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。
- 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)。
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.。