波長間隔為3.2 nm 的電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件研究

王水柔，陳鶴鳴，劉雪，潘萬樂

（1 南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院，南京 210023）

（2 南京郵電大學(xué)貝爾英才學(xué)院，南京 210023）

0 引言

現(xiàn)代社會，互聯(lián)網(wǎng)深入人們生活的方方面面，人們對通信容量和傳輸速度的需求也在不斷增加?，F(xiàn)如今，針對單個器件的研究已趨近成熟，但如何既保持器件的良好性能，又巧妙地將多個器件級聯(lián)在同一個芯片上是解決目前通信系統(tǒng)所面臨瓶頸的重要路徑之一［1-2］。硅基光電子單片集成可以與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝高兼容，具有集成度高、價格低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。

硅基電光調(diào)制器主要有微環(huán)諧振腔型［3-4］、馬赫-曾德爾型（Mach-Zehnder，MZ）［5-7］和光子晶體諧振腔型［8-9］（Photonic Crystal Resonator，PCR）等。2014 年，SHAKOOR A 等［10］研究設(shè)計出了具有高品質(zhì)因數(shù)的一維光子晶體納米梁腔型電光調(diào)制器，但是該器件的消光比較低，只有11 dB。波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)主要有微環(huán)諧振腔型［11］、馬赫曾德爾干涉型［12］和PCR 型［13-15］等。2018 年，YANG D 等［16］設(shè)計了一種基于一維光子晶體納米梁腔的八信道波分解復(fù)用器，實現(xiàn)了8 個波長的解復(fù)用功能。

考慮到人們對小體積、高容量、大帶寬和集成化的光互聯(lián)技術(shù)的需求，在同一芯片上實現(xiàn)光電集成是滿足該需求的最佳途徑。近幾年來對基于光子晶體的電光調(diào)制器和波分復(fù)用器進(jìn)行一體集成的研究也在逐步推進(jìn)。2015 年，ITO H 等［17］提出了一種由硅基光子晶體MZ 調(diào)制器、三角形耦合微環(huán)復(fù)用器和光開關(guān)組成的三通道集成器件，調(diào)制器的驅(qū)動電壓為1.75 V，消光比超過3 dB，相鄰信道間的串?dāng)_值低于-20 dB，器件尺寸較大，為2.0 mm×0.7 mm。2019 年，PITRIS S 等［18］設(shè)計了一種波長間隔為6.75 nm 的四通道電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件，調(diào)制器的驅(qū)動電壓為1.82 V，同樣器件尺寸較大，為5.2 mm×2.7 mm。2020 年，LIU Xue 等［19］利用L3 腔設(shè)計了一種用于電光調(diào)制和粗波分復(fù)用的集成器件，該器件插入損耗小于1 dB，消光比超過20 dB，調(diào)制深度均為0.99，信道串?dāng)_小于-20 dB，器件尺寸較小，僅為17.83 μm×17.3 μm×0.22 μm，但波長間隔較大，為20 nm。本文提出了一種波長間隔為3.2 nm 的電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件。該集成器件的電光調(diào)制器模塊和波分復(fù)用器模塊均采用一維光子晶體納米梁腔的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在工作波長1 550.4 nm 和1 553.6 nm 下的電光調(diào)制和雙波長復(fù)用。

1 理論模型及原理分析

本文提出的電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件的工作原理如圖1 所示。左側(cè)和右側(cè)分別是由一維光子晶體納米梁腔和納米線波導(dǎo)構(gòu)成的波分復(fù)用模塊和電光調(diào)制模塊。該集成器件利用一維光子晶體納米梁腔和納米線波導(dǎo)，實現(xiàn)電光調(diào)制模塊的不同波長的“通”“斷”狀態(tài)調(diào)制和波分復(fù)用模塊的不同波長的下載功能。電光調(diào)制模塊采用納米梁腔與光子晶體波導(dǎo)側(cè)耦合的方式。在無（有）外電壓下，如果輸入的光信號波長與諧振腔的諧振波長一致（不一致），在腔的作用下，光信號不可以（可以）到達(dá)該模塊左側(cè)輸出端口，即可完成該模塊中的“斷”（“通”）狀態(tài)下的調(diào)制。波分復(fù)用器模塊中，經(jīng)過調(diào)制后光信號的波長與下載腔和反射腔的諧振波長一致時，光信號會在諧振腔的作用下耦合至集成器件的輸出端口，實現(xiàn)復(fù)用功能。

