阵列波导光栅(AWG)基本常识

阵列波导光栅（AWG）基本常识1、波分复用技术及其现状波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合的波长光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。现在光的波分复用技术主要集中在光纤传输的C波段，波长范围是1530nm~1565nm，每个波长之间的间隔为1.6nm、0.8nm或更低，称之为密集波分复用，即DWDM。其主要特点为：充分利用光纤的巨大带宽资源，大力提升通信容量，在EDFA可放大的C波段35nm的范围内，若以信道间隔0.8nm，则有40多个波长的传输能力，进一步扩展到S波段和L波段，可得到更多的通信信道，DWDM技术是最有能力将通信容量提高到Tb/s的技术；可同时传输不同类型的信号；实现单根光纤双向传输；多种应用形式；节约线路投资；降低器件的超高速要求；IP的传送通道；高度的组网灵活性、经济性和可靠性。因此，我们有理由认为DWDM是最具发展优势的通信方案，它解决了目前通信容量危机，充分利用了EDFA的宽带放大特点，综合了现有网络不同技术，适应未来全光网络建设的要求。WDM具备良好的技术优势，但是，要实现WDM传输，需要许多与其作用相适应的高新技术和器件，包括光源、光波分复用器、光放大器、光线路技术以及监控技术。光源是能产生符合WDM系统要求的多波长光源，波分复用技术用于光纤的发送端和接收端，分别完成光的合波与分波，光放大器完成光的前置放大、线路放大和功率放大，其中EDFA最为成熟。WDM技术的研究、开发与应用十分活跃，在国际上电信装备公司投入巨额资金竞相研究、开发、宣传展示产品；运营公司纷纷着手用WDM技术改造现有的光传输网络。目前商用系统以2.5Gbit/s、10Gbit/s和40Gbit/s为基准速率，总容量已达数百吉比特每秒，有的已超过10Tbit/s，实验系统中最大复用通道数高达1022个波长。在我国济南-青岛462km线路上建起了20Gbit/s(8×2.5Gbit/s)的国家一级干线工程，更密集的40×10Gbit/s的WDM系统也进行了传输实验。总之，数百吉比特每秒的WDM系统已在网络中运行，太比特每秒的WDM系统技术也在成熟，将入网应用。WDM不论是应付信息流量巨增、保护原有线路投资和利用传输带宽潜力、降低建设和营运成本方面，还是在建设应用灵活而又富于发展前景的全光网，都将是其他技术无法比拟的。2、复用/解复用器的类型在WDM传输系统中，波分复用/解复用器是其核心器件。它在发送端将完成合波任务，在接收端完成分波。制作光波分复用器的技术有很多，较为实用的有棱镜法、熔融拉锥法、干涉膜滤光法、衍射光栅法等。衍射光栅法又可分为光纤光栅和阵列波导光栅法，能够用于DWDM系统使用的光波分复用器是干涉膜滤光型和衍射光栅型光波分复用器，尤其是阵列波导光栅(AWG)，由于其结构具有复用/解复用双向对称功能，复用/解复用通道几乎不受限制等优点，是大端口数(通道数大于32)复用/解复用器的最佳选择。熔融拉锥全光纤型波分复用器主要应用于双波长的复用，如1310nm/1550nm的WDM系统、掺铒光纤放大器(EDFA应用的980nm/1550nm和1480nm/1550nmWDM系统、光学监控系统应用1510nm/1550nmWDM。这种器件的制作方法是将两根(或两根以上)除去涂覆层的裸光纤以一定方式(打绞或使用夹具)靠近，在高温下加热熔融，同时两侧拉伸，利用电脑监控其光功率耦合曲线，并根据耦合比与拉伸长度关系控制停火时间，最后在加热区形成双锥波导结构。由于熔融拉锥原理的限制，单靠熔融拉锥方法制作DWDM器件需相当长的拉伸长度，这样不仅会增加器件的损耗，而且还会导致较大的偏振依赖性，因此不可能制备DWDM器件，除非使用多个耦合器串联的形式。介质模滤光型波分复用器如图1所示，是目前工程中广为采用的波分复用器，它采用了介质滤光技术，即通过蒸镀多层介质膜来复用或解复WDM系统中的特定波长。这类器件的优点是：信道数灵活，且波长的间隔可以不规则；可以加进多路复用/解复用单元，使系统升级；插入损耗低；相邻波长之间的隔离度高；完全无源；无须温度控制。缺点是装配所需时间较长，且整个器件的损耗和成本与复用信道数成正比，即复用信道数越多，器件损耗和成本越高。目前已有4信道、8信道和16信道的商用产品。光纤光栅如图2所示，是利用紫外(UV)激光诱导光纤纤芯折射率分布呈周期性变化的机制形成的折射率光栅，利用这种折射率光栅，让特定波长的光通过反射和衰减实现波长选择，便可制作成波分复用器件，根据折射率变化周期，分成短周期和长周期光纤光栅。这类波分复用器的优点在于：可以通过光纤光栅精密控制中心反射波长；可任意选择反射带宽；反射带宽可做得很小；反射率可达100%；容易进行温度补偿；与普通光纤的连接十分方便。故其特别适合于DWDM系统使用。