AWG工作原理

1.阵列波导光栅（AWG）•AWG：ArrayedWaveguideGratings•AWG由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成。•AWG可用作N×1波分复用器和1×N波分解复用器及N×N型的波长路由器等，是互易性的，用于DWDM系统。•AWG特点：通道数多实现数十个至几百个波长的复用和解复用，插入损耗低，通带平坦，容易集成在一块衬底上。2.AWG的工作原理•AWG的输入/输出星形耦合器采用类似凹面反射式光栅和罗兰圆的结构。输入波导和输出波导分别对光进行限制和传导。•输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上，阵列波导位于凹面光栅的圆周上，但阵列波导相当于透射式光栅。•输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系。•阵列波导处引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射，提高了光栅的分辨率。阵列波导输入波导输出波导输入星形耦合器输出星形耦合器3.罗兰圆与凹面光栅凹面光栅罗兰圆AWG结构图原理图1xN：含多个波长的复信号光经中心输入信道波导，在输入平板波导发生衍射，在输入凹面光栅上进行功率分配，并等相位耦合到达阵列波导端面上。进入阵列波导，相邻的阵列波导具有相同的长度差ΔL，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。通过输出信道波导完成波的解复用。•∠SQC=∠CQP=∠SRC=∠CRP•∠CQP'=∠CRP'=•G光栅面，Q是光栅面中点，C是曲率中心。•如果圆的直径足够大，假定R在圆K上就不致有多大的误差。•圆K上任一点S来的光将近似地被反射到圆上的另一点P，同时被衍射到圆上另一些点P′，P″，……，这些点分别是各序衍射光线的焦点。通过光路分析及近似可得，罗兰圆上任一点发出的光，经凹面光栅衍射之后仍聚焦在罗兰圆上，不同衍射级次对应不同衍射角。AWG的工作原理阵列波导区域相邻波导间的长度差是固定的，记为ΔL传统的衍射光栅的光栅方程为，其中m为主极大的级次，为光程差AWG满足的方程为△输入耦合器+△阵列波导+△输出耦合器=mλ)2,1,0(mmAWG的光栅方程•传统AWG满足的光栅方程为，mdnLndnoscissinsind为阵列波导的周期m为AWG工作的衍射级数对于由中心波导输入并由中心波导输出的中心波长满足通过对的设定可以决定衍射级数，一般较大的m可以产生较高的分辨率.0/cnLm0mLncL相邻阵列波导的长度差为光在输入输出平板波导上的衍射角，i、j为输入输出波导的序列号(中心波导记为0)，为输入输出端的波导间隔，Lf为平板波导的聚焦长度fiiLxifooLxj阵列波导折射率平板波导折射率oixx、)(nnss)(cnncmdndLddsoddnddnoscddncdnnmddccson角色散方程：群折射率gn111cgsocgsnnmRdnxnnmdnddgcsmndnnR2mdnLndnoscissinsin自由光谱区mdnLndnoscis)1()(mdnLndnmoscism第m和m+1两个衍射峰的角间距两个衍射峰之间的波长范围称为自由光谱区gcommnnFSR0dnsm0omm级主衍射极大m+1级衍射峰gcmnnFSRN0maxintintm与成正比，m足够大的话，的m+1级会进入的通道o4.AWG性能分析•1.中心频率偏差：中心频率与实际中心频率之差。对于WDM系统来说，由于信道间隔比较小，一个很小的信道偏移，就有可能造成极大的影响。因此，ITU-T建议左右不超过10%。•光源频率啁啾、自相位调制引起的脉冲展宽以及温度等因素都会引起系统工作频率发生漂移。•2.插入损耗：穿过AWG器件的某一个特定光通道所引起的功率损耗。低的插入损耗是无源器件所必须的，对于一般SiO2基AWG来说，其插入损耗值是3dB左右。AWG器件的插入损耗分主要两类：•一是平板波导和阵列波导之间结处的转换损耗•二是光纤和阵列波导之间模场失配所引起的耦合损耗。对于多通道的AWG器件。插入损耗是一个关键的性能指标，•3.AWG串扰的主要来源有以下六个方面：•(1)输出波导间的模场的弱耦合是串扰的最直接来源，相邻波导间通过衰减场进行弱耦合，能量相互进入相邻通道。•(2)由于阵列波导孔径的宽度有限(即阵列波导的数目有限)，在输入平板波导中只有部分衍射光能进入阵列波导，结果使场被截断，导致输入孔径的功率损失，并在输出孔径处，焦场的旁瓣增多；•(3)如果阵列波导不是严格的单模，在弯曲波导处就会激发高阶模。