圖1 基于光子晶體的電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件的工作原理圖Fig.1 Working principle of integrated device based on photonic crystal electro-optic modulation and wavelength division multiplexing

電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件理論模型如圖2 所示。電光調(diào)制器的理論依據(jù)是等離子體色散效應(yīng)，即是通過向半導(dǎo)體硅材料中摻雜或注入自由載流子，在外置電壓的作用下電子和空穴的濃度變化會改變硅的有效折射率。當(dāng)工作波長在硅基材料中為1 550 nm 附近時，硅基材料的吸收系數(shù)和折射率隨著載流子濃度變化的對應(yīng)關(guān)系式為

圖2 電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件理論模型Fig.2 Theoretical model of integrated device based on photonic crystal electro-optic modulation and wavelength division multiplexing

式中，Δn和Δα分別為硅材料的折射率變化量和吸收系數(shù)變化量，ΔNe和ΔNh分別為單位體積內(nèi)電子和空穴的濃度變化量。

波分復(fù)用器模塊主要采用帶有反射腔和反射壁的雙通道波分復(fù)用器。分別用S+i和S-i代表圖2 中諧振腔1、2、3 和4 的輸入和輸出波幅值，γi代表的是幅值衰減因子，諧振腔1 和4 分別是調(diào)制器模塊的諧振腔，諧振腔2 和3 分別為復(fù)用模塊的下載腔和反射腔，在輸入波導(dǎo)的末端添加反射壁結(jié)構(gòu)。因整個腔的周圍均采用對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，且腔和波導(dǎo)的使用材料均相同，因此可以令γi=γ(i=1，2，3，…，6)，簡化推導(dǎo)過程的計算量。利用時域耦合模理論進(jìn)行分析。

對于諧振腔2 有

光信號輸入諧振腔2 的波幅值與從諧振腔2 輸出的波幅值之間存在關(guān)系：

式中，φ1、φ2、φ3和φ4表示的是相位延遲，ω2是諧振腔2 的諧振頻率。

同理可得，對于諧振頻率為ω3的諧振腔3 有

調(diào)制狀態(tài)為“通”時，當(dāng)入射光僅從端口1 輸入進(jìn)行分析，即S+8=0 和S+5=0。由式（3）～式（9）可得

同樣，由式（10）～式（13）可得

假設(shè)ω1=ω2=ω0，結(jié)合以上兩式可得

在端口3 處的輸出光信號為

聯(lián)立式（7）～式（9）和式（17）可得

利用上述關(guān)系式可以計算光從端口1 輸入后從端口3 輸出的透射率T1(ω)為

當(dāng)φ1=(2x+1)×π、φ2=(2y+1/2)×π、φ3=(2z+1/2)×π（x、y、z均取正整數(shù)）時，式（19）可以經(jīng)過化簡得到

同樣地，根據(jù)以上的推導(dǎo)思路可以計算端口2 的透射效率T2(ω)。

由式（12）和（13）可得

將式（15）和（16）代入式（23），當(dāng)滿足φ4=(2m+1/2)×π（m為正整數(shù)）時，端口2 的透射效率T2(ω)

經(jīng)過上述理論推導(dǎo)可以得到在理想情況下，輸出端口3 的T1(ω)可以達(dá)到100%，而輸出端口2 的T2(ω)為0，這樣可以完美地實現(xiàn)雙通道調(diào)制和波分復(fù)用功能。但需要滿足該模型的理想下載濾波條件為

1）波分復(fù)用器部分的下載腔和反射腔的諧振頻率要相同；

2）φ1=(2x+1)×π、φ2=(2y+1/2)×π、φ3=(2z+1/2)×π 和φ4=(2m+1/2)×π（x、y、z和m均為正整數(shù)）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

