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主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達(dá)目標(biāo)模似器 |
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2012-11-5 閱讀(5269)
在光纖通信系統(tǒng)中，zui早商用的DWDM模塊是由多個(gè)三端口的介質(zhì)膜濾波器（TFF）串聯(lián)而成，但是當(dāng)信道數(shù)大于16時(shí)，基于TFF技術(shù)的DWDM模塊因損耗太大，不能滿足應(yīng)用需求。陣列波導(dǎo)光（AWG）應(yīng)運(yùn)而生，成為32通道以上DWDM模塊的主要技術(shù)途徑。AWG是以平面光路（PLC）技術(shù)制作的器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由輸入波導(dǎo)、輸入星形耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器和輸出波導(dǎo)陣列五部分組成。輸入的DWDM信號(hào)，由*個(gè)星形耦合器分配到各條陣列波導(dǎo)中，陣列波導(dǎo)的長(zhǎng)度依次遞增ΔL，對(duì)通過的光信號(hào)產(chǎn)生等光程差，其功能相當(dāng)于一個(gè)光柵，在陣列波導(dǎo)的輸出位置發(fā)生衍射，不同波長(zhǎng)衍射到不同角度，經(jīng)過第二個(gè)星形耦合器，聚焦到不同的輸出波導(dǎo)中。
為了更直觀的理解AWG的工作原理，我們首先來分析凹面反射式光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)和原理，如圖2所示，凹面光柵的曲率半徑為R=2r，羅蘭圓的半徑為r，二者內(nèi)切且羅蘭圓通過光柵中心。通過簡(jiǎn)單的光路分析和一定的近似可知，羅蘭圓上任一點(diǎn)發(fā)出的光，經(jīng)凹面光柵衍射之后仍聚焦在羅蘭圓上，不同衍射級(jí)次對(duì)應(yīng)不同衍射角，滿足衍射條件：
AWG的輸入/輸出星形耦合器采用類似凹面反射式光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，輸入/輸出波導(dǎo)的端口位于羅蘭圓的圓周上，陣列波導(dǎo)位于凹面光柵的圓周上。
圖3. a）輸入星形耦合器，b）輸出星形耦合器
輸入星形耦合器與輸出星形耦合器成鏡像關(guān)系，輸入波導(dǎo)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)陣列波導(dǎo)衍射，不同波長(zhǎng)聚焦到不同輸出波導(dǎo)；圖4中羅蘭圓上C點(diǎn)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)凹面光柵反射衍射，不同波長(zhǎng)聚焦到羅蘭圓上的不同點(diǎn)。二者*等效，差別只在于后者是反射式光柵，而前者是透射式光柵。對(duì)于前者，我們也可以理解為圖3（b）中波導(dǎo)C發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)陣列波導(dǎo)反射衍射并聚焦到不同輸出波導(dǎo)中。
AWG的衍射公式與凹面光柵略有不同：
（2）
其中da為陣列波導(dǎo)中心間距，nc為星形耦合器區(qū)域的等效折射率，na為陣列波導(dǎo)的等效折射率，m為衍射級(jí)次。從式（2）可以看到，AWG 與普通光柵有著相同的衍射能力，可用于DWDM信號(hào)的復(fù)用/解復(fù)用。
