應(yīng)用于CWDM的四通道角度多模干涉耦合器的仿真設(shè)計(jì)

張贊允，程 倩，劉宏偉，李鴻強(qiáng)

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 西青 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 西青 300387)

0 引言

近年來(lái)，信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，并由此帶動(dòng)了光電子通信技術(shù)不斷取得突破。光波分復(fù)用器件是光電子通信技術(shù)中關(guān)鍵的元器件之一，它能夠有效提高電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的容量和質(zhì)量，從而改善整個(gè)光通信系統(tǒng)的性能。隨著成熟的硅光子技術(shù)逐漸走向商業(yè)化，通信系統(tǒng)對(duì)WDM器件的性能提出了更高的要求。低成本、大容量、低插入損耗和串?dāng)_、具有較強(qiáng)制造容差能力且易于集成的高性能WDM器件成為硅基光電子器件研究熱點(diǎn)之一。

之前，波分復(fù)用器件通常應(yīng)用于砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等低折射率差的非硅基平臺(tái)，隨著SOI技術(shù)的發(fā)展成熟，WDM器件近年來(lái)已成功地應(yīng)用于高折射率差的SOI平臺(tái)。當(dāng)前主流的波分復(fù)用器件如陣列波導(dǎo)光柵(AWGs)[1]、平面凹面光柵(PCGs)[2]、微環(huán)諧振腔(RR)[3]等在輸入輸出及自由傳播區(qū)域的表面，往往需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的淺刻蝕結(jié)構(gòu)來(lái)抑制波導(dǎo)模式失配帶來(lái)的插入損耗和串?dāng)_。同時(shí)這些光柵和微環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)于制造誤差非常敏感，其光譜移動(dòng)敏感度約為100 GHz/nm量級(jí)。如此高的制造誤差靈敏度會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中需要采用熱調(diào)諧或相位補(bǔ)償技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)波長(zhǎng)，這會(huì)額外增加制造復(fù)雜度和成本。1995年，Lucas B.Sodano等人提出了基于多模干涉耦合器(MMI)的波分復(fù)用器件[4]物理模型，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需單步刻蝕即可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，然而MMI只能實(shí)現(xiàn)大通道間隔的波分復(fù)用/解復(fù)用，無(wú)法滿足更小通道間隔的需求。2011年，Y.Hu等人首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于角度多模干涉型耦合器(AMMI)[5]實(shí)現(xiàn)四通道波分復(fù)用/解復(fù)用功能。AMMI器件是對(duì)MMI的改良，同樣只需單步刻蝕，消除了多個(gè)光刻步驟之間的對(duì)準(zhǔn)要求。相比其他WDM器件，AMMI具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)和制造、制造容差大等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果顯示器件的插入損耗小于2 dB，平均串?dāng)_小于-20 dB，然而該器件基于400 nm頂層硅厚度晶圓制造，限制了其與其他硅基光電子器件進(jìn)一步集成的能力。此后，為了提高通道數(shù)量同時(shí)避免尺寸過(guò)大，Y.Hu等人又基于相同波導(dǎo)平臺(tái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一組八通道交錯(cuò)型AMMI器件[6]，它由一個(gè)非等臂的馬赫曾德干涉儀(MZI)和兩個(gè)濾波波長(zhǎng)互補(bǔ)的四通道AMMI組合而成，實(shí)現(xiàn)了約為3 dB的插入損耗和約為-20 dB的通道串?dāng)_。為了面向不同的應(yīng)用需求，AMMI器件也被不斷拓展到不同的工作波段和不同的材料平臺(tái)并被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2015年，Milos Nedeljkovic等人基于硅基鍺材料平臺(tái)驗(yàn)證了通道間隔為20nm的五通道AMMI[7]，其插入損耗為 3 dB，串?dāng)_為-10 dB，測(cè)試波導(dǎo)傳輸損耗為1.4±0.24 dB/cm。由于硅的熱光系數(shù)高，基于SOI平臺(tái)上制造的AMMI在近紅外范圍內(nèi)對(duì)于溫度變化十分敏感，相較硅材料，氮化硅在近紅外波段具有較好的熱穩(wěn)定性。2017年，T.D.Bucio等人基于氮化硅平臺(tái)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種用于近紅外波段的AMMI[8]，其插入損耗和串?dāng)_分別小于2.5 dB和-30 dB，尺寸誤差靈敏度低于120 pm/nm，波長(zhǎng)隨溫度的偏移小于10 pm/℃。同年，J.H.Song等人基于氮化硅平臺(tái)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了工作在可見光波段面向熒光傳感應(yīng)用的AMMI波分復(fù)用解復(fù)用器件[9]。該工作同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)兩通道和一個(gè)三通道的波分復(fù)用器件，器件插入損耗分別為1.7 dB和2.7 dB，通道串?dāng)_小于-22 dB和-17 dB。雖然已報(bào)道的關(guān)于AMMI的研究工作已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但令人遺憾的是這些器件的工藝平臺(tái)均不兼容于主流的硅基光電子工藝平臺(tái)(220 nm頂層硅厚度)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與其他光電子器件的大規(guī)模集成；其次，上述AMMI器件的插入損耗和串?dāng)_等性能相比其它較為成熟的WDM器件而言還有待進(jìn)一步的改善。

