1、第18卷第3期 2007年9月 中国计量学院学报 Journal of China Jiliang University Vo118 No3 Sep2007 【文章编号】10041540(2007)03020803 聚合物SiON波导的可变光衰减器性能研究 李九生，王少华，李建蕊 (中国计量学院信息工程学院，浙江杭州310018) 【摘要】利用弯曲聚合物SiON波导设计了一种新型可变光衰减器，该器件由输人、输出直波导，S型的弯 曲波导，以及在聚合物SiON波导弯曲部位镀上的电极组成通过外加电场的作用来调节波导覆盖层的折射 率，从而达到衰减波导中光能量的目的现采用光束传播法(BPM)对设计的新型
2、光衰减器进行了仿真设计， 结果表明，设计的光衰减器具有大的动态可调衰减范围(453 dB)，低的插人损耗(O8 dB) 【关键词】可变光衰减器；聚合物；Si0N波导；光束传播法 【中图分类号】TN761 【文献标识码】A Research on variable optical attenuators based on polymerSiON waveguides LI Jiusheng，WANG Shaohua，LI Jian-rui (School of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 3 1 001 8，
3、China) Abstract：Using a curved polymerSiON waveguide，a novel variable optical attenuator is proposedThe pres ented variable optical attenuator consists of a straight input and output waveguides，an S-bend waveguide and a deposited electrodeThe cladding layer refractive index could be modified by usin
4、g applied electric fields，then the optical power passed throught the waveguide could be attenuatedThe beam propagation method was em ployed tO simulate and design the novel optical attenuatorThe results show that the novel variable optical at tenuator has large variable attenuation of 453 dB and lOW
5、 insertion lOSS of 08 dB Key words：variable optical attenuator；polymer；SiON waveguides；beam propagation method 可变光衰减器在高速发展的光通信系统中被 广泛应用，如光波分复用(wDM)系统、光转换模 块(transponder)、光收发模块(transceiver)、光纤 用户环路(FITL)、动态信道均衡器(DCE)、可调 功率光复用器(VMUX)、光分插复用器(OADM) 等系统中均有可变光衰减器_l 可变光衰减器 (Variable Optical Attenuator，VOA)
6、是实现整个 网络中任何部分信号功率调节的重要元件_5，它 可以用来实现复用器和解复用器的不同通道之间 的能量均衡，对光网中的放大器进行增益平坦 化_6，保护光探测器防止其增益饱和目前已研制 成功且被广泛应用的几种光衰减器有MEMS光 衰减器_7 ，液晶光衰减器_9，以及基于半导体的 可变光衰减器_1叩等但是这些光衰减器存在着各 【收稿日期】20070519 【作者简介】李九生(1976一)，男，广西桂林人，博士主要研究方向为太赫兹技术、光通信及器件、微波通信及器件等 维普资讯 http:/ 第3期 李九生，等：聚合物SiON波导的可变光衰减器性能研究 209 种不足，例如可变光衰减器尺寸大，结
7、构复杂，插 入损耗大、与其它光学元件不易集成等随着光通 信和光波分复用系统的快速发展，通信系统对光 衰减器提出了更高的要求，如：低功耗，高性能，低 成本，结构紧凑，便于集成因此，很有必要加强对 可变光衰减器研究，以研制一种满足要求的新型 可变光衰减器 本文提出了一种基于弯曲聚合物SiON波导 的可变光衰减器，利用光束传播法(BPM)方法模 拟分析了该新型光衰减器的性能，从理论上论证 了该可变光衰减器的优越性能 1器件设计和理论分析 提出的新型可变光衰减器基本结构如图1所 示该可变光衰减器采用S形弯曲波导，图1(a) 和(b)分别为截面图和俯视图图1(a)为输入、输 出直波导，S型的弯曲波导，以