從（2）式可以看到，同一波長(zhǎng)的不同衍射級(jí)次，將衍射為不同角度，聚焦到不同的輸出波導(dǎo)中，如圖5（a）所示，其中主衍射級(jí)次的光功率zui強(qiáng)，次級(jí)衍射光功率迅速衰減。在滿足（3）式的情況下，不同波長(zhǎng)的主衍射級(jí)次將進(jìn)入相同的輸出波導(dǎo)，造成串?dāng)_，Δλ稱為AWG的自由光譜范圍（FSR），如圖5（b）所示，為避免串?dāng)_，F(xiàn)SR應(yīng)大于需要復(fù)用/解復(fù)用的信號(hào)譜寬。 （責(zé)任編輯：admin）
AWG 工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)和優(yōu)化（2）
（3） a）b） 圖5.AWG的a）次級(jí)衍射和b）自由光譜范圍一個(gè)典型的AWG傳輸譜線如圖6所示，其主要技術(shù)指標(biāo)有插入損耗、損耗均勻性、通帶起伏、偏振相關(guān)損耗（PDL）、通帶寬度、相鄰?fù)ǖ栏綦x度、非相鄰?fù)ǖ栏綦x度等，分別
一個(gè)典型的AWG傳輸譜線如圖6所示，其主要技術(shù)指標(biāo)有插入損耗、損耗均勻性、通帶起伏、偏振相關(guān)損耗（PDL）、通帶寬度、相鄰?fù)ǖ栏綦x度、非相鄰?fù)ǖ栏綦x度等，分別如圖7（a）、圖5（a）、圖7（b－f）所示。
一、AWG的設(shè)計(jì)步驟
AWG參數(shù)中有多個(gè)自由度，因此其設(shè)計(jì)步驟也有多種，一個(gè)典型的設(shè)計(jì)步驟如下：
1）由設(shè)計(jì)要求確定信道數(shù)N和信道間隔Δf；
2）確定波導(dǎo)寬度W和折射率差Δ：要求波導(dǎo)滿足單模條件，并考慮波導(dǎo)的zui小彎曲半徑（這對(duì)器件布版非常重要）隨W和Δ單調(diào)遞減，SiO2波導(dǎo)一般取W=6um，Δ=0.75%；
3）確定輸出波導(dǎo)間距dr：AWG的串?dāng)_隨dr的減小而增加，如圖8，根據(jù)對(duì)串?dāng)_的要求確定dr；
AWG 工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)和優(yōu)化（3）
4）確定羅蘭圓直徑Ra：AWG的損耗均勻性8.7（max/0）2，而Ra=Smax/max，由邊緣通道的位置Smax和衍射角max決定；
5）確定陣列波導(dǎo)間距da：da越小則器件的損耗越小，在陣列波導(dǎo)與星形耦合器相接處，應(yīng)使波導(dǎo)間隙盡量小，接
4）確定羅蘭圓直徑Ra：AWG的損耗均勻性≈8.7（θmax/θ0）2，而Ra=Smax/θmax，由邊緣通道的位置Smax和衍射角θmax決定；
5）確定陣列波導(dǎo)間距da：da越小則器件的損耗越小，在陣列波導(dǎo)與星形耦合器相接處，應(yīng)使波導(dǎo)間隙盡量小，接近光刻極限；
6）確定陣列波導(dǎo)中相鄰波導(dǎo)長(zhǎng)度差ΔL：陣列波導(dǎo)的色散D∝ΔLRa/da且D=dr/Δf，由此決定ΔL；
7）確定陣列波導(dǎo)數(shù)Na：邊緣陣列波導(dǎo)相對(duì)于輸入波導(dǎo)的張角2θa影響損耗和串?dāng)_，如圖9所示，根據(jù)損耗和串?dāng)_要求選定θa，再計(jì)算陣列波導(dǎo)數(shù)Na=2θaRa/da+1。
8）選擇AWG的布版方式：布版需要考慮輸入/輸出端口的設(shè)置和盡量縮小器件的布版面積，常用的布版方式有兩種，如圖10 所示。
二、減小AWG 損耗的途徑
