AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化

《AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、FPRf PRAWGC作原理和主要技术指标及设计和优化时间:2010-09-12 22:32 来源：未知 作者：admin点击：114次在光纤通信系统中，最早商用的DWD模块是由多个三端口的介质膜滤波器 （TFF）串联而成， 但是当信道数大于16时，基于TFF技术的DWD模块因损耗太大，不能满足应用需求。阵列 波导光栅（AWG应运而生，成为32通道以上DWD模块的主要技术途径。AWG是以平面光路（PLC技术制作的器件，其基本结构如图1所示，由输入波导、输入 星形耦合器、阵列波导、输 出星形耦合器和输出波导阵列五部分组成。输入的DWD信号， 由第一个星形耦合器分配到各条阵列波导中，阵列波导的 长

2、度依次递增 L，对通过的光信 号产生等光程差，其功能相当于一个光栅，在阵列波导的输 出位置发生衍射，不同波长衍射 到不同角度，经过第二个星形耦合器，聚焦到不同的输出波导中。output 】卩crlurcimage planetransmiucr waveguide图1. AWG基本结构为了更直观的理解AWG勺工作原理，我们首先来分析凹面反射式光栅和罗兰圆的结构和 原理，如图2所示，凹面光栅的曲率半径为R=2r，罗兰圆的半径为r，二者内切且罗兰圆通 过光栅中心。通过简单的光路分析和一定的近似可知，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，满足衍射条

3、件：光通信人网*AVX. fltKFCjn. COlYli图2.凹面反射式光栅和罗兰圆结构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，如图3所示，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。a)图3. a)输入星形耦合器，b)输出星形耦合器输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系，输入波导发出的光信号经阵列波导衍 射，不同波长聚焦到不同输出波导；图4中罗兰圆上C点发出的光信号经凹面光栅反射衍射， 不同波长聚焦到罗兰圆上的不同点。二者完全等效，差别只在于后者是反射式光栅，而前者 是透射式光栅。对于前者，我们也可以理解为图3 (b)中波导C发出的光

4、信号，经阵列波导 反射衍射并聚焦到不同输出波导中。图4.凹面反射式光栅中的衍射AWG勺衍射公式与凹面光栅略有不同:的自由光谱范围（FSR，如图5 （b）所示，为避免串扰，FSR应大于需要复用/解复用的信 号谱宽。（责任编辑：admin）AWGC作原理和主要技术指标及设计和优化（2）时间:2010-09-12 22:32 来源：未知 作者：admin点击：114次3）a）b）图5.AWG勺a）次级衍射和b）自由光谱范围 一个典型的AW（传输谱线如图6所 示，其主要技术指标有插入损耗、损耗均匀性、通带起伏、偏振相关损耗（PDL、通带宽度、 相邻通道隔离度、非相邻通道隔离度等，分别(3)1(non

5、iLinfermily J(ar fieldIorder rn+ I:tcxdcr ru-1 aider in mier m+1i plane?人L A4 Arj 心channel 4心1曲磴信人网匕 r&n. coma）b）图5. AWG的a）次级衍射和b）自由光谱范围一个典型的AW（传输谱线如图6所示，其主要技术 指标有插入损耗、损耗均匀性、通 带起伏、偏振相关损耗（PDL、通带宽度、相邻通道隔离度、非相邻通道隔离度等，分别 如图7 （a）、图5 （a）、图7 （b f）所示。图6. AWG的传输谱线ibiAjy.gt ccmOdBa)插入损耗b)通带起伏c)PDLd)通带宽度Adjace

6、nt FtPas5brifscc，nihkxi Adjacent FFU PsbfhicH 1e）相邻通道隔离度f） 非相邻通道隔离度图7. AWG的主要技术指标一、AWG勺设计步骤AWG参数中有多个自由度，因此其设计步骤也有多种，一个典型的设计步骤如下：1）由设计要求确定信道数N和信道间隔 f ;2）确定波导宽度W和折射率差:要求波导满足单模条件，并考虑波导的最小弯曲半径（这 对器件布版非常重要）随W和单调递减，SiO2波导一般取W=6um A =0.75%;3）确定输出波导间距dr: AWG勺串扰随dr的减小而增加，如图8,根据对串扰的要求确定 dr ；qtr&n.con图8.串扰与输出波

