基于AWG的平面光波导技术
AWG
无热AWG （1）2008-12-12 13:01:19| 分类：AWG | 标签：|字号大中小订阅2007-09-09 14:19:15 本文已公布到博客频道校园·教育分类光纤通信去年被美国科学家团体评选为全世界二战以后前四个最重要的科技发明之一。
上世纪末到本世纪初主要是由于DWDM滤波器（密集波分复用器）和EDFA（掺饵光纤放大器）的发展和成功应用，极大地降低了单位带宽的通信传输成本，使得免费的国际互联网飞速发展成为可能，改变了全世界人们的经济和生活方式。
近年来密集波分复用（DWDM）技术仍在蓬勃发展。
其中平面光波导（planar light wave circuit, PLC）技术以其成本低、便于批量生产、稳定性好、易于集成等诸多特点，被认为是DWDM 光通信系统产业的一个最重要的发展方向。
目前光波导的制作主要在LiNbO3、玻璃、InP、Si 等衬底材料上完成，其中硅基二氧化硅光波导集成技术由于具有成熟的半导体工艺技术基础、与光纤耦合效率好、成本低廉等优势，已经成为一个全世界普遍采用的主流技术。
硅基二氧化硅平面光波导集成技术的一个重要应用是阵列波导光栅（AWG）。
在DWDM系统中，用作复用和解复用的器件，除了TFF 类型器件之外，基于平面光波导技术(planar lightwave circuit, PLC)的AWG 型滤波器件日益成熟，并且所占的市场份额越来越大。
另外，AWG 可以构成光上/下路复用器(Optical Add and Drop Multiplexer，OADM)、光交叉连接(Optical Cross Connect，OXC)、动态增益均衡、多波长同时监测等衍生器件，而这些器件在今后几年内市场需求旺盛，特别是城域网的迅猛发展使其市场需求量持续增长。
图1 表明在整体市场中，到2007 年AWG 和TFF 市场占有旗鼓相当，2008 年将是TFF 的2 倍，到2010 年将市场预测则是TFF 的3 倍，市场应用前景被普遍看好。
1平面光波导技术
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
聚合物光波导是近年来研究的热点。
该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。
采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。
AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化
AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化时间:2010-09-12 22:32来源:未知作者:admin 点击: 114次在光纤通信系统中，最早商用的DWDM模块是由多个三端口的介质膜滤波器（TFF）串联而成，但是当信道数大于16时，基于TFF技术的DWDM模块因损耗太大，不能满足应用需求。
阵列波导光栅（AWG）应运而生，成为32通道以上DWDM模块的主要技术途径。
AWG是以平面光路（PLC）技术制作的器件，其基本结构如图1所示，由输入波导、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五部分组成。
输入的DWDM信号，由第一个星形耦合器分配到各条阵列波导中，阵列波导的长度依次递增ΔL，对通过的光信号产生等光程差，其功能相当于一个光栅，在阵列波导的输出位置发生衍射，不同波长衍射到不同角度，经过第二个星形耦合器，聚焦到不同的输出波导中。
图1. AWG基本结构为了更直观的理解AWG的工作原理，我们首先来分析凹面反射式光栅和罗兰圆的结构和原理，如图2所示，凹面光栅的曲率半径为R=2r，罗兰圆的半径为r，二者内切且罗兰圆通过光栅中心。
通过简单的光路分析和一定的近似可知，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，不同衍射级次对应不同衍射角，满足衍射条件：（1）图2. 凹面反射式光栅和罗兰圆结构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，如图3所示，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。
a)图3. a)输入星形耦合器，b)输出星形耦合器输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系，输入波导发出的光信号经阵列波导衍射，不同波长聚焦到不同输出波导；图4中罗兰圆上C点发出的光信号经凹面光栅反射衍射，不同波长聚焦到罗兰圆上的不同点。
二者完全等效，差别只在于后者是反射式光栅，而前者是透射式光栅。
对于前者，我们也可以理解为图3（b）中波导C发出的光信号，经阵列波导反射衍射并聚焦到不同输出波导中。
阵列波导光栅(AWG)原理及国内外研发状况
21世纪，随着通信技术及其业务的飞速发展，尤其是因特网的迅速崛起，人们对数据的需求也急剧增加，对通信网的宽带提出了更高的要求，传统的通信技术已经很难满足不断增加的通信容量的需求。
光纤通信技术凭借其巨大的潜在宽带资源，成为支撑通信业务量增长的重要通信技术之一。
波分复用（WDM wavelength division Multiplexing）技术是允许在一根光纤上面传输多路相互独立的波长带，这样便可提供多路通道和高的多的通信容量，使得通信容量随可复用波长的数目成倍的增长。
在光纤通信中，波分复用系统中经历着从点到点系统到透明光网络的转变，经历着从以往的电光转换到全光交换的装变，密集波分复用（DWDM，dense wavelength division multiplexing）已成为当今光纤通信的首选技术，尤其在长距离、骨干网中已获得广泛的应用。
