AWG工作原理教案.ppt

精选
o m
射极大
m话与，的om成+正1级比会，进m入足够大的
的通道
4.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。
精选
角色散方程：
ns ns ()
nc nc ()
nsd sini ncL nsd sino m
dnc
d
L
dns
d
od
nsd
do d
m
n do
m
dnc
d
nsncd c
d
群折射率 ng
d d
1
•
ns d m
•
ng nc
1
xo • ns • R•m
d
•
ng nc
1
精选
R nsncd 2
精选
精选
精选
精选
]
Δλ=0.8nm。矩形波导的
2 k02n12 kx2 k02ns2
模式选E为pyq 导模，平板波 导的模式选为TM导模。
b可在实2现.4~矩4形.2μ波m导范中围E内0y0取主值模时和，平
板波导中基模TM0的单模传播。
精选 b=4μm。
有效折射率
1
nc
kc k0
(k02n12
kx2 k0
k
2 y
)
2
ng
nc
dnc
d
1
ns
ks k0
(k02n12
k
2 y
)2
k0
精选
相邻矩形波导之间的距离d
• 主要是考虑波导之间 的耦合和通道间的串 扰水平决定。P为能量
转移系数，值越小c越 大，波导间距越大。
d
a
c
a
qx
Ln[
2lk02xqx
P0a(1 k02x
qx
)
精选
相邻阵列波导长度差、平板波导焦距和FSR
精选
• 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；
m ng
自由光谱区
nsdi ncL nsdo m
nsdi ncL nsd(o m) (m 1)
m
第m和m+1两个衍射峰的角间距
m
0
ns d
两个衍射峰之间的波长范围称为自由光谱区
m+1级衍射峰
FSR m 0nc
o
m ng
m级主衍
Nmax
int
FSR
int
0nc m ng
精选
2.AWG的工作原理
• 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。输入波导和输出波导分别对光进行限制和传导。
• 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，但阵列波导相当于透射式光栅。
• 输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系。
• 阵列波导处引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射
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n1 b
n2
• 举例：选用氟化聚芳醚
(FPE)作为制作AWG的材
料，芯层折射率为
n1=1.5100，包层材料的
折射率为n2=1.49790，芯
与包层的相对折射率差为
0.8%。然后根据ITU标准
1
，取中心波长为 λ=1.5509μm，波长间隔
kxb
2
t an1(2
kx
)
2
t an1[(
2
k02n22 ) 2 kx
，提高了光栅的分辨率。
输入星形耦合器
输出星形耦合器
输入波导
阵列精波选 导
输出波导
3.罗兰圆与凹面光栅
凹 面 光 栅
AWG结构图原理图
罗兰圆
1xN：含多个波长的复信号光经中心输入信道波导，在输入平板波导发
生衍射，在输入凹面光栅上进行功率分配，并等相位耦合到达阵列波导 端面上。
进入阵列波导，相邻的阵列波导具有相同的长度差ΔL，在输出凹面光
栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波 长的光此相位差不同,于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并 聚焦到不同的输出信道波导位置。 通过输出信道波导完成波的解复用。 精选
• ∠SQC=∠CQP=∠SRC=∠CRP
• ∠CQP'=∠CRP'=
• G光栅面，Q是光栅面中 点，C是曲率中心。
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• 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 L m
0.TM
nTM L m
0.TM TE
TM
TE
L m
nTM
nTE
• 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。
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• 但是硅基SiO2 AWG器件也存在一定的问题 ，高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困 难，需要的设备复杂，造成器件价格一直 居高不下，这对AWG器件的应用很不利。
• 因此，许多研究者开始研究硅基聚合物 AWG器件，这种器件具有价格便宜、工艺 简单、折射率调整容易、透明性好、偏振 不灵敏以及热稳定性好等优点，使其在与 无机材料AWG器件的竞争中处于有利的地 位。
的波导间隔，Lf 为平板波导的聚焦长度
阵列波导折射率 平板波导折射率
nsd sini ncL nsd sino m
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 m0 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.
