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【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)

發(fā)布日期:
2024-08-22

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本期是Lumerical系列中無源器件專題-復(fù)用器件的第二期,主要內(nèi)容為波分復(fù)用器的設(shè)計與仿真,并以典型的級聯(lián)微環(huán)(MRR)型波分復(fù)用器為例進(jìn)行仿真實(shí)操。首先簡述了微環(huán)諧振器作為波分復(fù)用器的工作原理,然后使用Lumerical軟件中的MODE模塊進(jìn)行了雙微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操,最后使用INTERCONNECT模塊進(jìn)行四微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操。

工作原理

MRR是一種由環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的諧振腔結(jié)構(gòu),當(dāng)光從輸入端耦合進(jìn)MRR后,會被限制在環(huán)形諧振腔內(nèi)循環(huán)傳輸,對于一些特定波長的光,其在MRR中傳輸一周之后的相位變化量是2π的整數(shù)倍,使得該光會與輸入光發(fā)生相長干涉,當(dāng)光不斷輸入MRR后,光能在MRR中穩(wěn)定分布,傳輸和貯存,這就是MRR的諧振態(tài)。而其他波長的光無法與輸入光發(fā)生相長干涉,使其無法在MRR中穩(wěn)定傳輸,這就是非諧振態(tài)。由相長干涉的條件可知,對于諧振態(tài)的光,其會滿足下式:
【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)
式中neff表示波導(dǎo)的有效折射率;L為環(huán)形諧振腔的長度;m為整數(shù)。
傳統(tǒng)的上下載型MRR的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,它由兩個直波導(dǎo)和一個環(huán)形諧振腔構(gòu)成。在耦合區(qū)1中,假設(shè)直波導(dǎo)在耦合前后的電場強(qiáng)度的分別為 A1和A2,而環(huán)形波導(dǎo)中的電場分別為B1和B2。在耦合區(qū)2中,直波導(dǎo)兩側(cè)的電場強(qiáng)度分別為A4和A3,對應(yīng)的環(huán)形波導(dǎo)中的電場分別為B4和B3。定義其耦合系數(shù)為k;透過系數(shù)為t;環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)的損耗系數(shù)為a;而光在環(huán)形波導(dǎo)中傳輸一周所積累的相位為φ=2πLneff/λ,其中L表示環(huán)形波導(dǎo)的周長。通過傳輸矩陣法可將MRR描述為下式:

【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)

其中,B2和B3,B1和B4的關(guān)系可表示為下式:
【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)
通過以上關(guān)系式計算可得直通端和下載端的傳輸響應(yīng)分別表示為下式:
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【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)
圖1(a)微環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)傳輸譜圖
因此,上下載型MRR直通端和下載端的傳輸譜可表示為圖1(b)。由圖可知,MRR的下載端能分離出處于諧振態(tài)的波長,因此該結(jié)構(gòu)具有波長選擇性,只需級聯(lián)多個不同環(huán)形諧振腔長度的MRR,就能實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用功能。

雙微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操

通過上述分析可知,要想實(shí)現(xiàn)雙通道的波分復(fù)用功能,就需在總線波導(dǎo)上級聯(lián)兩個諧振波長不同(即環(huán)形諧振腔周長不同)的MRR。本次使用的是Lumerical軟件中MODE模塊中的varFDTD求解器進(jìn)行雙微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操。首先是構(gòu)建仿真模型,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入波導(dǎo)(總線波導(dǎo))被設(shè)計在兩個環(huán)形諧振腔之間,λ1和λ2分別為MRR1和MRR2的諧振波長,輸出端口1和輸出端口2分別是MRR1和MRR2的下載端。因此,當(dāng)光從輸入端口進(jìn)入時,波長為λ1的光信號將從輸出端口1輸出,而波長為λ2的光信號將從輸出端口2輸出,這樣就實(shí)現(xiàn)了波長的解復(fù)用。

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圖2 雙微環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

仿真步驟:

1)建立模型,包括SIO2包層和SI芯層;

2)選擇varFDTD求解器,設(shè)置仿真區(qū)域;

3)加入光源和監(jiān)視器;

4)運(yùn)行和優(yōu)化仿真。
為了使兩個MRR的諧振波長不同,并且互不影響,在其耦合長度相同的條件下需改變其半徑,故設(shè)置兩個MRR的半徑分別為5 μm和5.05 μm。當(dāng)波長范圍為1545-1570 nm時,仿真可得其傳輸譜如圖3所示。結(jié)果顯示λ1=1550.82 nm,而λ2=1562.02 nm。

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圖3 雙微環(huán)級聯(lián)的傳輸譜圖

四微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操

在使用varFDTD求解器進(jìn)行MRR仿真時,由于光會在環(huán)形諧振腔中不停諧振,因此會花費(fèi)大量仿真時間,如果將4個MRR級聯(lián),仿真時間更是成倍增加,不利于器件的設(shè)計和優(yōu)化,故本次仿真將采用INTERCONNECT模塊進(jìn)行仿真。
該模塊中有兩種方法實(shí)現(xiàn)本次仿真,第一種是在元件庫中選擇Waveguide→Resonators→ Double Bus Ring Resonator,其流程如圖4(a)所示,該方法是對波導(dǎo)的模式屬性、總線波導(dǎo)之間功率“耦合系數(shù)”和“環(huán)形諧振腔周長”進(jìn)行參數(shù)化。第二種是在元件庫中選擇S parameters→Optical→Optical N Port S-Parameter,其流程如圖4(b)所示,該方法是先使用FDTD求解器對單個MRR進(jìn)行仿真,然后導(dǎo)出其S參數(shù),最后將該S參數(shù)導(dǎo)入INTERCONNECT中選擇的元件中,不需要設(shè)置其他參數(shù)。本次仿真采用第一種設(shè)計方法。

【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)

圖4(a)Double Bus Ring Resonator的選擇流程圖;(b)Optical N Port S-Parameter的選擇流程圖

仿真步驟:

1)選擇光譜分析儀以及4個Double Bus Ring Resonator ;

2)設(shè)置相關(guān)參數(shù),包括光譜分析儀的頻率范圍、Double Bus Ring Resonator的模式屬性、耦合系數(shù)、環(huán)形諧振腔周長等參數(shù);

3)連接各個元件。將光譜儀的輸出端接到第一個MRR的輸入端,再將MRR的直通端連接下一個MRR的輸入端,并且每個MRR的下載端都連接光譜分析儀的輸入端;

4)運(yùn)行仿真。

為了實(shí)現(xiàn)4個MRR的諧振波長不同,分別設(shè)置其環(huán)形諧振腔周長為30 μm、30.5 μm、31 μm和31.5 μm。將4個MRR進(jìn)行級聯(lián),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

【Lumerical系列】無源器件-復(fù)用器件(2)

圖5 四微環(huán)級聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖


當(dāng)波長范圍為1548-1564 nm nm時,仿真可得其傳輸譜如圖6所示。結(jié)果顯示λ1=1553.4 nm、λ2=1555.4 nm、λ3=1557.4 nm、λ4=1559.4 nm。

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圖6 四微環(huán)級聯(lián)的傳輸譜圖
本期文章以級聯(lián)微環(huán)型波分復(fù)用器為例進(jìn)行了仿真實(shí)操。簡單講解了MRR的工作原理,分別用varFDTD求解器和INTERCONNECT進(jìn)行了雙微環(huán)級聯(lián)以及四微環(huán)級聯(lián)的仿真實(shí)操,下一期文章我們將進(jìn)行其他類型復(fù)用器件的仿真實(shí)操,歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號的更新。
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