7、导间距的关系（责任编辑：admin）AW（工作原理和主要技术指标及设计和优化（3）时间:2010-09-12 22:32 来源：未知 作者：admin点击：114次4）确定罗兰圆直径Ra AWG勺损耗均匀性8.7（max/0）2，而Ra=Smax/max由边缘通道的位 置Smax和衍射角max决定；5）确定阵列波导间距da： da越小则器件的损耗越小，在阵列波导与星形耦合器相接处，应 使波导间隙尽量小，接4）确定罗兰圆直 径Ra AWG勺损耗均匀性8.7（ 9 max/9 0）2，而Ra=Smax用max由边缘通道的位置Smax和衍射角0 max决定；5）确定阵列波导间距da： da越小则器件

8、的损耗越小，在阵列波导与星形耦合器 相接处，应使波导间隙尽量小，接近光刻极限；6）确定阵列波导中相邻波导长度差 L:阵列波导的色散DA LRa/da且D=dr/ Af ,由此决定A L;7）确定阵列波导数Na边缘阵列波导相对于输入波导的张角20 a影响损耗和串 扰，如图9所示，根据损耗和串扰要求选定0 a,再计算阵列波导数Na=20 aRa/da+1。Fxpj越 od PJaEmBH -2-4-6-X304(s()20w-io光通詹人网gts r&n. c onn600I2e/e（）图9阵列波导张角与损耗和串扰的关系8）选择AWG勺布版方式：布版需要考虑输入/输出端口的设置和尽量缩小器件的 布

9、版面积，常用的布版方式有两种，如图10所示。图10. AWG常用的布版方式二、减小AWG0耗的途径光通信www. gt. ren. com在AWG勺输入星形耦合器中，如图3 （a）和图11中虚线所示，输入波导 发 出的光场呈高斯分布，分配到各条阵列波导中。如果在阵列波导的输出端能够得 到同样的光场分布，就能够无损耗的耦合到目标输出波导中。实际上，由于端口 位置波导间隙的影响，在阵列波导输出端得到的光场如图11中实线所示，光场 被撕裂，因此产生耦合损耗。如果采用强限制波导（折射率差较大）或者波导间 隙较大，光场被完全撕裂，损耗较大；如果采用弱限制波导或者波导间隙较小， 光场未完全撕裂，损耗较小。

10、array aperture图11.阵列波导输入/输出端的光场分布针对产生损耗的机制，减小AW（损耗的途径如下：1）在阵列波导接口位置，采用锥形设计逐步减小波导间隙，直至光刻极限;2）进行二次光刻，对阵列波导接口位置采用折射率差较小的材料组合。三、AWG勺消偏振设计因阵列波导的双折射效应，TE模和TM模的衍射聚焦位置 不同，产生PDL 甚至两个模式聚焦到不同波导中，如图12所示。图12. AWG中的PDL问题针对PDL的产生机制，消除的方法如下：1）采用零偏振波导：通过适当的参数设计和工艺优化，可以得到双折射系数极低 的零偏振波导，如图13所示。网ran.ccfcFYr zzpr;.L筑上卜!

11、1 r r a,1!-;丰 Ax fcr i FV鶴1 $lr1*%iJI4 -= ydvlAl = L 亠 :卡;iJ 丄 2 7 T k- V I I i.vBM A 丄- FhTWlJ: J AloGaAsPin?图13.掩埋矩形和脊形零偏振波导结构2）衍射级次匹配：让AWG勺FSR等于偏振引起的频移 fpol ,则TE模的m级衍 射波长与TM模的m-1级衍射波长重合，二者衍射角相同，如图14所示。TE”TM 叫 |丁%llll Illi Illi IllipokinsLititm diapers ionII /: nnin n1wave length Accm图14.通过衍射级次匹配实

12、现消偏振（责任编辑：admin）AWGC作原理和主要技术指标及设计和优化（4）时间:2010-09-12 22:32 来源：未知 作者：admin点击：114次3）色散匹配设计：在每条波导中插入一段双折射系数不同的波导，其长度以L递增，如图15 所示。图15.通过色散匹配实现消偏振4）偏振分离输入：将TE模和TM模分离之后再输入AWG如 图16所示。图16.通过偏振分离输入实现3）色散匹配设计：在每条波导中插入一段双折射系数不同的波导，其长度以S L递增，如图 15所示。光通信人刚gtocren. connL + 4 AL光通信人网图15.通过色散匹配实现消偏振4）偏振分离输入：将TE模和TM