阵列波导光栅（AWG，arrayed waveguide grating）器件是一种角色散型无源器件，它基于平面光回路技术（PLC，planar light-wave circuit）。
与其它波分复用器件相比，AWG器件具有设计灵活、插入损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。
此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，因此AWG成为DWDM光网络中最理想的器件，是当今研究热点。
中国市场的光通信芯片主要依赖外国供应商。
在PON核心芯片方面，基本没有国内厂商。
EPON芯片商主要有四家，包括Cortina、PMC- Sierra、Teknovus （被Broadcom收购）以及中国厂商Opulan，但Opulan已于2010年7月被Atheros 收购。
GPON芯片提供商则相对较为分散，包括Broadlight、PMC-Sierra、Broadcom、Marvel、Cortina、Infineon、Ikanos等近十家厂商。
集成光波导
集成光波导型(AWG )以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。
目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。
它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。
如图3.2.2所示。
（1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。
②．高隔离度 ③．易大批量生产。
因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。
(2)．AWG 的缺点插入衰耗较大，一般为6~11dB 。
带内的响应度不够平坦。
4．光栅型光栅型波分复用器件属于角色散器件。
当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。
（1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率3.2.2图：AWG 波分复用器件其通道间隔可以达到30GH Z以下。
②．高隔离度其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。
③．插入衰耗低大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。
④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。
因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。
正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。
（2）．光栅型波分复用器件的缺点①．温度特性欠佳其温度系数约为14pm /°C。
因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。
②．制造工艺复杂，价格较贵。
5．光纤布喇格光栅型（FBG）利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。
AWG
AWG美国线规外文名American Wire Gauge分类电信管理别名Brown & Sharpe线规目录AWG→mm 电流对照表A W G 直径（英寸）直径（毫米）面积（密尔）面积（平方毫米）重量（千克/千米）2 2 0.02530.643640.40.32562.8952 3 0.02260.574511.50.25812.2952 4 0.02010.511404.0.20471.822 6 0.01590.404253.0.12881.145上表的尺寸是一百多年前确定的，而随着技术发展，导线性能不断提高。
对于导线，更重要的是它的性能，特别是以欧姆作为单位的阻抗。
所以导线的实际尺寸可以比规格实际稍大或者稍小一些（通常是稍小一些）。
英国和美国使用线号表示法。
线号又称线规(wire gauge), 按0、1、2、3……数码顺序表示, 数码越大, 线材越细。
300年前, 轧制和挤压尚未诞生, 还是用锻造制备线坯, 当年的测量工具也很粗糙, 在这情况下以拉制的次数作为线材粗细的标志。
每拉一次增加一号, 线坯则为0号。
因为有众多作坊, 其工艺又各不相同, 于是出现了众多的线号标准。
这在贸易和交流中当然是很不方便的, 但又没有“秦始皇”给他们统一度量。
经过300年的淘汰, 兼并和变迁, 有的国家就改为直径计量, 但英国和美国, 线号表示法沿用至今。
现今常使用的是美国线规(AWG),伯明翰线规(BWG)和英帝国标准线规(SWG)。
阵列波导光栅AWG（Arrayed Waveguide Grating）中文译名阵列波导光栅分类光纤通信简介AWG(Arrayed Waveguide Grating)是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。
一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，使用具有分波的能力。
其原理为：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区。
平面光波导分路器标准(报批稿)
