阵列波导光栅(AWG)原理及国内外研发状况
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。
AWG研究
光纤到户（FTTH）是宽带接入的一种理想模式，是光纤通信进一步发展的方向。
近几年在世界各国的发展势头迅猛，无论在亚洲、北美还是欧洲，用户数都在快速增长。
在亚洲，FTTH应用最为典型的国家是日本和韩国。
以日本为例，2002年年初用户数仅2万多户，2004年底已发展到277万户，按每月增长10～15万户的速度，预计今年年底用户数可超过450万户。
在美国，FTTH也经历了一个从观望到快速发展的过程。
2003年以前，以AT&T为首的传统电信运营商并不看好FTTH，他们更倾向于充分利用原有的铜线接入资源发展宽带接入。
但自从美国联邦通信委员会（FCC）颁布了“FTTH的接入网不必向竞争对手开放”的政策之后，FTTH有了很大发展，一些新兴电信运营商的积极性高涨，自2003年3月以后，美国FTTH的用户数以300%的速度增长。
据美国行业营销研究公司的报告显示，至2004年10月，美国国内同意铺设FTTH的家庭数已经达到97万户，其中注册FTTH服务的家庭数达到41.3万户，而实际上已经铺设了FTTH的家庭数目也达到了14.65万户。
欧洲很早就开始部署光纤接入。
英国于1982年开始研究光纤用户环路，1985年光纤接入用户达15万户，1990年开始电话PON（TPON）试验。
德国、意大利等国从上世纪80年代末开始窄带PON的试验，但是由于成本和需求的原因，发展一直较缓慢。
直到2002年底，欧洲的2个FTTH运营商——瑞典的B2公司和意大利的e.biscom公司才有了比较可观的用户数，前者有7万多个住宅用户，后者有9万多个住宅用户。
我国在国家“863”高科技计划的推动下，2003年开始了对FTTH的宣传，2004年国家分别在武汉、成都等地建立了光纤到户的试验网。
中国电信在武汉电信2005年3月试商用网络开通和FTTH设备全面测试的基础上，在武汉、北京、上海和广州开展了试点工作。
中国网通在北京等地的商务中心区以及高档住宅区布点试验的同时，也正在进行FTTH设备的全面测试。
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。
阵列光栅传感技术
阵列光栅传感技术
阵列光栅传感技术，即Arrayed Waveguide Grating (AWG) ，是一种新型的光传感技术，它能够有效地检测、分类、分析、和追踪大量精准的信号介质。
作为一种集成的可编程光学系统，AWG技术具有很多优势。
首先，AWG在光学方面具有高灵敏性，高精度，并可以实时监测和分析复杂的物理环境。
此外，它具有经济有效性和先进性。
利用AWG，可以在短时间内就能实现对复杂环境特性的描述，并实现对信号介质更精确的检测分析。
此外，利用阵列光栅传感技术，可以得到高精度和高灵敏性的信号。
它们可以在任何条件下，更快地采集更多的信息，并以更加准确的细节来描述特征模式。
此外，AWG的高灵敏度也可以满足对电子信号质量的要求，以便消除对系统性能的影响。
最后，利用AWG技术可以实现性能可靠性。
比如说，当检测到潜在问题时，它可以实时监测并把相关症状根源及时归类，以便采取相应措施。
总而言之，AWG技术具有许多优点，它可以实现灵敏的监测，准确的检测，经济高效的处理，以及准确的信号分类和追踪，可以帮助系统免受潜在问题的影响，从而可以明显改善系统的性能和可靠性。
AWG工作原理
m+1级衍射
FSR m 0nc
o
mng
峰
m级主
Nmax
int
FSR
int
0nc mng
o m
衍射极
m够与大的o话，成正的比m，+m1级足 大
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%。
d
ng nc
1
R nsncd 2
mng
自由光谱区
nsdi ncL nsdo m
nsdi ncL nsd (o m ) (m 1)
两m 个第角衍m间射和距峰m+之1间两的个波衍长射范峰围的称为m自 由ns0d光谱区
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,
∠SQC=∠CQP=∠SRC=∠CRP
∠CQP'=∠CRP'=
G光栅面，Q是光栅面中 点，C是曲率中心。
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
阵列波导区域相邻波导间的
AWG的工作原理 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)
波导光栅国内外研究现状
聚合物波导光栅在光纤放大器增益平坦器件、带阻滤波器、各种光耦合器件、传感器等领域有着较为广阔的应用前景。
