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1、第一章 DWDM滤波器技术张敏明： 万助军： 华中科技大学光电学院1.3 1.3 阵列波导光栅阵列波导光栅1.3.1 AWG1.3.1 AWG的基本工作原理的基本工作原理 1.3.2 AWG1.3.2 AWG的基本设计步骤的基本设计步骤 1.3.3 AWG1.3.3 AWG的消偏振设计的消偏振设计 1.3.4 AWG1.3.4 AWG的通带平坦化设计的通带平坦化设计凹面光栅与罗兰圆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
2、同衍射 角，满足衍射条件：AWGAWG的基本结构的基本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L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。AWGAWG的基本工作原理的基本工作原理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
3、元之间引入了光程差naL。 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，从而被不同输出波导接收，实现波长解复用。衍射级次和自由光谱范围衍射级次和自由光谱范围同一波长的不同衍射级次，进入不同输出波导（或者因衍射聚焦位置无对 应的输出波导而损耗掉），主衍射级次功率最高，其他衍射级次会造成功 率损耗，需设法减少，如以上左图所示。 不同波长的不同衍射级次，如果满足如下关系，这些波长的相应衍射级次 将聚焦同一位置，进入同一输出波导。因此引入自由光谱范围FSR概念，如以上右图所示：1.3 1.3 阵列波导光栅阵列波导光栅1.3.1 AWG1.3.1 AWG的基本工作原理
4、的基本工作原理 1.3.2 AWG1.3.2 AWG的基本设计方法的基本设计方法 1.3.3 AWG1.3.3 AWG的消偏振设计的消偏振设计 1.3.4 AWG1.3.4 AWG的通带平坦化设计的通带平坦化设计ITU-grid for DWDMITU-grid for DWDMS-Band：1490-1530nm，196-200THz C-Band：1530-1570nm，191-196THz L-Band：1570-1610nm，196-191THz 通带要求（100GHz）：ITU-grid0.1nm，即12.5GHzAWGAWG的主要技术指标的主要技术指标典型的AWG传输谱线IL通带起
5、伏PDL通带宽度相邻通道隔离度非相邻通道隔离度AWGAWG的基本设计步骤的基本设计步骤 根据设计要求确定通道数N和通道间隔f 波导宽度w和折射率差 满足单模条件，且考虑最小弯曲半径，随w和单调递减；SiO2波 导一般取=0.75%，w=6um。 输出波导间距dr dr影响AWG的串扰，根据串扰要求选择dr。 罗兰圆直径Ra 损耗均匀性8.7(max/0)2，Ra=smax/ max，由边缘通道的位置smax和 衍射角max决定。 阵列波导间距da da越小则损耗越小，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。 相邻波导长度差L 阵列波导的色散DLRa/da且D=dr/f
6、，由此决定L。 阵列波导数Na 边缘阵列波导相对于输入波导的张角2a影响损耗和串扰，根据损 耗和串扰要求选定a，再计算阵列波导数Na=2aRa/da+1。阵列波导的排列方式1.3 1.3 阵列波导光栅阵列波导光栅1.3.1 AWG1.3.1 AWG的基本工作原理的基本工作原理 1.3.2 AWG1.3.2 AWG的基本设计方法的基本设计方法 1.3.3 AWG1.3.3 AWG的消偏振设计的消偏振设计 1.3.4 AWG1.3.4 AWG的通带平坦化设计的通带平坦化设计减少减少AWGAWG损耗的途径损耗的途径阵列波导输入/输出位置的光场分布强限制波导或者端口位置的波导间隙较大弱限制波导或者端口
7、位置的波导间隙较小 在阵列波导的输入端，光场分布如虚 线所示； 在阵列波导的输出端，如果得到同样 的光场分布，就能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实 线所示，因此产生损耗； 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。减小损耗的途径： 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； 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。AWGAWG消偏振设计方案消偏振设计方案因阵列波导的偏振相关性
8、，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。1) 采用零偏振波导2) 衍射级次匹配 让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。AWGAWG消偏振设计方案消偏振设计方案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。4) 偏振分离输入 将TE模和TM模分离之后再 输入AWG。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。1.3 1.3 阵列波导光栅阵列波导光栅1.3.1 AWG1.3.1 AWG的基本工作原理
9、的基本工作原理 1.3.2 AWG1.3.2 AWG的基本设计方法的基本设计方法 1.3.3 AWG1.3.3 AWG的消偏振设计的消偏振设计 1.3.4 AWG1.3.4 AWG的通带平坦化设计的通带平坦化设计通带平坦化设计通带平坦化设计I I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 的传输谱线。 通带未优化的AWG，表现为高斯 型谱线，难以实用。1) 采用多模输出波导 重构光场与多模输出波导 的耦合，得到平坦化的通 带特性。 缺点是后面只能接光探测 器，不能继续传输。通带平坦化设计通带平坦化设计II II2)
10、在输入端接MMI（多模干涉耦合器） 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。 将MMI设计成牛角形状，可以进一步优化损耗和通带特性。基于多模波导输出或者MMI输入的通带平坦化方案，其本质是改变 输入光场与输出光场之间的耦合特性，从而优化通带特性。通带平坦化设计通带平坦化设计IIIIII改变阵列波导输入端的口径阵列波导输出端的光场分布3) 在阵列波导输出端引入相移 （通过波导长度差实现）在阵列波导输出端得 到类似sinc函数分布的光场，其傅立叶变 换为矩形，从而实现 通带平坦化理论依据：输出波 导接收的光场为阵 列波导输出位置光 场的傅立叶变换通带平坦化
11、设计通带平坦化设计IVIV4) 在输入端接MZ干涉器 通过MZ干涉器之后，输入波导变成两条，产生类似方案2)中的双峰波 形，差别是两个波峰的高度对比随波长改变，该波形与输出光场的耦合 特性，表现为通带展宽。前面提到的三种通带平坦化设计方法，均会增加大约3dB的损耗，方案 4)不会产生额外的损耗，通带平坦化的AWG，损耗3.5dB。参考文献参考文献1.M. K. Smit and C. Dam, Phasar based WDM devices: principles, design and applications, IEEE J. Selected Topics in Quantum Elect.,1996(2): 236250.作业作业1.证明罗兰圆的衍射条件