基于此，我們對(duì)基于220 nm頂層硅厚度的SOI平臺(tái)對(duì)四通道角度多模干涉型耦合器進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，該器件主要由大尺寸的多模干涉波導(dǎo)和較寬的輸入輸出波導(dǎo)組成。光在多模波導(dǎo)中傳輸時(shí)，在波導(dǎo)側(cè)壁的光強(qiáng)和在波導(dǎo)分界面處的散射引起的損耗相較于單模波導(dǎo)更低，因此，器件的插入損耗相較于其它波分復(fù)用器件小得多。而輸入輸出波導(dǎo)的寬度大，有效避免了與多模波導(dǎo)及其它集成器件連接時(shí)的模場(chǎng)失配，進(jìn)一步減小了插入損耗。我們通過(guò)采用本征模式擴(kuò)展(EME)算法對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了兩組通道間隔不同的AMMI，器件面積在6 mm2左右，仿真結(jié)果顯示兩組AMMI的四個(gè)通道的光譜響應(yīng)良好，插入損耗分別低至0.51 dB和0.32 dB，-3 dB帶寬均為6 nm，幾乎能夠與AWG和串聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)相媲美，通道的非均勻度小于0.1 dB，串?dāng)_均在-27 dB以下。這表明基于該設(shè)計(jì)的AMMI作為四通道波分復(fù)用器件性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗稀疏光波分復(fù)用的功能，有望在硅基光收發(fā)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

1 多模波導(dǎo)色散自映像原理及四通道波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)

角度多模干涉耦合器(AMMI)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本器件設(shè)計(jì)基于2 μm埋氧層厚度，220 nm硅波導(dǎo)厚度和130 nm脊型波導(dǎo)刻蝕深度。器件由三部分組成：寬度為b的多模波導(dǎo)、寬度為a的輸入和輸出波導(dǎo)。當(dāng)入射光從輸入波導(dǎo)以傾斜角θ斜入射進(jìn)入多模波導(dǎo)后，沿波導(dǎo)傳播方向，將周期性的復(fù)制出輸入場(chǎng)的單像或多像[10]，最終在光場(chǎng)傳輸方向特定的距離L處，出現(xiàn)輸入場(chǎng)的反向自映像點(diǎn)，設(shè)置輸出波導(dǎo)，可獲得穩(wěn)定的輸出。其中，Li是輸入波導(dǎo)至第i個(gè)輸出波導(dǎo)的長(zhǎng)度，Xmin是兩相鄰輸出波導(dǎo)側(cè)壁間的垂直距離，整個(gè)器件我們采用本征模式擴(kuò)展算法(EME)建模仿真，并對(duì)輸入輸出波導(dǎo)的寬度a和傾斜角θ進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化。