YD/T XXXX-XXXX平面光波导集成光路器件 第1部分：基于PLC 的光功率分路器Integrated optical path devices based on planar lightwave ciruitPart 1 ：Optical power splitter based on AWG technology（报批稿）200X-XX-XX 发布 20XX-XX-XX 实施中华人民共和国工业和信息化部 发 布中华人民共和国通信行业标准ICS 33.180.20 M33YD/T XXXX-XXXX目 次前 言 (II)1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 分类 (3)5 技术要求 (3)6 测试方法 (4)7 可靠性试验 (8)8 环境保护 (9)9 检验规则 (9)10 包装、标志、运输和贮存 (10)IYD/T XXXX-XXXXII前言《平面光波导集成光路器件》包括如下部分：——第1部分：基于PLC的光功率分路器；——第2部分：基于AWG技术的DWDM滤波器；本部分为第1部分。
本部分参考IEC 61753-2-3（2001-07）《纤维光学互连器件和无源器件性能规范 第2-3部分：U级别--不可控环境的无连接头的单模光纤1×N和2×N的非波长选择分路器件》、ITU-T G.671-2005《光器件和子系统传输特性》、Telcordia GR-1221-CORE（1999）《光无源器件一般可靠性保证要求》和Telcordia GR-1209-CORE（2001）《光无源器件总规范》，结合国内器件实际情况和国外器件相关技术资料编写制定。
本部分在编制过程中注意到了与YD/T 1117-2001《全光纤型分支器件技术条件》协调一致。
本部分由中国通信标准化协会提出并归口。
本部分由武汉邮电科学研究院、深圳新飞通光电子技术有限公司、深圳市昊谷光电技术有限公司起草。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2. 平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
awg芯片
awg芯片AWG芯片，全名为Arrayed Waveguide Grating，是一种光通信元件，被广泛应用于光网络中。
它是一种基于波导的光分路器，能够将输入的光信号按照特定的规律分配到多个输出通道中。
AWG芯片的结构通常由一系列平行的波导构成，这些波导之间相互交叉，并且长度逐渐变长。
光信号经过输入端的波导进入AWG芯片，然后通过交叉的波导传输至不同长度的波导中。
根据波导的长度不同，光信号会产生不同的传输延时，从而实现了光的分光功能。
最后，光信号再次汇聚在一个输出端的波导中，达到多路复用的目的。
AWG芯片的工作原理基于干涉效应。
当输入光信号传输至不同长度的波导时，由于波导的长度不同，光信号会产生不同的光程差。
当光程差符合特定的条件时，不同波长的光信号在输出端会干涉叠加，形成一个衍射峰。
通过调整波导的长度以及其他参数，可以使得不同波长的光信号被分配到不同的输出通道中。
AWG芯片具有多个优点。
首先，它能够同时处理多个波长的光信号，实现了光路的高密度集成。
其次，AWG芯片的波导结构紧凑，占用空间小，适合用于板上集成电路。
此外，AWG芯片的制作工艺成熟，能够在大规模生产中实现高度一致性和可靠性。
AWG芯片广泛应用于光传输和光交换系统中。
在光传输系统中，AWG芯片可用于光纤光谱分析，通过分析不同波长的光信号，实现光纤信号的识别和监测。
在光交换系统中，AWG 芯片可以作为多路复用器和解复用器，将不同波长的光信号分配到不同的光路中，实现多信道的光通信。
总的来说，AWG芯片是一种基于波导的光分路器，能够将输入的光信号按照特定的规律分配到多个输出通道中。
它具有高密度集成、紧凑、制作工艺成熟等优点，被广泛应用于光传输和光交换系统中。
阵列波导光栅(AWG)原理及国内外研发状况
21世纪，随着通信技术及其业务的飞速发展，尤其是因特网的迅速崛起，人们对数据的需求也急剧增加，对通信网的宽带提出了更高的要求，传统的通信技术已经很难满足不断增加的通信容量的需求。
光纤通信技术凭借其巨大的潜在宽带资源，成为支撑通信业务量增长的重要通信技术之一。
波分复用（WDM wavelength division Multiplexing）技术是允许在一根光纤上面传输多路相互独立的波长带，这样便可提供多路通道和高的多的通信容量，使得通信容量随可复用波长的数目成倍的增长。
在光纤通信中，波分复用系统中经历着从点到点系统到透明光网络的转变，经历着从以往的电光转换到全光交换的装变，密集波分复用（DWDM，dense wavelength division multiplexing）已成为当今光纤通信的首选技术，尤其在长距离、骨干网中已获得广泛的应用。
阵列波导光栅（AWG，arrayed waveguide grating）器件是一种角色散型无源器件，它基于平面光回路技术（PLC，planar light-wave circuit）。
与其它波分复用器件相比，AWG器件具有设计灵活、插入损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。
此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，因此AWG成为DWDM光网络中最理想的器件，是当今研究热点。
中国市场的光通信芯片主要依赖外国供应商。
在PON核心芯片方面，基本没有国内厂商。
EPON芯片商主要有四家，包括Cortina、PMC- Sierra、Teknovus （被Broadcom收购）以及中国厂商Opulan，但Opulan已于2010年7月被Atheros 收购。
