線性錐形單環(huán)結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器特性研究

潘昌杉，魯懷偉，王富強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中國(guó)人民解放軍第93856部隊(duì)，甘肅 蘭州 730070)

線性錐形單環(huán)結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器特性研究

潘昌杉1，魯懷偉2，王富強(qiáng)3

(1.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中國(guó)人民解放軍第93856部隊(duì)，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)傳統(tǒng)十字波導(dǎo)結(jié)構(gòu)處存在交叉損耗問(wèn)題，研究了一種改進(jìn)的線性錐形單環(huán)結(jié)構(gòu)的光分叉復(fù)用器。給出了所用的線性錐形單環(huán)結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器(ROADM)模型，運(yùn)用自映像理論對(duì)交叉處的線性錐形十字結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析。通過(guò)FDTD仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm時(shí)，線性錐形結(jié)構(gòu)在交叉處的交叉損耗最小。對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和線性錐形結(jié)構(gòu)的ROADM的光譜圖和場(chǎng)分布進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后的線性錐形結(jié)構(gòu)在交叉處損耗小，法諾共振現(xiàn)象微弱，具有良好的濾波性能。

光通信；光分插復(fù)用器；錐形多模干涉耦合器；時(shí)域有限差分

光分叉復(fù)用器(Optical Add/Drop Multiplexer,OADM)作為光波分復(fù)用系統(tǒng)中(Wave Division Mult iplexing,WDM)的一個(gè)關(guān)鍵組件[1-2]，主要實(shí)現(xiàn)從光纖傳輸系統(tǒng)中下載通往本地的信號(hào)，同時(shí)上載本地用戶發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)用戶的信號(hào)進(jìn)入傳輸系統(tǒng)，而不影響其他波長(zhǎng)信道的傳輸，并且保持光域的透明性。隨著通信容量的急劇增長(zhǎng)以及各種新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，各地區(qū)的業(yè)務(wù)上下路也變得更加頻繁及復(fù)雜，傳統(tǒng)的固定波長(zhǎng)的OADM已無(wú)法適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并且得到輸出損耗小、尺寸小的器件更加困難[3-4]。

本文在文獻(xiàn) [5～11]的基礎(chǔ)上，在多模干涉區(qū)采用線性錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)抑制交叉處的散射損耗和串?dāng)_。針對(duì)SOI材料的錐形多模干涉(MMI)十字交叉結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究[7]，根據(jù)自映像原理，得到自映像位置，設(shè)計(jì)MMI十字交叉結(jié)構(gòu)，并對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。用FDTD對(duì)錐形MMI十字交叉結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的功率損耗及傳輸光譜進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證改進(jìn)后的線性錐形結(jié)構(gòu)能減小交叉損耗的正確性。

1 結(jié)構(gòu)和原理

光分叉復(fù)用器采用SOI材料，由波導(dǎo)芯區(qū)截面尺寸和芯區(qū)及包層折射率分布完全相同的兩個(gè)垂直的直波導(dǎo)和一個(gè)微環(huán)組成[7]。垂直波導(dǎo)的交叉處是線性錐形波導(dǎo)，而不是傳統(tǒng)的直波導(dǎo)，從而能在交叉處形成錐形多模干涉區(qū)域。其中錐形多模干涉區(qū)域由錐形波導(dǎo)連接，從而減小損耗，增加直波導(dǎo)和錐形多模干涉區(qū)域的耦合效率。本文研究采用的微環(huán)半徑為5 μm，直波導(dǎo)和微環(huán)的芯區(qū)均采用硅材料，芯區(qū)硅的折射率為3.48，包層采用二氧化硅材料，它的折射率為1.46，波導(dǎo)的寬度和高度為0.3 μm，工作波長(zhǎng)為1 520～1 580 mm[10]。

2 理論分析

采用自映像理論對(duì)交叉處的線性錐形十字微環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用耦合模理論和傳輸矩陣法對(duì)直波導(dǎo)和微環(huán)波導(dǎo)的耦合區(qū)進(jìn)行理論分析[13]。

2.1 線性錐形MMI結(jié)構(gòu)的自映像機(jī)理

線性錐形MMI耦合器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中傳播方向?yàn)閦，寬度方向?yàn)閥，厚度方向?yàn)閤，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，θ為錐形MMI耦合器的錐角，多模干涉區(qū)及其包層二維等效折射率分別為nr和nc。假設(shè)錐形MMI耦合器多模干涉區(qū)為階躍型波導(dǎo)，由色散方程可得

