使用Macondo软件仿真MMI结构的OPS器件

GMPT, 2024/07/08

  光功率分配器（Optical Power Splitter），简称为OPS，是一种光子集成电路的基础元件，广泛应用于光网络、信号监测、功率分配等领域。为应对不同场景输出功率比的需要，人们提出多种可调功率分配比（PSR）的OPS器件结构，其中，多模干涉（MMI）结构的OPS由于其容差性好、频带宽和结构紧凑等优点，已成为OPS器件研究的重点之一。本文基于Macondo软件FDTD Solutions对一种MMI结构的OPS器件进行仿真，并展示软件的仿真结果。

一、器件设计原理

  本仿真中OPS器件的结构如图1a所示，该器件采用绝缘体上硅 (SOI)材料,包含厚度为220nm的上硅层和厚度为2μm的掩埋层。器件的结构采用脊形波导，脊高70nm，平板层厚150nm。器件分三个部分，如图1b：单模光源输入区域（I），非对称耦合区域（II），功率传输区域（III）。输入区域（I）具有直波导结构，输出区域（III）采用非对称锥度结构。整个模拟过程中，如图1c从所示，TE偏振光通过500nm宽的输入波导注入耦合区域，使光在多模干涉区域分裂成两束光，从中心位置为±W_mmi/4（二重像位置）的输出波导传出。

  从图1c，d中的红色区域可以看出，这些角包含少量的光场，去除其中一个角会破坏自成像原理的干涉对称性。这种不对称的MMI在多模区域被非对称场扰动所激发时，将表现出明显不同的光场分布。因此，随着非对称耦合区域中，去除区域的角度增加，器件的PSR发生相应的变化。然而，随着去除区域角度增大，耦合区域的成像位置向后偏移，影响器件长度，但并不显著。因此，通过调整去除区域的角度和长度，可以实现任意特定的PSR并保持紧凑的尺寸。

图1.非对称MMI结构的 OPS结构示意图

二、器件结构仿真设计

2.1 脊型波导的脊高与宽度对Neff的影响

  在运行仿真案例前，通过扫描不同波导脊高与宽度，多次调用模式求解算法，并提取数据，可以加工出脊高与宽度对Neff的关系图。该图可以用来分析在不同结构脊形波导中传输模式的传播行为。

图2.波导宽度变化的有效折射率曲线

  图2展示了波导模式求解的计算结果（Etching Depth=130nm，非均匀Mesh Level=3的网格精度），可以看出在500nm左右，由波导脊部束缚光场作用，波导脊部出现了除基模以外的模式。本文结构设计中为考虑单模传输，波导结构考虑设计在500nm左右。

2.2 MMI结构的长度优化

  在MMI的设计中，可以根据MMI的自映像特性，通过输入场N重像的位置的解析公式也可得到自映像的位置: $$\begin{array}{cccc}& {\displaystyle L=\frac{3L_{\pi }}{N}}& & \end{array}\backslash begin\{equation\}\; L\; =\; \backslash frac\{3L\_\{\backslash pi\}\}\{N\}\; \backslash end\{equation\}$$  根据解析公式，可以得到MMI的大致长度，通过仿真模拟，可以优化MMI的具体长度。

图3.MMI长度变化的透射率曲线

  如图3所示，使用EME求解器对MMI区域进行长度扫描，找到输出端口最大透射率对应的长度。

2.3 MMI结构的OPS器件仿真分析

  本文中采用去除角区域的非对称MMI结构，如图1b所示，随着去除区域的角度增加，器件的PSR发生相应的变化。

  MMI结构的OPS器件的结构参数如表1所示：

  为得到不同去除区域的角度大小对光场传输的影响，设计6组器件结构，表2列出了本仿真中不同器件的扫描参数，对应不同的去除区域角度和MMI长度。

  通过仿真模拟，我们得到器件中的传输场光功率分布与MMI的输出位置处的功率曲线，如图4所示，

图4. (a)6组OPC结构的功率分布和电场y分量分布;(b)MMI结构输出端处的归一化功率密度

  图4a可以看到#1~#6 由于去除区域角度的变化引起的光场的传播行为变化。图4b MMI的输出位置处的功率曲线看出，去除区域角度改变，MMI将输出到两个端口处的功率分配方式发生明显变化。

  当输入1.5-1.6μm的TE0模式光源，提取p1、p2端口的透射谱，如图5所示。

图5.p1、p2端口的透射谱

  OPS器件两个重要的性能指标分别是附加损耗（Excess Loss）和功率分配比（PSR），定义如下： $$EL=-10\lg \frac{\sum P_{\text{out }}}{P_{\text{in }}}(\mathrm{d}\mathrm{B})E\; L=-10\; \backslash lg\; \backslash frac\{\backslash sum\; P\_\{\backslash text\; \{out\; \}\}\}\{P\_\{\backslash text\; \{in\; \}\}\}(\backslash mathrm\{dB\})$$$P_{\text{out }}P\_\{\backslash text\; \{out\; \}\}$是端口的输出功率，$P_{\text{in}}P\_\{\backslash text\; \{in\}\}$是光源的输入功率。 $$PSR=\frac{P1}{P2}\times 100\mathrm{\%}P\; S\; R=\backslash frac\{P\; 1\}\{P\; 2\}\; \backslash times\; 100\; \backslash \%$$$P_{\text{1}}P\_\{\backslash text\; \{1\}\}$表示输出端口1的光功率，$P_{\text{2}}P\_\{\backslash text\; \{2\}\}$表示输出端口2的光功率。

  通过图5中p1、p2端口的透射谱，可以得到Excess Loss与波长关系图，如图6所示。

图6.Excess Loss(dB)与波长的关系

  通过数据的加工，可以得到不同去除区域角度与PSR的关系，如图7所示。

图7.不同去除区域角度与PSR的关系

三、总结

  本文对MMI结构OPS器件进行了仿真和设计，介绍了器件设计的基本原理，给出设计器件的参数，并展示了器件设计中的仿真结果与仿真数据加工结果，包括波导宽度与Neff关系、MMI长度与透射率关系、器件光场传输分布、端口功率曲线、端口透射谱、去除区域角度与PSR的关系。通过Macondo软件得到的仿真结果，可以用来设计和优化OPS器件，为光子集成领域中结构分析和器件性能优化提供了思路。