由于基模和高阶模的传输常数不一样，两者将会汇聚在不同位置，引发串扰；•(4)阵列波导输入、输出部分的耦合会使相位畸变；•(5)由于制备过程的缺陷，使传播常数畸变，导致相位传输的误差，最后使串扰增加；•(6)在结或波导边缘，光被散射出波导。•4.偏振相关性：AWG器件的偏振相关性来源于波导和材料的双折射。对同一波长而言，TE模和TM模的有效折射率是不同的，因此会引起在TE模和TM模之间产生波长漂移。•在光纤通信网中，传输线大多是普通单模光纤，无保偏特性，因此AWG在实际应用中必须消除对偏振的敏感性。mLnTETE.0mLnTMTM.0TETMTETMTETMnnmL.0•5.温度相关性：在实际DWDM系统应用时，AWG信道波长的温度相关性是一个严重问题。•温度使波导的折射率发生改变，从而使信道的中心波长漂移。为了稳定信道波长，需要附加一些温控单元，如加热器、Pltier冷却器等，这些将导致系统代价的升高，因此迫切研制温度无关的AWG。6.3-dB带宽•3-dB带宽是衡量AWG波分复用器件实用性的重要指标，当AWG的输出光谱的衍射峰光功率P下降到峰值P0的一半时，用dB来表示恰好是3dB，5.AWG波分复用器的设计•进行AWG波分复用器设计主要参数：波导芯的厚度和宽度、模的有效折射率和群折射率、衍射级数、相邻波导间距、相邻阵列波导的长度差、平板波导的焦距、自由光谱区(FSR)、最大信道波导数和最小阵列波导数等参量。•举例：选用氟化聚芳醚(FPE)作为制作AWG的材料，芯层折射率为n1=1.5100，包层材料的折射率为n2=1.49790，芯与包层的相对折射率差为0.8%。然后根据ITU标准，取中心波长为λ=1.5509μm，波长间隔Δλ=0.8nm。矩形波导的模式选为导模，平板波导的模式选为TM导模。ypqE])([tan2)(tan22122202121xxxknkkbk220221202sxnkknkb在2.4~4.2μm范围内取值时，可实现矩形波导中主模和平板波导中基模的单模传播。b=4μm。yE000TM1n2nb0212221200)(kkknkkknyxcc021221200)(kknkkknyssddnnnccg有效折射率相邻矩形波导之间的距离d•主要是考虑波导之间的耦合和通道间的串扰水平决定。为能量转移系数，值越小c越大，波导间距越大。])1(2[20020xxxxxqkaPqlkLnqacadP相邻阵列波导长度差、平板波导焦距和FSRgcmnnFSR0cnmL0gcsmndnndf2由三个关系表达式，我们可以看出，输出平板波导中信号光的衍射级数m是一个重要参量，一但衍射级数确定，则相邻阵列波导长度差、平板波导焦距、FSR也随之确定。6.AWG的研究现状•AWG复用/解复用器的衬底材料目前主要有三种：石英、InP和硅。•石英衬底避免了硅衬底与二氧化硅热膨胀系数不同导致的在生长厚二氧化硅时的龟裂问题，且石英熔点比硅高，可以提高热处理的温度降低器件的传输损耗。但这种衬底不利于集成。•InP基的AWG波分复用/解复用器，这种器件的材料折射率差较大，尺寸小，与InP基的激光器和探测器等有源器件集成可实现多波长的激光器、探测器等，但偏振色散大。•目前硅基二氧化硅AWG器件性能最好，最大通道数实现了1010，通道间隔为25GHz，插入损耗为几个分贝，串扰值小于-35dB。而InP基AWG器件最大通道为64，通道间隔为50GHz，插入损耗为7~14dB，串扰值小于-20dB。但InP基AWG器件性能正在逐渐提高，其最大的缺点是波导尺寸小，与光纤耦合困难。在系统应用方面，硅基AWG已进入系统商业应用，InP基的AWG也已应用到波分复用试验网中。•但是硅基SiO2AWG器件也存在一定的问题，高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困难，需要的设备复杂，造成器件价格一直居高不下，这对AWG器件的应用很不利。•因此，许多研究者开始研究硅基聚合物AWG器件，这种器件具有价格便宜、工艺简单、折射率调整容易、透明性好、偏振不灵敏以及热稳定性好等优点，使其在与无机材料AWG器件的竞争中处于有利的地位。7.AWG波分复用/解复用器的研究方向•主要有两个：一是优化AWG的性能，主要是减小损耗、串扰、偏振色散，提高中心波长的稳定性和精确度，提高输出波长的平坦度，提高温度不敏感性等。•另一个是拓展AWG的功能，利用单片集成技术，构筑系统或网络所需要的功能模块，提高器件的集成度，朝高密集方向发展，即增加AWG的通道数量和减小通道间隔。