铌酸锂定向耦合器的优化设计

《半导体光电~2004年第 25卷第 2期 华 勇 等： 铌酸锂定向耦合器的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 铌酸锂定向耦合器的优化设计 华 勇，张春熹 (北京航空航天大学 光电技术研究所 。北京 100083) 摘 要： 分析了定向耦合器几个参数的相互关系，设计了钛扩散铌酸锂定向耦合器的仿真方 案，用 BPM 软件对不同耦合间距的定向耦合器对工艺的容差进行了模拟计算，得到 了几种耦合间 距／串音变化的组合。 关键词： 定向耦合器；串音；铌酸锂；光波导 中图分类号 ：TN25 文献标识码：A 文章编号：1001—5868(2004)02--0105--03 Optimizing Design of LiNbO3 Directional Coupler HUA Yong，ZHANG Chun—xi (Institute of Optoelectronics，Beijing University of Aeronautic and Astronautic，Beijing 100083，CHN) Abstract： Several parameters of the directional coupler have been analyzed． An experimentation about a Ti：LiNbO3 directional coupler has been planned．The process tolerance for the directional coupler with different coupling distance has been simulated by using BPM software，and a family of data about the variation of crosstalk with coupling distance have been got． Key words： directional coupler；crosstalk；LiNbO3；optical waveguide 1 引言 光学定向耦合器作为一种关键的导波光学单 元，广泛应用于光开关、调制器、WDM(波分复用)、 光功率分配等集成光学器件中。在定向耦合器中， 串音是衡量其性能最关键的指标之一，串音定义为 光功率在不希望有输出的一臂输出的功率值与所期 望输出臂的光功率的比。在定向耦合器的交叉、直 通两种状态下，设计上总希望串音越小越好，即在交 叉态时，希望直通臂输出为零，直通态时，希望无光 功率耦合到交叉臂。然而实际总有部分的光功率会 在不期望的输出臂少量输出，即产生串音。研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，串音的起因包括：耦合器两臂的不对称性、波导 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的吸收损耗、耦合长度未优化到最佳、输入端的 偶次模与奇次模未等同激发、两输出端的辐射模发 生耦合，以及一些工艺缺陷口 J。 铌酸锂是光波导器件常用的材料之一，钛扩散 和退火质子交换法制作的各种铌酸锂光波导被广泛 收稿 日期：2003—11—22． 应用于集成光学器件中。其中铌酸锂定向耦合器与 其他材料的耦合器一样，有类似的应用[3“]。国内 外已有许多针对铌酸锂定向耦合器的优化设计报 道，然而对于其工艺中一些不可避免的容差问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 未 做定量报道。本文对几种不同耦合间距／耦合长度 对工艺中波导条宽控制误差的容许度做了仿真与定 量分析。 2 理论分析 常规的定向耦合器如图 1所示，由两个部分平 行紧邻且完全对称的两臂构成，描述其结构的参数 主要有耦合区长度L 、耦合区波导中心间距 D、波导 宽度w、弯曲过渡区长度L、弯曲过渡区高度 H等。 由耦合模理论可知[5 ]，在两条完全相同、彼此 平行紧邻的无损耗波导中，若两波导中的光场相位 匹配，则在耦合区沿传播方向的任何一点上，传输的 两光场相位相差兀／2，传输的光功率在两波导中往复 交替前进，其能量交换程度可达100％，当耦合长度 维普资讯 http://www.cqvip.com SEM ICoNDUCToR oP1'oELECTRONICS Vo1．25 No．2 Apr．2004 L一磊+ 兀， ===。，1，2，⋯一 (1) 3实验设计 从输入端之一的A。输入的光可以完全从 B。端输出。 当 —O时 ，达到 100％能量交换的最短耦合长度为 L 。 一击 (2) 式中：k为耦合系数。可见定向耦合器的耦合区长 度仅取决于耦合系数正，耦合系数越大，耦合区长度 则越短。耦合系数与波导结构及两臂的中心距离密 切相关 ]： 正一丽吴 ex[一o(D—w)3P P D W (3) 一 L_- 一 式中：P为导波在衬底中的振幅衰减系数，h为波导 的横向相位常数，p为传播常数(在波长一定前提 下，由波导及衬底折射率及波导宽度决定)，其中 ]， p一 一 2 ^ 一√ ( ) 一 (4) (5) ( ) 一 ] ) 2 ] 唧 [ c。一叫 (6) 由式(6)可知 ，定向耦合器的耦合长度 由波长、波导 折射率、衬底折射率、波导宽度、两臂间距决定。 图 1 定向耦合器结构示意图 A【1 输m B【1 通常的铌酸锂光波导采用 x切y传或Z切 y 传晶体材料，在铌酸锂定向耦合器设计中，针对一个 确定的工作波长，如何选择耦合长度、两臂间距、波 导宽度、波导折射率，使之达到最佳耦合状态、最小 的尺寸、最大的工艺容差，这几方面相互制约、矛盾， 最终只能寻求一个平衡点。如果通过以上 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 来做 计算，将是 一个极其 庞杂 的工作 ，而通过 现成 的 BPM软件，可以大大降低其工作量，同时可以得到 比较准确的结果。 · lO6 · 在实际的设计中，我们往往先设定耦合间距，然 后计算出耦合长度，最后输出结果制成光刻掩模板， 然后流片。在工艺中，只有波导宽度、波导折射率两 个变量，两臂中心间距和衬底折射率为定量。对于 钛扩散波导，波导折射率受钛膜厚度及扩散条件影 响，目前的钛膜厚度可以控制得比较准确，扩散条件 一 定的情况下，折射率增量基本为恒定的值，而波导 的钛条宽度在工艺中变化较大，所以此次实验主要 针对波导条宽误差对不同耦合间距的影响做出仿真 计算，寻找最佳的耦合间距／耦合长度的组合。 工作波长设定为 1．55 m，工作模式为 TE模， 采用 X切Y传铌酸锂晶体，用标准的钛扩散方法制 作光波导，则光波导折射率增量典型值为 O．01，衬 底折射率为 2．14[7]。如图 1所示的定向耦合器，考 虑器件与尾纤的耦合 ，按实际应用要求，设定输入输 出端波导中心间距为 250 m，即 2H+D一250，当 L ／H≥1 OOO，由弯曲带来的辐射损耗可以忽略 ]， 则取弯曲过度区长度 L一11 mm。 定向耦合器设计状态为交叉态 ，且只经过最短 耦合长度，如图 2所示 ，图中 P为直流臂中各处的 光功率。在实验中设计了两臂中心间距分别为 1O、 12、14、16、18 m，波导宽度设定为 7 m ，由工艺引 起的变化范围为 6．5～7．5 m，实验分为 5组。每 一 种中心间距为一组，在每一组实验中，以中心宽度 为基准，寻求最佳和最短耦合长度，使耦合器处于交 叉态，然后耦合长度不变，改变波导宽度，计算不同 宽度对应的串音，最后得到不同耦合间距对应的耦 合长度和对波导宽度的容忍度。 n l ▲ J ▲ 、 ▲ l IA B。I 一 10o O 10o x／um a_u|) 图2 定向耦合器交叉态 6 5 4 3 2 0 g 11 、吣 维普资讯 http://www.cqvip.com 《半导体光电92004年第 25卷第 2期 华 勇 等： 铌酸锂定向耦合器的优化设计 4 实验结果 波导宽度以7 m 为中心 ，以0．1 m为步距 ，从 6．5～7．5 m共 11个点，5种耦合间距，经过 5组共 55次仿真计算 ，得到 以下数据并制作成 曲线图，如 图 3所示。 广—————一] D=l8 L l6 ll L D=。 J ~ - D=I2一 LD： 。 l I． ．．． ．．．．．．．．．．．．．．．． 图3 不同耦合间距／波导宽度的串音变化图 波导中心设定宽度 7 m，改变耦合间距从 1o～ 18 m，使耦合器处于最佳耦合状态时，得到不同的 耦合长度，生成以下曲线图，见图 4。 } ／ ．／ 一 ， 图4 定向耦合器耦合长度与耦合间距关系曲线 从上面曲线图可以看出，在 7士0．5 m范围内， 对于耦合间距较大的定向耦合器，可以承受更大的 工艺容差，但越宽的耦合间距就需越长的耦合长度， 且耦合长度与耦合间距的关系呈指数变化。所以在 实际应用中，如果波导条宽的精度能控 制在 ±0．2 m之内，且对尺寸要求比较苛刻，耦合器两臂的中 心间距 D选择为 12 m附近比较合理，可以得到很 短的耦合长度 L。，串音指标也可以接受；如果工艺 控制精度在土0．3 m之内，选择 D在 14 m附近 可以得到很好的串音及耦合长度组合，接近实际应 用要求 ；如果对尺寸无要求 ，选择 D在 18 m附近， 即使工艺控制精度很低，也可以得到很好的串音指 标。D大于 19 m将会导致耦合长度过长而不适 合实际需要。 5 结论 用 BPM软件计算了几种钛扩散铌酸锂定向耦 合器在不同耦合间距下对工艺的容忍度，得到了串 音随波导宽度变化的曲线图，针对不同要求选择 了 几种耦合间距／长度与串音的组合，对实际的铌酸锂 光波导器件的设计和制作有一定辅助作用。 参考文献： [1] Chen K L，Wang S．Cross—talk problems in optical directional couplersi'J]．App1．Phys．Lett．，1984，44 (2)：166— 168． [2] Chinni V R，Huang TC，Wai P K A，et a1．Crosstalk in a Iossy directional coupler switch[J]．IEEE J． Lightwave Techno1．，1995，13(7)：1 530—1 535． [3] Alferness R C．Waveguide electrooptic modulatorsi,J]． IEEE Trans． M icrowave Theory and Techniques， 1982，MTT一 30(8)：1 121— 1 137． [4] 杨家德，张蜀平，廖先炳．集成光学技术及其应用 I-M]．北京：科学技术文献出版社，1999． [5] Kogelnik H， Schmidt R V． Switched directional coupler with alternating△I9[J]．IEEE J．Quantum Electron．，1976，QE一 12(7)：396—401． [63 蔡伯荣，谭志飞，孙守瑶．集成光学[M]．成都：电子科 技大学 出版社 ，1990． [7] Anwar N，Themistos C，Rahman B M A．Design considerations for an electrooptic directional coupler modulatori'J]．IEEE J．Lightwave Techno1．，1999， 17(4)：598— 605． 作者简介： 华 勇(1974一)，男，1997年毕业于长春理工 大学光电_r-~X系光学技术专业。毕业至今一直从事 铌酸锂集成光学器件的研制和开发。 E-mail：huayong@swt—OC．corn 维普资讯 http://www.cqvip.com