GPON芯片提供商则相对较为分散，包括Broadlight、PMC-Sierra、Broadcom、Marvel、Cortina、Infineon、Ikanos等近十家厂商。
平面波导技术及器件发展动态
平面波导技术及器件发展动态2004-08-22吴国锋中国电子科技集团第34研究所摘要本文介绍了平面波导技术及器件的发展情况，并概要指出了平面波导光器件的市场前景和发展方向。
关键词PLC、Polymer、InP、AWG1概述光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点。
2技术种类按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V 左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
AWG光通信研究探究
光通信研究SYUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS2003年第1卷第3期AWG插入损耗性能的分析和改善万莉1，吴亚明2，王跃林1，2（1．浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州310027；2．中科院上海微系统与信息技术研究所，上海200050）摘要：阵列波导光栅（AWG）是实现密集波分复用（DWDM）光网络的理想器件，插入损耗是它的一个重要性能指标．文章在综述了多种减小AWG器件插入损耗方法的基础上，分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法可以在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计．关键词：密集波分复用；阵列波导光栅；插入损耗；楔形波导阵列波导光栅（AWG）是实现多通道密集波分复用（DWDM）光网络的最理想器件．它是一种基于平面光波回路（PLC）技术的角色散型无源器件，由一个相位控制器，一个衍射光栅和输入／输出波导组成．与其他光栅技术相比，AWG具有设计灵活、插入损耗低、滤波特性良好、性能长期稳定、易与光纤有效耦合和适于大批量生产等优点，在DWDM光网络中得到了广泛的应用，可以实现滤波、复用／解复用、光分插复用（OADM）等功能．AWG是一种无源光器件，插入损耗是它的一项重要性能指标．近年来，人们在降低AWG器件的插入损耗方面做了大量的研究，提出了许多实用的设计方法．本文介绍了AWG的基本原理以及在降低器件插入损耗方面的最新进展，并在理论上分析了楔形波导结构对模场失配的优化作用，最后给出了8通道的AWG 解复用器的模拟结果．1 AWG的基本原理及其损耗特性1．1 AWG的基本原理AWG基于凹面光栅原理，1988年由荷兰人M．K．Smit提出［1］．AWG将凹面光栅的反射式结构拉成传输式结构，输入和输出波导分开，并用波导对光进行限制和传输，取代光在自由空间中的传播．利用这种传输式结构可在光的传播中引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射状态，提高了光栅的分辨率．AWG复用／解复用器的结构如图1所示，它由集成在同一衬底上的输入／输出波导、阵列波导和两个聚焦平板波导组成．输入／输出波导位于Rowland圆的圆周上，对称地分布在器件的两端．阵列波导中相邻波导的长度差为一常数，可对入射光的相位进行周期性调制，因此称这种器件为AWG．不同波长的光信号进入输入波导，在平板波导内自由传播，并耦合入阵列波导，经过阵列波导的色散作用，引起波前倾斜，在输出波导的不同位置上成像，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．1．2 AWG的插入损耗分析在实际应用中，AWG通常作为多功能器件中的组件，由于插入损耗在多个节点的积累作用，系统性能会随节点数的增加而恶化，因此在各种无法使用光放大器的接入网中，对AWG器件的插入损耗提出了很高的要求．同时，随着器件尺寸的增加，AWG的插入损耗也会相应增大，通常器件尺寸增加一倍，插入损耗将有3 dB左右的恶化．因此对于多通道的AWG器件，插入损耗是一个重要的性能指标．AWG器件的损耗分为两类，一类是在阵列波导和平板波导中由于吸收和散射等原因引起的传输损耗，其典型值为2 dB；另一类是由于模式失配造成的转换损耗．转换损耗有两个主要来源，一是平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，光栅阵列波导之间存在间隙，由此导致平板波导和阵列波导的模场失配，产生耦合损耗，而间隙的尺寸受到器件制作精度的限制．转换损耗的另一个来源则是光纤与波导之间的模场失配引起的连接损耗，这种损耗会随着光纤与波导的芯层尺寸和折射率的不同组合而变化．要有效降低AWG器件的插入损耗，关键在于减小光场传输过程中由于各种模式失配造成的转换损耗．光纤与波导的连接损耗可以通过选择波导芯层与覆盖层的折射率差Δ来减小，使用0．45％的折射率差Δ可以明显减小这类损耗［2］．而对于平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，是由AWG本身的结构产生的，对器件性能的影响很大，人们提出了许多方法来减小这一固有损耗．例如，对于InP－基和Si－基的AWG可使用两次刻蚀的垂直楔形波导结构来优化器件性能［3］．另外，Maru等人提出在平板波导和阵列波导之间通过紫外光照射引入高折射率区域，以减小平板波导与阵列波导的耦合损耗，从而降低器件的插入损耗［4］，其结构如图2所示．经过60min的紫外光照射，AWG器件的插入损耗可以达到最小值3．0 dB．最近有文献报导，在AWG的平板波导中加入相位调整元素——岛（周期性排列的折射率变化区域），可有效地降低器件的插入损耗［5］．