COMSOL 软件帮助优化 Mach-Zehnder 调制器设计

Fanny Littmarck | 2014年 4月 8日

Mach-Zehnder 调制器是一种光通信调制器。使用 COMSOL 仿真软件可以了解其工作原理并优化设计。

调制器工作原理简介

调制器控制光波通过时的振幅。Mach-Zehnder 调制器这一名称源自两个分光比为 50/50 的定向耦合器之间放置了一个 Mach-Zehnder 干涉仪 。向干涉仪其中一条支路施加电压时,波导材料的折射率会发生变化,并触发正传播的电磁波发生相移。随后,两个波在第二个定向耦合器中再次合并,由于施加的电压产生了相位差,从而实现了振幅的调节。

此外,如果调制器的输入和输出端口都连接到其他波导,除了振幅调试器之外,还可以用作空间开关。此时,可以通过调节电压使光在两个输出端口之间转换。

Mach Zehnder modulator with an applied voltage COMSOL 软件帮助优化 Mach Zehnder 调制器设计
一个 Mach-Zehnder 调制器,干涉仪的一条支路上施加了电压。

Mach-Zehnder 调制器的设计

假设我们要设计一个 Mach-Zehnder 调制器。要求是:低损耗;两条输出支路中的功率平均分配;用作空间开关。

为达到理想的设计效果,我们使用 COMSOL Multiphysics波动光学模块

低损耗

调制器一般都比较小,因此要求弯曲半径尽可能最小,还要满足损耗低这一要求。为此,我们可以绘制总模态传输量随弯曲曲率半径变化的折线图。从中可以观察到,当最小弯曲半径为 2.5 毫米时,损耗为一个可接受的值 2%(图中显示此时的总模态传输量为 98%)。我们还可以通过生成电场模图进一步确认结果。

Plot of the total modal transmission COMSOL 软件帮助优化 Mach Zehnder 调制器设计
总模态传输量随弯曲曲率半径变化的折线图(单位:米)。

平均分配

接下来,要实现 Mach-Zehnder 干涉仪两条输出支路中的输入功率平均分配,必须确定耦合器的长度。通过监测两条支路中的功率差并扫描耦合器长度即可获得长度。将参数扫描结果绘成图后会发现,当耦合器长度为 380 微米时两条支路中的功率平均分配。同样地,通过生成电场模图可以进一步确认结果。

以下为所绘制图表:

Electric field norm plot of two interferometer waveguide arms COMSOL 软件帮助优化 Mach Zehnder 调制器设计
电场模图显示当定向耦合器长度为 380 微米时,两条干涉仪波导支路中的功率接近相等。(几何在 Y 方向放大 80 倍。)

空间开关

最后,我们希望当所有输入输出端口都连接到其他光纤或波导时,调制器可用作空间开关。换句话说,我们希望,对其中一条波导支路先施加电压再调节后,光波可以在两个输出端口之间转换。下图证实了我们确实可以通过调节电压来切换输出端口。

Graph of the transmission output waveguides versus the applied voltage COMSOL 软件帮助优化 Mach Zehnder 调制器设计
上方输出波导支路的传输量(y-轴,线)与下方输出波导支路的传输量(绿线)vs 施加电压(x-轴)。

请注意,如果只有一个输入端口和一个输出端口,则只能用作振幅调制器,而不能用作空间开关。

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