线性锥形单环结构的光分插复用器特性研究

潘昌杉，鲁怀伟，王富强

(1.兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070;2.兰州交通大学 数理学院，甘肃 兰州 730070；3.中国人民解放军第93856部队，甘肃 兰州 730070)

线性锥形单环结构的光分插复用器特性研究

潘昌杉1，鲁怀伟2，王富强3

(1.兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070;2.兰州交通大学 数理学院，甘肃 兰州 730070；3.中国人民解放军第93856部队，甘肃 兰州 730070)

针对传统十字波导结构处存在交叉损耗问题，研究了一种改进的线性锥形单环结构的光分叉复用器。给出了所用的线性锥形单环结构的光分插复用器(ROADM)模型，运用自映像理论对交叉处的线性锥形十字结构进行理论分析。通过FDTD仿真软件对结构参数进行仿真分析，仿真结果发现，当W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm时，线性锥形结构在交叉处的交叉损耗最小。对传统结构和线性锥形结构的ROADM的光谱图和场分布进行比较分析，验证了改进后的线性锥形结构在交叉处损耗小，法诺共振现象微弱，具有良好的滤波性能。

光通信；光分插复用器；锥形多模干涉耦合器；时域有限差分

光分叉复用器(Optical Add/Drop Multiplexer,OADM)作为光波分复用系统中(Wave Division Mult iplexing,WDM)的一个关键组件[1-2]，主要实现从光纤传输系统中下载通往本地的信号，同时上载本地用户发往其他节点用户的信号进入传输系统，而不影响其他波长信道的传输，并且保持光域的透明性。随着通信容量的急剧增长以及各种新业务的出现，各地区的业务上下路也变得更加频繁及复杂，传统的固定波长的OADM已无法适应这种动态网络，并且得到输出损耗小、尺寸小的器件更加困难[3-4]。

本文在文献 [5～11]的基础上，在多模干涉区采用线性锥形波导结构来抑制交叉处的散射损耗和串扰。针对SOI材料的锥形多模干涉(MMI)十字交叉结构展开研究[7]，根据自映像原理，得到自映像位置，设计MMI十字交叉结构，并对各结构参数进行优化。用FDTD对锥形MMI十字交叉结构与传统的结构的功率损耗及传输光谱进行比较分析，验证改进后的线性锥形结构能减小交叉损耗的正确性。

1 结构和原理

光分叉复用器采用SOI材料，由波导芯区截面尺寸和芯区及包层折射率分布完全相同的两个垂直的直波导和一个微环组成[7]。垂直波导的交叉处是线性锥形波导，而不是传统的直波导，从而能在交叉处形成锥形多模干涉区域。其中锥形多模干涉区域由锥形波导连接，从而减小损耗，增加直波导和锥形多模干涉区域的耦合效率。本文研究采用的微环半径为5 μm，直波导和微环的芯区均采用硅材料，芯区硅的折射率为3.48，包层采用二氧化硅材料，它的折射率为1.46，波导的宽度和高度为0.3 μm，工作波长为1 520～1 580 mm[10]。

2 理论分析

采用自映像理论对交叉处的线性锥形十字微环结构进行分析，采用耦合模理论和传输矩阵法对直波导和微环波导的耦合区进行理论分析[13]。

2.1 线性锥形MMI结构的自映像机理

线性锥形MMI耦合器结构如图1所示，其中传播方向为z，宽度方向为y，厚度方向为x，O为坐标原点，θ为锥形MMI耦合器的锥角，多模干涉区及其包层二维等效折射率分别为nr和nc。假设锥形MMI耦合器多模干涉区为阶跃型波导，由色散方程可得

图1 锥形MMI耦合器结构

(1)

(2)

所以，v阶模和0阶模在z处的平均传输常数差为

(3)

多模干涉区及其包层二维等效折射率分别为nr和nc，则多模干涉区宽度方程为

W(z)=Wi-2kz

(4)

