波导光栅(传输线)
AWG工作原理
• 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； • (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。
• 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。
6.3-dB带宽
• 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，
第3章-波导传输线理论
两边同除以XY并移项得
X X
Y Y
Kc2
37
分离变量-2
令
X XKx 2
Y YKy 2
整理可得
d 2X dx 2
K
2 x
0
d
2Y
dy 2
K
2 y
0
(3.25)
其中 Kx2Ky2Kc2
38
解常微分方程
(3.25-a)式的解为
X(x)C1ejK xxC2ejK xx C1coKsxxjC 1siK nxxC2coKsxxjC 2siK nxx (C1C2)coKsxxj(C1C2)siK nxx AcoKsxxBsiK nxx
(3.12)式的通解为
Z (z)A ze Bze
第一项表示入射波，第二项表示反射波， 无限长波导中无反射波，因此通解应为
Z(z)Aez
(3.14)
26
Z向传播方程的解-2
（3.14式）代入（3.4式）可得波导管中E 和H的初步形式:
H EZ Z((x x,,y y,,zz)) A A 1 1 E H ZZ ((xx ,,yy )e )e zz
41
代入边界条件决定常数-3
将(3.30-2)代入(3.33)，可得 E 0siK n xasiK n yy0
因此得出 KxamKxm a
将(3.30-4)代入(3.33)，可以推出
n
KybnKy
b
42
代入边界条件决定常数-4
综合以上结果可以得出
E z(x,y)E 0sim n a x ()sin b n y ()
Ez(x,y) x
E0
msinm(x)sinn(y)
aa
b
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。
阵列波导光栅结构
阵列波导光栅结构1. 引言阵列波导光栅结构（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是一种用于光通信和光谱分析的关键器件。
它通过将输入的光信号分散成多个不同频率的波长，并将它们耦合到输出波导中，实现了光信号的多路复用和解复用。
本文将对阵列波导光栅结构的原理、制备工艺以及应用进行全面详细的介绍。
2. 原理阵列波导光栅结构由一系列平行排列的等长波导组成，其中每个波导都有一个固定的折射率。
当入射光从其中一个输入波导进入时，会在所有波导之间发生耦合，并形成一系列干涉效应。
这些干涉效应会使得不同频率的光在输出端形成不同强度的干涉峰，从而实现了对不同波长的分散和解复用。
具体而言，阵列波导光栅结构可以分为两个主要部分：输入级和输出级。
输入级包括输入端口、输入星型耦合器和阵列波导，用于将入射光耦合到阵列波导中。
输出级包括输出星型耦合器和输出端口，用于将解复用后的光信号从阵列波导中耦合出来。
在阵列波导中，入射光会被分散成不同频率的波长，并沿着波导逐渐传播。
每个波导之间的距离被精确设计，以使得不同频率的光在特定位置相位匹配，从而形成干涉峰。
这些干涉峰的强度与入射光的波长有关，因此可以通过调整波导长度和折射率来实现对不同波长的分散和解复用。
3. 制备工艺制备阵列波导光栅结构通常采用集成光学技术，其中最常见的方法是利用硅基材料。
以下是一般制备工艺流程：1.材料选择：选择具有较高折射率差异的材料作为主要构成元素，例如硅和二氧化硅。
2.芯片设计：根据应用需求设计芯片结构，并确定输入级和输出级的参数。
3.芯片制备：使用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）或物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）等技术，在硅基底上生长薄膜。
4.光刻和蚀刻：利用光刻技术将设计好的波导图案转移到薄膜上，并通过干法或湿法蚀刻将多余的材料去除。
5.抛光和平整化：对制备好的芯片进行抛光和平整化处理，以提高表面质量和波导性能。
第4章 阵列波导光栅_123-156
图中可见，如果平板波导的焦点F到原点O的距离为Lfo和中心角θ 0 选得过小，信道 波导的弯曲半径ri会很小，因而弯曲损耗会很大。如果Lfo和θ 0 选得过大，ri会很大，因 而器件尺寸会过大。因此，兼顾弯曲损耗和器件尺寸，可以选取Lfo = 8000 µm，θ 0 = 60o ，
此时信道波导的弯曲半径rk则处于 3700~ 4500 µm的范围之内。
由上式可以看出，相邻输出信道波导的角间距Δθout与波长间隔Δλ、衍射级数m及群
折射率ng成正比，与平板波导和阵列波导的模有效折射率ns、nc及信道波导间距d成反比。
由上式还可看出，Δθout与Δλ呈线性关系，即从输入信道波导输入的等间隔波长的光将从
等间距排列的输出信道波导输出。
129. 什么是 AWG 的自由光谱区？其表达式为 FSR = λnc mn g
124. 试简述如图所示的罗兰圆原理。
QR
1G0
8
ααβ ααβ
6
4
2
K0
-2
.O
-4
-6
-8
-10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1P0 '
S
C
P
(124 题图) 罗兰圆原理图
为了避免用透镜聚焦时对衍射光能量所造成的损失，罗兰引进了凹面光栅，其所在 的圆 G 称作光栅圆，其半径为 f，以 f/2 = OQ = OC 为半径作一个圆 K，称做罗兰圆。 可以证明，从罗兰圆 K 上任一点 S 射来的光将近似地被反射到圆上另一点 P，同时被衍 射到圆上另一些点 P' ， P" ，⋅⋅⋅，这些点分别是各阶衍射光线的焦点。这就是罗兰圆聚 焦原理。
图中可见，输入平板波导的功率分布曲线 P0 (θ ) 为输出平板波导的功率分布 P(θout ) 的包络线。功率分布曲线 P 中出现许多衍射峰，其中θ = 0 处的衍射峰称为主衍射峰，
光栅光波导
光栅光波导一、光栅光波导的基本概念光栅光波导是一种利用光栅结构来实现光波导的器件。
