阵列波导光栅

阵列波导光栅　　AWG（Arrayed Waveguide Grating）

中文译名

　　阵列波导光栅

分 类

　　光纤通信

简 介

　　AWG(Arrayed Waveguide Grating)是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，使用具有分波的能力。其原理为：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，因而在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后完成了波长分配即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入，则完成复用功能，原理相同。

AWG(Arrayed Waveguide Grating)的现状

　　阵列波导光栅（AWG）是正在迅速发展的DWDM 网络的关键器件。1988年，荷兰Delft大学的Smit首先提出AWG 的概念。其重要的应用价值引起了NTT公司和Bell实验室等机构的关注。经过十多年的研制开发，已研制出多种不同的AWG器件，并开始用于DWDM 系统。AWG具有滤波特性和多功能性。可获得大量的波长和信道数，实现数十个至几百个波长的复用和解复用。利用N×N 的矩阵形式。在N个波长上可同时传输N 路不同的光信号，并能灵活地与其它光器件构成多功能器件和模块。此外，AWG还具有高稳定性及好的性价比，非常适合高速大容量的DWDM 系统使用。AWG器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有平面波导技术的潜在优点，适宜于批量生产，重复性好，尺寸小，插入损耗均匀性较好，加温控后热稳定性可达0.0013 nm/℃，并且可与有源器件集成，组成光电集成电路（OEIC）等，是未来发展的主流技术。

AWG器件的发展方向

　　多通道数AWG的研制。多通道数AWG器件的研制充分利用光纤的巨大带宽，更有效的实现光纤通信系统的扩容，满足人们不断增长的通信需求。

 

　　平顶频谱响应的研究。对于一般的高斯型AWG器件，由于3dB带宽较小，外界因素（如光源波长漂移、工作温度漂移等）的影响大大限制了它在WDM系统中的应用。平顶型器件具有以下显著优点：允许光信号的高速调制；允许光源波长有一些偏移；对因温度变化引起的中心波长偏移不敏感；允许因偏振引起的少许波长偏移；允许系统串联多个DWDM或滤波器等器件而不引起系统性能的显著下降。目前已经有很多的平顶方法的报道，比如在器件的输入端加入特殊结构（MMI结构、Taper结构以及抛物型结构）；采用多个子光栅设计；采用多聚焦成像点设计等。

 

　　消除偏振相关性。在AWG器件中，由于TE模式和TM模式的传播常数不同会造成AWG频谱响应的偏振相关问题，这会影响器件的性能。目前，相应的消除方法有很多，比如在阵列波导的中心区域插入半波片；在阵列波导区域(或者自由传输区)加入偏振补偿区域；采用应力释放槽设计；无双折射波导结构设计以及采用双折射补偿层设计等方法。

 

　　基于AWG的混合集成（Hybrid Integration）、单片集成（Monolithic Integration）多功能器件。在Si基底或者半导体基底材料的基础上，通过混合集成和单片集成，可以把半导体光放大器（SOA）、光探测器（Photo-detector）等有源器件和AWG集成在一起，扩展了AWG的功能。

 

　　有机聚合物（Polymer）AWG。由于聚合物器件比相应硅基底器件成本低，其热光系数比硅大10倍左右，因此聚合物波导可在更宽范围内实现温度调谐，所以聚合物AWG已引起了人们的重视。

AWG的应用领域

　　AWG的基本功能是波长的合波/分离，可以实现波长复用/解复用、插/分复用、波长路由等。通过与光开关结合，可进行波长选择。AWG也可和多波长激光器一起，组成多波长光源。

 

　　①复用/解复用器

 

　　②波长路由器

 

　　③光分插复用器

 

　　④多波长光源

 

　　⑤光波长选择器（OWS）

 

　　⑥多波长接收器

 

　　⑦多信道均衡器

AWG的原理概述

　　当含有λ1，λ2……λn波长的复用信号被耦合到AWG的输入波导时，在罗圆周上，复用的光信号将在聚焦的输入平板波导内并产生衍射的高斯光束，衍射的高斯光束投射到阵列波导的输入口。为使阵列波导对衍射光场有尽可能高的耦合效率，要求阵列波导的数量必须大于输人/输出波导数N。这意味着阵列波导的数值孔径（NA）比输入/输出（I/O）波导的数值孔径大，而且输入平板中的衍射光和输入波导一样，都会聚到同一光斑尺时上，也就是说，把阵列波导和两个平板波导组合起来建立1:1图像格式系统。因此，一个输入波导出口处的光场几乎无失真地传输进合适的输出波导。

 

　　由于阵列波导间任何两相邻波导都有着相等的长度差ΔL，这种结构将使阵列波导中传输的复用光信号产生与波长相关的不同相位差或（不同的相位延迟），其相位延迟等于ΔL/λi，λi为复用光信号的波长。所以阵列波导所起的作用和衍射光栅一样，故把阵列波导称为AWG，而且AWG的滤波特性比其他滤波器（如介质膜干涉滤波器和光纤光栅滤波器）更加优越，不仅有更宽的滤波带宽，而且还可得到更加密集的波长间隔，这对DWDM来说，是十分有利的。

 

　　正因为阵列波导中相邻波导间存在着固定的长度差，当复用光信号在这样结构的阵列波导中传播时，相应于ΔL的相位偏移将强加在每个波导中传输的光信号，使每个给定波长的信号以不同的波前倾斜聚焦在输出平板波导的焦线上。如果通过设计正好把输出波导的端口定位在输出平板波导焦线上，则不同波前倾斜的光信号便耦合到输出波的不同信道中。当复信号光从非中心信道波导输入时，平板波导内的衍射光以倾斜波前耦合进入阵列波导，此时输出信号光的波长由输入/输出信道波导的位置和波长间隔共同决定。

 

　　光栅方程是所有各种光栅器件的最根本的理论基础，光在各种光栅器件中的传输都必须满足光栅方程。不同结构的光栅器件所满足的光栅方程在形式上虽然可有不同，但是基本原理都是一样：光在光栅器件中传输时，只有那些光程彼此相差波长的整数倍的光才能产生干涉或衍射而得到加强。

  

罗兰圆

阵列波导光栅的分光性能类似于普通光栅，但它不同于普通光栅之处在于：普通光栅的光束是在自由空间中传播的，而AWG中的光束是受波导约束的导波。所以分析和设计AWG需用导波光学和衍射光学分别处理光束的传播问题，如条形波导、平面波导的传播常数，过渡区的耦合，串扰的估算等要用导波光学，而光束在平板中的远场衍射，干涉聚焦等要涉及到衍射光学。

AWG的制作工艺简介

　　AWG是第一个将平面波导线路（Planar Lightwave Circuit）技术应用于商品化的元件。其做法为在矽晶圆上沉积二氧化矽（SiO2）膜层，再利用微影制程（Photolithography）及反应式离子蚀刻法（Reactive Ion Etch）定义出阵列波导及分光元件等，接著在最上层覆以保护层即可完成。由于AWG使用与一般半导体相同的制程，在多通道数的制作成本与低通道数相差不多，但更适合量产，而且整合度（integration）较高，因此在多通道元件及日后发展上具有相当的潜力。

 

 

Micro Control Unit，中文名称为微控制单元，也可以认为是51单片机，ARM，DSP这类的芯片的总称。