图1介质膜滤光型复用/解复用器图图2光纤光栅型的复用/解复用器阵列波导光栅是最为诱人的波分复用/解复用器，其结构如图3，其由输入波导、输入/输出平板波导、阵列波导和输出波导构成。为了减小器件的偏振相关性，在阵列波导的中央还插入了半波片。AWG的工作原理是：当含有多个波长的光信号由输入波导进入输入平板波导区，由于不存在光学的横向限制，光在平板波导区衍射；在输入平板波导区的末端衍射场耦合进入阵列波导并传输，由于相邻阵列波导存在长度差，因此到达输出平板波导区时阵列波导中不同的光波信号产生不同的相位差，最后聚焦在输出平板波导不同的位置，完成解复用功能。按照光学的可逆性，不同波长的信号从不同输出波导输入时，将会聚在同一输入波导输出实现复用功能。AWG具有小的波长间隔、大的信道数、高的分辨率和易于集成等优点，特别适合于超高速、大容量的DWDM系统使用，这是其它器件无法比拟的。表1总结了各种波分复用器的性能，从中可看出阵列波导光栅是最有优势的一种波分复用器件。图3阵列波导光栅型复用/解复用器表1各种波分复用器性能比较3、AWG的基本工作原理1988年荷兰人M.K.Smit提出了一种称之为阵列波导光栅的新结构[12]，它基于凹面光栅的成像原理，将凹面光栅的反射式结构改变为传输式结构，输入波导与输出波导分开，用波导对光进行限制和传导。这种结构可以在光传输的过程中引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶模，提高光栅的分辨效率。图4AWG基本结构图阵列波导光栅型波分复用/解复用器的结构图如图4所示，它由输入/输出（I/O）波导、（I/O）平板波导和阵列波导组成。（I/O）平板波导是罗兰圆结构，（I/O）波导和阵列波导由（I/O）平板波导相连。∆xi和∆xo为I/O波导间距，d为阵列波导间距，R为罗兰圆直径，也是光栅圆半径，∆L为相邻阵列波导间的长度差，∆θi和∆θo分别为相邻输入波导和输出波导间的夹角，θi和θo对应为输入波导和输出波导与中心波导的夹角。阵列波导的两端以等间距(d)排列在光栅圆周上，输入/输出波导排列在罗兰圆周上。阵列波导光栅型波分解复用器的工作原理为：复用光波耦合进入某一输入波导，在平板波导内衍射，衍射光以相同相位到达阵列波导端面，并耦合进阵列波导，经长度差为∆L的阵列波导传导后，产生相位差（不同波长的相位差也不同），不同波长的光波被输出平板波导聚焦到不同的输出波导位置，完成解复用功能，反之则能实现复用功能。为减少平板波导和阵列波导间的耦合损耗，阵列波导条数必须足够多，且端面做成渐变结构（锥形、抛物线型等）以实现高效的收集衍射光。4、AWG的应用AWG具有对称结构，并且可以对多波长信号进行同步处理，因此能够实现DWDM光通信网中多波长信道的互联路由、交换处理和上下回路。AWG已经成为DWDM系统中大部分器件的核心构件，应用极为广泛。4.1分波/合波器AWG作为密集波分复用DWDM的分波/合波器的应用见图1-1。图1-1为一个1×4的分波器和1×4的合波器。对分波器，含有4个波长λ１，λ２，λ３和λ４的DWDM信号通过波导进入AWG分波器，被分成四路光从不同波导输出，每路的波长分别为λ１，λ２，λ３和λ４；对合波器，四路不同波长（λ１，λ２，λ３和λ４）的信号通过四根输入波导经过AWG合波器后，同时从一根输出波导输出，再耦合到光纤中进行传输。图5AWG作为分波/合波器4.2波长路由波长路由器在无源光网络（PON,passiveopticalnetwork）中有广泛的应用,是光纤通信系统中的基本结构。AWG可以在光层实现信号的波长路由，而无需使用光-电，电-光转换设备，从而大大简化了网络的硬件结构。波长路由器有N个输入通道，N个输出通道，每个输入通道均可以携带N个不同波长的光信号，如图6所示。这些信号经过AWG后被分配到不同的输出通道，从而实现了波长路由功能。以AWG为基础的波长路由器首先由Dragone提出，目前已有许多实用化的产品。图6AWG波长路由4.3光分插复用器光分插复用是波分复用（WDM）通信网络中的重要技术，它的优劣会直接影响网络的性能。可重构的光分插复用器（OADM,opticaladd/dropmultiplexer）是WDM总线网和环网中的关键器件，其作用是下载（Drop）通道中通往本地的信号，同时上载（Add）本地用户发往另一节点用户的信号。OADM可以提供不同网络之间的互连，同时，通过在节点处上载和下载信号可以实现网络的可变带宽接入，大大提高整个光纤通信网络系统的灵活性。以AWG和空分光开关阵列核心的OADM（如图7所示）很好地满足了动态网络操作的要求。图7AWG插分复用4.4光交叉互连光交叉互连（OXC，opticalcross-connect）在全光网（AON，allopticalnetwork）中有着十分重要的作用，除实现上下载功能外，更主要的是能够完成网间信道的交叉连接，即具有波长路由选择，动态重构和自愈功能，并具有可扩展性，波长分区重用的特点。AWG器件因其对称性和多信道同步处理能力，在实现光交叉互连上显示了很大的优势。