650 nm 聚合物陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器設(shè)計(jì)

譚震宇，張 峰，陳長鳴，孫小強(qiáng)，王 菲 ，張大明

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130012)

1 引 言

在三網(wǎng)融合和光纖入戶的推進(jìn)過程中，工作在650 nm 波段的塑料光纖傳輸系統(tǒng)是很有希望的解決方案之一。此外，在飛機(jī)、艦艇等短距離通信環(huán)境中，650 nm 的塑料光纖傳輸系統(tǒng)也有很強(qiáng)的競爭力。與石英光纖相比，塑料光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，如制造簡單、價(jià)格低廉、接續(xù)方便和力學(xué)性能良好等［1］。作為波分復(fù)用系統(tǒng)核心器件的650 nm聚合物陣列波導(dǎo)光柵( AWG) 波分復(fù)用器，可實(shí)現(xiàn)光交叉互連、光分插復(fù)用等多項(xiàng)功能，由于具有集成度高的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)、窄帶寬間隔的波分復(fù)用。此外其低成本，高性能的優(yōu)勢，有利于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。目前，該器件已成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2-5］，這些器件大多集中在1 550 nm紅外波段［6］，有關(guān)紅光波段的4 信道、波長間隔為1 nm 的聚合物AWG 器件［7］已于2010年見報(bào)。

本文定位于短距離塑料光纖通信這一新興領(lǐng)域，基于塑料光纖系統(tǒng)常用的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 材料體系，對(duì)650 nm AWG 的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了650 nm AWG 波分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)，給出了16 信道的AWG 版圖。

2 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料性能表征

大多數(shù)聚合物材料在紅光波段損耗極小，具有易于制作，便于集成，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，極低損耗的紅光波段單模波導(dǎo)已有報(bào)道［8］。聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯［P( MMA-GMA) ］聚合物材料與塑料光纖兼容，對(duì)650nm 波段的光吸收小，成膜均勻性好。采用自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作為波導(dǎo)包層材料，以雙酚A 型環(huán)氧樹脂作為高折射率調(diào)節(jié)劑，采用二者在共聚物中的不同配比來調(diào)節(jié)芯層材料和包層材料的折射率的相關(guān)工作也有報(bào)導(dǎo)［9-10］。P( MMAGMA) 共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式及其合成路線以及高折射率調(diào)整劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。

由于AWG 器件工作在高階衍射狀態(tài)，對(duì)材料的折射率非常敏感，因而材料折射率的精確測量將直接影響器件的性能，目前，多采用橢偏法對(duì)聚合物薄膜的折射率進(jìn)行精確測量。圖2 為橢偏儀( J.A. Woollam Co. Inc.，M-2000 UI) 測得的芯層和包層聚合物材料折射率隨波長變化的曲線，圖中顯示，在650 nm 波長下，芯層材料折射率為1.547，包層材料折射率為1.530。

圖1 P( MMA-GMA) 和折射率調(diào)節(jié)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式圖Fig.1 Chemical structure diagram of P( MMA-GMA)and refractive index modifier

圖2 材料折射率隨波長變化的曲線Fig.2 Dependence of wavelength on refractive index

2.2 波導(dǎo)尺寸設(shè)計(jì)

由于大部分光功率集中在波導(dǎo)芯中傳輸，此時(shí)電磁場的主要分量集中在波導(dǎo)的橫截面上，采用馬卡梯里近似法，在650 nm 波長下，針對(duì)P( MMA-GMA) 材料體系對(duì)矩形波導(dǎo)進(jìn)行求解。特征方程和傳播常數(shù)為:

取λ0=650 nm，n1=1.547，n2=n3=n4=n5=1.53，a=b，得到波導(dǎo)尺寸與波導(dǎo)有效折射率nc的關(guān)系曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，為實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的單模傳輸，選取波導(dǎo)芯寬度和厚度a=b=2 μm。

圖3 有效折射率與波導(dǎo)尺寸的關(guān)系Fig.3 Relation between rectangle waveguide dimension and effective refractive index

圖4 為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，利用光束傳播法( Beam Propagation Method，BPM) 對(duì)650 nm 波長下波導(dǎo)的傳輸光場進(jìn)行仿真，得到如圖5 所示的光場分布，圖中顯示該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以對(duì)650 nm 波長光實(shí)現(xiàn)單模傳輸，并且大部分光場能量被束縛在波導(dǎo)芯層中。

圖4 波導(dǎo)截面示意圖Fig.4 Schematic of waveguide cross-section

圖5 理論模擬的波導(dǎo)截面光場能量分布Fig. 5 Simulated optical field energy distribution of waveguide profile