由于折射率的差异，岛区域内和平板波导区域内传播的光场具有不同的相速度，它们相互叠加的结果，可以使传播光场与阵列波导本征模场失配造成的损耗大大减小．实验中选择岛区域的折射率与器件覆盖层的折射率相同，可将插入损耗由9．3 dB降至1．3 dB．以上各种降低插入损耗的办法大多是针对InP－基和Si－基AWG器件的，而且这些方法或者需要附加的控制和稳定装置，或者会增加器件的制作难度，提高对工艺容差的要求，与实用化的目标尚有一段距离．如果在不同结构的波导的连接处增加渐变的过渡区，不但能够极大地降低转换损耗，而且适用于各种材料和结构的AWG器件的设计．下面我们对这种简单而有效的设计方法进行分析，并给出模拟结果．2理论分析及模拟结果2．1 过渡区理论根据光波导理论，光场在两种不同的波导中传输，由于模场的失配，会产生相当大的反射和模式转换，导致光场能量的极大损耗．通过在波导的连接处加入渐变的过渡区，可以在各种不同的模场之间进行平滑的转换，有效地减小耦合损耗．从实用的角度来说，最简单的过渡区形状是渐变楔形．楔形区域中的损耗主要由3部分构成：传输损耗、模式转换造成的辐射损耗和由于波导表面粗糙或折射率不均匀引起的辐射损耗．在极短的长度范围内，楔形区域中的损耗主要表现为模式转换损耗，而在距离较长的情况下，则以非理想的波导特性造成的辐射损耗为主．下面我们主要分析模式转换带来的损耗．在楔形区域中，基模与高阶模相互作用，尤其是与相邻的高阶模作用，产生能量的转移，其基模能量大部分转化到相邻的高阶模中，并且当这个高阶模在楔形区域的单模端附近截止时，能量就会辐射出去．根据过渡区理论，两种不同光场模式（模式m和模式n）之间的能量转移因子Pmn 满足［6］Pmn＝为了减弱基模与高阶模的这种相互作用，并且降低辐射损耗，楔形必须做得比较长而且是渐变的．由于κmn 和Δβmn均与楔形区域的几何参数有关，我们可以根据所期望的能量转移因子P的大小，通过求解方程（1）来确定过渡区的形状及最小长度．但在通常情况下，方程（1）只能通过数值方法求解．计算和分析表明，如果楔形过渡区足够长（通常为几百μm），并且是缓慢变化的，即楔形分叉角足够小（通常＜1°），过渡区域内的损耗将会很小．这时，过渡区的形状（如线型、指数型、抛物型等）就不重要了，可以采用最简单的线型过渡区．若楔形区域无限长，就是严格无损耗的理想状态．我们模拟了采用不同长度的过渡区时，波导中的光功率与传播距离的关系，结果如图3所示．从图中可以看出，在没有过渡区（0μm）时，总的输出功率低于93％，而随着过渡区域长度的增加，波导之间的耦合损耗大大地降低了．2．2模拟结果从上面的分析可以知道，在不同结构的波导之间加入渐变的过渡区可以减小导模光场的发散，降低插入损耗．而且，过渡区的制作只需改变波导的宽度，可以方便地通过光刻掩膜版的设计来实现．通过优化过渡区的分叉角、长度以及折射率等参数，可以使器件的插入损耗达到期望值．AWG的设计可以采用这一简单有效的方法，在平板波导与输入／输出波导及阵列波导之间加入楔形结构，不增加器件制作的难度，并且能够大大降低AWG的插入损耗．我们以一个8通道的AWG器件为例（设计参数列于表1），采用光束传播法（BPM）模拟了楔形结构对插入损耗的优化作用．首先在输出波导处加入楔形结构（线型，长度100μm，分叉角0．8°），增加波导的有效接收宽度，同时增大进入信道的波长范围，降低插入损耗．这一方法在需要较大的信道带宽或平坦的通带谱响应时，85可以产生很好的效果．模拟结果如图4所示．点线为没有楔形波导的情况，实线是有楔形波导的情况，可以看到，总的插入损耗降低了2 dB左右，同时信道带宽增大了．在阵列波导末端采用楔形结构可以更有效地减小器件的插入损耗．光场传播到AWG输入聚焦平板波导的末端，并以平面波的方式耦合入阵列波导．当有些光场模式不能有效地耦合入阵列波导时，就会产生一些损耗．而波导末端的楔形部分产生平滑的过渡，可以降低损耗．图5显示了阵列波导末端的楔形结构（线型，长度100μm，分叉角0．8°）对降低AWG插入损耗的作用．可以看到，楔形结构除了改变插入损耗外不改变器件的其他任何性质，并且每一个信道和波长的插入损耗都被同等地降低了4dB．3结束语AWG是DWDM光网络中的关键器件之一，尤其在多通道的DWDM系统中，AWG 的插入损耗是一个重要的性能指标．本文综述了多种减小AWG插入损耗的方法，并分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法原理简单，可以通过光刻掩膜版的设计方便地实现，在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计，是一种灵活、简单且有效的方法．参考文献：［1］Smit M K．Newfocusing and dispersive pla－nar componentbased on an opticalphased ar－ray［J］．Electronics Letters，1988，24（7）：385－386．［2］Takagi A，Kaneko A，Ishii M，et al．Low－loss and flat pass－band 1×8 arrayed－waveg－uide grating multi／demultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area net－works［A］．OFC2000［C］．Baltimore：2000．WH5：1－3．［3］Sugita A，Kaneko A，Okamoto A，etal．Verylowinsertion loss arrayed －waveguide gratingwith vertically tapered waveguides［J］．Pho－tonics Technology Letters，2000，12（9）：1180－1182．