AWG光通信研究

1、光通信研究SYUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS2003年 第1卷 第3期AWG插入損耗性能的分析和改善萬莉1，吳亞明2，王躍林1，2 （1浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江杭州310027；2中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050）     摘  要：陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是實現(xiàn)密集波分復(fù)用（DWDM）光網(wǎng)絡(luò)的理想器件，插入損耗是它的一個重要性能指標(biāo)文章在綜述了多種減小AWG器件插入損耗方法的基礎(chǔ)上，分析了如何使用楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來降低模式失配所導(dǎo)致的耦合損耗這種方法可以在不增加器件制作難度的同時大大降低AWG的插入損耗，

2、并且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件設(shè)計    關(guān)鍵詞：密集波分復(fù)用；陣列波導(dǎo)光柵；插入損耗；楔形波導(dǎo)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是實現(xiàn)多通道密集波分復(fù)用（DWDM）光網(wǎng)絡(luò)的最理想器件它是一種基于平面光波回路（PLC）技術(shù)的角色散型無源器件，由一個相位控制器，一個衍射光柵和輸入輸出波導(dǎo)組成與其他光柵技術(shù)相比，AWG具有設(shè)計靈活、插入損耗低、濾波特性良好、性能長期穩(wěn)定、易與光纖有效耦合和適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在DWDM光網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以實現(xiàn)濾波、復(fù)用解復(fù)用、光分插復(fù)用（OADM）等功能AWG是一種無源光器件，插入損耗是它的一項重要性能指標(biāo)近年來，人們在降低AW

3、G器件的插入損耗方面做了大量的研究，提出了許多實用的設(shè)計方法本文介紹了AWG的基本原理以及在降低器件插入損耗方面的最新進(jìn)展，并在理論上分析了楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對模場失配的優(yōu)化作用，最后給出了8通道的AWG解復(fù)用器的模擬結(jié)果1AWG的基本原理及其損耗特性11AWG的基本原理AWG基于凹面光柵原理，1988年由荷蘭人MKSmit提出1AWG將凹面光柵的反射式結(jié)構(gòu)拉成傳輸式結(jié)構(gòu)，輸入和輸出波導(dǎo)分開，并用波導(dǎo)對光進(jìn)行限制和傳輸，取代光在自由空間中的傳播利用這種傳輸式結(jié)構(gòu)可在光的傳播中引入一個較大的光程差，使光柵工作在高階衍射狀態(tài)，提高了光柵的分辨率AWG復(fù)用解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由集成在同一襯底上的輸

4、入輸出波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)和兩個聚焦平板波導(dǎo)組成輸入輸出波導(dǎo)位于Rowland圓的圓周上，對稱地分布在器件的兩端陣列波導(dǎo)中相鄰波導(dǎo)的長度差為一常數(shù)，可對入射光的相位進(jìn)行周期性調(diào)制，因此稱這種器件為AWG不同波長的光信號進(jìn)入輸入波導(dǎo)，在平板波導(dǎo)內(nèi)自由傳播，并耦合入陣列波導(dǎo)，經(jīng)過陣列波導(dǎo)的色散作用，引起波前傾斜，在輸出波導(dǎo)的不同位置上成像，完成解復(fù)用功能反之，可將不同輸入波導(dǎo)中的具有不同波長的光信號匯集到同一根輸出波導(dǎo)中，完成復(fù)用功能12AWG的插入損耗分析在實際應(yīng)用中，AWG通常作為多功能器件中的組件，由于插入損耗在多個節(jié)點(diǎn)的積累作用，系統(tǒng)性能會隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而惡化，因此在各種無法使用光放大器的接入網(wǎng)

5、中，對AWG器件的插入損耗提出了很高的要求同時，隨著器件尺寸的增加，AWG的插入損耗也會相應(yīng)增大，通常器件尺寸增加一倍，插入損耗將有3 dB左右的惡化因此對于多通道的AWG器件，插入損耗是一個重要的性能指標(biāo)AWG器件的損耗分為兩類，一類是在陣列波導(dǎo)和平板波導(dǎo)中由于吸收和散射等原因引起的傳輸損耗，其典型值為2 dB；另一類是由于模式失配造成的轉(zhuǎn)換損耗轉(zhuǎn)換損耗有兩個主要來源，一是平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過渡損耗，光柵陣列波導(dǎo)之間存在間隙，由此導(dǎo)致平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)的模場失配，產(chǎn)生耦合損耗，而間隙的尺寸受到器件制作精度的限制轉(zhuǎn)換損耗的另一個來源則是光纖與波導(dǎo)之間的模場失配引起的連接損耗，這種損耗會隨