基于光子晶體納米梁腔的電光調(diào)制和波分復(fù)用集成器件三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該器件由納米線波導(dǎo)、納米梁腔、Al 電極以及二氧化硅包層組成。其中，納米線波導(dǎo)、納米梁腔、Al 電極位于二氧化硅包層之中。硅（圖中綠色部分）的折射率為3.4，二氧化硅包層（圖中灰色部分）的折射率為1.44。組成一維光子晶體納米梁腔的圓孔內(nèi)填充與包層一樣的折射率為1.44 的二氧化硅。兩側(cè)的Al 電極分別加在納米梁腔的上下兩側(cè)，上側(cè)為正極，下側(cè)為負(fù)極。

圖3 電光調(diào)制和波分復(fù)用的集成器件的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-dimensional structure of integrated devices based on electro-optic modulation and wavelength division multiplexing

2.1 一維光子晶體納米梁腔側(cè)耦合結(jié)構(gòu)

圖4 為一維光子晶體納米梁腔的結(jié)構(gòu)。根據(jù)圓孔半徑是否相同，納米梁腔可劃分為中間半徑漸變型的微腔區(qū)域和兩側(cè)半徑相等型的布拉格反射鏡區(qū)域。其中布拉格反射鏡區(qū)域可以降低光在此結(jié)構(gòu)中的傳輸損耗，提高透射率。根據(jù)QUAN Q 等［20-21］提出的具有超高Q 的一維光子晶體納米梁腔設(shè)計方法，核心思想是將圓孔在波導(dǎo)上的占空比f的取值由腔中心f= 0.2 向兩側(cè)遞減至f= 0.1，其中f的計算公式為：f=πR2/aW，R為圓孔的半徑，a為晶格周期常數(shù)，W為波導(dǎo)寬度。確定晶格常數(shù)與波導(dǎo)寬度的取值后，再由f與R之間的關(guān)系式，可以得到腔中心f=0.2 時所對應(yīng)的R值和f=0.1 時所對應(yīng)的R值。根據(jù)選取的漸變孔的個數(shù)，等間隔的設(shè)置半徑R的值。布拉格反射區(qū)域所有圓孔的半徑均設(shè)置為f=0.1 時對應(yīng)的R值，即與微腔兩側(cè)邊界的圓孔半徑取值相同。

圖4 一維光子晶體納米梁腔的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of one-dimensional photonic crystal nanobeam cavity

一維光子晶體納米梁腔與納米線波導(dǎo)側(cè)耦合的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，圖中的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：選取a=340 nm，W=550 nm，將一維光子晶體納米梁腔與硅基納米線直波導(dǎo)進(jìn)行側(cè)耦合，波導(dǎo)之間的耦合間隔g設(shè)置為100 nm，波導(dǎo)的厚度H均為220 nm。其中Nr代表的是微腔中心一側(cè)半徑漸變型圓孔的個數(shù)。

圖5 一維光子晶體納米梁腔與納米線波導(dǎo)側(cè)耦合的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of side-coupling between one-dimensional photonic crystal nanobeam cavity and nanowire waveguide

分析選取不同數(shù)目的Nr與諧振波長和透射率之間的關(guān)系。入射光波為TE 基模，從納米線波導(dǎo)左側(cè)輸入右側(cè)輸出，將探測器放置輸出端口，利用Lumerical 的3D-FDTD 進(jìn)行仿真分析，得到的透射譜如圖6 所示。從圖6 中可以看出，隨著Nr值不斷減小，諧振波長會向右偏移，透射率先減小后增大，但變化很微小。

圖6 諧振波長和透射率與Nr的關(guān)系Fig.6 The influence of Nr on transmittance and resonance wavelength

分析選取不同圓孔半徑的變化量ΔR與諧振波長和透射率之間的關(guān)系。固定Nr的值為17，則微腔區(qū)域的圓孔半徑由中心R=109 nm 向兩側(cè)逐漸遞減至R=77 nm，布格拉反射區(qū)域的圓孔半徑R=77 nm。在此基礎(chǔ)之上，調(diào)整R的取值，其中ΔR是半徑的變化量，然后進(jìn)行仿真可得到不同ΔR值對應(yīng)的透射譜如圖7 所示。從圖7 中可分析得到，隨著ΔR的減小，諧振波長向右移動，透射率減小，但下載品質(zhì)因數(shù)出現(xiàn)明顯減小。