高速大容量全光通信网络的发展对光通信器件的快速可调谐性提出了越来越高的要求，因此，光栅不仅需要具有可调谐性而且应当能够实现快速调谐，有些应用甚至要求达到ns级的调谐速度。
可调谐激光器在全光通信领域可以实现高速大容量通讯。
可调谐激光器tunable laser 是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。
这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。
聚合物长周期波导光栅可以极大地提高可调谐激光器的性能，长周期波导光栅有如下特点：（1）制备工艺简单；（2) 材料选择多样；（3）结构设计灵活；（4）波导器件还有利于实现集成化、小型化和模块化。
到目前为止，仅有几篇关于长周期光栅在波导上制备过程的文章。
2003年Tsoi等人首先报道了聚合物LPWG器件。
他们在SiO2/Si基底上利用一种负极性环氧树脂(ENR,在1.55μm的折射率约为1.575）作为光栅的核心材料，制备出了长周期波导光栅。
具体过程为：首先，利用RIE技术及光刻技术，在单晶硅表面完成了长周期光栅的制备工艺。
所制作出的光栅槽深为150~400nm，长1cm，光纤周期为370~450μm；随后在具有光栅图案的Si上氧化一层厚为1.5μm的SiO2(折射率约为1.45@1.55μmSiO2/Si);接下来在二氧化硅层表面旋涂聚合物ENR，最后再利用光刻技术在二氧化硅表面制备出宽6μm，高 2.2μm的ENR条形波导，其结构如图1-1所示。
图1-1条形波导光栅随后，Tsoi等人对他们所制备额LPWG器件进行了表征。
他们采用1.5μm波长的EDFA,以1.3μm和1.4μm波长的超荧光LED作为光源，经过光栅—波导端面对接耦合进入波导，在波导的另一端经过波导—光纤端面耦合，将传输光耦合进入光谱分析仪，进行透射光功率光谱的测量。
浅谈温度不敏感阵列波导光栅复用解复用器的发展现状
浅谈温度不敏感阵列波导光栅复用/解复用器的发展现状【摘要】随着光纤通信的爆炸式的发展，特别是基于大流量的多媒体业务的快速增长，全光网络在未来的通信网络中了占据了举足轻重的地位。
近年来WDM 技术波分复用器（WDM）的蓬勃发展，其中平面光波导技术凭借其稳定性好、成本低、便于批量生产、易于集成等诸多特点，被认为是WDM 光纤通信产业的一个相当重要的发展方向。
目前光波导的制作基于SOI光波导集成技术由于具有与成熟的半导体工艺的兼容性好、与光纤耦合效率高、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。
基于SOI平面光波导集成技术的一个重要应用是阵列波导光栅（AWG）。
【关键词】阵列波导光栅；温度不敏感；温度系数随着光通信的快速发展，波分复用器的角色也越来越重要，在波分复用系统中应用最为广泛的复用/解复用器是基于薄膜滤波器的复用/解复用器和阵列波导光栅（AWG）。
光纤通信系统要求AWG的每个通道的光信号的波长和国际电信联盟（ITU）规定的波长一致。
利用硅基二氧化硅技术制作的AWG，由于二氧化硅的折射率和相邻的阵列波导的长度差都随温度的变化而改变，从而导致AWG 各个输出通道的波长随温度变化而发生漂移。
然而在通信系统中允许的波长漂移范围与通信系统的信道间隔、传输比特速率有关系，一般要求为小于0.05nm。
随着密集波分复用系统从长途主干线延伸到局域网的快速发展，开发出热不敏感的阵列波导光栅（TI-AWG）成为了一种必需。
目前实现温度不敏感阵列波导光栅（TI-AWG）的方案主要是从以下两个方面去考虑：改变材料或者器件结构。
国内外的主要研究方案如下：1 改变波导材料，实现波导本身的温度不敏感性1.1 选择温度不敏感的波导材料2001年，德国著名的海因里奇-赫兹研究所的N. Keil等人采用丙烯氟化聚合物制作了200GHz 的全聚合物AWG，即波导材料全部用聚合物制作。
结果显示在25-65℃波动内中心波长漂移仅为0.05nm。
阵列波导光栅(简写成AWG)
d1 x1 f1
a
L
(4.82a)
其中， s 为输入和输出平板波导（FPR）的传输常数， a 为
阵列波导的传输常数。只有当此相位差等于 2π的整数倍，即
2m
(4.82b)
（ m 为整数，对应 m 级衍射）时从两条路径来的信号才能相干相 加，有信号输出。一般说，输入和输出 FPR 的几何参数相同，即
3
f5
f4
f3
f2
f1
f0 f-1 f-2 f-3 f-4 f-5 f-6 f-7 f-8 f-9 f-10
4
f4
f3
f2
f1
f0
f-1
f-2
f-3
f-4
f-5
f-6
f-7
f-8
f-9
f f -10
-11
5
f3
f2
f1
f0
f-1
f-2
f-3
f-4
f-5
f-6
f-7
f-8
f-9
f f f -10
-11
、
d 相对于 f 皆为小量）
x
Na fL
x1cont.