在光栅光波导中，通过在介质中引入周期性折射率变化的结构，使得该介质中存在了一系列的模式，这些模式能够将入射的光线引导到特定方向上传输。
因此，可以将其看作是一种具有特殊传输性质的波导器件。
二、光栅结构的原理1. 光栅结构的定义在物理学中，所谓“光栅”指的是由若干平行且等距离排列的透明或不透明条纹组成的结构。
其中，透明条纹和不透明条纹之间交替出现，并且宽度相等。
这样的结构被称为“衍射光栅”。
2. 光栅衍射原理当平行入射于衍射光栅上时，由于其周期性结构会对入射光进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
3. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
三、光栅光波导的工作原理1. 入射波与光栅相互作用当入射波与光栅相互作用时，由于其周期性结构会对入射波进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
2. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
3. 光栅光波导的传输特性由于光栅光波导中的光束具有特定的方向和强度分布，因此可以将其用作分光器、滤波器、耦合器等器件，用于实现光信号的控制和调制。
四、应用领域1. 通信领域在通信领域中，光栅光波导被广泛应用于实现滤波器、耦合器、分路器等功能。
这些器件可以用于调制和控制光信号的传输，从而实现高速数据传输。
2. 生物医学领域在生物医学领域中，利用光栅光波导可以实现生物分子检测、细胞成像等功能。
阵列波导光栅(AWG)的理论研究与优化设计的开题报告
阵列波导光栅（AWG）的理论研究与优化设计的开题报告1. 研究背景和意义随着通信技术的发展，光纤通信系统已经成为一种重要的通信传输方式，其中光纤光栅作为现代光学通信系统中最重要的元件之一，在分光复用、分离信道、分配光功率、滤波和光谱分析中广泛应用。
而在光栅元件中，阵列波导光栅（AWG）以其具有多路功率分配和复用能力、宽波长可调性和灵活性等特点，在光通信系统中得到了广泛的应用和研究。
然而，AWG的设计和优化问题一直是一个亟待解决的问题。
如何实现高分辨率、低插入损耗、宽带、低交叉损耗、低色散等性能的平衡就是设计和优化中的主要问题。
因此，本文将从理论研究和优化设计两个方面入手，对AWG进行研究和探讨，以期能够提高AWG的性能和应用价值。
2. 研究内容和方法本文将主要从以下几个方面开展研究：（1）AWG原理及其性能分析通过对AWG的原理和性能进行分析，了解AWG的基本结构、工作原理和特点，确定AWG性能分析的指标。
（2）AWG理论模型的建立在分析AWG原理和性能的基础上，建立AWG的理论模型，研究影响AWG性能的因素以及它们之间的关系。
（3）AWG优化设计的算法研究通过改变AWG的结构参数，优化AWG的性能指标，并确定合适的优化算法，采用仿真和试验等方法对AWG进行性能验证。
（4）AWG的实际应用研究在完成AWG的研究和优化设计后，结合实际应用场景，验证AWG的应用效果，并探索和研究适用于不同应用需求的AWG结构和设计方案。
3. 研究预期结果和意义本研究预期能够筛选出性能优异的AWG结构和设计方案，满足不同的应用需求，并能够提高AWG在光通信系统中的应用价值。
同时，本研究也将有助于深入理解AWG的原理和性能特点，为AWG的进一步研究提供理论基础。
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。
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State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China * liuxueming72@
©2012 Optical Society of America
OCIS codes: (130.3120) Integrated optics devices; (230.7370) Waveguides; (240.6680) Surface plasmons.
References and links
Abstract: We have proposed a metal-insulator-metal (MIM) waveguide system, which exhibits a significant sloቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-light effect, based on a plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency (EIT). By appropriately adjusting the distance between the two stubs of a unit cell, a flat band corresponding to nearly constant group index over a broad bandwidth of 8.6 THz can be achieved. The analytical results show that the group velocity dispersion (GVD) parameter can reach zero and normalized delay-bandwidth product (NDBP) is more than 0.522. Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations show that the incident pulse can be slowed down without distortion owing to the low dispersion. The proposed compact configuration can avoid the distortion of signal pulse, and thus may find potential applications in plasmonic slow-light systems, especially optical buffers.