［4］Maru K，Chiba T，Okawa M，etal．Low－lossarrayed－waveguide grating with high indexregions at slab－to－array interface［J］．Elec－tronics Letters，2001，37（21）：1287－1289．［5］JunjiYamauchi，YuichiYamamoto．A novelAWG demultiplexer composed of slabs withislands［A］．OFC2002［C］．Anaheim，Cali－fornia：2002．ThGG36．［6］Sporleder F，Unger H G．Waveguide taperstransitions and couplers ［M］．London andNewYork：The Institute of Engineers，1979．光通信研究。
AWG工作原理资料
AWG工作原理资料AWG，即阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating），是光通信领域中常用的光谱分析和光分路器件。
它由丝状或波导条状的感应道互连而组成，广泛应用于多通道光路交叉、光网络分析和光路复用等技术中。
以下将详细介绍AWG的工作原理。
AWG是一种基于波导相位调制原理的组成分析设备，主要由波导芯片、输入/输出光纤连接器和电子控制系统组成。
其工作原理可以分为两个步骤：光耦合和光束分离传送。
首先，输入光源经过耦合光纤将光信号传入AWG的输入端口。
输入端口上有一个两级波导耦合器，用于把光信号分配到AWG内的每个波导通道上。
这个波导耦合器控制着相模匹配，确保每个光信号经过此装置后传递到AWG内。
然后，每个光信号通过耦合波导分配到一系列的输入波导。
输入波导将光信号引导到波导光栅的发散区域。
“发散区域”的作用是将入射光束进行解焦，以便能够进一步处理和解析成不同波长的通道。
接下来，光束经过波导光栅的相位调制结构，波导光栅在每个波导上的等效层面上形成了一组肋条。
在不同的波导层上，每个肋条的长度和尺寸都不同。
这些肋条通过光厚和折射率分布调制入射光的相位，进而确定不同的出射路径。
如此一来，光信号经过相位调制后会被波导栅格偏转到不同的传输通道上。
这就实现了光信号的分离和分路。
最后，输出波导将光信号从AWG芯片的输出端口传递到波导光纤，在输出端口处通过AWG的输出光纤连接器输出。
整个过程中，AWG的输出端口上同样有一个两级波导耦合器，用于将不同通道传输的光信号耦合到输出光纤上。
通过控制输出波导的长度和尺寸，可以调整不同通道之间的传输损耗和其他光学性能。
总结起来，AWG的工作原理基于波导相位调制和光栅折射原理。
通过光束的分散和分离，AWG能够将输入光信号分配到不同通道上，并将其联接到输出光纤上。
AWG具有分离能力强、通道数目多、传输效率高等特点，成为光通信领域中一种重要的光谱分析和光调制器件。
awg原理
awg原理AWG原理。
AWG（Arrayed Waveguide Grating）是一种基于光波导的分光器件，它是一种用于光纤通信系统中的分光器。
AWG原理是指通过一系列光波导将输入的光信号分成多个波长，并将它们传输到不同的输出波导上。
AWG原理的实现依赖于光波导的色散特性和干涉效应。
首先，AWG原理的基本结构是由一组平行的光波导构成的。
这些光波导的长度和宽度是根据要分离的波长范围而设计的。
当输入的光信号通过这些光波导时，不同波长的光会在波导中产生不同的传输延迟，这是因为不同波长的光在波导中传播速度不同。
因此，当光信号通过一系列光波导后，不同波长的光信号会被分离到不同的输出波导上。
其次，AWG原理的实现还依赖于干涉效应。
当不同波长的光信号在输出波导上相遇时，它们会发生干涉现象。
通过合理设计光波导的长度和波导之间的间距，可以使得不同波长的光信号在输出波导上产生干涉，从而实现波长的分离和分光。
AWG原理的优点之一是它可以同时处理多个波长的光信号，因此在光纤通信系统中具有重要的应用价值。
另外，由于AWG原理是基于光波导的，因此它可以实现紧凑的集成化设计，从而可以大大减小器件的体积和功耗。
除了在光纤通信系统中的应用外，AWG原理还可以用于光谱分析、光子集成电路等领域。
在光谱分析中，AWG可以将输入的光信号分成多个波长，从而实现对光谱的高分辨率分析。
在光子集成电路中，AWG可以实现对光信号的多路复用和解复用，从而可以实现复杂的光子集成电路功能。
总之，AWG原理是一种基于光波导的分光器件，它通过光波导的色散特性和干涉效应实现对光信号的波长分离和分光。
它具有多波长处理能力、紧凑的集成化设计和广泛的应用前景。
在光纤通信、光谱分析和光子集成电路等领域都具有重要的应用价值。
随着光通信技术的不断发展，AWG原理将会发挥越来越重要的作用。
基于自聚焦平板波导的新型AWG理论研究
第35卷，增刊、，o】．35Suppl em明t红外与激光工程h五脚铡卸d L童ser Engi ne嘶ng2006年10月O ct．2006基于自聚焦平板波导的新型A W G理论研究阎嫦玲，刘德明，鲁平(华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉430074)摘要：研究一种基于自聚焦平板波导的新型直波导阵列波导光栅(A W G)。
介绍了自聚焦平板波导的结构；用几何光学法分析其光学特性，提出了二维半矢量有限差分光束传榆法(s V FD．B PM)模拟光束在0．5节距自聚焦平板波导中先发散后会聚的传输过程，并介绍了这种基于自聚焦平板波导的直波导A w G的工作原理；最后设计了一个1×8的新型直波导A w G并用2D SV FD．B PM对其进行了模拟，模拟结果显示该l×8的新型A W G可以实现信道间隔为3．2nm的解复用功能。