圖7 諧振波長與透射率與ΔR 的關(guān)系Fig.7 The influence of ΔR on transmittance and resonance wavelength

通過上面的分析可以得到，一維光子晶體納米梁腔與波導(dǎo)進(jìn)行側(cè)耦合時，Nr和ΔR與諧振波長和透射率之間的關(guān)系。對比之下，可發(fā)現(xiàn)Nr和ΔR對諧振波長的影響很大，隨著Nr或ΔR減小，會使諧振波長變大；ΔR對透射率影響很大，隨著ΔR的減小，會使透射率減小。這有助于接下來控制信道的輸出波長值和優(yōu)化透射率。

2.2 電光調(diào)制器模塊

本文設(shè)計的電光調(diào)制器模塊結(jié)構(gòu)如圖8 所示。沿用2.1 節(jié)的納米梁腔與硅基納米線波導(dǎo)側(cè)耦合的方式，中間用厚度為20 nm 硅基薄層連接。該模塊的參數(shù)為：晶格周期a=340 nm，波導(dǎo)寬度W=550 nm，波導(dǎo)與諧振腔間隔距離g=100 nm，組成諧振腔微腔部分的中心一側(cè)半徑漸變型圓孔個數(shù)Nr為20 個，所有圓孔半徑的變化量ΔR=+8 nm。此時中心微腔一側(cè)的漸變型圓孔的半徑R由117 nm 等間隔的遞減至85 nm。但為了使諧振波長精確至1 550.4 nm，調(diào)整微腔中心兩個圓孔半徑（圖中標(biāo)記為紅色）為118.5 nm。分別在諧振腔上下兩側(cè)放置電極，上側(cè)為負(fù)極，下側(cè)為正極。

圖8 電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Electro-optic modulator structure diagram

圖9 是電光調(diào)制器模塊的電學(xué)摻雜示意圖。在納米梁腔的左右兩側(cè)進(jìn)行摻雜形成p-n 結(jié)，其中P+型區(qū)摻雜濃度為5.8×1019cm-3，P 型區(qū)摻雜濃度為1.2×1016cm-3、N+型區(qū)摻雜濃度為3×1019cm-3、N 型區(qū)摻雜濃度為1.2×1016cm-3。采用Device 軟件對該器件進(jìn)行仿真分析，可得到在不同電壓下的載流子濃度的分布和變化情況。當(dāng)驅(qū)動電壓為1.25 V 時，電子濃度變化量ΔNe=1.58×1018cm-3，空穴濃度變化量ΔNh=1.95×1018cm-3（如圖10）。根據(jù)式（1）電子和空穴濃度變化量與折射率變化量之間的關(guān)系，再將上述仿真結(jié)果值代入，可得納米梁腔周圍折射率改變量為0.005，即可實現(xiàn)對1 550.4 nm 的“通”狀態(tài)調(diào)制。圖11 是利用3D-FDTD 仿真得到的諧振波長為1 550.4 nm 的入射光分別在“通”和“斷”狀態(tài)下的透射譜圖，一維納米梁腔在V=0 時，入射光波長與諧振腔的工作波長一致，該入射光被耦合在腔內(nèi)，實現(xiàn)“斷”狀態(tài)的調(diào)制；在V=1.25 V 時，諧振腔的諧振波長發(fā)生偏移，與入射光波長不一致，此時入射光波不再被耦合在腔內(nèi)，實現(xiàn)“通”狀態(tài)的調(diào)制。

圖9 電光調(diào)制器載流子摻雜示意圖Fig.9 Schematic diagram of electro-optic modulator doping structure

圖10 兩端電壓為1.25 V 時P 型和N 型載流子濃度分布Fig.10 Carrier density distribution diagram when the voltage across both ends is 1.25 V

圖11 調(diào)制器分別在“通”和“斷”狀態(tài)下的透射譜圖Fig.11 Modulation reflectance spectra "on"and "off"states