ns d0
(4.84a)
其中 Na 为有效折射率为 na 的阵列波导的群折射率，
Na
na
dna
d
。 ns
为平板波导的有效折射率。上式说明同
一输入波导的输入信号波长改变 时，输出波导端口位置
就应改变 x 才能有信号输出。这一功能正好对应波长解复
-3 f11 f10 f9 f8 f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 f0 f-1 f-2 f-3 f-4
-2 f10 f9 f8 f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 f0 f-1 f-2 f-3 f-4 f-5
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
在光通信收发芯片领域，主要有Phyworks、Mindspeed、Vitesse等供应商。
Phyworks，全球最大的无源光网络用户端光模块的芯片供应商，在中国每月各类芯片出货量在200万片左右。
基于平面光波导技术的PLC芯片同样主要来自进口，包括NTT Electronics、Hitachi Cable、Neo Photonics、JDS Uniphase、Teem、Wooriro等公司。
在光有源器件芯片方面，2.5Gb/s及以下速率的LD芯片、APD芯片大部分依赖进口。
阵列波导光栅（AWG）波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件，在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测；在性能上具有波长间隔小，信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰
低、信号畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点。
凹面光栅的成像原理是于1882年由罗兰提出的[1]，如图1所示"凹面光栅所在的圆G称作光栅圆,其半径为f。
设Q是光栅面的中点，C是它所在的光栅圆的圆心，并以QC的中点O为圆心，以处f/2=OQ=QC为半径作一个圆K，叫做罗兰圆。
可证明，从罗兰圆K上任一点S射出的光将近似被反射到圆上的另一点P，同时被衍射到圆上另一点P’，P’’，……，这些点分别是各阶衍射光线的焦点。
从S入射到光栅上的另一点R的一条光线，可以证明，R点的反射光线仍通过P。
对于衍射光线同样可以证明以上结论。
这就是罗兰圆原理[2]。
图1 凹面光栅聚焦示意图[1]
AWG原理于1988年由Slnit.M.K提出[3]。
AWG器件将凹面光栅的反射式结构转变成传输式结构，输入波导与输出波导分开，用波导对光进行限制和传输，,取代光在自由空间的传输，利用这种传输式结构可以在光传输途中引入较大的光程差，使光栅工作于高阶衍射，提高了光栅的分辨率。
图2给出了阵列波导光栅AWG的结构示意图[4]，它由输入/输出信道波导、两个平板波导和中间的阵列波导组成。
阵列波导的两端以等间距d排列在两个光栅圆周上,正对光栅圆心。
输入/输出波导排列在罗兰圆周上，端口朝向中心阵列波导。
AWG同时具有复用和解复用功能，下面以解复用为例进行定性说明：
图2典型阵列波导光栅结构示意图[4]
解复用器的工作原理: 含有多个波长的复信号光经中心输入波导输出后,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,并耦合进阵列波导区。
因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上,所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。
经阵列波导传输后,因相邻的阵列波导保持有相同的长度差△L，因而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波导位置，经输出波导输出后完成了波长分配，即解复用。
这一过程的逆过程，即信号反向输入，则完成复用功能。
当复信号光从非中心波导输入时,平板波导内的衍射光以倾斜波前耦合进入阵列波导，此时输出信号光的波长由输入/输出波导的位置和波长间隔共同决定。
大多数集成光波导材料折射率都会随外界温度变化而变化。
折射率变化量△n 与温度变化量△T的比值γ=△n/△T，称为热光系数。
对于AWG波分复用器件，这将引起通道中心波长漂移。
其波长漂移量△λ=λγ△T/n，其中n为光波导有效折射率。
例如，对于基于SiO2材料的波分复用器件，SiO2材料的热光系数γ=1.1×10-5,差将漂移接近0.0125nm/℃。
在密集波分复用光纤通信系统中，温度引起的波长漂移将增大误码率。
AWG的中心波长满足下面的方程式
为阵列波导的有效折射率；△L为任意相邻阵列波导间的位相差；m为其中，n
e
AWG器件的衍射级次。
ne△L为波导阵列的光程差，由上面的方程可以导出AWG
中心波长随温度的变化为
dλ
e /dT=(λ
e
/n
e
)(dn
e
/dT+neα
s
),
式中，α
s
=（d△L/dT）（1/L）为材料的线膨胀系数。
由于一般情况下衬底厚度比上下覆盖层和芯层的厚度大得多，因此常用衬底的线膨胀系数。
设计无热AWG的思想就是使上式右边为零，从而中心波长漂移为零。
为了使其中心波长不受温度变化的影响，最简单的方法是外加恒温控制器，但这种方法会增加功耗，更好的方法是采用热不敏感设计。
目前发展的大多数热不敏感设计通常采用复合光波导结构。
“复合光波导”由具有不同热光系数的两种以上的光波导材料组成。
实现对中心波长漂移的良好控制。