8、及聚合物SiON波 导弯曲部位镀上电极组成；S形弯曲处的曲率半 径取30 mm，可变衰减器的总长度大约L一12 mm图1(b)给出了可变光衰减器的断面结构，基 体为硅材料，脊波导宽度确定为5,m，波导的芯 层为SiON折射率为150，包层为聚合物(PM MA+DR1)，其折射率为1517未加偏置电压 时，整个器件可以看作一个非常高效的单模波导， fa)俯视图 (b)截面图 图1新型可变光衰减器 光能量传输通过波导时只有较小的附加损耗当 电极施加外加偏压作用时，波导包层聚合物的折 射率降低，波导的限制效应减弱，光能量开始从光 波导中向外辐射，使得器件对光场的衰减损耗增 加，以实现对光波导中光能量
9、衰减的目的 由于聚合物(PMMA+DR1)具有大的电光 系数60 pmVc3，因此本文设计的光衰减器的 波导采用PMMA+DR1聚合物作为包层当外 加电压作用于聚合物波导包层时，由于材料的线 性电光效应使其折射率发生变化，此时包层产生 的折射率差可由下式进行近似计算： 一萼 (1) 式(1)中An为外加电场时电光材料产生的光折 射率差， 是包层材料的折射率，E是外加电场，y 是包层材料光电系数 当电极外加电压为零时，光能量以很小的附 加损耗 传输通过波导此时波导的附加损耗可 由下式表示： 1一一10lOg( )l 一。 (2) 式(2)中P 和P 分别是输入和输出光功率 当电极施加外加电压时，
10、波导包层的折射率 减小，从而导致波导模式限制减弱，光通过弯曲处 的损耗增加在有外加电场情况下，波导的衰减损 耗 可表示为 一10log( ) K0 (3) 基于以上分析可知，通过改变外加电场引起 波导包层的的折射率产生改变，这样可以控制波 导中的光能量光衰减的动态范围 可以表示为 一 一 (4) 2 数值结果 本文采用光束传播算法(BPM)口 对新型光 衰减器的性能进行数值仿真器件的工作光波长 设定为 一1 550 nm电极无外加电压时，光能量 在弯曲聚合物波导中的传输如图2(a)和(b)所 示光能量主要集中在S型波导中传输，且光能量 以很小的衰减损耗(小于1 dB)传输通过器件(整 个光衰减
11、器的长度为L一1 200 m)当电极施加 外加电压(E一86 Vzm)时，由于电光效应波导 包层的折射率减小，从而导致波导模式限制减弱 维普资讯 http:/ 210 中 国计量学院学报 第18卷 l 200 l 000 800 N 600 400 2OO 1O O lO 2O 30 40 XUm (a) 1O O O - 一 一 J_ 一 一 - 【 - 一 ， 一 ： ： 一 【 二二J -41 1O O lO 2O 30 40 xAam fb) 图2光衰减器中光场传播的BPM模拟(未加电压时) 本文选取包层折射率变化An一0009，仿真的光 能量传输结果如图3(a)和(b)由图3(a)可
12、见，绝 大部分光能量在S波导弯曲处向波导外辐射，通 过弯曲波导处光能量损耗增加，光通过该新型光 衰减器时光衰减损耗增大图4为波导包层的折 射率变化An与新型光衰减器光能量衰减损耗关 系由图4可见该器件的光衰减损耗随着包层折 射率差An增大而增加；当包层折射率变化An一 0009时，该衰减器的衰减损耗达到最大；随后衰 减损耗随着包层折射率差An增大而减小数值模 拟表明器件的插入附加损耗为08 dB，最大衰减损 耗为461 dB，动态可调衰减范围约453 dB 3 结 论 本文提出的一种基于聚合物SiON波导的新 型可变光衰减器，该器件通过外加电场来改变聚 合物包层的折射率，从而降低波导约束，达到
13、对 波导中光能量衰减的目的利用光束传播法对 设计的新型光衰减器性能进行模拟分析，研究 结果表明该可变光衰减器具有非常低的插入损 耗(1 dB)，动态调节范围(453 dB)和最大衰 减损耗(461 dB)，而且该器件还具有结构尺寸 图3光衰减器中光场传播的BPM模拟(加电压时) 图4波导包层的折射率变化与光能量衰减损耗关系 小、便于集成等优点由于采用硅基体，因此该新 型光衰减器非常适合于大规模集成制作工艺，在 未来的光纤通信系统和光波分复用系统中将具有 很好的应用前景 【参 考 文 献】 1韩晓峰，吴亚明一种基于SOI材料的直波导可调谐光衰减 器EJ3功能材料与器件学报，2004，10(3)：
