单纤三向器件Tprilexer-的平面光波导芯片结构设计.doc
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单纤三向器件Triplexer平面光波导芯片结构设计
陈霞，陈思乡
（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070）
摘要：
本文对采用平面光波导技术的单纤三向器件Triplexer芯片结构的参数进行了优化设计，对单元结构的光谱响应进行了模拟计算，通过数值模拟分析了结构的工艺容差性。
结果表明，采用双模耦合器和Mach-Zehnder干涉仪结构可以得到工艺容差性高、光谱响应优良的适用的Triplexer器件。
关键词：
单纤三向器件，平面光波导，双模耦合器，M-Z干涉仪
Designoptimizationoftriplexerchipbasedonplanarlightwavecircuit
ChenXia,ChenSixiang
（SchoolofElectromechanicsEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070）
Abstract:
Designoptimizationofanovelintegratedtriplexerbasedonplanarlightwavecircuit（PLC）forfiber-to-thepremiseapplicationsisdescribed.ThetwomodeinterferenceandMach-zehnderinterferometerareusedtoconstructthefilterchip.Simulationresultsofhighisolationandlowinsertionlossaregottenforproposeddesign.Andtechniquetoleranceisimprovedtobeapplicableforfabricating.device
Keyword:
tri-directionaldevice,PLC,twomodeinterference,Mach-zehnderinterference
1、引言
单纤三向器件Tprilexer是下一代接入网技术FTTH光网络中关键的不可或缺的器件之一，包含两个下路波长1490nm、1550nm和一个上路波长1310nm的滤波或复用/解复用，三个波长的带宽要求不同，分别为100nm、20nm和10nm。
Triplexer复用/解复用主要有两个难点：
一是三个波长是非均匀分布且波长（或频率）跨度大，二是每个波长的带宽不同且相差较大。
目前的解决方法是基于传统分立元件的薄膜滤波片（TFF）滤波技术，但是这种方式引入了大量的分立元件和装配工序，使得器件的成本较高。
平面光波导（PLC）技术被认为是能够克服用于大批传统分立元件缺点、适量生产的、能集成化和小型化的、大幅度降低成本的比较有前途的技术。
TriplexerPLC芯片的结构现在主要有几种形式：
1）波导＋膜片混合集成形式【1,2】，2）耦合器＋波导BRAGG光栅结构【3】，3）MMI（Multi-ModeInterferometer）干涉仪＋AWG（ArrayedWaveguideGrating）结构【4】，4）MZI（Mach－ZehnderInterferometer）干涉仪型结构【5】，5）EDG（EchelleDiffractionGrating）结构【6】。
上述几种方法各有特点，但由于存在诸如器件尺寸、插入损耗、通道带宽、隔离度或工艺容差性等的问题，目前还没有成熟的实用性的产品面世。
本文提出一种采用双模耦合器和MZI干涉仪的新的结构形式，获得了较好的光谱响应和工艺容差性。
2、设计原理
包含两个输入输出双模耦合器的M-Z干涉仪的结构如图1（a）所示，当干涉仪的两个臂长度不等时，光波在两个臂中传播后会聚时具有一定的相位差，干涉仪对产生干涉的两束光的作用可以用传输矩阵来表示。
假定输入端口1、2的光场为E0和0，归一化的输出光强为：
（1）
（2）
其中表示Mach－Zehnder干涉仪两臂之间的相位差。
当两个耦合器的耦合比均为1：
1，即相位因子为π/4时，归一化输出光强可以写为：
（3）
于是可以得到输出口a、b光强最大时波长的表达式：
（4）
其中m为干涉级次，因此可以在输出端口得到不同的波长响应。
波长响应的频率间隔为：
（5）
输出端口光场的响应为类正弦形式，一般采用多级级联的方式，通过选择合适的耦合比和配置不同的干涉臂长度差可以形成平顶光谱响应的WDM滤波器。
图1（b）是两级级联的形式，同样假定输入的光场为E0和0，输出端口的光场复振幅为：
（6）
（7）
其中：
根据傅立叶级数展开的理论，矩形函数可以展开为正弦函数的叠加，或者基频和相应高频正弦函数的叠加合成为矩形函数，因此假定：
，那么端口a、b的归一化输出光强分别为：
（8）
k1
k2
L1
L2
1
2
a
b
k1
k2
ΔL1
ΔL2
1
2
a
b
k3
图1、具有双模干涉耦合器的MZI干涉仪及其级联形式示意图
（a）双模耦合器的MZI干涉仪（b）二级级联形式
Fig.1TheM-ZInterferometerwithtwomodecouplersandcascades
（a）M-ZInterferometerwithtwomodecouplers（b）MZIcascades
（a）
（b）
（9）