在AWG的輸入星形耦合器中，如圖3（a）和圖11中虛線所示，輸入波導(dǎo)發(fā)出的光場(chǎng)呈高斯分布，分配到各條陣列波導(dǎo)中。如果在陣列波導(dǎo)的輸出端能夠得到同樣的光場(chǎng)分布，就能夠無損耗的耦合到目標(biāo)輸出波導(dǎo)中。實(shí)際上，由于端口位置波導(dǎo)間隙的影響，在陣列波導(dǎo)輸出端得到的光場(chǎng)如圖11中實(shí)線所示，光場(chǎng)被撕裂，因此產(chǎn)生耦合損耗。如果采用強(qiáng)限制波導(dǎo)（折射率差較大）或者波導(dǎo)間隙較大，光場(chǎng)被*撕裂，損耗較大；如果采用弱限制波導(dǎo)或者波導(dǎo)間隙較小，光場(chǎng)未*撕裂，損耗較小。
針對(duì)產(chǎn)生損耗的機(jī)制，減小AWG損耗的途徑如下：
1） 在陣列波導(dǎo)接口位置，采用錐形設(shè)計(jì)逐步減小波導(dǎo)間隙，直至光刻極限；
2） 進(jìn)行二次光刻，對(duì)陣列波導(dǎo)接口位置采用折射率差較小的材料組合。
三、AWG 的消偏振設(shè)計(jì)
因陣列波導(dǎo)的雙折射效應(yīng)，TE模和TM模的衍射聚焦位置不同，產(chǎn)生PDL，甚至兩個(gè)模式聚焦到不同波導(dǎo)中，如圖12所示。
針對(duì)PDL的產(chǎn)生機(jī)制，消除的方法如下：
1）采用零偏振波導(dǎo)：通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，可以得到雙折射系數(shù)極低
的零偏振波導(dǎo)，如圖13所示。
2）衍射級(jí)次匹配：讓AWG的FSR等于偏振引起的頻移Δfpol，則TE模的m級(jí)衍射波長(zhǎng)與TM模的m-1級(jí)衍射波長(zhǎng)重合，二者衍射角相同，如圖14所示。
AWG 工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)和優(yōu)化（4）
3）色散匹配設(shè)計(jì)：在每條波導(dǎo)中插入一段雙折射系數(shù)不同的波導(dǎo)，其長(zhǎng)度以L遞增，如圖15
所示。
圖15.通過色散匹配實(shí)現(xiàn)消偏振 4）偏振分離輸入：將TE模和TM模分離之后再輸入AWG，如圖16所示。
圖16.通過偏振分離輸入實(shí)現(xiàn)
3）色散匹配設(shè)計(jì)：在每條波導(dǎo)中插入一段雙折射系數(shù)不同的波導(dǎo)，其長(zhǎng)度以δL遞增，如圖
15所示。
4）偏振分離輸入：將TE模和TM模分離之后再輸入AWG，如圖16所示。
5）半波片法：在每條波導(dǎo)的中間插入一片半波片，使波導(dǎo)的前后兩段發(fā)生TE模和TM模的轉(zhuǎn)換。
四、AWG 的通帶平坦化設(shè)計(jì)
陣列波導(dǎo)輸出的光場(chǎng)，在輸出波導(dǎo)的端口進(jìn)行衍射重構(gòu)，這個(gè)重構(gòu)光場(chǎng)與輸出波導(dǎo)的能量耦合所表現(xiàn)出來的波長(zhǎng)特性，即為AWG的傳輸譜線。
通帶未優(yōu)化的AWG，表現(xiàn)為高斯型譜線，如圖17所示，難以實(shí)用，因此必須進(jìn)行通帶平坦
化設(shè)計(jì)。
1）采用多模輸出波導(dǎo)：在輸出星形耦合器中采用多模輸出波導(dǎo)，如圖18（a）所示，衍射重構(gòu)光場(chǎng)與多模波導(dǎo)的能量耦合，表現(xiàn)為平坦化的通帶特性，如圖18（b）所示，因?yàn)檩敵霾▽?dǎo)為多模，該方法只能用于解復(fù)用器，并且解復(fù)用的信號(hào)只能由探測(cè)器接收，而不能無中繼的繼續(xù)傳輸。
2）輸入端接多模干涉（MMI）耦合器：在輸入波導(dǎo)與輸入星形耦合器之間串接一個(gè)MMI耦合器，將輸入光場(chǎng)變成一個(gè)雙峰波形，如圖19（a）所示，優(yōu)化前后的通帶特性分別如圖19