关键词：自聚焦平板波导；二维半矢量有限差分光束传输法；阵列波导光栅；解复用中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增E．0110—07T he or et i c al st udy on a noV el A W G bas ed on se l f oc s l ab w aV egui deY A N Chang-l i ng，LⅣD e—I I l i ng，LU Pi ng(S‘．h∞l0f opt oel ecl姗i c Sci．&E ng．，H u趔l on g U n i v．o f Sci．&．Ikh．，W uhan430074。
C hina)A bs”act：A noV el岫ed—waVeguide gr at i I l g(A W G)ba se d o n s elf酏s lab w aV egui des i s pr op os ed i n tl li s paper．F i r St t he st l l l ct u r e of t he se l fbc sl a b w a V egui de i s i nt r o duced；n ext i t i s anal yzed by m y opt i cs．T hen2D seI nj—V ect or i a l f i ni t e di f艳r ence be锄pr opagat i on m em od(S V FD—B PM)i s adopt ed t o s i m ul at e t he di V e唱i ng and conV e r gi ng pr oces s t ha t t he beam pr opag at es i n a0．5pi t ch l o ng se l foc s l ab w aV egui de．L at er t he pr i nci pl e O f tl li s noV el A W G i s pres en t ed；f i nal l y a1×8unb ent A W G is des i gned and s i m ul at ed by t lle2D S V FD—B PM，m e si I I l ul at i on r e sul t show s t hat i t can acc om pl i sh w a V el engt h dem ul t i p l exi ng and i ts channel s paci ng is3．2nm．K ey w or d s：Sel f oc s l ab w aV egui de；2D seI I l i—Vect or i al f；i nit e di骶r ence be锄pr opagat i on m e m od(2D SV FD—B PM)；A-I T a yed—w aV egui de gr at i ng(A W G})；D em ul t i pl ex0引言90年代以来，阵列波导光栅(A w G)【11以其特有的优势成为光通信系统的关键密集波分复用器件。
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基于ＡＷＧ的平面光波导技术
采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。
本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。
标签：平面光波导阵列波导光栅波分复用
1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析
伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨;②3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。
基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。
波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。
早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。
平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。
PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。
由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。
目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs 单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。
PLC可以集成多种器件,例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1],我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。
2 AWG的结构及其工艺简介
阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一个将PLC技术商品化的元器件。
它是基于干涉原理形成的波分复用器件,通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用,这种技术已被用于WDM系统中。
