中輸入波長的TE和TM偏振模的耦合長度相等,從而實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān).TE和TM偏振模在夾層波導(dǎo)中的場(chǎng)分布如圖1(b)和圖1(c)所示,TE偏振模局域在中間B材料層傳輸,TM偏振模則局域在兩側(cè)A材料層傳輸.

圖1 (a) 夾層結(jié)構(gòu)示意圖； (b) TE 偏振模在夾層波導(dǎo)中的場(chǎng)分布 (n0 ＞ n1)； (c) TM 偏振模在夾層波導(dǎo)中的場(chǎng)分布 (n0 ＞ n1)Fig.1.(a) schematic configuration of the sandwiched structure； (b) field distributions for the TE fundamental mode in a sandwiched waveguide (n0 ＞ n1)； (c) field distributions for the TM fundamental mode in a sandwiched waveguide(n0 ＞ n1).

2.3 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的DC型解復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示： 器件由DC波導(dǎo)、S波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)3部分構(gòu)成,其中DC波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩根平行直波導(dǎo)A和B組成,且波導(dǎo)A和B的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同.LDC為DC波導(dǎo)的長度,W0和W1分別為不同材料層的波導(dǎo)寬度,g0和g1分別為波導(dǎo)A和B的不同材料層之間的波導(dǎo)間隙,S波導(dǎo)的長度和寬度分別為Ls= 12 μm 和Ws= 2.5 μm.所有波導(dǎo)均采用夾層結(jié)構(gòu),以 DC 波導(dǎo)為例,如圖2(b) 所示,Si3N4層波導(dǎo)的高度和寬度分別為h1= 0.25 μm 和W0；SiNx層波導(dǎo)的高度和寬度分別為h0= 0.1 μm 和W1； 與之對(duì)應(yīng)的,g0為 Si3N4層波導(dǎo)之間的間隙,g1為SiNx層波導(dǎo)之間的間隙.離子輔助沉積方法可調(diào)節(jié)中間層SiNx[20-21]的折射率n(SiNx)在1.72—3.43 范圍內(nèi)變化,Si3N4的折射率約為 2； 另外 S 波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)與DC波導(dǎo)具有類似的截面結(jié)構(gòu),不再贅述.

圖2 解復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 俯視圖； (b) DC 波導(dǎo)截面示意圖Fig.2.Schematic configuration of the demultiplexer structure： (a) Top view； (b) cross section of the DC waveguide.

3 器件功能實(shí)現(xiàn)與性能分析

3.1 偏振無關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)

首先設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu),用于實(shí)現(xiàn)同一波長的兩個(gè)正交偏振模的Lc相等,達(dá)到偏振無關(guān)的目的.若要實(shí)現(xiàn)器件的偏振無關(guān),需要滿足(2)式.

其中,Lc(λ,TE)和Lc(λ,TM)分別表示波長為λ時(shí)的TE偏振模和TM偏振模的耦合長度.

圖3 給出了當(dāng)W0= 0.6 μm,W1= 0.7 μm,g1= 0.1 μm 時(shí),不同波長、不同偏振模的Lc和ΔLc(λ)(其中 ΔLc(λ) =Lc(λ,TE)—Lc(λ,TM))隨n(SiNx)的變化關(guān)系.當(dāng) ΔLc(λ) = 0 時(shí),滿足偏振無關(guān)條件(2)式,此時(shí)器件可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān).圖3(a)中虛線表示模式在傳輸過程中嚴(yán)重衰減； 實(shí)線則表示模式在傳輸過程中損耗低.因此,為保證傳輸質(zhì)量,n(SiNx) 需滿足大于等于 2.7.此外,隨著n(SiNx)的增大,同一波長所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正交偏振模的Lc均隨之單調(diào)增加,且Lc(λ,TE)的增長幅度大于Lc(λ,TM).由圖3(b)可知,隨著n(SiNx)的增大,無論是波長 1310 nm 還是 1550 nm,其 ΔLc(λ)均呈現(xiàn)由負(fù)到正的變化,且單調(diào)遞增.當(dāng)|ΔLc(λ)|大時(shí),Lc(λ,TE)與Lc(λ,TM)差值也大,實(shí)現(xiàn)器件的偏振無關(guān)比較困難,因此希望n(SiNx)盡量偏小.綜上,選取n(SiNx) = 2.7,圖3(a)中用綠色環(huán)標(biāo)注出了此時(shí)所有Lc的值,它們并不完全相等.這在圖3(b)中更加明顯,當(dāng)n(SiNx) = 2.7 時(shí),兩個(gè)波長所對(duì)應(yīng)的|ΔLc(λ)|均不等于零.

