650 nm 聚合物陣列波導光柵波分復用器設計

譚震宇，張 峰，陳長鳴，孫小強，王 菲 ，張大明

(吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室，吉林 長春130012)

1 引 言

在三網融合和光纖入戶的推進過程中，工作在650 nm 波段的塑料光纖傳輸系統是很有希望的解決方案之一。此外，在飛機、艦艇等短距離通信環境中，650 nm 的塑料光纖傳輸系統也有很強的競爭力。與石英光纖相比，塑料光纖有很多優點，如制造簡單、價格低廉、接續方便和力學性能良好等［1］。作為波分復用系統核心器件的650 nm聚合物陣列波導光柵( AWG) 波分復用器，可實現光交叉互連、光分插復用等多項功能，由于具有集成度高的特點，易于實現多通道數、窄帶寬間隔的波分復用。此外其低成本，高性能的優勢，有利于實現規模生產。目前，該器件已成為通信領域的研究熱點［2-5］，這些器件大多集中在1 550 nm紅外波段［6］，有關紅光波段的4 信道、波長間隔為1 nm 的聚合物AWG 器件［7］已于2010年見報。

本文定位于短距離塑料光纖通信這一新興領域，基于塑料光纖系統常用的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 材料體系，對650 nm AWG 的各個結構參數進行優化，設計出了650 nm AWG 波分復用/解復用器結構，給出了16 信道的AWG 版圖。

2 波導結構設計

2.1 材料性能表征

大多數聚合物材料在紅光波段損耗極小，具有易于制作，便于集成，價格低廉等優點，極低損耗的紅光波段單模波導已有報道［8］。聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯［P( MMA-GMA) ］聚合物材料與塑料光纖兼容，對650nm 波段的光吸收小，成膜均勻性好。采用自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作為波導包層材料，以雙酚A 型環氧樹脂作為高折射率調節劑，采用二者在共聚物中的不同配比來調節芯層材料和包層材料的折射率的相關工作也有報導［9-10］。P( MMAGMA) 共聚物的化學結構式及其合成路線以及高折射率調整劑的化學結構式如圖1 所示。

由于AWG 器件工作在高階衍射狀態，對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，多采用橢偏法對聚合物薄膜的折射率進行精確測量。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) 和折射率調節劑的化學結構式圖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 波導尺寸設計

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

取λ0=650 nm，n1=1.547，n2=n3=n4=n5=1.53，a=b，得到波導尺寸與波導有效折射率nc的關系曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，為實現波導的單模傳輸，選取波導芯寬度和厚度a=b=2 μm。

圖3 有效折射率與波導尺寸的關系Fig.3 Relation between rectangle waveguide dimension and effective refractive index

圖4 為波導結構示意圖，利用光束傳播法( Beam Propagation Method，BPM) 對650 nm 波長下波導的傳輸光場進行仿真，得到如圖5 所示的光場分布，圖中顯示該波導結構可以對650 nm 波長光實現單模傳輸，并且大部分光場能量被束縛在波導芯層中。

圖4 波導截面示意圖Fig.4 Schematic of waveguide cross-section

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

3 AWG 結構參數設計及優化

AWG 器件利用凹面光柵原理來實現對波長的解復用和復用，即分波和合波功能。AWG 解復用器的工作原理如圖6 所示: 當含有多個波長的復信號光經中心輸入信道波導輸入，在輸入平板波導內會發生衍射，到達輸入凹面光柵上進行功率分配，并以同樣的相位耦合進入陣列波導區。經陣列波導傳輸后，因相鄰的陣列波導保持有相同的長度差ΔL，相鄰陣列波導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，因此可以設計合適的輸出波導的位置，以便不同波長的光在輸出平板波導中發生衍射并聚焦到不同的輸出信道波導位置，經輸出信道波導輸出后完成了波長分配即解復用功能。這一過程的逆過程，即如果信號光反向輸入，則完成復用功能。AWG 波分復用器設計優化的參數有:波導芯的厚度b和寬度a，波導的有效折射率nc，衍射級數m，相鄰波導間距d，相鄰陣列波導的長度差ΔL，平板波導的焦距f，自由光譜區( Free Spectrum Region，FSR) 等。

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

(1) 首先完成650 nm 波段單模波導結構參數的設計，選擇a=b=2 μm。

(2) 輸入輸出波導的個數選為16，滿足實際要求。

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

(4) 衍射級數m與相鄰陣列波導長度差ΔL、平板波導焦距f和自由光譜區FSR 之間的關系如式(8) ～(10) 所示，相鄰波導間距d越小，整體器件尺寸越小，但是當d接近波導寬度時，會使串擾增大。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 衍射級數m 與FSR，f 和ΔL 的關系Fig.7 Relations between the FSR，f，ΔL and m

從圖7 可以看出，當衍射級數增大時，陣列波導長度差ΔL增大，而平板波導焦距f和衍射級數FSR 則減小。m在選取時，應保證自由光譜區FSR 大于NΔλ，考慮到實際器件工作時存在光源波長漂移等因素，選FSR 為(N+2) Δλ 左右。取FSR=15.21 時，由輸出平板波導衍射級數公式m=integer( λ0/FSR)［7］計算出m=43。此時相鄰陣列波導長度差ΔL=18.047 μm，平板波導焦距f=6 128.93 μm。陣列波導越多，AWG 的遠場衍射條紋就越窄越亮，背景光就越弱，衍射效率就越高，輸出信道間的串擾就越小。所以在工藝條件允許的條件下，陣列波導數2M+1 取值應盡可能大。但考慮到實際制作工藝的難度，選擇陣列波導數2M+1 =71。表1 列出了650 nm 波段聚合物AWG 波分復用器的參數優化結果。

表1 650 nm 聚合物AWG 波分復用器的參數優化值Table 1 Optimized parameters of polymer AWG wavelength division multiplexer at 650 nm

通過對AWG 中輸入/輸出( I/O) 波導和陣列波導的幾何參數，如彎曲半徑、波導長度和每條波導在版圖中的坐標等進行具體的模擬計算，得到AWG 的版圖結構，如圖8 所示。

圖8 AWG 設計版圖Fig.8 Schematic layout of designed AWG device

4 性能模擬

綜合上述優化參數，利用Optiwave( BPMWDM) 軟件對設計的AWG 器件的光傳輸特性進行模擬，得到如圖9 所示的傳輸光譜。由模擬結果可以看出，器件的16 個信道光傳輸性能良好，插入損耗小于14 dB，串擾小于-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 論

本文對中心波長為650 nm 的16 信道AWG器件進行了理論設計。選擇自主合成的P( MMA-GMA) 共聚物作為波導材料，使用雙酚A型環氧樹脂作為折射率調節劑，根據材料的折射率設計出單模波導截面尺寸，然后優化設計出AWG 器件的結構參數并繪制了版圖。模擬結果顯示: 器件插入損耗小于14 dB，串擾小于-25 dB，信道間隔平均值為0.845 01 nm/channel。

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