输出光强是三个耦合器相位因子和Mach-Zehnder干涉仪相位差的函数，包含干涉仪相位因子正弦谐波的一次项和三次项，因此通过适当选择耦合器耦合比和干涉仪的相位差可以得到较为平坦的光谱响应。
3、TriplexerPLC芯片结构设计和模拟
3.1、结构参数优化设计和模拟
采用图1（b）的二级MZI级联作为单元结构，选取硅基二氧化硅典型的波导参数：
折射率差Δ＝0.75%，波导截面尺寸为6um×6um。
设计时首先将1310nm波长作为一组输出，而将1490nm、1550nm波长作为另一组输出，两组波长间的中心频率间隔为约32000GHz，利用频率间隔公式（5）粗略计算出MZI的路径差ΔL，再根据公式（4）综合考虑输出中心波长位置，得到W1单元结构的ΔL=3.03um。
利用公式（8）、（9）进行耦合参数优化，确定双模耦合器在1550nm处的耦合比分别为k1=0.9373，k2=0.9534，k3=0.9123，从而构成W1单元结构，分离出1310nm波长的光波。
1.36um
1.48-1.50um
1.55-1.56um
5%
95%
图2、单元结构的模拟光谱响应（a）W1单元结构（b）W2单元结构
Fig.2SpectrumresponsesofW1（a）andW2（b）units
1.25um
5%
95%
1.55-1.56um
1.48-1.50um
1.47um
（a）
（b）
Wavelength
Wavelength
RelativeOpticalPower
RelativeOpticalPower
图2（a）为W1单元结构的模拟输出光谱，可以看出，1310nm波长95％以上的光功率在直通端口输出，0.22dB（95％）带宽为106nm，覆盖了ITU要求的1310nm波长100nm带宽范围；而1490nm和1550nm波长在交叉端口输出，ITU要求的相应带宽也均在光谱响应的0.22dB范围之内。
同样，选择1490nm和1550nm波长对应的频率间隔8000GHz，可以确定W2单元结构ΔL=6.03um，优化结构参数得到在1550nm时k1=0.3673，k2=0.2524，k3=0.0226，从而构成W2单元结构分离出这两个波长。
图2（b）是W2单元结构输出通道的模拟光谱响应，1490nm波长在直通端口输出，而1550nm波长在交叉端口输出，ITU要求的1490nm波长20nm带宽和1550nm波长10nm带宽均在光谱响应的0.22dB通带范围内，对这两个波长具有较好的滤波作用。
3.2、工艺容差性模拟分析
平面光波导在制作过程中总会存在误差，误差的大小与工艺水平有关，在误差模拟过程中我们选取典型的误差范围：
纵向（波导长度方向）误差为0.5％，而横向（波导宽度方向）误差为0.1um。
纵向误差主要影响MZI两臂的路径差从而改变相干光的相位差，使中心波长产生漂移；横向误差主要影响耦合器的耦合系数，使通道光谱响应发生变形或中心波长产生漂移。
在误差模拟分析时我们考虑了纵向误差±0.5%和横向误差±0.1um以及两种误差之间的组合共8种情况。
模拟结果表明，尽管误差对通道光谱响应有影响，但三个波长及ITU带宽都在0.22dB响应范围之内，保持了单元结构的光谱性能，其中＋0.5％/－0.1um误差组合情况影响最为严重，导致1490nm波长带宽处于光谱响应的0.22dB边缘。
因此总体来说，采用双模耦合器优化设计的滤波单元结构具有较好的工艺容差性，克服了方向耦合器和MZI工艺敏感性的缺点，达到了适用性的工艺制作技术要求。
3.3、TriplexerPLC芯片结构设计
单元结构滤波还不足以达到对波长隔离度的要求，需要采用单元结构级联方式，图3为由W1、W2单元结构构成的一种级联结构，根据W1和W2光谱响应可以得到级联结构的通道隔离度或串扰，如表1所示。
可以看出设计结构的隔离度或串扰都满足ITU的要求标准，由该滤波结构引入的1310nm、1490nm、1550nm的插入损耗（不包括波导损耗）分别为0.88dB，1.1dB，1.1dB。
表1、设计结构的通道波长隔离度或串扰
隔离度
或串扰
1550nm/
1490nm
1550nm/
1310nm
1490nm/
1550nm
1490nm/
1310nm
1310nm/
1490nm
1310nm/
1550nm
ITU标准
≤-30dB
≤-30dB
≤-30dB
≤-30dB
≤-45dB
≤-45dB
设计结构
≤-39dB
≤-52dB
≤-39dB
≤-52dB
≤-50dB
≤-50dB
1310nm
1490nm
1550nm
W1
W1
W1
W1
W1
W2
W2
W2
W2
W2
1310nm
1550nm
1490nm
图3、级联式TriplexerPLC芯片结构
Fig.3Schematicarchitectureofcascadingbasedtriplexerchip
4、结论
利用双模耦合器和MZI结构的级联方式得到了对1310nm、1490nm、1550nm波长具有较好光谱响应的平面光波导型的Triplexer芯片结构，结构的隔离度和串扰都满足ITU的标准要求，并且具有小的插入损耗和好的工艺容差性；采用该设计结构，基于PLC制造技术可以得到性能优异、成本低廉的Triplexer器件。
致谢：
感谢深圳大学光电子学研究所的段子刚博士提供的帮助！
参考文献
1、M.Yanagisawa,Y.Inoue,etal,“Low-lossandcompactTFF-embeddedsilica-waveguideWDMfilterfo
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