圖1 錐形MMI耦合器結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

所以，v階模和0階模在z處的平均傳輸常數(shù)差為

(3)

多模干涉區(qū)及其包層二維等效折射率分別為nr和nc，則多模干涉區(qū)寬度方程為

W(z)=Wi-2kz

(4)

式中，k=tanθ，為錐形MMI耦合器多模干涉區(qū)的漸變率，Wi為初始寬度。這里沒(méi)有采用以往文獻(xiàn)[2,6]中的寬度方程，原因是本文側(cè)重得出錐形MMI成像位置表達(dá)式及其一般成像規(guī)律。

(5)

(6)

在圖中，假設(shè)在z=0處的輸入場(chǎng)為

(7)

其中，cv是激勵(lì)系數(shù)；φv(y,0)為輸入場(chǎng)處的任何一個(gè)導(dǎo)模。多模干涉區(qū)的寬度隨z的增大而減小，導(dǎo)模數(shù)量也是隨z的增大而減小。在z處保持相同的激勵(lì)系數(shù)由M個(gè)導(dǎo)模疊加而成的橫向場(chǎng)分布可表示為

(8)

將式(6)帶入式(8)可得

(9)

2.2 設(shè)計(jì)和模擬

根據(jù)MMI耦合器自映像機(jī)理，設(shè)計(jì)出了線性錐形十字波導(dǎo)。在線性錐形多模干涉區(qū)，采用下列參數(shù)：工作波長(zhǎng)λ=1.55 μm ，折射率nc=1.46和nr=3.054(這是SOI結(jié)構(gòu)，利用等效折射率法計(jì)算出的等效折射率)，Wi=1.1 μm，θ=0.069，利用上述理論方法解得z=2 μm，在十字交叉點(diǎn)得到第一個(gè)自映像，z=3.9 μm在錐形多模干涉的輸出端得到第2個(gè)自映像。連接直波導(dǎo)和線性多模干涉區(qū)的部分為線性過(guò)濾波導(dǎo)。錐形十字波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，直波導(dǎo)區(qū)域?qū)挾葹閃1，錐形波導(dǎo)區(qū)域的小口徑寬度為W1、大口徑寬度為W2，錐形多模干涉區(qū)域的大口徑寬度為W3，長(zhǎng)度為L(zhǎng)mmi、小口徑寬度為W4，另一錐形波導(dǎo)區(qū)域的大口徑寬度為W5，長(zhǎng)度為L(zhǎng)t。輸入端口為R，輸出端口為T(mén)，回波反射端口為R。根據(jù)自映像機(jī)理結(jié)合自映像點(diǎn)成像位置可知Lt=1μm，Lmmi=3.9 μm。

圖2 基于線性錐形十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

利用FDTD模擬工作波長(zhǎng)為1 550 nm的線性錐形十字型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，當(dāng)非共振波長(zhǎng)的光從Input端口輸入，主信道的線性錐形結(jié)構(gòu)輸出端口處功率隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化均不一樣，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm時(shí)，豎直信道錐形結(jié)構(gòu)端口的輸出功率最小。此結(jié)構(gòu)說(shuō)明只要設(shè)置合適的自適應(yīng)位置，就可以降低功率損耗，該仿真得出了OADM的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化參數(shù)。

3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與線性錐形結(jié)構(gòu)的仿真對(duì)比

通過(guò)FDTD與Matlab的結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和線性錐形結(jié)構(gòu)的ROADM進(jìn)行場(chǎng)分布、功率損耗、光譜圖的分析對(duì)比，驗(yàn)證線性錐形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