1.1 四通道波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)1550 nm附近四通道的光波分復(fù)用功能，我們?cè)诙嗄２▽?dǎo)的輸出端放置四個(gè)相互平行的輸出波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)的位置的選擇是為了匹配不同波長(zhǎng)輸入場(chǎng)的反向自映像點(diǎn)，工作波長(zhǎng)為λi的基模輸入場(chǎng)的反向自映像點(diǎn)的位置由色散方程[4]給出

(1)

其中m=1,2,3,…，b是多模波導(dǎo)的寬度，λi是第i個(gè)輸出通道的工作波長(zhǎng)，neff是多模波導(dǎo)區(qū)域基模的有效折射率，可通過(guò)光學(xué)仿真軟件Lumerical Mode solutions快速計(jì)算得出，m是多模波導(dǎo)自映像的級(jí)次。為了減小器件的長(zhǎng)度，我們通常取m=1。將公式(1)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行微分，可得由波長(zhǎng)變化量dλ引起的相鄰輸出波導(dǎo)間距的變化量

(2)

(3)

其中Xmin應(yīng)足夠大，才能保證相鄰輸出波導(dǎo)之間串?dāng)_可忽略不計(jì)。公式(1)-(3)給出了AMMI設(shè)計(jì)的一般原則，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：多模波導(dǎo)的寬度b，輸入輸出波導(dǎo)的寬度a和傾斜角θ。但是，上述公式只有在其模式相位系數(shù)的幅值滿足傍軸近似時(shí)才能得到基模輸入場(chǎng)的高質(zhì)量自映像點(diǎn)，多模波導(dǎo)的第p個(gè)激發(fā)模式的相位系數(shù)[5]為

(4)

在此條件下，m=1的公式(1)代表的多模波導(dǎo)傳播平面內(nèi)所有對(duì)稱模式的相位差為2π的整數(shù)倍，所有的反對(duì)稱模式相位差為π的整數(shù)倍，對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式的相位相差π。因此，器件在特定工作波長(zhǎng)下能呈現(xiàn)出完美的反像，實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸出波導(dǎo)處的功率耦合。公式(4)是由下式給出的相位系數(shù)表達(dá)式的完整解析形式二項(xiàng)式展開的前兩個(gè)項(xiàng)

(5)

需要注意的是，公式(1)-(3)只有(ρλ/2neffb)2≤1時(shí)才是精確的。因此，只憑公式計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)AMMI器件可能會(huì)存在誤差，具體設(shè)計(jì)參數(shù)還需要進(jìn)一步的建模仿真才能確定，上述公式能快速計(jì)算得出器件的大致長(zhǎng)度及通道間隔，作為精確設(shè)計(jì)器件參數(shù)的建模參考。

為了快速對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們首先選定多模波導(dǎo)寬度b，將其初值設(shè)置為20 μm。經(jīng)計(jì)算，該波導(dǎo)寬度下多模波導(dǎo)有效折射率neff=2.85，根據(jù)公式(1)我們計(jì)算得出1550 nm工作波長(zhǎng)處的多模波導(dǎo)長(zhǎng)度L理論值為2942 μm。為了避免相鄰輸出波導(dǎo)間的光串?dāng)_，我們將輸出波導(dǎo)側(cè)壁間的垂直間距Xmin設(shè)定為1 μm。在確定了以上設(shè)計(jì)參數(shù)后，我們對(duì)輸入輸出波導(dǎo)的寬度以及傾斜角進(jìn)行優(yōu)化以得到最好的器件性能。

