کوچک‌سازی و افزایش پهنای‌باند تفکیک‌کننده‌ قطبش ماخ – زندر با استفاده از تزویج‌گر چندمُدِ غیریکنواخت

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه شیراز

چکیده

در این مقاله یک ساختار تفکیک­کننده­ی قطبش با چیدمان ماخ-زندر (MZI) ارائه شده که در آن از تزویج‌گرهای تداخل چندمُد (MMI) غیریکنواخت و بازوهای ناهمسان مبتنی بر موجبر SOI استفاده شده است. تداخل سازنده و یا مخرب برای دو قطبش مختلف نور ورودی و درنتیجه آن تفکیک دو قطبش مختلف، بر اساس تفاوت رفتار فرکانسی دو بازوی MZI محقق می­گردد. با در نظر گرفتن طول‌موج مرکزی nm1550، ساختار به­گونه­ای طراحی شده است که بهترین عملکرد را در محدوده طول­موج nm1500 تا nm1600 داشته باشد. نتایج به‌دست‌آمده، تلفات عبور کمتر از 0.8 dB، نسبت ­تفکیک­ قطبش بیشتر از dB15، برای قطبش میدان الکتریکی و نسبت­ تفکیک ­­قطبش بیشتر از dB10 را برای قطبش میدان مغناطیسی، در محدوده بسیار وسیع طول‌موج nm1500 تا nm1600 نشان می­دهد. ساختار طراحی‌شده در مقایسه با تفکیک‌کننده‌های قطبشِ مبتنی بر کوپلر جهتی پهنای­باند بسیار بیشتر و حساسیت کمتری نسبت به خطاهای ساخت دارد. به‌علاوه ابعاد کلی ساختار طراحی‌شده 260×3.86 است که نسبت به تفکیک‌کننده‌های قطبشِ مبتنی بر MZI دارای ابعاد کوچک‌تری است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Miniaturization and bandwidth enhancement of Mach-Zehnder polarization splitter using non-uniform multimode interferometers

نویسندگان [English]

  • Sh. Fargadi
  • M. Miri
  • M. H. Sheikhi
Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Shiraz, Shiraz, Iran
چکیده [English]