2.3 波分復(fù)用器模塊

圖12 是信道間隔為3.2 nm 的雙通道波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。該模塊是通過將兩個諧振腔和兩個直波導(dǎo)等間隔地交替排列而成，其中在最下側(cè)的波導(dǎo)中增加了反射壁結(jié)構(gòu)，用于反射特定波長的光波，增加輸出端口C 處的透射率。兩個諧振腔分別是下載腔C1和反射腔C2，它們均是采用一維光子晶體納米梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)。由于兩個腔之間互相影響，波分復(fù)用模塊的諧振波長會發(fā)生偏移，因此結(jié)構(gòu)參數(shù)會在電光調(diào)制器模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)。該模塊腔C1和腔C2的晶格周期a、波導(dǎo)寬度W、波導(dǎo)與諧振腔間隔距離g、組成諧振腔微腔部分的中心一側(cè)半徑漸變型圓孔個數(shù)Nr、布拉格反射區(qū)域圓孔個數(shù)均與電光調(diào)制器模塊一致。腔C1的所有圓孔半徑變化量ΔR=+2 nm，腔C2的所有圓孔半徑變化量ΔR為0 且腔最中心的兩個圓孔（圖中標(biāo)記為紅色）半徑為111 nm。反射壁由半徑為77 nm 的10 個圓孔組成，其晶格常數(shù)與兩個腔一致。

圖12 波分復(fù)用器模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of wavelength division multiplexing module

根據(jù)上面集成器件的理論分析可知，為了提高輸出端口C 的透射率，腔C1與C2之間相位延遲參數(shù)和腔C1與反射壁之間的相位延遲參數(shù)均要為π/2 的整數(shù)倍。因此設(shè)置L1=5 050 nm，L2=8 347 nm，如圖12 所示。利用FDTD 模塊進(jìn)行3D 仿真，可以得到輸出端口B 和輸出端口C 處的透射譜如圖13 所示。從圖13 中可以看出，波長為1 550.4 nm 在端口B（虛線）和C（實線）分別有明顯的凹陷和凸起，說明1 550.4 nm 的光信號在端口B 處的透射率幾乎為0，而在端口C 處的透射率比較高。該器件可以實現(xiàn)1 550.4 nm 的波長下載功能。此外，波長為1 550.4 nm 的波在端口C 的透射率為86.7%。

圖13 波分復(fù)用器各端口透射譜圖Fig.13 Transmission spectrum of each port of wavelength division multiplexing module

如圖14 所示，從端口A 和B 分別輸入波長為1 550.4 nm 和1 553.6 nm 的TE 模光信號，可得到不同波長傳輸過程中的穩(wěn)態(tài)場分布。圖14（a）中，輸入工作波長為1 550.4 nm 光信號可以經(jīng)過諧振腔的作用后，從左側(cè)端口C 輸出；圖14（b）中，輸入工作波長為1 553.6 nm 的光信號與諧振腔的諧振波長不一致，因此可以直接從右側(cè)輸入端口B 傳輸至左側(cè)輸出端口C，因此該器件可以實現(xiàn)波長為1 550.4 nm 和1 553.6 nm 的波分復(fù)用功能。

圖14 波分復(fù)用器的穩(wěn)態(tài)場分布圖Fig.14 Steady-state field distribution diagram of wavelength division multiplexing

2.4 電光調(diào)制器與波長間隔為3.2nm 的波分復(fù)用器級聯(lián)模塊

將兩個電光調(diào)制器模塊與波分復(fù)用器模塊級聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖15 所示。M1 是調(diào)制波長為1 553.6 nm 模塊，M2 是調(diào)制波長為1 550.4 nm 模塊，M3 為波分復(fù)用模塊。M2 與M3 之間采用長度為s=8 000 nm 的彎曲波導(dǎo)進(jìn)行連接，以便放置電極；而M1 與M3 則使用等寬度的納米線波導(dǎo)直接連接。由前面理論分析中的式（20）可知，電光調(diào)制器模塊與波分復(fù)用模塊之間涉及兩個相位延遲參數(shù)須滿足以下關(guān)系φ1=(2x+1)×π 和φ4=(2m+1/2)×π，因此設(shè)置L3=25 070 nm，L4=34 800 nm。由于三個模塊之間相互影響，使諧振波長發(fā)生偏移，所以需要微調(diào)各個模塊的諧振腔中心兩個紅色圓孔（圖中用橢圓標(biāo)記區(qū)域）的半徑。經(jīng)過優(yōu)化后整個集成器件的參數(shù)設(shè)計為：所有模塊的晶格常數(shù)a=340 nm，波導(dǎo)寬度為W=550 nm，波導(dǎo)間隔寬度g=100 nm，Nr=20，微腔漸變型空氣孔半徑值范圍為109 nm～77 nm。M1 模塊：ΔR=+8 nm，微腔兩個中心圓孔半徑R1=112 nm；M2 模塊：ΔR=+8 nm，微腔兩個中心圓孔半徑R2=118.6 nm；M3 模塊：下載腔ΔR=+2 nm，反射腔兩個中心圓孔半徑R3=114.5 nm。