d为阵列波导的周期 m为AWG工作的衍射级数 相邻阵列波导的长度差
L m0
nc
f d nsncd 2
mng
FSR 0nc
m ng
由三个关系表达式，我们可以看出，输出平板波导中信号光的衍射级数 m是一个重要参量，一但衍射级数确定，则相邻阵列波导长度差、平板 波导焦距、FSR也随之确定。
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6.AWG的研究现状
• AWG复用/解复用器的衬底材料目前主要有三种： 石英、InP和硅。
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7.AWG波分复用/解复用器的研究方向
• 主要有两个：一是优化AWG的性能，主要 是减小损耗、串扰、偏振色散，提高中心 波长的稳定性和精确度，提高输出波长的 平坦度，提高温度不敏感性等。
• 另一个是拓展AWG的功能，利用单片集成 技术，构筑系统或网络所需要的功能模块 ，提高器件的集成度，朝高密集方向发展 ，即增加AWG的通道数量和减小通道间隔 。
• 3-dB带宽是衡量AWG波分复用器件实用性 的重要指标，当AWG的输出光谱的衍射峰 光功率P下降到峰值P0的一半时，用dB来 表示恰好是3dB，
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5.AWG波分复用器的设计
• 进行AWG波分复用器设计主要参数：波导 芯的厚度和宽度、模的有效折射率和群折 射率、衍射级数、相邻波导间距、相邻阵 列波导的长度差、平板波导的焦距、自由 光谱区(FSR)、最大信道波导数和最小阵列 波导数等参量。
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• 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。
精选
6.3-dB带宽
精选
• 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，
AWG的工作原理
阵列波导区域相邻波导间的 长度差是固定的，记为ΔL
传统的衍射光栅的光栅方程为， m (m 0,1,2)
其中m为主极大的级次，为光程差
AWG满足的方程为
△输入耦合器+ △阵列波导 + △输出耦合器 =mλ
精选
AWG的光栅方程
AWG满足的光栅方程为，
• 传统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
导号i上(中的i 心L衍xf波i 射导o 角记j，L为xfio、0)j，为为光输在入输输x为入出i、输输波x入出导o 输平的出板序端波列
• (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。
1.阵列波导光栅（AWG）
• AWG：Arrayed Waveguide Gratings • AWG由两个多端口耦合器和连接它们的阵列
波导构成。 • AWG可用作N×1波分复用器和1×N波分解
复用器及N×N型的波长路由器等 ，是互易性 的，用于DWDM 系统。 • AWG特点：通道数多实现数十个至几百个波 长的复用和解复用，插入损耗低，通带平坦， 容易集成在一块衬底上。
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• 目前硅基二氧化硅AWG器件性能最好，最 大通道数实现了1010，通道间隔为25GHz ，插入损耗为几个分贝，串扰值小于-35dB 。而InP基AWG器件最大通道为64，通道 间隔为50GHz，插入损耗为7~14dB，串扰 值小于-20dB。但InP基AWG器件性能正在 逐渐提高，其最大的缺点是波导尺寸小， 与光纤耦合困难。在系统应用方面，硅基 AWG已进入系统商业应用，InP基的AWG 也已应用到波分复用试验网中。
• 石英衬底避免了硅衬底与二氧化硅热膨胀系数不 同导致的在生长厚二氧化硅时的龟裂问题，且石 英熔点比硅高，可以提高热处理的温度降低器件 的传输损耗。但这种衬底不利于集成。
• InP基的AWG波分复用/解复用器，这种器件的材 料折射率差较大，尺寸小，与InP基的激光器和探 测器等有源器件集成可实现多波长的激光器、探 测器等，但偏振色散大。
• 如果圆的直径足够大， 假定R在圆K上就不致有 多大的误差。
• 圆K上任一点S来的光将 近似地被反射到圆上的 另一点P，同时被衍射到 圆上另一些点P′， P″，……，这些点分别 是各序衍射光线的焦点。
通过光路分析及近似可得，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 射精级选次对应不同衍射角。