6、著光纖與波導(dǎo)的芯層尺寸和折射率的不同組合而變化要有效降低AWG器件的插入損耗，關(guān)鍵在于減小光場傳輸過程中由于各種模式失配造成的轉(zhuǎn)換損耗光纖與波導(dǎo)的連接損耗可以通過選擇波導(dǎo)芯層與覆蓋層的折射率差來減小，使用045的折射率差可以明顯減小這類損耗2而對于平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過渡損耗，是由AWG本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，對器件性能的影響很大，人們提出了許多方法來減小這一固有損耗例如，對于InP基和Si基的AWG可使用兩次刻蝕的垂直楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來優(yōu)化器件性能3另外，Maru等人提出在平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間通過紫外光照射引入高折射率區(qū)域，以減小平板波導(dǎo)與陣列波導(dǎo)的耦合損耗，從而降低器件的插入損耗4，其結(jié)構(gòu)如圖

7、2所示經(jīng)過60min的紫外光照射，AWG器件的插入損耗可以達(dá)到最小值30 dB 最近有文獻(xiàn)報導(dǎo)，在AWG的平板波導(dǎo)中加入相位調(diào)整元素島（周期性排列的折射率變化區(qū)域），可有效地降低器件的插入損耗5由于折射率的差異，島區(qū)域內(nèi)和平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)傳播的光場具有不同的相速度，它們相互疊加的結(jié)果，可以使傳播光場與陣列波導(dǎo)本征模場失配造成的損耗大大減小實驗中選擇島區(qū)域的折射率與器件覆蓋層的折射率相同，可將插入損耗由93 dB降至13 dB以上各種降低插入損耗的辦法大多是針對InP基和Si基AWG器件的，而且這些方法或者需要附加的控制和穩(wěn)定裝置，或者會增加器件的制作難度，提高對工藝容差的要求，與實用化的目標(biāo)尚有

8、一段距離如果在不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)的連接處增加漸變的過渡區(qū)，不但能夠極大地降低轉(zhuǎn)換損耗，而且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件的設(shè)計下面我們對這種簡單而有效的設(shè)計方法進(jìn)行分析，并給出模擬結(jié)果2理論分析及模擬結(jié)果21過渡區(qū)理論根據(jù)光波導(dǎo)理論，光場在兩種不同的波導(dǎo)中傳輸，由于模場的失配，會產(chǎn)生相當(dāng)大的反射和模式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致光場能量的極大損耗通過在波導(dǎo)的連接處加入漸變的過渡區(qū)，可以在各種不同的模場之間進(jìn)行平滑的轉(zhuǎn)換，有效地減小耦合損耗從實用的角度來說，最簡單的過渡區(qū)形狀是漸變楔形楔形區(qū)域中的損耗主要由3部分構(gòu)成：傳輸損耗、模式轉(zhuǎn)換造成的輻射損耗和由于波導(dǎo)表面粗糙或折射率不均勻引起的輻射損耗在極短的長度范圍內(nèi)，

9、楔形區(qū)域中的損耗主要表現(xiàn)為模式轉(zhuǎn)換損耗，而在距離較長的情況下，則以非理想的波導(dǎo)特性造成的輻射損耗為主下面我們主要分析模式轉(zhuǎn)換帶來的損耗在楔形區(qū)域中，基模與高階模相互作用，尤其是與相鄰的高階模作用，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，其基模能量大部分轉(zhuǎn)化到相鄰的高階模中，并且當(dāng)這個高階模在楔形區(qū)域的單模端附近截止時，能量就會輻射出去根據(jù)過渡區(qū)理論，兩種不同光場模式（模式m和模式n）之間的能量轉(zhuǎn)移因子Pmn滿足6Pmn為了減弱基模與高階模的這種相互作用，并且降低輻射損耗，楔形必須做得比較長而且是漸變的由于mn和mn均與楔形區(qū)域的幾何參數(shù)有關(guān)，我們可以根據(jù)所期望的能量轉(zhuǎn)移因子P的大小，通過求解方程（1）來確定過渡區(qū)的形