圖3 當(dāng) W0 = 0.6 μm,W1 = 0.7 μm,g1 = 0.1 μm 時(shí),(a) Lc,(b) ΔLc(λ)隨 n(SiNx)的變化關(guān)系Fig.3.(a) Lc,(b) ΔLc(λ) as a function of n(SiNx) when W0 =0.6 μm,W1 = 0.7 μm,g1 = 0.1 μm.

圖4 當(dāng) (a) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.6 μm,(b) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.7 μm,(c) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.7 μm,(d) W0 = 0.5 μm,W1 =0.8 μm 時(shí),Lc隨 g1 的變化關(guān)系Fig.4.Lc as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.6 μm,(b) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.7 μm,(c) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.7 μm,(d) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.8 μm.

為了實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)性能,需要進(jìn)一步探討夾層波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)W0,W1及波導(dǎo)間隙g1對(duì)不同波長的兩個(gè)正交偏振模的Lc的影響.本文選取了若干組W0和W1的值,且g1的值在 0.05—0.2 μm 范圍內(nèi)變化,觀察Lc隨g1的變化關(guān)系.圖4給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),Lc隨g1的變化關(guān)系,其中圖4(a)—(d)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)依次為W0= 0.4 μm,W1=0.6 μm；W0= 0.4 μm,W1= 0.7 μm；W0= 0.5 μm,W1= 0.7 μm；W0= 0.5 μm,W1= 0.8 μm.由圖4可知,隨著W0和W1值的增大,兩個(gè)波長所分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正交偏振模的Lc均隨之增大； 隨著g1的增大,同一波長所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正交偏振模的Lc均隨之單調(diào)增加,且Lc(λ,TE)的增長幅度大于Lc(λ,TM),從而使得兩者存在交叉點(diǎn),交叉點(diǎn)處Lc(λ,TE) =Lc(λ,TM) (圖4 中的虛線環(huán)標(biāo)示了各個(gè)交叉點(diǎn)).

雖然對(duì)于 1310 nm和 1550 nm兩個(gè)波長來說,交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的g1并不相同,但是值得注意的是,ΔLc(1310 nm)隨著g1的增大而有明顯地增加,而 ΔLc(1550 nm) 隨著g1的增大變化幅度較小,在 0 附近波動(dòng),如圖5 所示.因此,合理選擇g1,可以使得ΔLc(1310 nm)逐漸趨于0,而ΔLc(1550 nm)本身就對(duì)g1的變化不敏感,在0附近波動(dòng),最終使得兩個(gè)波長均滿足(3)式,

可以較好地實(shí)現(xiàn)器件的偏振無關(guān).

3.2 波長分離功能的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)各個(gè)波長的偏振無關(guān)功能實(shí)現(xiàn)后,需要在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多波長的分離功能.Port2和Port3的歸一化輸出功率[22,23]可以表示為：

圖5 當(dāng) (a) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.6 μm,(b) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.7 μm,(c) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.7 μm,(d) W0 = 0.5 μm,W1 =0.8 μm 時(shí),ΔLc(λ)隨 g1的變化關(guān)系Fig.5.ΔLc(λ) as a function of g1 when (a) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.6 μm,(b) W0 = 0.4 μm,W1 = 0.7 μm,(c) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.7 μm,(d) W0 = 0.5 μm,W1 = 0.8 μm.