圖15 整體集成器件結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Overall integrated device structure diagram

3 性能分析

本文采用Lumerical 仿真軟件中的3D-FDTD 分析集成器件的調(diào)制電壓、插入損耗、消光比、調(diào)制深度、信道串?dāng)_值和調(diào)制速率。

仿真計算時，如圖16 所示，將波長1 550.4 nm 的TE 光信號放置在輸入端口B，當(dāng)驅(qū)動電壓為1.25 V 時，此時調(diào)制器為“通”狀態(tài)，其對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)場分布圖如圖16（a）所示；當(dāng)驅(qū)動電壓為0 時，此時調(diào)制器為“斷”狀態(tài)，其對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)場分布圖如圖16（b）所示。同樣地，將波長1 553.6 nm 的光信號放置在輸入端口A，當(dāng)驅(qū)動電壓分別為1.25 V 和0 時，調(diào)制器分別處于“通”和“斷”狀態(tài)，其對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)場分布圖如圖16（c）、圖16（d）所示。

圖16 集成器件的穩(wěn)態(tài)場分布圖Fig.16 Steady-state field distribution diagram of integrated devices

圖17（a）和（b）分別是波長為1 550.4 nm 和1 553.6 nm 的TE 光波在集成器件輸出端口C 處對應(yīng)的透射譜圖。圖17（a）中，當(dāng)在端口B 輸入中心波長為1 550.4 nm 的寬光譜時，“通”狀態(tài)下，1 550.4 nm 的入射光耦合至主波導(dǎo)并從端口C 輸出，透射率為81.50%，“斷”狀態(tài)下，1 550.4 nm 的光耦合至調(diào)制器的腔內(nèi)不再繼續(xù)向前傳輸，此時透射率為1.58%；圖17（b）中，當(dāng)在端口A 輸入中心波長為1 553.6 nm 的寬光譜時，“通”狀態(tài)下，1 553.6 nm 的入射光沿著主波導(dǎo)傳輸并從端口C 輸出，透射率為91.21%，“斷”狀態(tài)下，1 553.6 nm 的光耦合至調(diào)制器的腔內(nèi)不再繼續(xù)向前傳輸，透射率為0.51%。

圖17 集成器件“通”和“斷”狀態(tài)下透射譜圖Fig.17 Transmission spectrum of integrated device when the modulation state is "on"and "off"

在輸入波長分別為1 550.4 nm 和1 553.6 nm 下，該集成器件分別對應(yīng)的總插入損耗γIL、消光比ηER、調(diào)制深度D和信道串?dāng)_值CCT如表1 所示。

表1 集成器件性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of integrated devices

針對該集成器件的調(diào)制速率這一性能指標(biāo)來說，由于整體器件可以看成是兩個不同工作波長的調(diào)制和濾波模塊級聯(lián)，且兩者的設(shè)計結(jié)構(gòu)一致，因此以入射波長1 553.6 nm 為例，當(dāng)該集成器件分別處于“通”和“斷”狀態(tài)下時，利用3D-FDTD 進(jìn)行仿真，得到對應(yīng)的穩(wěn)定時間，如圖18 所示。由于器件的調(diào)制響應(yīng)時間應(yīng)以“通”狀態(tài)至“斷”狀態(tài)、“斷”狀態(tài)至“通”狀態(tài)中的較大值為準(zhǔn)，因此選取“通”狀態(tài)下的穩(wěn)定時間約為50 ps。當(dāng)電壓為0～2 V 時，硅在電場控制下的材料響應(yīng)時間為30 ps。