由于設(shè)計(jì)參數(shù)較多，我們假定其余參數(shù)不變，只改變一個(gè)參數(shù)來(lái)分析其對(duì)器件性能的影響，參考Y.Hu等人的設(shè)計(jì)[11]并結(jié)合之前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們將輸入輸出波導(dǎo)寬度a設(shè)定為8 μm，多模波導(dǎo)的長(zhǎng)度設(shè)定為公式估算值2942 μm，對(duì)不同的輸入輸出波導(dǎo)的傾斜角θ分別進(jìn)行仿真，再通過(guò)掃描多模波導(dǎo)的長(zhǎng)度找到不同角度下的最佳成像點(diǎn)，并基于該長(zhǎng)度進(jìn)一步掃描波長(zhǎng)，最終計(jì)算出不同角度下器件的傳輸光譜，進(jìn)而分析得到插入損耗、通道串?dāng)_、最小通道間隔、自由光譜范圍(FSR)等性能指標(biāo)。角度對(duì)器件性能的影響如圖2(a)和(c)所示，其中圖2(c)左軸表示計(jì)算得到的器件兩相鄰輸出波導(dǎo)間的最小通道間隔，是設(shè)定a=8 μm、Xmin=1 μm時(shí)不同輸入輸出波導(dǎo)傾斜角對(duì)應(yīng)的相鄰兩通道中心濾之差，它代表器件實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的頻譜利用能力。右軸表示的自由光譜范圍(FSR)是指同一通道的光譜響應(yīng)曲線相鄰兩波峰之間的距離，決定著可利用的波長(zhǎng)范圍，低串?dāng)_波分復(fù)用器件的FSR應(yīng)大于等于通道數(shù)N與最小通道間隔δλmin的乘積，即FSR≥N×δλmin。結(jié)合兩圖可以看出，15°時(shí)器件的插入損耗和串?dāng)_最小，但其最小通道間隔為15 nm。19°和21°兩處的插入損耗和串?dāng)_均較小，然而角度的增加會(huì)導(dǎo)致多模波導(dǎo)相位逐漸不滿足傍軸近似條件，成像質(zhì)量惡化。所以綜合考慮插入損耗、串?dāng)_和通道間隔的折衷設(shè)計(jì)，我們選擇19°作為輸入輸出波導(dǎo)的傾斜角，進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

輸入輸出波導(dǎo)的寬度與器件性能的關(guān)系如圖2(b)和(d)所示，隨著a的不斷增加，器件的插入損耗和串?dāng)_都隨之減小。這表明輸入輸出波導(dǎo)的寬度越大，器件的波長(zhǎng)選擇特性越好。由圖2(d)可以看出，隨著a的增加，器件的最小通道間隔增加，同時(shí)自由光譜范圍逐漸降低。圖3為不同輸入輸出波導(dǎo)寬度下器件的光場(chǎng)圖，(a)、(b)、(c)三幅子圖分別為輸入輸出波導(dǎo)寬度a=4 μm、a=8 μm和a=13 μm時(shí)的器件光場(chǎng)分布圖，由圖可知，a=4 μm的輸入光場(chǎng)在進(jìn)入多模波導(dǎo)后的成像較為雜亂，勉強(qiáng)看出三重像的位置。a=8 μm和a=13 μm時(shí)波導(dǎo)的成像點(diǎn)排布整齊，接近波導(dǎo)末端的輸出端，明顯出現(xiàn)了穩(wěn)定且清晰的一重像，在這個(gè)位置放置輸出波導(dǎo)，可得到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，中心位置出現(xiàn)了二重像，完全符合多模波導(dǎo)成像點(diǎn)的規(guī)律。這是因?yàn)檩斎胼敵霾▽?dǎo)的寬度越大，與多模波導(dǎo)連接時(shí)由模場(chǎng)失配引起的損耗就越小。但是由于a與dL的值成正比，由圖2(d)和公式(3)，器件的最小通道間隔隨a的增大而增大。因此，在進(jìn)行器件設(shè)計(jì)時(shí)，一方面我們可以通過(guò)增大輸入輸出波導(dǎo)寬度來(lái)改善器件插入損耗、通道串?dāng)_等性能；另一方面我們也要保證a的值滿足器件通道間隔的設(shè)計(jì)要求。

此外，由于輸入輸出波導(dǎo)的寬度較大，入射光在經(jīng)由輸入波導(dǎo)進(jìn)入多模波導(dǎo)時(shí)，可以簡(jiǎn)單的用線性光學(xué)的理論進(jìn)行分析，根據(jù)線性光學(xué)，器件的最大通道數(shù)Nmax[11]應(yīng)滿足條件

(6)

b和θ的值已經(jīng)確定，而本器件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)四通道的波分復(fù)用器件，所以a的值應(yīng)小于等于9 μm。我們既要滿足低插入損耗和串?dāng)_的要求，又要保持較小的通道間隔。表1是綜合考量上述分析結(jié)果后，選取a=8 μm和a=9 μm設(shè)計(jì)的兩組AMMI參數(shù)，兩組結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)12 nm和14 nm通道間隔