13、模分离之后再输入AWG如图16所示图16.通过偏振分离输入实现消偏振5）半波片法：在每条波导的中间插入一片半波片，使波导的前后两段发生TE模和TM模的转 换。四、AWG勺通带平坦化设计阵列波导输出的光场，在输出波导的端口进行衍射重构，这个重构光场与输出波导的能 量耦合所表现出来的波长特性，即为AWG勺传输谱线。通带未优化的AWG表现为高斯型谱线，如图17所示，难以实用，因此必须进行通带平坦 化设计。翻oRelative frequercy (GHzJso 左通信人呻www gtren.亡 amHP) 8CS-E2SH图17.高斯型AWGg线1) 采用多模输出波导：在输出星形耦合器中采用多模输出

14、波导，如图18 (a)所示，衍射重 构光场与多模波导的能量耦合，表现为平坦化的通带特性，如图18 ( b)所示，因为输出波 导为多模，该方法只能用于解复用器，并且解复用的信号只能由探测器接收，而不能无中继 的继续传输。a)席 J-4.6-S 【EPI p31-uj*uezX先就脣人融ww.gt b）图18. a）多模输出波导，b）通带特性2）输入端接多模干涉（MM）耦合器：在输入波导与输入星形耦合器之间串接一个MMI耦合 器，将输入光场变成一个双峰波形，如图19（a）所示，优化前后的通带特性分别如图19（b）中的虚线和实线所示，可以看到，通带优化后的AWG其损耗增加了大约2dB。将MMI 耦合

15、器设计成牛角形状，可以进一步优化损耗和通带特性。 li 0 i .】一.一.”-”0.6 AU -0,20.0f/Afa)wvw b)(责任编辑:admin）AWGC作原理和主要技术指标及设计和优化（5）时间:2010-09-12 22:32 来源：未知 作者：admin点击：114次图19.a）输入端接MMI耦合器，b）优化前后的通带特性3）在阵列波导输出端引入相移： 输出波导接收的光场为阵列波导输出位置光场的傅立叶变换，如果在阵列波导输出端得到 sine函数（sinc（x）=sinx/x ）分布的光场，则其通带图19. a）输入端接MMI耦合器，b）优化前后的通带特性3）在阵列波导输出端引

16、入相移：输出波导接收的光场为阵列波导输出位置光场的傅立叶变 换，如果在阵列波导输出端得到sine函数（sinc（x）=sinx/x ）分布的光场，则其通带为近 似矩形。一般情况下，在阵列波导输出端得到的光场如图20（a）所示；通过调整阵列波导输入端口 径,可以改变其输出端光场，如图20 （b）所示；在某些波导的输出端引入n相移（可通过 调整波导长度差来实现），如图20 （c）所示；阵列波导的最终输出光场为图20 （b）和（c） 函数的乘积，如图20 （d）所示，其波形类似sine函数分布，因此在输出波导可得到近似矩 形的通带特性，如图21所示。An*y Waveguide IJ4 1、瞅.t

17、r*n. cur：a)b)ppLi:直首图20. a）阵列波导输出端光场，b）通过改变阵列波导输入端口径 得到的输出端光场，c）在某 些阵列波导输出端引入相移，d）阵列波导最终输出光场为c）和d）两函数的乘积Optical Fr etiuenc y f - f0)( ehqt汀&n toni图21.通过在阵列波导输出端引入相移得到的通带特性4) 输入端接MZ干涉器：在输入波导与输入星形耦合器之间串接一个MZ干涉器，如图22( a) 所示，输入星形耦合器将有两条输入波导，不同波长的光场在输入端呈现不同的分布情况， 如图22 (b)所示。这样，在中心波长的附近，损耗将得到一定的平衡，从而实现平坦化

18、的 通带特性，如图23所示。O*E=Jl0 050$几疋职尸尺&Spotnl(gt r gn上 om图22. a)输入端接MZ干涉器的AWG吉构，b)不同波长的光场在输入端分布情况3515311&92Wave：&ngth nm)5图23.通过在输入端接MZ干涉器得到的通带特性前面两种方案，其本质都是通过改变输入光场与输出光场之间的耦合特性来优化通带特 性；第三种方案是从傅立叶分析的角度实现通带平坦化；第四种方案是在透彻理解输入波导 平面与输出波导平面之间的镜像关系的基础上，直接对通带内各波长的损耗进行均衡，实现 通带平坦化。第一种优化方案存在应用局限性；第三种优化方案工艺复杂，难以控制；第二种优化方案会 增加额外的损耗，大约3dB;第四种优化方案工艺简单，也不会引起额外的损耗，通带平坦 化之后的总损耗3.5dB，缺点是串接的MZ干涉器会增加器件尺寸。（责任编辑：admin）