圖18 “通”“斷”狀態(tài)穩(wěn)定時間仿真模擬計算Fig.18 Simulation calculation of the stable time in the "on"and "off"states

調(diào)制速率V是與集成器件的系統(tǒng)總響應(yīng)時間T成反比，計算公式為

式中，tre為材料的響應(yīng)時間，ts為器件的穩(wěn)定時間。

因此，該集成器件的系統(tǒng)響應(yīng)時間為80 ps，由式（25）和式（26）可得，調(diào)制速率為12.50 GHz。

從表1 中可以看出兩波長對應(yīng)的總插入損耗分別為0.89 dB 和0.40 dB，按照光信號1 550.4 nm 和1 553.6 nm 在該集成器件的傳播路徑，首先分別計算得到了兩波長對應(yīng)在電光調(diào)制器模塊的損耗為0.13 dB和0.08 dB、在波分復(fù)用模塊中的損耗分別對應(yīng)為0.69 dB 和0.26 dB；其余剩下的能量損耗是由于光在硅基納米線波導(dǎo)的傳輸過程中會發(fā)生散射，兩波長對應(yīng)的損耗值分別為0.07 dB 和0.06 dB。總插入損損均低于0.89 dB，消光比ηER均大于17 dB，調(diào)制深度D均大于0.98，信道串?dāng)_值均低于-23.37 dB，調(diào)制速率為12.50 GHz。器件尺寸大小僅為71.34 μm×7.8 μm×0.22 μm。

將本文提出的集成器件的性能與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對比，見表2。從表2 可以看到，本文提出的調(diào)制與波分復(fù)用集成器件的波長間隔相對于其他文獻(xiàn)更小，驅(qū)動電壓相比之下也更低，僅為1.25 V。此外，該集成器件的結(jié)構(gòu)尺寸相比較于文獻(xiàn)［17］、［18］更小，有利于大規(guī)模片上集成。

表2 電光調(diào)制與波分復(fù)用集成器件的性能對比Table 2 Comparison with state-of-the-art integrated device for electro-optic modulation and wavelength-division multiplexing

由于器件在加工過程中存在著制作的工藝誤差，實際制作出的器件的幾何參數(shù)與仿真時理想情況下器件的幾何參數(shù)存在一定的誤差，因此會對器件的性能造成影響。光子晶體納米梁腔最中心的兩個圓孔的半徑對器件的性能有著較明顯的影響，為了分析器件的工藝誤差，利用3D-FDTD 對該參數(shù)仿真分析得出器件的透射率，得到工藝誤差的容差范圍。

圖19 是器件的工作波長為1 550.4 nm 時插入損耗與光子晶體納米梁腔最中心的兩個圓孔的半徑變化量之間的關(guān)系。在納米梁腔的設(shè)計中，腔中心兩圓孔的半徑的取值不同導(dǎo)致器件的諧振波長發(fā)生微小偏移，進(jìn)而影響器件的透射率。本文在波長為1 550.4 nm 時選取的中心空氣孔半徑為111 nm。當(dāng)空氣孔半徑變化量在-0.3 nm 和+0.3 nm 范圍之間時，從圖19 中可以看出器件的插入損耗均小于1.22 dB（透射率仍然大于75%），表明器件的性能良好。

圖19 插入損耗與中心圓孔半徑變化量的關(guān)系Fig.19 The influence of variation of center holes radius on insertion loss

4 結(jié)論

利用一維光子晶體納米梁腔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在工作波長1 550.4 nm 和1 553.6 nm 下TE 光的電光調(diào)制和雙波長復(fù)用。仿真結(jié)果表明該集成器件需要的調(diào)制電壓僅為1.25 V 時，即可完成“通”狀態(tài)下的調(diào)制與波分復(fù)用功能。此外集成器件具有插入損耗較低，消光比較高，調(diào)制深度大和信道串?dāng)_小的特點(diǎn)，性能優(yōu)良，該器件對于光互聯(lián)技術(shù)具有應(yīng)用價值。