式中，k=tanθ，为锥形MMI耦合器多模干涉区的渐变率，Wi为初始宽度。这里没有采用以往文献[2,6]中的宽度方程，原因是本文侧重得出锥形MMI成像位置表达式及其一般成像规律。

(5)

(6)

在图中，假设在z=0处的输入场为

(7)

其中，cv是激励系数；φv(y,0)为输入场处的任何一个导模。多模干涉区的宽度随z的增大而减小，导模数量也是随z的增大而减小。在z处保持相同的激励系数由M个导模叠加而成的横向场分布可表示为

(8)

将式(6)带入式(8)可得

(9)

2.2 设计和模拟

根据MMI耦合器自映像机理，设计出了线性锥形十字波导。在线性锥形多模干涉区，采用下列参数：工作波长λ=1.55 μm ，折射率nc=1.46和nr=3.054(这是SOI结构，利用等效折射率法计算出的等效折射率)，Wi=1.1 μm，θ=0.069，利用上述理论方法解得z=2 μm，在十字交叉点得到第一个自映像，z=3.9 μm在锥形多模干涉的输出端得到第2个自映像。连接直波导和线性多模干涉区的部分为线性过滤波导。锥形十字波导结构如图2所示，直波导区域宽度为W1，锥形波导区域的小口径宽度为W1、大口径宽度为W2，锥形多模干涉区域的大口径宽度为W3，长度为Lmmi、小口径宽度为W4，另一锥形波导区域的大口径宽度为W5，长度为Lt。输入端口为R，输出端口为T，回波反射端口为R。根据自映像机理结合自映像点成像位置可知Lt=1μm，Lmmi=3.9 μm。

图2 基于线性锥形十字交叉波导结构图

利用FDTD模拟工作波长为1 550 nm的线性锥形十字型波导结构，当非共振波长的光从Input端口输入，主信道的线性锥形结构输出端口处功率随各结构参数的变化均不一样，仿真结果发现，当W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm时，竖直信道锥形结构端口的输出功率最小。此结构说明只要设置合适的自适应位置，就可以降低功率损耗，该仿真得出了OADM的结构参数的优化参数。

3 传统结构与线性锥形结构的仿真对比

通过FDTD与Matlab的结合对传统结构和线性锥形结构的ROADM进行场分布、功率损耗、光谱图的分析对比，验证线性锥形结构的优越性。

如图2所示，当光从Input端口输入，基于传统十字交叉结构和线性锥形结构的Input端口和Add端口的非共振的光的场分布变化有着区别。仿真结果发现，线性锥形结构的场分布在水平方向上少于传统十字交叉结构。这是因为对参数进行优化的线性锥形结构可以减小在十字交叉处的的插入损耗，说明改进后的线性锥形结构能减小竖直信道的插入损耗。假如以共振波长的光从Input端口输入，在相同的仿真时间下，两种结构的场分布也有所区别。仿真结果显示，线性锥形结构在十字交叉处及Output输出端口的光少于传统结构，在Drop端口输出的共振波长的光强于传统结构。说明线性锥形结构的滤波性能优于传统结构。

通过FDTD软件对传统结构和锥形结构仿真，主信道Output端口和Input端口的功率随时间的变化如图3和图4所示。两种结构在Input端口输入功率相同的情况下，线性锥形结构与传统结构的输出端与输入端的比分别为93%和77%，进一步说明了采用线性锥形结构能够较好地实现低损耗的光传输。

图3 传统结构功率随时间的变化

图4 线性锥形结构功率随时间的变化

图5 传统结构的输出光谱图

图6 线性锥形结构的输出光谱图

两种结构的仿真输出光谱如图5和图6所示，传统结构的插入损耗大、交叉耦合系数大、法诺现象明显，谱线呈非对称。非共振波长的光串扰至竖直信道的光明显高于线性锥形结构。采用线性锥形结构，谱线能呈较好的洛伦兹对称分布，对ROADM的分波性能有明显提高。这是由于在垂直交叉处存在锥形多模干涉区域，基于波导模场从输入平面到它的中心和输出平面自映像原理，能抑制散射和串扰。也说明交叉耦合系数越小，谱线的对称性越好。通过以上的对比分析，验证了线性锥形结构的ROADM能实现低插入损耗、洛伦兹分布对称的谱线形状，能实现良好的滤波。