其中,Pbar是 Port2 的輸出功率,Pcross是 Port3 的輸出功率.為了實(shí)現(xiàn)波長分離功能,引入一個(gè)功率參數(shù)P：

其中,Lc(1310 nm)和Lc(1550 nm)分別表示輸入波長為 1310 nm 和 1550 nm 時(shí)的耦合長度.當(dāng)且僅當(dāng)P值等于0或者2時(shí),即當(dāng)兩個(gè)波長在DC波導(dǎo)中傳輸時(shí),其中一個(gè)波長發(fā)生奇數(shù)次耦合,同時(shí)另一個(gè)波長發(fā)生偶數(shù)次耦合,此時(shí)1310 nm和1550 nm兩個(gè)波長將分別從兩個(gè)輸出端口輸出,實(shí)現(xiàn)波長分離.

因此,當(dāng)器件的設(shè)計(jì)同時(shí)滿足(3)式和(6)式時(shí),即可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)功能和波長分離功能.表1給出了幾組不同的W0和W1,通過優(yōu)化仿真,可以確定同時(shí)滿足(3)式和(6)式時(shí)對(duì)應(yīng)的g1和LDC.由表1 可知,當(dāng)W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm 時(shí),器件的尺寸最小,LDC僅為 23 μm.同時(shí)對(duì)表1 所涉及的DC型偏振無關(guān)解復(fù)用器的性能指標(biāo)分別進(jìn)行了仿真計(jì)算,給出了不同波長的兩個(gè)正交偏振模的透過率.如表2 所示,當(dāng)W0= 0.4 μm,W1=0.8 μm 或者W0= 0.5 μm,W1= 0.9 μm 時(shí),透過率指標(biāo)整體最優(yōu).綜合表1和表2可知,當(dāng)DC型解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm 時(shí),器件尺寸小,性能指標(biāo)優(yōu)越.

表1 DC 型偏振無關(guān)解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1.Structural parameters of the polarizationinsensitive DC demultiplexer.

表2 DC 型偏振無關(guān)解復(fù)用器的透過率Table 2.Transmittance of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

綜上,當(dāng)參數(shù)取LDC= 23 μm,W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm,n(SiNx) = 2.7 時(shí),可以實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)的 1 × 2 DC 型解復(fù)用器.此時(shí)1310 nm 和 1550 nm 2 個(gè)波長所對(duì)應(yīng)的 2 個(gè)正交偏振光信號(hào)傳播的光場(chǎng)分布如圖6所示： 1310 nm的兩個(gè)偏振模傳輸了Lc(1310 nm)的距離,經(jīng)由S 波導(dǎo)從輸出端口 Port3 輸出； 1550 nm 的兩個(gè)偏振模傳輸了 2 ×Lc(1550 nm)的距離,經(jīng)由 S 波導(dǎo)從輸出端口Port2輸出.設(shè)計(jì)的器件成功分離了1310 nm 和 1550 nm,且實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān).

3.3 性能分析

對(duì)于解復(fù)用器,最重要的性能是插入損耗(Insertion Loss,IL)和串?dāng)_ (Crosstalk,CT),其定義如(7)式和(8)式所示：

其中,Pin是輸入波導(dǎo)中的功率,Pd和Pu分別是目標(biāo)輸出波導(dǎo)和非目標(biāo)輸出波導(dǎo)中的輸出功率(例如,對(duì)于 1310 nm 波長,Pd和Pu分別是 Port3 和Port2 的輸出功率).本文設(shè)計(jì)的偏振無關(guān) 1 × 2 DC解復(fù)用器的各性能參數(shù)如表3所示,IL低至0.1 dB,輸出波導(dǎo)間的CT低至—26.23 dB.

