阵列波导光栅_AWG_器件及其应用

图 2 基于 AWG 、WGR 和 SOA 的数字调谐滤波器
该单片集成滤波器可以作为信道ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ出（下载）滤波 器，信道均衡器，WDM 接收机和 WDM 光源。 波长信道 是数字接入，而间距是由 WGR 的几何尺寸确定，因此 具有高的精度和可重复性， 在 WDM 系统中具有广泛 的应用。
②
2010 年第1 期
WDM 信道数的平方根 (这里是 2姨64 )。
图 5 平面波导集成电路（PLC）多信道光接收机
与波长有关的 10Gb/s 信号， 进入 PIN 光电探测器阵 列。 该阵列可能是波导集成单向载流子探测器(UTCPD)或波导探测器(WD-PD)或行波探测器(TW-PD)。 为 了提高 AWG 输入端的光功率电平,也可以把半导体光 放大器(SOA)集成在 AWG 的前端构成另一个新器件。
阵列波导光栅属于相位阵列光栅的范畴，其缺点 是与偏振和温度有关，它是一种温度敏感器件，为了减 小热漂移，可以使用热电致冷器。
由 AWG 构成的 PLC 器件有调谐滤波器、 波分复 用/解复用器、多信道光接收机和接收机、波导光栅路 由器(WGR, Waveguide Grating Router)、光 分 插 复 用 器 (OADM)和 WDM-PON 使用的无色宽带光源等。
Arrayed waveguide grating component and its applications
YUAN Rong (The 34th Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China)
Abstract:The principle of arrayed waveguide grating (AWG) is briefly described, and multiple applications in the optical communication are also summarized. AWG have been used for making multichannel transmitters and receivers, tunable and-drop optical filters, and add/drop multiplexers. Their use has led to a novel technique, called spectral slicing, that permits the use of an LED as a low-cost multiwavelength source for local-loop applications. Key words:AWG, WGR, PLC, AWG tunable filter, AWG transmitter, AWG receiver，AWG multiplexer AWG OADM, spectral slicing
4 AWG 多频激光器
AWG 多频激光器 PIC 中间是波导光栅路由滤波 器 ， 右 侧 是 阵 列 半 导 体 光 放 大 器 (SOA)， 左 侧 是 一 个 功 率放大 SOA。 芯片右侧镜面镀高反射率(HR)膜，左侧 则 镀 半 反 射 膜 以 便 输 出 AWG 多 频 激 光 器 谐 振 腔 的 光，如图 6 所示。
N，相邻信道被下式分开：
fc=FSR/N=(M/N)δf
(6)
举例说，波导有效折射率指数 n=3.3，相邻光栅臂
通 道 长 度 差 ΔL=61.5μm，λ=1560nm 时 对 应 的 光 栅 阶
数 m=130，由 此 给 出 的 FSR=12nm(1.5THz)，信 道 间 距
约 为 100 GHz, 允 许 15 个 100GHz 的 信 道 复 用/解 复
收 稿 日 期 ：2009-10-20 。 作 者 简 介 ：原 荣(1942-)，男 ，研 究 员 ，中 国 通 信 学 会 会 士 ， 著 作 有 《 光 纤 通 信网络》、《宽带光接入网》和《光纤通信》。
1 AWG 的工作机理
平板阵列波导光栅（AWG）如图 1(a) 所示，这种器 件由 N 个输入波导、N 个输出波导、2 个 N×M 平板波 导星形耦合器以及一个 M 个波导平板阵列波导光栅 组成，这里 M 可以等于 N，也可以不等于 N。 这种光栅 相邻波导间具有恒定的路径长度差 。