4 结束语

针对ROADM器件十字交叉波导结构交叉处存在交叉损耗、尺寸大的特点，在交叉处采用线性锥形结构，运用锥形MMI耦合器的自映像机理进行理论分析，对结构参数进行FDTD仿真分析。仿真结果发现，当W2=0.78 μm，W3=1.15 μm，W4=0.785 μm，W4=0.785 μm，W5=0.64 μm时，交叉处的交叉损耗最小，最后对两种结构光谱图和场分布进行了比较，得出改进后的线性锥形结构的ROADM比传统结构在交叉处结构损耗小，有良好的滤波性能，并且法诺共振现象微弱，能较好地上下载滤波。所提出的线性锥形单环ROADM性能优良，在DWDM光通信系统中具有一定的应用价值。

[1] Huang Haiqing,Li Weimin,Yang Zhongshan.Next-generation ROADM architecture and technologies[J].Optical Communication Technology,2013,37(5):37-39.

[2] Tang Xiaomin,Fu Chengpeng,Yang Zhi.et al.Research on erbium-doped fiber amplifier array for next-generation on ROADM[J].Optical Communication Technology,2013,37(10):30-32.

[3] Li Junjie.Applications of ROADM technology[J].ZTE Technology Journal,2013,19(3):26-30.

[4] 魏东旭.可变带宽的可重构光分插复用器(ROADM)的实现与带内串扰的研究[D].成都:电子科技大学,2013.

[5] Trung-Thanh Le,Laurence Cahill.Generation of two Fano resonances using 4×4 multimode interference structures on silicon waveguides[J].Optics Communications,2013,30(2):100-105.

[6] 黄勇林,郑景文.基于光纤光栅的新型光分插复用器[J].光通信研究,2011(3):48-50.

[7] Yun Binfeng,Hu Guohua,Cui Yiping.Polymer micro-ring resonator filter with high quality factor[J].Acta Optica Sinica,2011,31(10):1013-1015.

[8] 程东旭.基于光子晶体微环的滤波器设计与应用研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[9] 李晶.交插耦合系数对光分插复用器输出光谱的影响[J].光学仪器,2014,10(5):399-402.

[10] 张爱华.基于微环谐振器的上/下话路滤波器的研究[D].重庆:重庆邮电大学,2013.

[11] Jiang Hongwei,Wu Yuanda.Tunable filter based on silicon on insulator microring resonator[J].Journal of Optoelectronics Laser,2011,22(6):813-815.

[12] 王伟骏,季珂,陈鹤鸣.基于光子晶体环形腔的光分插复用器[J].光通信研究,2016,2(1):38-41.

[13] 乐孜纯,黄孙港,胡劲华,等.锥形多模干涉耦合器一般成像特性分析[J].光学学报,2011,31(6):1-7.

[14] 熊炜.可重构型光分插复用器浅析[J].通信技术,2012,6(5):11-15.

[15] Tseng C W,Tsai C W,Lin K C,et al.Study of coupling loss on strongly-coupled,ultra compact microring resonators[J].Optics Express,2013,21(6):7250-7257.

[16] Lu Y,Fu X Y,Chu D P,et al.Fano resonance and spectral compression in a ring resonator drop filter with feedback[J].Optics Communications,2011,284(1):476-479.

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，硕士研究生。研究方向：光纤通信器件等。鲁怀伟(1959-)，男，教授，博士生导师。研究方向：光纤通信等。王富强(1988-)，男，硕士。研究方向：半导体器件等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.006

TN929.11

A

1007-7820(2017)05-020-04