（b）中的虛線和實(shí)線所示，可以看到，通帶優(yōu)化后的AWG，其損耗增加了大約2dB。將MMI
耦合器設(shè)計(jì)成牛角形狀，可以進(jìn)一步優(yōu)化損耗和通帶特性。
AWG 工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)和優(yōu)化（5）
圖19.a）輸入端接MMI耦合器，b）優(yōu)化前后的通帶特性 3）在陣列波導(dǎo)輸出端引入相移：
輸出波導(dǎo)接收的光場(chǎng)為陣列波導(dǎo)輸出位置光場(chǎng)的傅立葉變換，如果在陣列波導(dǎo)輸出端得到
sinc函數(shù)（sinc（x）=sinx/x）分布的光場(chǎng)，則其通帶圖19. a）輸入端接MMI耦合器，b）優(yōu)化前后的通帶特性
3）在陣列波導(dǎo)輸出端引入相移：輸出波導(dǎo)接收的光場(chǎng)為陣列波導(dǎo)輸出位置光場(chǎng)的傅立葉變換，如果在陣列波導(dǎo)輸出端得到sinc函數(shù)（sinc（x）=sinx/x）分布的光場(chǎng)，則其通帶為近似矩形。一般情況下，在陣列波導(dǎo)輸出端得到的光場(chǎng)如圖20（a）所示；通過調(diào)整陣列波導(dǎo)輸入端口徑，可以改變其輸出端光場(chǎng)，如圖20（b）所示；在某些波導(dǎo)的輸出端引入π相移（可通過調(diào)整波導(dǎo)長(zhǎng)度差來實(shí)現(xiàn)），如圖20（c）所示；陣列波導(dǎo)的zui終輸出光場(chǎng)為圖20（b）和（c）函數(shù)的乘積，如圖20（d）所示，其波形類似sinc函數(shù)分布，因此在輸出波導(dǎo)可得到近似矩形的通帶特性，如圖21所示。
圖20. a）陣列波導(dǎo)輸出端光場(chǎng)，b）通過改變陣列波導(dǎo)輸入端口徑得到的輸出端光場(chǎng)，c）在某些陣列波導(dǎo)輸出端引入相移，d）陣列波導(dǎo)zui終輸出光場(chǎng)為c）和d）兩函數(shù)的乘積。
4）輸入端接MZ干涉器：在輸入波導(dǎo)與輸入星形耦合器之間串接一個(gè)MZ干涉器，如圖22（a）
所示，輸入星形耦合器將有兩條輸入波導(dǎo)，不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)在輸入端呈現(xiàn)不同的分布情況，
如圖22（b）所示。這樣，在中心波長(zhǎng)的附近，損耗將得到一定的平衡，從而實(shí)現(xiàn)平坦化的
通帶特性，如圖23所示。
圖22. a）輸入端接MZ干涉器的AWG結(jié)構(gòu)，b）不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)在輸入端分布情況
前面兩種方案，其本質(zhì)都是通過改變輸入光場(chǎng)與輸出光場(chǎng)之間的耦合特性來優(yōu)化通帶特性；第三種方案是從傅立葉分析的角度實(shí)現(xiàn)通帶平坦化；第四種方案是在透徹理解輸入波導(dǎo)平面與輸出波導(dǎo)平面之間的鏡像關(guān)系的基礎(chǔ)上，直接對(duì)通帶內(nèi)各波長(zhǎng)的損耗進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)通帶平坦化。*種優(yōu)化方案存在應(yīng)用局限性；第三種優(yōu)化方案工藝復(fù)雜，難以控制；第二種優(yōu)化方案會(huì)增加額外的損耗，大約3dB；第四種優(yōu)化方案工藝簡(jiǎn)單，也不會(huì)引起額外的損耗，通帶平坦化之后的總損耗<3.5dB，缺點(diǎn)是串接的MZ干涉器會(huì)增加器件尺寸。