The design of a compact wideband polarization splitter based on Mach-Zehnder interferometer (MZI) with non-uniform multi-mode interferometer (MMI) couplers is presented in this manuscript. The polarization splitting in the proposed structure stems from polarization dependent dispersion of non-uniform silicon-on-insulator (SOI) waveguides used as the MZI arms. The use of non-uniform MMI couplers increases the bandwidth of the structure while reduces its sensitivity to fabrication imperfections. Our simulation results show the very low insertion loss of 0.8dB, and high polarization extinction ratios of 10dB and 15dB for transverse magnetic and transverse electric field polarization, respectively, in the ultra-wide bandwidth of 100nm (1500nm-1600nm). The proposed polarization splitter has wider bandwidth and larger fabrication tolerance compared to the directional coupler based splitter. In addition total footprint is 3.86×60mm2 which is much smaller than MZI based splitters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polarization beam splitter
  • Mach-Zehnder Interferometer (MZI)
  • Silicon-On-insulator (SOI)
  • Polarization Extinction ratio (PER)
[1] K. Tan, Y. Huang, G.Q. Lo, C. Yu, and C. Lee, "Experimental realization of an O-band compact polarization splitter and rotator," Optics Express, vol. 25, pp. 3234-3241, 2017.
[2] M. Yin, W. Yang, Y. Li, X. Wang, and H. Li, "CMOS-compatible and fabrication-tolerant MMI-based polarization beam splitter," Optics Communications, vol. 335, pp. 48-52, 2015.
[3] پرویز امیری، محمود صیفوری، بابک آفرین و  آوا هدایتی‌پور، « طراحی پیش تقویت‌کننده RGC کم نویز مدار مجتمع CMOS با پهنای باند GHz 20 و بهره dBΩ 60 »، مجله علمی-پژوهشی مهندسی برق دانشگاه تبریز، 46، 23-15، تابستان 1395.
[4] عطااله ابراهیم زاده شرمه، عباس فتح­تبار فیروزجاه و حسین علیجانزاده بورا، «طراحی فیلترهای توری پراشی با استفاده از الگوریتم­های تکاملی»، مجله علمی-پژوهشی مهندسی برق دانشگاه تبریز، 45، 22-13، زمستان 1394.
[5] Y. Wang, M. Ma, H. Yun, Z. Lu, X. Wang, N. A. Jaeger, et al., "Ultra-Compact Sub-Wavelength Grating Polarization Splitter-Rotator for Silicon-on-Insulator Platform," IEEE Photonics Journal, vol. 8, pp. 1-9, 2016.
[6] J. Wang, B. Niu, Z. Sheng, A. Wu, X. Wang, S. Zou, et al., "Design of a SiO 2 top-cladding and compact polarization splitter-rotator based on a rib directional coupler," Optics express, vol. 22, pp. 4137-4143, 2014.
[7] J. Wang, B. Niu, Z. Sheng, A. Wu, W. Li, X. Wang, et al., "Novel ultra-broadband polarization splitter-rotator based on mode-evolution tapers and a mode-sorting asymmetric Y-junction," Optics express, vol. 22, pp. 13565-13571, 2014.
[8] W. Ye, D.-X. Xu, S. Janz, P. Waldron, and N. G. Tarr, "Stress-induced SOI polarization splitter based on Mach-Zehnder Interferometers (MZI)," in Group IV Photonics, 2006. 3rd IEEE International Conference on, 2006, pp. 249-251: IEEE.
[9] Y. Huang, Z. Tu, H. Yi, Y. Li, X. Wang, and W. Hu, "High extinction ratio polarization beam splitter with multimode interference coupler on SOI," Optics Communications, vol. 307, pp. 46-49, 2013.
[10] C. D. Truong, D. H. Tran, V. C. Hoang, and T. T. Le, "A butterfly MMI waveguides based polarization beam splitter etched on SOI platform," in Communications and Electronics (ICCE), 2014 IEEE Fifth International Conference on, 2014, pp. 425-429.
[11] L. Soldano, A. De Vreede, M. Smit, B. Verbeek, E. Metaal, and F. Green, "Mach-Zehnder interferometer polarization splitter in InGaAsP/InP," IEEE photonics technology letters, vol. 6, no. 3, pp. 402-405, 1994.
[12] D. Dai, Z. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, "Compact polarization beam splitter using an asymmetrical Mach–Zehnder interferometer based on silicon-on-insulator waveguides," IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 24, pp. 673-675, 2012.
[13] J. Wang, M. Qi, Y. Xuan, H. Huang, Y. Li, M. Li, et al., "Proposal for fabrication-tolerant SOI polarization splitter-rotator based on cascaded MMI couplers and an assisted bi-level taper," Optics express, vol. 22, pp. 27869-27879, 2014.
[14] M. Heaton and R. M. Jenkins, "General matrix theory of self-imaging in multimode interference (MMI) couplers," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11, pp. 212-214, 1999.
[15] T. Liang and H. Tsang, "Integrated polarization beam splitter in high index contrast silicon-on-insulator waveguides," IEEE photonics technology letters, vol. 17, pp. 393-395, 2005.
[16] S. Pal and S. Gupta, "Proposal and Analysis of a Silicon MMI Coupler-Based Electronically Controllable Photonic Switch," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 22, pp. 141-154, 2016.
[17] L. B. Soldano and E. C. Pennings, "Optical multi-mode interference devices based on self-imaging: principles and applications," Journal of lightwave technology, vol. 13, pp. 615-627, 1995. J.
[18] H.-C. Lu and W.-S. Wang, "Wideband criterion for multimode interference splitters," IEEE photonics technology letters, vol. 18, pp. 2332-2334, 2006.
[19] شهریار فرهادی، مهدی میری و محمدحسین شیخی، « طراحی تداخل­سنج MMI غیریکنواختِ فشرده و پهن­باند با استفاده از تعمیم روش تحلیل تقریبی»، بیست و پنجمین کنفرانس مهندسی برق ایران، تهران، ایران، اردیبهشت 1396.
[20] A. Hosseini, S. Rahimi, X. Xu, D. Kwong, J. Covey, and R. Chen, "Ultracompact and fabrication-tolerant integrated polarization splitter," Optics letters, vol. 36, pp. 4047-4049, 2011.
[21] P. Aashna and K. Thyagarajan, "Polarization splitter based on a three waveguide directional oupler using quantum mechanical analogies," Optics, vol. 19, 2017 (doi: 10.1088 / 2040-8986 / aa6e80).