光电子课程设计--阵列波导光栅

光电子器件课程设计

论文题目： 波导型Bragg光栅的设计

学院名称： 机械工程学院 专业班级: 光信息1102 学生姓名： 陈志勇 学生学号： 3110303034 指导教师： 陈明阳

2015 年 3 月 25 日

一、引言

密集波分复用( DWDM) 技术为光纤通信向大容量、 高速率发展提供了有效途径, 而 D WDM系统中的关键器件是波分复用器/ 解复用器 . 波分复用器大致分为介质膜滤波器型、 光栅型和平面波导型等, 未来 D WDM 系统对波分复用器的发展要求是: 大通道数、 损耗及其偏差小、 串扰小、偏振相关性小等 .基于 P L Cs ( Planar Light wave Circuits) 的平面光波导器件阵列波导光栅(AWGs) 型波分复用器具有波长分辨率高、 集成化、 通道串扰小和插入损 耗小等优点, 很适宜于大通道数波分复用器件.目前, A WGs 已成为国内外研究机构和通信公司研究的热点 .A WG s 的 分 光 性 能 类 似 于 普 通 光 栅, 但A WG s 不同于普通衍射光栅之处在于: 普通光栅的光束是在自由空间中传播的, 而 A W Gs 中的光束是受约束的导波 . 所以分析和设计 A WG s 需用导波光学和衍射光学分别处理光束的传播问题, 如条形波导、平板波导的传输常量, 过渡区的耦合, 串扰的估算等等需要用到导波光学; 而光束在平板波导中的远场衍射, 干涉聚焦等等则需用到衍射光学。

二、阵列波导光栅的结构和原理

要明白阵列波导光栅(AWG-Arrayed Waveguide Gratings)的原理，我们首先要知道凹面光栅与罗兰圆

凹面光栅：在凹球面上刻划一系列等间距的线条，同时具有衍射和聚焦两种功能； 罗兰圆：直径等于凹面光栅的曲率半径；

特性：罗兰圆上任一点发出的光，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，满足衍射条件：

da(sin?'?sin?)?m?

1、AWG的结构

输入星形耦合器 输出星形耦合器

一个标准的AWG器件由五部分组成：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。 阵列波导：波导长度以ΔL递增。 输入星形耦合器：输入波导的端口位于罗兰圆上，而阵列波导的输入端位于两倍直径的圆周上。 输出星形耦合器：输出波导阵列的端口位于罗兰圆上，而阵列波导的输出端位于两倍直径的圆周上。

2、AWG的基本工作原理

dsin??m?ncdsin??na?L?m?

?na?L?m??na?L?m????arcsin????ndncdc??

输入星形耦合器与输出星形耦合器为镜像关系，输入波导镜像为输出波导阵列中的波导C，而阵列波导相当于一个凹面反射型光栅，与普通凹面光栅的区别是，在相邻光栅单元之间引入了光程差naΔL。 从波导C发出的光，在阵列波导的输出端发生反射型衍射，不同波长被衍射到不同角度θ，从而被不同输出波导接收，实现波长解复用。

当含有λ1，λ2 …λn波长的复用光信号被耦合到其中一个输入波导 ，经平板波导衍射 后耦合进阵列波区。因阵列波导端面位于光栅圆周上 ， 所以衍射光以相同相位到达阵列 波导端面 。 相同相位的衍射光经过长度差为 △L的阵列波导后 ， 产生了相位差 ，且相 位差和波长有关 。于是不同波长的光波经过输出平板波导以不同的波前倾 斜聚焦到不同的输波导位置 ．完成解复用功能 反之 ，可将不同输入波导中的具有不同波长的光信号汇集到同一 根输出波导中 ， 完成复用功能 。 阵列光栅复用器工作原理和衍射光栅型复用器基本相同。

三、AWG的光栅方程

AWG满足的光栅方程为: ndsin?i?nc?L?nsdsin?o?m? s?i?i?xi?x、?o?jo为光在输入输出平板波导上的衍射角，i、j为输入输出波LfLf导的序列号(中心波导记为0) ， ? x i、 ? x o 为输入输出端的波导间隔，Lf 为平板波导的聚焦长度。

对于由中心波导输入并由中心波导输出的中心波长满足nc??L?m?0、

m??L?nc/?0

通过对?L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.

四、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

?0.TE?nTE?Lm?0.TM?nTM?Lm??0.TM?TE??TM??TE??LnTM?nTEm

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。

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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rpgh.html