表1 四通道AMMI的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 輸入輸出波導(dǎo)taper的優(yōu)化

在與光柵、電光調(diào)制器等其它器件進(jìn)行集成時(shí)，通常需要用寬度較小的單模波導(dǎo)進(jìn)行連接。為了解決AMMI輸入輸出波導(dǎo)與單模波導(dǎo)之間模場(chǎng)失配等問(wèn)題，我們通常需要在多模波導(dǎo)和單模波導(dǎo)之間采用一種絕熱錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以下簡(jiǎn)稱taper。它能減小多模/單模波導(dǎo)之間模式轉(zhuǎn)換光損耗，同時(shí)還可以減小多模波導(dǎo)自映像的模式相位差從而提高成像質(zhì)量。對(duì)于130 nm刻蝕深度、500 nm寬的脊形單模波導(dǎo)，我們同樣采用本征模式擴(kuò)展分析法(EME)分別對(duì)a=8 μm和a=9 μm所對(duì)應(yīng)的兩組taper進(jìn)行了建模仿真。

圖4中內(nèi)嵌圖(a)為taper的結(jié)構(gòu)示意圖，其寬度為a的一側(cè)接AMMI的輸入輸出多模波導(dǎo)，另一側(cè)接寬度為500 nm的單模波導(dǎo)，寬度從大到小呈線性變化。由taper長(zhǎng)度與損耗的關(guān)系可知，寬度為9 μm的taper比8 μm的taper需要的長(zhǎng)度更大，才能獲得同樣高的模式轉(zhuǎn)換效率。例如，如果想要實(shí)現(xiàn)0.03 dB的taper插入損耗，采用8 μm輸入輸出波導(dǎo)寬度相比9 μm寬度可以將taper長(zhǎng)度有效縮短25 μm。內(nèi)嵌圖(b)為計(jì)算得到a=8 μm、taper長(zhǎng)度為176 μm時(shí)taper內(nèi)光場(chǎng)分布圖，圖中可以看出光在不同尺寸光波導(dǎo)之間的模斑轉(zhuǎn)換和絕熱光傳輸過(guò)程。采用拋物線型taper結(jié)構(gòu)[12，13]可以更加有效降低taper長(zhǎng)度，使得AMMI器件整體更加緊湊同時(shí)更加易于集成。

2 結(jié)果討論分析

通過(guò)采用EME算法對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的仿真分析，最終我們確定了兩組AMMI的設(shè)計(jì)參數(shù)：多模波導(dǎo)寬度為20 μm，輸入輸出波導(dǎo)寬度分別為8 μm和9 μm，傾斜角為19°，我們選定1530、1542、1554、1566 nm作為a=8 μm時(shí)的目標(biāo)通道波長(zhǎng)，1530、1544、1558、1572 nm作為a=9 μm時(shí)的目標(biāo)通道波長(zhǎng)。兩組器件的總長(zhǎng)度約為3 mm，taper的長(zhǎng)度282 μm，此長(zhǎng)度下，兩組taper的損耗小于0.001%。

圖5 (a) θ=19°，a=8 μm時(shí)四通道AMMI的光譜響應(yīng);(b) θ=19°，a=9 μm時(shí)四通道AMMI的光譜響應(yīng)