14、355358 E23詹志强，扫频反射系数调试的一种实现方法EJ3中国计量 学院学报，2002，13(4)：280281 33张在宣，王剑锋，郭宁，等，分布式光纤光子传感器与测量 网络的进展J3中国计量学院学报，2001，12(2)：7685 (下转第227页) O O O O O O O 加 如 们 加 暑nN 维普资讯 http:/ 第3期 陈莲娜，等：超大Fibonacci数的快速迭代算法 227 rEi一N+n 一flagbEi； flag=1； ) if(rrnum1一一0)rnum一； 2实验结果和结论 以下是在CPU为PentiumIII，内存64M的 计算机上运行分别用递归算法、
15、直接计算法、对分 迭代算法和使用超大整数分段迭代算法的实验结 果(表1)实验结果表明，递归算法、直接计算法、 对分迭代算法由于使用通常的加法最多只能计算 FE4631 836 311 903，对于计算FE473已发生溢 出错误而本文的算法可以计算到第30万个Fi bonacci数F300 ooo在计算所耗费的时间上， 对于递归算法是完全不实用的用递归算法计算 F45所耗费的时间几乎是用本文算法计算F E3oo ooo的3倍本文的算法计算到FE2 ooo仅 用20 ms，完全满足实时进行图像置乱的要求 表l几种算法计算Fibonacci数的时间 ms 1 2 33 43 5 注：“”表示不能计算
16、 【参 考 文 献】 商艳红，李南，邹建成Fibonacci变换及其在数字图像水 印中的应用J中山大学学报，2004，43(增刊)：14815l_ 李 南，商艳红，邹建成基于Fibonacci变换的音频置乱方 法J北方工业大学学报，2004，16(3)，8-12 顾乃杰基于斐波那契序列的多播算法J计算机学报， 2002(4)：365-372 王丽萍基于FibonacciLucas序列的两种公钥分配密码体 制J保密通信，2000(2)：4547 孙燮华关于Chomsky范式的算法及其实现J中国计量 学院学报，2006(9)：239242 (上接第2l0页) 4王英，叶忠民，陈绍聂，等，浙江省光通
17、信仪表的计量测 试J中国计量学院学报，2003，14(2)：97-99 Is魏会敏，罗风光，曹明翠，等基于低电压驱动MEMS的可 调光衰减器的设计与性能分析口光电子激光，2006，17 (6)：685-687 6SALEHEEN H IClosed cycle lasing of ASE noise in a WDM ring networkAThe 4th Pacific Rim Conference on，Lasers and Electro-Optics CLEOPacific RimCUSA，New York，IEEE，2001：558559 7 UNAMUNO A，uTTAMCHAN
18、DANI DMEMS variable optical attenuator with vernier latching mechanismJ IEEE Photon Technol Lett，2006，18(1)：88-90 8 袁野，曹钟慧，鲍俊峰，等一种MEMS可调光衰减器性能测 试及动态响应分析J光子学报，2004，33(4)：439442 9 HIRABAYAsHI K，WADA MAMANO CLiquid crys一 1O 11 12 tal variable optical attenuator wave circuitsJIEEE Photon 609611 ntegrate
19、d on planar light Technol I ett，2001，13(6)： LENZI M，TEBALDINI S，MOLA D D，et a1Power control in the photonic domain based on integrated arrays of optica1 variable attenuators in glasson-silicon technolo gYJIEEE J Select Topics Quantum Electron，1999，5： 12891297 SHI Y Q，ZHANG C，ZHANG H，et a1Low(sub一1一 volt)halfwave voltage polymeric electro-optic modulators achieved by controlling chromophore shapeJScience， 2000，288：119122 CHUNG Y，DAGLI NAn assessment of finite difference beam propagation methodJIEEE Journal of Quantum Electronics，199O，26(8)：13351339 维普资讯 http:/