實(shí)際上,光源并不是單色光,因而需要考慮光波長變化對(duì)器件性能的影響.對(duì)于解復(fù)用器而言,通常用3 dB帶寬進(jìn)行衡量.圖7給出了歸一化輸出功率隨波長的變化關(guān)系,由圖7(a)可見,當(dāng)入射光的波長變化范圍為1140—1430 nm時(shí),Port3的輸出光功率仍保持在輸入光功率的一半以上,也即對(duì)于 1310 nm 波段,3 dB 帶寬可以達(dá)到 290 nm.同理,由圖7(b)可得,對(duì)于 1550 nm 波段,3 dB帶寬也可以達(dá)到200 nm.本文設(shè)計(jì)的DC型解復(fù)用器表現(xiàn)出了優(yōu)越的高帶寬性能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他文獻(xiàn) [11-12,14-15].

此外,我們還將本文所設(shè)計(jì)器件與其他DC型偏振無關(guān)解復(fù)用器的性能參數(shù)比較,如表4所示.其中為各波長不同偏振態(tài)入射時(shí)的IL的平均值,為各波長不同偏振態(tài)入射時(shí)的CT的平均值.通過對(duì)比可見： 本文所設(shè)計(jì)的DC型解復(fù)用器不僅實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān),且尺寸最小,具有結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低等優(yōu)點(diǎn).

圖6 偏振無關(guān) 1×2 DC 解復(fù)用器件的光場(chǎng)分布圖 (a) 1310 nm,TE 波； (b) 1310 nm,TM 波； (c) 1550 nm,TE 波； (d) 1550 nm,TM 波Fig.6.Field distributions of the DC demultiplexer： (a) Quasi-TE mode,at 1310 nm； (b) quasi-TM mode,at 1310 nm； (c) quasi-TE mode,at 1550 nm； (d) quasi-TM mode,at 1550 nm.

表3 偏振無關(guān) 1 × 2 DC 解復(fù)用器的性能參數(shù)Table 3.Performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

圖7 Port2 和 Port3 兩端口歸一化輸出光功率隨波段的變化 (a) 1310 nm 波段； (b) 1550 nm 波段Fig.7.Output powers (normalized to the input power)from Ports 2 and 3 as the wavelength varies： (a) 1310 nm band； (b) 1550 nm band.

表4 DC型偏振無關(guān)解復(fù)用器的性能參數(shù)比較Table 4.Comparison of performances of the polarization-insensitive DC demultiplexer.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān) 1 × 2 DC 解復(fù)用器,用于分離1310 nm 和 1550 nm 兩個(gè)波長.首先討論了如何利用Si3N4/SiNx/Si3N4夾層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān),分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),Lc隨g1的變化關(guān)系,最終得出結(jié)論： 通過合理選擇g1,可以使得Lc(λ,TE) ≈Lc(λ,TM),從而實(shí)現(xiàn)器件的偏振無關(guān).然后對(duì)如何實(shí)現(xiàn)波長分離功能進(jìn)行了討論,給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),器件的尺寸及透過率指標(biāo)的對(duì)比,確定了當(dāng)參數(shù)取LDC= 23 μm,W0= 0.4 μm,W1= 0.8 μm,g1= 0.08 μm,n(SiNx) = 2.7 時(shí),兩個(gè)波長分別從不同輸出波導(dǎo)端口輸出,器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)和解復(fù)用功能.最后對(duì)器件的性能進(jìn)行了分析,基于Si3N4/SiO2平臺(tái)使器件表現(xiàn)出了高帶寬的優(yōu)越性能,且有效的減小了器件的尺寸.該解復(fù)用器的DC 波導(dǎo)的長度僅為 23 μm,在 1310 nm(1550 nm)工作波長下,TE模與TM模的IL分別為0.1 dB(0.32 dB)與0.16 dB(0.76 dB),輸出波導(dǎo)間的CT 分別為—20.92 dB(—21.62 dB)與—26.23 dB(—24.2 dB).器件結(jié)構(gòu)緊湊,性能優(yōu)越,在新型集成光子系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.