相邻波导间的相位差为:
Δφ＝kΔL=
2πn λ
ΔL
⑶
这里 k 是波矢量，k=2πn/λ ，ΔL 是相邻波导间的路径
长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一
对应的关系。
(a) AWG 构成原理图
FSR=
c 2nL
=
f m
f=m c 2nL
δf= FSR = f M mM
(b) 从指定的输入口经长 L 的波导传输到指定的输出口的传输函数 图 1 阵列波导光栅（AWG）[1]
在 AWG 腔体内， 从指定的输入口经长 L 的波导
传输到指定的输出口的传输函数如图 1（b）所示[3]。 由
式⑴可知，当光频增加 c/2nL 时，相位增加 2π，传输函
数以自由光谱范围（FSR）为周期重复：
FSR=
c 2nL
=
f m
⑷
传 输 峰 值 发 生 在 式 ⑴ 表 示 的 频 率 处 。 λ=1500nm,f=
N×M 平板波导星形耦合器中心耦合区如图 1(a)中 的插图所示。自由空间区的设计有两种方法，一种是输
入波导辐射段法线方向直接指向输出阵列波导辐射段
的相位中心 P 点，而输出波导辐射段法线方向直接指 向输入波导辐射段的相位中心 Q 点，其目的是为了确 保当发射阵列的边缘波导有出射光时接收阵列的边缘
波导能够接收到相同的功率。 另一种设计方法是自由 空 间 区 两 边 的 输 入 /输 出 波 导 的 位 置 满 足 罗 兰 圆 (Rowland Cirde)和光栅圆规则[2]。
3 AWG PIC 多信道光接收机
在 WDM 系统中， 最重要的器件是直接能把波长 信道分解出来的波长解复用接收机，如图 4 所示，它单 片集成了 AWG WGR 波长解复 用 器 和 阵 列 PIN 光 电 探测器，并且在 PIN 之后紧接着又集成了异质结双极 晶体管(HBT)作为前置放大器。 WGR 的自由光谱范围 (FSR)是 800GHz (6.5nm)， 设 计 用 于 信 道 间 距 100GHz (0.81nm) 的 8 个 信 道 的 WDM 解 复 用 (100GHz ×8 = 800GHz)。
0 引言
以阵列波导光栅 (AWG, Arrayed Waveguide Gratings)为基础的平面波导集成电路 (PLC) 是光纤通信器 件的基础。 以 InP 为基础的阵列波导光栅的显著特点 是，尺寸小、成本低、设计灵活和易于和光纤耦合，它具 有平坦的频率响应，小于 3dB 的插入损耗，优于 35dB 串话电平以及易于和光电探测器、激光器、光调制器和 半导体光放大器(SOA)集成，从而使光纤通信器件的体 积进一步减小，可靠性进一步提高。
这 种 滤 波 器 的 工 作 原 理 如 下 ： 首 先 ， 把 64 路 WDM 波长信号分成 8 组，每组 8 个信号，由 1×8 AWG 完成。信道组光频间距为 400GHz，正好等于前端 AWG 的FSR。 其次，8 个信号为 1 组的信号被第 1 级 SOA 选 通，并由后端 8×8 AWG 解复用。 最后，8 个信号为 1 组 的每个信号被第 2 级 SOA 选通， 并通过 8×1 MMI 耦 合器输出到功率增强 SOA。 通常 SOA 门的数量是 2 倍
200THz，由 OFDM 系统决定的 FSR 典型值约为 2THz，
这正好是光放大器的增益带宽，或是 LD 的调谐范围，
于是阶数 m 约为 100， 可用 MZ 干涉器或 m 阶的光栅
实现。 在 FSR 内相邻信道峰值间的最小分辨率 δf 为：
δf=FSR/M=f /mM
(5)
大家已经知道 M 是阵列波导的波导数。 假如 M＞
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中文核心期刊
阵列波导光栅 (AWG) 器件及其应用( 本期优秀论文）
原荣
（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林 541004）