10、狀及最小長度但在通常情況下，方程（1）只能通過數(shù)值方法求解計算和分析表明，如果楔形過渡區(qū)足夠長（通常為幾百m），并且是緩慢變化的，即楔形分叉角足夠小（通常1°），過渡區(qū)域內(nèi)的損耗將會很小這時，過渡區(qū)的形狀（如線型、指數(shù)型、拋物型等）就不重要了，可以采用最簡單的線型過渡區(qū)若楔形區(qū)域無限長，就是嚴(yán)格無損耗的理想狀態(tài)我們模擬了采用不同長度的過渡區(qū)時，波導(dǎo)中的光功率與傳播距離的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示從圖中可以看出，在沒有過渡區(qū)（0m）時，總的輸出功率低于93，而隨著過渡區(qū)域長度的增加，波導(dǎo)之間的耦合損耗大大地降低了 22模擬結(jié)果從上面的分析可以知道，在不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)之間加入漸變的過渡區(qū)可以減小

11、導(dǎo)模光場的發(fā)散，降低插入損耗而且，過渡區(qū)的制作只需改變波導(dǎo)的寬度，可以方便地通過光刻掩膜版的設(shè)計來實現(xiàn)通過優(yōu)化過渡區(qū)的分叉角、長度以及折射率等參數(shù)，可以使器件的插入損耗達(dá)到期望值A(chǔ)WG的設(shè)計可以采用這一簡單有效的方法，在平板波導(dǎo)與輸入輸出波導(dǎo)及陣列波導(dǎo)之間加入楔形結(jié)構(gòu)，不增加器件制作的難度，并且能夠大大降低AWG的插入損耗我們以一個8通道的AWG器件為例（設(shè)計參數(shù)列于表1），采用光束傳播法（BPM）模擬了楔形結(jié)構(gòu)對插入損耗的優(yōu)化作用首先在輸出波導(dǎo)處加入楔形結(jié)構(gòu)（線型，長度100m，分叉角08°），增加波導(dǎo)的有效接收寬度，同時增大進(jìn)入信道的波長范圍，降低插入損耗這一方法在需要較大的信道

12、帶寬或平坦的通帶譜響應(yīng)時，85可以產(chǎn)生很好的效果模擬結(jié)果如圖4所示點(diǎn)線為沒有楔形波導(dǎo)的情況，實線是有楔形波導(dǎo)的情況，可以看到，總的插入損耗降低了2 dB左右，同時信道帶寬增大了在陣列波導(dǎo)末端采用楔形結(jié)構(gòu)可以更有效地減小器件的插入損耗光場傳播到AWG輸入聚焦平板波導(dǎo)的末端，并以平面波的方式耦合入陣列波導(dǎo)當(dāng)有些光場模式不能有效地耦合入陣列波導(dǎo)時，就會產(chǎn)生一些損耗而波導(dǎo)末端的楔形部分產(chǎn)生平滑的過渡，可以降低損耗圖5顯示了陣列波導(dǎo)末端的楔形結(jié)構(gòu)（線型，長度100m，分叉角08°）對降低AWG插入損耗的作用可以看到，楔形結(jié)構(gòu)除了改變插入損耗外不改變器件的其他任何性質(zhì)，并且每一個信道和波長的插入

13、損耗都被同等地降低了4dB3結(jié)束語AWG是DWDM光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件之一，尤其在多通道的DWDM系統(tǒng)中，AWG的插入損耗是一個重要的性能指標(biāo)本文綜述了多種減小AWG插入損耗的方法，并分析了如何使用楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來降低模式失配所導(dǎo)致的耦合損耗這種方法原理簡單，可以通過光刻掩膜版的設(shè)計方便地實現(xiàn)，在不增加器件制作難度的同時大大降低AWG的插入損耗，并且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件設(shè)計，是一種靈活、簡單且有效的方法參考文獻(xiàn)：1Smit M KNewfocusing and dispersive planar componentbased on an opticalphased arrayJElec

14、tronics Letters，1988，24（7）：3853862Takagi A，Kaneko A，Ishii M，et alLowloss and flat passband 1×8 arrayedwaveguide grating multidemultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area networksAOFC2000CBaltimore：2000WH5：133Sugita A，Kaneko A，Okamoto A，etalVerylowinsertion loss arrayedwaveguide gratingwith vertically tapered waveguidesJPhotonics Technology Letters，2000，12（9）：118011824Maru K，Chiba T，Okawa M，etalLowlossarrayedwaveguide grating with high indexregions at slabtoarray interfaceJElectronics Letters，2001，37（21）：128712895Junji