目前平面波导型WDM器件有多种实现方案,其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层,再利用光刻工艺(Photolithography)及反应式离子蚀刻法(RIE)制作出AWG。
该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产,但带内频响尚不够平坦。
由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程,多通道数与低通道数的制作成本相差不多,但更适合生产,而且整合度较高,因此应用在DWDM上具有相当的潜力。
北美市场在2008年初呈现活跃状态,比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议,提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。
在我国,以PLC
技术支持的光器件在光电子器件中占有很大份额,光电子器件从芯片、封装和模块这三方面关键技术来看,芯片、封装2.5Gb/s有大批量生产能力,模块10Gb/s正在形成大规模生产能力,这跟发达国家相比还有一定差距,我国的企业家们也正致力于开发低成本、高质量的完整产业链,用以生产包括PLC技术在内的光电子产品[5]。
3 AWG应用现状及未来发展趋势
支持者们一直认为PLC有更广阔的应用前景,特别是在晶圆上集成多种功能和大规模生产低成本器件方面。
在光通信产业仍处于困境之时,器件制造商们认为刚刚萌芽的FTTH市场会带来光器件的大规模应用,这可以帮助他们恢复增长。
这个观点在许多PLC技术的支持者中非常流行,他们认为潜在的大规模应用是一个强劲动力。
“一旦掌握了PLC的结构和工艺,就可以大规模、低成本地制造非常复杂的器件”。
因为亚洲是最具竞争力的FTTH市场,该地区的元器件供应商对PLC的应用很感兴趣。
Gemfire总裁和首席执行官RichardTompane认为PLC在FTTH系统中扮演着重要角色。
另外,单片集成的方向不是最好的选择,除非被市场的大规模需求推动。
混合集成可以将一系列非常复杂的功能集成为智能PLC 模块。
Tompane还预测将来PLC光子系统将设计得和现在的线路插卡一样。
用户的带宽需求驱动FTTH的发展,而FTTH的发展又为新的网络业务提供良好的平台,网络信息流量迅速增长,促进城域网和接入网大发展。
2008年10月,由咨询公司PwC会计事务所发表的一份研究报告表明,美国电信网络高带宽,光纤到家庭和光纤到企业最后一公里的更新将在短期内提供大量的环境效益。
FTTH委员会总裁Joe Savage声称,“对于电信运营商而言,这意味着FTTH的这次升级不仅是一个良好的商业命题,也是一条走向绿化的很好的道路。
”该报告声称“随着未来低碳经济和提高环境管理的设想,光纤到户解决方案是一个重要的可持续利用的网络‘司机’常用的‘钥匙’”。
在我国,对于FTTH的使用目前仅限于一些宾馆和高档住宅小区,比如,2004年中国电信铺设在武汉铺设的紫松花园,大规模的部署尚需时日。
本着光进铜退的发展战略,2009年2月18日国务院召开第50次常务会议,审议并原则通过“电子信息产业调整振兴规划”,同时国家要求通过推进农村信息化建设拉动内需,这些都从政策上促进了FTTH市场的发展。
预计2009年FTTH的建设规模会比2008年翻一番,EPON仍然会是FTTH建设的主流技术。
GPON也将在一些省市进行一定规模的试验和部署。
4 结论
基于PLC技术的光器件生产链可分为三个主要环节:PLC芯片、光纤阵列和器件封装。
对PLC芯片而言,AWG芯片主要以硅基二氧化硅光波导制作。
AWG 的制作材料除SiO2/Si外,InGaAsP/InP和Polymer/Si也常被采用。
InGaAsP/InP 系的AWG被看好的原因在于它尺寸小并能与InP基有源与无源光子器件及InP 基微电子回路集成在同一基片上。
目前国内已有两条硅基二氧化硅光波导工艺线,分别属于中科院北京半导体研究所和武汉光讯公司,后者的工艺线已经正常运转,对国内科研院所提供了一些研究用途的PLC芯片代工服务,而其自主设计的AWG芯片也正在商品化过程中。
但是,由于开发AWG芯片需要大规模的设备投
资,而国外市场对可靠性的要求较高,因此除少数公司已经将产品推向国际市场,多数国内厂商在PLC项目上还比较保守,仅仅停留在技术储备阶段,如收集相关技术资料,了解设备和原材料渠道等。
到目前为止,国内企业尚无产品化的AWG芯片推出,均为进口芯片进行封装。
整体来说,国内PLC产业尚处于起步阶段。
国外主要的AWG器件供应商有NTT Electronics、Hitachi Cable、NeoPhotonics、Ignis Photonyx、Avanex等公司。
参考文献:
[1]Byung Sup Rho, Sung Hwan Hwang etl.“A bidirectional module integrated on
a planar lightwave circuit with a coated WDM filter”, J. Micromech. Microeng, January 2008.
[2]王斌,王磊等,“一种基于平面光波导线路的PMD补偿器的性能分析”,浙江大学学报(工学版),40卷第1期,63-66,2006.
[3]刘旭,肖金标等,“楔形光纤与半导体多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析”,光学学报,27卷第4期,680-684,2007.
[4]International Business Times, Tuesday, 29 January 2008.
[5]/News/2008-09/200891162444994.html.。