摘要：简述了阵列波导光栅（AWG）的工作原理，并综述了 AWG在光通信中的多种应用。AWG已用于制造多 信道光发射机和接收机、调谐分 / 插光滤波器和分 / 插复用器等。它们的使用已产生了一种新的技术， 即在本地环路中允许使用 LED作为低成本多波长光源的频谱分割技术。 关 键 词 ：阵列波导光栅；波导光栅路由器；平面波导集成电路；AWG 调谐滤波器；AWG 激光器；AWG 光接收 机；AWG WDM复用器；AWG光分插复用器；频谱分割 中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1002-5561(2010)01-0001-05
用。
2 AWG 滤波器
滤波器的调谐既可以用改变折射率指数实现，也 可以用机械改变 F-P 腔的长度实现。 电流注入改变折 射率指数调谐速度很快(ns 量级)，然而电 流 改 变 与 调 谐特性的关系却很难预见也很难重复， 机械调谐的速 度又很慢。 为了克服以上的这些缺点，科学家们在 InP 衬底上开发出基于 AWG WGR 和 SOA 的数字调谐滤 波器[4]。 这种 AWG 路由器在输入和输出端分别安排 2 个相同的 AWG，而在中间又集成了一个半导体光放大 器(SOA)阵列与它们相连，如图 2 所示。 第 1 个 AWG 用作波分解复用，即把输入的 WDM 信号的频谱分开， 然后将一个波长的信号送入与它相连的 SOA。 第 2 个 AWG 用作 WDM 复用器， 即重新复合 SOA 的输出信 号到输出 AWG。这种滤波器比简单的调谐滤波器功能 更强大，因为在 WDM 系统中，它允许同时接入所有波 长信道。 此外，对功率电平低的信道，可以增加与它相 连的 SOA 的增益，所以这种滤波器又起功率均衡的作 用。 另外，对第 1 个 AWG 输出的每个光频进行调制， 也可以构建一个多频 WDM 光源。
AWG 光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的 原理， 即多个相干单色光经过不同的光程传输后的干
涉理论。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合器把
光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个
2010 年第 1 期
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原荣：阵列波导光栅 (AWG) 器件及其应用
波导。 通常 M 阵列波导长度 L 用光在该波导中传输的
原荣：阵列波导光栅 (AWG) 器件及其应用 图 4 WGR 波长解复用阵列 PIN 光电探测接收机
图 3 WDM 64 信道 AWG 数字调谐滤波器芯片结构
InP 集 成 PIC 芯 片 尺 寸 为 7×7mm2，MMI 尺 寸 为 ： 宽 32μm，长 260μm。 16 个 SOA 均为 600μm。
半波长 λ/2n 的整数 m 表示[1]，即：
L=m
λ 2n
=m
c 2fn
,m=1,2,3...
,
⑴
式中 n 是波导的折射率，f=c/λ 是光波频率，c 是光速。
由此可以得到用波导长度 L 表示的沿该波导传输的
光的频率：
f=m
c 2nL
,m=1,2,3...
,
⑵
由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其
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以上的滤波器结构，在 WDM 信道很多时，必须使 用许多作为选通门的 SOA， 为了减少使用 SOA 的数 量，NTT 提出一种新的滤波器结构，这就是除循环使用 AWG 外，还使用 2 级 SOA[4]。
图 3 表示 这 种 64 信 道 AWG 路 由 数 字 调 谐 滤 波 器的结构[5]，它除在 1×8 输入 AWG 和 8×8 输 出 AWG 之间加有 SOA 阵列外，还在输出 AWG 输出端又增加 了第 2 级 SOA 阵列，此外在输出端前依次还增加了一 个 8×1 多模干涉耦合器和功率增强 SOA。 这种结构只 用 了 16 个 SOA 就 可 以 选 择 64 个 WDM 信 道 。 前 端 AWG 是 高 分 辨 率 器 件 ， 信 道 间 距 为 50GHz，FSR 为 400GHz。 后 端 AWG 是 低 分 辨 率 器 件 ， 信 道 间 距 为 400GHz，FSR 为 3.2THz。