AWG工作原理課件

1.陣列波導光柵（AWG）AWG：ArrayedWaveguideGratingsAWG由兩個多端口耦合器和連接它們的陣列波導構(gòu)成。AWG可用作N×1波分復用器和1×N波分解復用器及N×N型的波長路由器等

，是互易性的，用于DWDM系統(tǒng)。AWG特點：通道數(shù)多實現(xiàn)數(shù)十個至幾百個波長的復用和解復用，插入損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG工作原理2.AWG的工作原理AWG的輸入/輸出星形耦合器采用類似凹面反射式光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)。輸入波導和輸出波導分別對光進行限制和傳導。輸入/輸出波導的端口位于羅蘭圓的圓周上，陣列波導位于凹面光柵的圓周上，但陣列波導相當于透射式光柵。輸入星形耦合器與輸出星形耦合器成鏡像關(guān)系。陣列波導處引入一個較大的光程差，使光柵工作在高階衍射，提高了光柵的分辨率。陣列波導輸入波導輸出波導輸入星形耦合器輸出星形耦合器AWG工作原理3.羅蘭圓與凹面光柵凹面光柵羅蘭圓AWG結(jié)構(gòu)圖原理圖1xN：含多個波長的復信號光經(jīng)中心輸入信道波導，在輸入平板波導發(fā)生衍射，在輸入凹面光柵上進行功率分配，并等相位耦合到達陣列波導端面上。進入陣列波導，相鄰的陣列波導具有相同的長度差ΔL，在輸出凹面光柵上相鄰陣列波導的某一波長的輸出光具有相同的相位差，對于不同波長的光此相位差不同,于是不同波長的光在輸出平板波導中發(fā)生衍射并聚焦到不同的輸出信道波導位置。通過輸出信道波導完成波的解復用。AWG工作原理∠SQC=∠CQP=∠SRC=∠CRP∠CQP'=∠CRP'=G光柵面，Q是光柵面中點，C是曲率中心。如果圓的直徑足夠大，假定R在圓K上就不致有多大的誤差。圓K上任一點S來的光將近似地被反射到圓上的另一點P，同時被衍射到圓上另一些點P′，P″，……，這些點分別是各序衍射光線的焦點。通過光路分析及近似可得，羅蘭圓上任一點發(fā)出的光，經(jīng)凹面光柵衍射之后仍聚焦在羅蘭圓上，不同衍射級次對應(yīng)不同衍射角。AWG工作原理AWG的工作原理陣列波導區(qū)域相鄰波導間的長度差是固定的，記為ΔL傳統(tǒng)的衍射光柵的光柵方程為，其中m為主極大的級次，為光程差AWG滿足的方程為

△輸入耦合器+△陣列波導

+△輸出耦合器=mλ

AWG工作原理AWG的光柵方程傳統(tǒng)AWG滿足的光柵方程為，d為陣列波導的周期m為AWG工作的衍射級數(shù)對于由中心波導輸入并由中心波導輸出的中心波長滿足通過對的設(shè)定可以決定衍射級數(shù)，一般較大的m可以產(chǎn)生較高的分辨率.相鄰陣列波導的長度差