如圖2所示，當(dāng)光從Input端口輸入，基于傳統(tǒng)十字交叉結(jié)構(gòu)和線性錐形結(jié)構(gòu)的Input端口和Add端口的非共振的光的場(chǎng)分布變化有著區(qū)別。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，線性錐形結(jié)構(gòu)的場(chǎng)分布在水平方向上少于傳統(tǒng)十字交叉結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閷?duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的線性錐形結(jié)構(gòu)可以減小在十字交叉處的的插入損耗，說(shuō)明改進(jìn)后的線性錐形結(jié)構(gòu)能減小豎直信道的插入損耗。假如以共振波長(zhǎng)的光從Input端口輸入，在相同的仿真時(shí)間下，兩種結(jié)構(gòu)的場(chǎng)分布也有所區(qū)別。仿真結(jié)果顯示，線性錐形結(jié)構(gòu)在十字交叉處及Output輸出端口的光少于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Drop端口輸出的共振波長(zhǎng)的光強(qiáng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。說(shuō)明線性錐形結(jié)構(gòu)的濾波性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)FDTD軟件對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和錐形結(jié)構(gòu)仿真，主信道Output端口和Input端口的功率隨時(shí)間的變化如圖3和圖4所示。兩種結(jié)構(gòu)在Input端口輸入功率相同的情況下，線性錐形結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出端與輸入端的比分別為93%和77%，進(jìn)一步說(shuō)明了采用線性錐形結(jié)構(gòu)能夠較好地實(shí)現(xiàn)低損耗的光傳輸。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)功率隨時(shí)間的變化

圖4 線性錐形結(jié)構(gòu)功率隨時(shí)間的變化

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出光譜圖

圖6 線性錐形結(jié)構(gòu)的輸出光譜圖

兩種結(jié)構(gòu)的仿真輸出光譜如圖5和圖6所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的插入損耗大、交叉耦合系數(shù)大、法諾現(xiàn)象明顯，譜線呈非對(duì)稱。非共振波長(zhǎng)的光串?dāng)_至豎直信道的光明顯高于線性錐形結(jié)構(gòu)。采用線性錐形結(jié)構(gòu)，譜線能呈較好的洛倫茲對(duì)稱分布，對(duì)ROADM的分波性能有明顯提高。這是由于在垂直交叉處存在錐形多模干涉區(qū)域，基于波導(dǎo)模場(chǎng)從輸入平面到它的中心和輸出平面自映像原理，能抑制散射和串?dāng)_。也說(shuō)明交叉耦合系數(shù)越小，譜線的對(duì)稱性越好。通過(guò)以上的對(duì)比分析，驗(yàn)證了線性錐形結(jié)構(gòu)的ROADM能實(shí)現(xiàn)低插入損耗、洛倫茲分布對(duì)稱的譜線形狀，能實(shí)現(xiàn)良好的濾波。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)ROADM器件十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)交叉處存在交叉損耗、尺寸大的特點(diǎn)，在交叉處采用線性錐形結(jié)構(gòu)，運(yùn)用錐形MMI耦合器的自映像機(jī)理進(jìn)行理論分析，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行FDTD仿真分析。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm時(shí)，交叉處的交叉損耗最小，最后對(duì)兩種結(jié)構(gòu)光譜圖和場(chǎng)分布進(jìn)行了比較，得出改進(jìn)后的線性錐形結(jié)構(gòu)的ROADM比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在交叉處結(jié)構(gòu)損耗小，有良好的濾波性能，并且法諾共振現(xiàn)象微弱，能較好地上下載濾波。所提出的線性錐形單環(huán)ROADM性能優(yōu)良，在DWDM光通信系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Characteristics of Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers Based on the Line-tapered Single Ring Structure

PAN Changshan1，LU Huaiwei2，WANG Fuqiang3

(1. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. School of Mathematics and Physics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;3. Troops of 93856, PLA, Lanzhou 730070, China)

For the loss at the cross of traditional structure, an improved optical add/drop multiplexer based on a line-tapered single ring structure is introduced. Firstly, a line-tapered single ring model of ROADM is provided, followed by a theoretical analysis of the images of the line-tapered structure and an analysis of the structure parameters using FDTD software. The simulation results show that the line-tapered structure achieves a minimum loss at the intersection withW2=0.78 μm,W3=1.15 μm,W4=0.785 μm, andW5=0.64 μm. The comparison of the conventional structure with the structure of linear-taper of ROADM’s spectrum and electric field shows that the linear-taper structure can achieve low-loss and a good filtering performance.

optical communications; reconfigurable optical add/drop multiplexer; line-tapered multimode interference coupler; FDTD

2016- 08- 28

潘昌杉(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：光纖通信器件等。魯懷偉(1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：光纖通信等。王富強(qiáng)(1988-)，男，碩士。研究方向：半導(dǎo)體器件等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.006

TN929.11

A

1007-7820(2017)05-020-04