3 AWG 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

AWG 器件利用凹面光柵原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的解復(fù)用和復(fù)用，即分波和合波功能。AWG 解復(fù)用器的工作原理如圖6 所示: 當(dāng)含有多個(gè)波長的復(fù)信號(hào)光經(jīng)中心輸入信道波導(dǎo)輸入，在輸入平板波導(dǎo)內(nèi)會(huì)發(fā)生衍射，到達(dá)輸入凹面光柵上進(jìn)行功率分配，并以同樣的相位耦合進(jìn)入陣列波導(dǎo)區(qū)。經(jīng)陣列波導(dǎo)傳輸后，因相鄰的陣列波導(dǎo)保持有相同的長度差ΔL，相鄰陣列波導(dǎo)的某一波長的輸出光就具有相同的相位差，不同波長的光此相位差不同，因此可以設(shè)計(jì)合適的輸出波導(dǎo)的位置，以便不同波長的光在輸出平板波導(dǎo)中發(fā)生衍射并聚焦到不同的輸出信道波導(dǎo)位置，經(jīng)輸出信道波導(dǎo)輸出后完成了波長分配即解復(fù)用功能。這一過程的逆過程，即如果信號(hào)光反向輸入，則完成復(fù)用功能。AWG 波分復(fù)用器設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)有:波導(dǎo)芯的厚度b和寬度a，波導(dǎo)的有效折射率nc，衍射級(jí)數(shù)m，相鄰波導(dǎo)間距d，相鄰陣列波導(dǎo)的長度差ΔL，平板波導(dǎo)的焦距f，自由光譜區(qū)( Free Spectrum Region，F(xiàn)SR) 等。

圖6 AWG 原理圖Fig.6 Schematic diagram of AWG multiplexer

(1) 首先完成650 nm 波段單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，選擇a=b=2 μm。

(2) 輸入輸出波導(dǎo)的個(gè)數(shù)選為16，滿足實(shí)際要求。

(3) 信道間波長間隔參考ITU-T( 國際電信聯(lián)盟) 在紅外通信波段規(guī)定的參考間隔100 GHz 的倍數(shù)來選定，選為600 GHz(0.845 nm) 。

(4) 衍射級(jí)數(shù)m與相鄰陣列波導(dǎo)長度差ΔL、平板波導(dǎo)焦距f和自由光譜區(qū)FSR 之間的關(guān)系如式(8) ～(10) 所示，相鄰波導(dǎo)間距d越小，整體器件尺寸越小，但是當(dāng)d接近波導(dǎo)寬度時(shí)，會(huì)使串?dāng)_增大。綜合考慮，取d為12 μm，由以下公式可得如圖7 所示曲線。

圖7 衍射級(jí)數(shù)m 與FSR，f 和ΔL 的關(guān)系Fig.7 Relations between the FSR，f，ΔL and m

從圖7 可以看出，當(dāng)衍射級(jí)數(shù)增大時(shí)，陣列波導(dǎo)長度差ΔL增大，而平板波導(dǎo)焦距f和衍射級(jí)數(shù)FSR 則減小。m在選取時(shí)，應(yīng)保證自由光譜區(qū)FSR 大于NΔλ，考慮到實(shí)際器件工作時(shí)存在光源波長漂移等因素，選FSR 為(N+2) Δλ 左右。取FSR=15.21 時(shí)，由輸出平板波導(dǎo)衍射級(jí)數(shù)公式m=integer( λ0/FSR)［7］計(jì)算出m=43。此時(shí)相鄰陣列波導(dǎo)長度差ΔL=18.047 μm，平板波導(dǎo)焦距f=6 128.93 μm。陣列波導(dǎo)越多，AWG 的遠(yuǎn)場衍射條紋就越窄越亮，背景光就越弱，衍射效率就越高，輸出信道間的串?dāng)_就越小。所以在工藝條件允許的條件下，陣列波導(dǎo)數(shù)2M+1 取值應(yīng)盡可能大。但考慮到實(shí)際制作工藝的難度，選擇陣列波導(dǎo)數(shù)2M+1 =71。表1 列出了650 nm 波段聚合物AWG 波分復(fù)用器的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

表1 650 nm 聚合物AWG 波分復(fù)用器的參數(shù)優(yōu)化值Table 1 Optimized parameters of polymer AWG wavelength division multiplexer at 650 nm

通過對(duì)AWG 中輸入/輸出( I/O) 波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)的幾何參數(shù)，如彎曲半徑、波導(dǎo)長度和每條波導(dǎo)在版圖中的坐標(biāo)等進(jìn)行具體的模擬計(jì)算，得到AWG 的版圖結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 AWG 設(shè)計(jì)版圖Fig.8 Schematic layout of designed AWG device

4 性能模擬

綜合上述優(yōu)化參數(shù)，利用Optiwave( BPMWDM) 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的AWG 器件的光傳輸特性進(jìn)行模擬，得到如圖9 所示的傳輸光譜。由模擬結(jié)果可以看出，器件的16 個(gè)信道光傳輸性能良好，插入損耗小于14 dB，串?dāng)_小于-25 dB，信道間隔平均值為0.845 01 nm/channel。

圖9 理論模擬的AWG 傳輸光譜圖Fig.9 Simulated transmission spectrum of AWG

5 結(jié) 論

本文對(duì)中心波長為650 nm 的16 信道AWG器件進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。選擇自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作為波導(dǎo)材料，使用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為折射率調(diào)節(jié)劑，根據(jù)材料的折射率設(shè)計(jì)出單模波導(dǎo)截面尺寸，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)出AWG 器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制了版圖。模擬結(jié)果顯示: 器件插入損耗小于14 dB，串?dāng)_小于-25 dB，信道間隔平均值為0.845 01 nm/channel。

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