為光在輸入輸出平板波導上的衍射角，i、j為輸入輸出波導的序列號(中心波導記為0)，為輸入輸出端的波導間隔，Lf

為平板波導的聚焦長度陣列波導折射率平板波導折射率AWG工作原理角色散方程：群折射率AWG工作原理自由光譜區(qū)第m和m+1兩個衍射峰的角間距兩個衍射峰之間的波長范圍稱為自由光譜區(qū)m級主衍射極大m+1級衍射峰m與成正比，m足夠大的話，的m+1級會進入的通道AWG工作原理4.AWG性能分析1.中心頻率偏差：中心頻率與實際中心頻率之差。對于WDM系統(tǒng)來說，由于信道間隔比較小，一個很小的信道偏移，就有可能造成極大的影響。因此，ITU-T建議左右不超過10%。光源頻率啁啾、自相位調(diào)制引起的脈沖展寬以及溫度等因素都會引起系統(tǒng)工作頻率發(fā)生漂移。AWG工作原理2.插入損耗：穿過AWG器件的某一個特定光通道所引起的功率損耗。低的插入損耗是無源器件所必須的，對于一般SiO2基AWG來說，其插入損耗值是3dB左右。AWG器件的插入損耗分主要兩類：一是平板波導和陣列波導之間結(jié)處的轉(zhuǎn)換損耗二是光纖和陣列波導之間模場失配所引起的耦合損耗。對于多通道的AWG器件。插入損耗是一個關(guān)鍵的性能指標，AWG工作原理3.AWG串擾的主要來源有以下六個方面：(1)輸出波導間的模場的弱耦合是串擾的最直接來源，相鄰波導間通過衰減場進行弱耦合，能量相互進入相鄰通道。(2)由于陣列波導孔徑的寬度有限(即陣列波導的數(shù)目有限)，在輸入平板波導中只有部分衍射光能進入陣列波導，結(jié)果使場被截斷，導致輸入孔徑的功率損失，并在輸出孔徑處，焦場的旁瓣增多；(3)如果陣列波導不是嚴格的單模，在彎曲波導處就會激發(fā)高階模。由于基模和高階模的傳輸常數(shù)不一樣，兩者將會匯聚在不同位置，引發(fā)串擾；(4)陣列波導輸入、輸出部分的耦合會使相位畸變；(5)由于制備過程的缺陷，使傳播常數(shù)畸變，導致相位傳輸?shù)恼`差，最后使串擾增加；(6)在結(jié)或波導邊緣，光被散射出波導。AWG工作原理4.偏振相關(guān)性：AWG器件的偏振相關(guān)性來源于波導和材料的雙折射。對同一波長而言，TE模和TM模的有效折射率是不同的，因此會引起在TE模和TM模之間產(chǎn)生波長漂移。在光纖通信網(wǎng)中，傳輸線大多是普通單模光纖，無保偏特性，因此AWG在實際應(yīng)用中必須消除對偏振的敏感性。AWG工作原理5.溫度相關(guān)性：在實際DWDM系統(tǒng)應(yīng)用時，AWG信道波長的溫度相關(guān)性是一個嚴重問題。溫度使波導的折射率發(fā)生改變，從而使信道的中心波長漂移。為了穩(wěn)定信道波長，需要附加一些溫控單元，如加熱器、Pltier冷卻器等，這些將導致系統(tǒng)代價的升高，因此迫切研制溫度無關(guān)的AWG。AWG工作原理6.3-dB帶寬3-dB帶寬是衡量AWG波分復用器件實用性的重要指標，當AWG的輸出光譜的衍射峰光功率P下降到峰值P0的一半時，用dB來表示恰好是3dB，AWG工作原理5.AWG波分復用器的設(shè)計進行AWG波分復用器設(shè)計主要參數(shù)：波導芯的厚度和寬度、模的有效折射率和群折射率、衍射級數(shù)、相鄰波導間距、相鄰陣列波導的長度差、平板波導的焦距、自由光譜區(qū)(FSR)、最大信道波導數(shù)和最小陣列波導數(shù)等參量。AWG工作原理舉例：選用氟化聚芳醚(FPE)作為制作AWG的材料，芯層折射率為n1=1.5100，包層材料的折射率為n2=1.49790，芯與包層的相對折射率差為0.8%。然后根據(jù)ITU標準，取中心波長為λ=1.5509μm，波長間隔Δλ=0.8nm。矩形波導的模式選為

導模，平板波導的模式選為TM導模。b在2.4~4.2μm范圍內(nèi)取值時，可實現(xiàn)矩形波導中

主模和平板波導中基模

的單模傳播。b=4μm。AWG工作原理有效折射率AWG工作原理相鄰矩形波導之間的距離d主要是考慮波導之間的耦合和通道間的串擾水平?jīng)Q定。為能量轉(zhuǎn)移系數(shù)，值越小c越大，波導間距越大。AWG工作原理相鄰陣列波導長度差、平板波導焦距和FSR由三個關(guān)系表達式，我們可以看出，輸出平板波導中信號光的衍射級數(shù)m是一個重要參量，一但衍射級數(shù)確定，則相鄰陣列波導長度差、平板波導焦距、FSR也隨之確定。AWG工作原理6.AWG的研究現(xiàn)狀AWG復用/解復用器的襯底材料目前主要有三種：石英、InP和硅。石英襯底避免了硅襯底與二氧化硅熱膨脹系數(shù)不同導致的在生長厚二氧化硅時的龜裂問題，且石英熔點比硅高，可以提高熱處理的溫度降低器件的傳輸損耗。但這種襯底不利于集成。InP基的AWG波分復用/解復用器，這種器件的材料折射率差較大，尺寸小，與InP基的激光器和探測器等有源器件集成可實現(xiàn)多波長的激光器、探測器等，但偏振色散大。AWG工作原理目前硅基二氧化硅AWG器件性能最好，最大通道數(shù)實現(xiàn)了1010，通道間隔為25GHz，插入損耗為幾個分貝，串擾值小于-35dB。而InP基AWG器件最大通道為64，通道間隔為50GHz，插入損耗為7~14dB，串擾值小于-20dB。但InP基AWG器件性能正在逐漸提高，其最大的缺點是波導尺寸小，與光纖耦合困難。在系統(tǒng)應(yīng)用方面，硅基AWG已進入系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用，InP基的AWG也已應(yīng)用到波分復用試驗網(wǎng)中。AWG工作原理但是硅基SiO2AWG器件也存在一定的問題，高質(zhì)量厚膜SiO2波導材料的生長比較困難，需要的設(shè)備復雜，造成器件價格一直居高不下，這對AWG器件的應(yīng)用很不利。因此，許多研究者開始研究硅基聚合物AWG器件，這種器件具有價格便宜、工藝簡單、折射率調(diào)整容易、透明性好、偏振不靈敏以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使其在與無機材料AWG器件的競爭中處于有利的地位。AWG工作原理7.AWG波分復用/解復用器的研究方向主要