圖5(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)兩組AMMI設(shè)計(jì)的光譜響應(yīng)，圖中可以看出，當(dāng)a的寬度分別為8 μm和9 μm時(shí)，通道非均勻度均小于0.1 dB，器件插入損耗分別為0.51 dB和0.32 dB，平均通道串?dāng)_約為-25 dB和-20 dB，-3 dB帶寬為6 nm，整個(gè)器件的面積在0.06 mm2量級(jí)。隨著輸入輸出波導(dǎo)寬度從8 μm增大到9 μm，器件的插入損耗和平均串?dāng)_都有所降低，最小通道間隔從12 nm增至14 nm，同時(shí)FSR從53 nm減小到52 nm，對(duì)于a=8 μm，F(xiàn)SR能夠滿足要求，但是當(dāng)a=9 μm時(shí)，F(xiàn)SR至少需要56 nm才能實(shí)現(xiàn)通道之間的低串?dāng)_，所以由圖5(b)，通道1和通道4之間的相互串?dāng)_顯著增加。在實(shí)際應(yīng)用中，若要實(shí)現(xiàn)更加密集的波分復(fù)用，可以考慮增大角度或者減小輸入輸出波導(dǎo)的寬度，基于我們之前的分析，這在一定程度上會(huì)以插入損耗和串?dāng)_的惡化為代價(jià)。同理若要減小器件的插入損耗，降低串?dāng)_，可以考慮減小角度(或增加a的值)。

若不考慮器件的最小通道間隔，我們可以通過(guò)減小角度改善器件的插入損耗和串?dāng)_。圖6是輸入輸出波導(dǎo)角度為15°，a=8 μm和a=9 μm時(shí)AMMI的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出，兩組器件的插入損耗分別為和0.29 dB 和0.17 dB，通道間的平均串?dāng)_約為-34 dB，相比19°的AMMI更低，最小通道間隔分別為15 nm和18 nm，對(duì)于此通道間隔，滿足低串?dāng)_要求下需要的最小FSR分別為60 nm和72 nm，但當(dāng)a=9 μm時(shí)，實(shí)際的FSR只有65 nm，所以與θ=19°時(shí)一樣，通道1和通道4之間的相互串?dāng)_增加。15°時(shí)AMMI-3 dB帶寬為7 nm，比19°高出1 nm，所以角度減小的同時(shí)帶寬增加。

綜合圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，減小角度或者增大輸入輸出波導(dǎo)寬度都可以在一定程度上減小插入損耗，但同時(shí)通道間隔也會(huì)增加，特別是對(duì)于輸入輸出波導(dǎo)寬度增加的情況，不斷減小的自由光譜范圍會(huì)導(dǎo)致通道間的串?dāng)_惡化，不利于器件性能的提升。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮器件的性能指標(biāo)，選擇合適傾斜角和輸入輸出波導(dǎo)寬度。

圖6 (a) θ=15°，a=8 μm時(shí)四通道AMMI的光譜響應(yīng)；(b) θ=15°，a=9 μm時(shí)四通道AMMI的光譜響應(yīng)

3 結(jié)論

本文基于本征模式擴(kuò)展算法仿真分析了應(yīng)用于CWDM的角度MMI四通道波分復(fù)用器件，基于多模波導(dǎo)的色散自映像原理，該器件能有效實(shí)現(xiàn)C波段的波分復(fù)用解復(fù)用功能，具有良好的波長(zhǎng)選擇特性，器件面積在0.06 mm2量級(jí)。我們主要仿真分析了輸入輸出波導(dǎo)傾斜角和寬度對(duì)角度MMI性能的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算掃描并綜合考慮各個(gè)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)需求，我們確定了輸入輸出波導(dǎo)角度為19°、輸入輸出波導(dǎo)寬度分別為8 μm和9 μm時(shí)的兩組器件為目標(biāo)器件，分別實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)通道間隔為12 nm和14 nm的波分復(fù)用/解復(fù)用，插入損耗僅為0.51 dB和0.32 dB，平均串?dāng)_低于-27 dB。由于輸入輸出波導(dǎo)寬度為9 μm時(shí)，AMMI自由光譜范圍變小使得第二組器件通道1和通道4之間存在較大串?dāng)_。同時(shí)本文還仿真了輸入輸出波導(dǎo)角度為15°時(shí)的兩組對(duì)照組器件，仿真結(jié)果顯示，對(duì)照組插入損耗更低，然而對(duì)應(yīng)的最小通道間隔同比增加3 nm和4 nm。該器件設(shè)計(jì)基于主流的220 nm頂層硅厚度的SOI平臺(tái)，具有制造工藝簡(jiǎn)單，容差能力強(qiáng)，易于集成等優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于對(duì)穩(wěn)定性要求高，大規(guī)模集成的WDM系統(tǒng)中。