阵列波导光栅_AWG_器件及其应用
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。
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)
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，
阵列波导光栅在光通信器件中的应用
阵列波导光栅在光通信器件中的应用
阵列波导光栅是一种重要的光学器件，它在光通信器件中有着广泛的应用。
阵列波导光栅是一种具有周期性折射率变化的光学波导结构，它可以将光束分散成多个波长，从而实现光谱分析和光通信等应用。
在光通信器件中，阵列波导光栅主要用于光滤波和波长分复用。
光滤波是指通过光学器件将特定波长的光信号从复杂的光信号中分离出来，以便进行进一步的处理。
阵列波导光栅可以实现高效的光滤波，因为它可以将光束分散成多个波长，从而实现对特定波长的选择性滤波。
波长分复用是指将多个不同波长的光信号合并在一起传输，从而提高光通信的带宽和效率。
阵列波导光栅可以实现高效的波长分复用，因为它可以将多个不同波长的光信号分散成多个波长，从而实现波长分离和复用。
除了光滤波和波长分复用，阵列波导光栅还可以用于光谱分析、光学传感和光学调制等应用。
例如，阵列波导光栅可以用于分析光源的光谱特性，从而确定光源的波长和强度。
阵列波导光栅还可以用于光学传感，例如测量温度、压力和化学成分等参数。
此外，阵列波导光栅还可以用于光学调制，例如调制光信号的相位和振幅等参数。
阵列波导光栅是一种重要的光学器件，它在光通信器件中有着广泛的应用。
阵列波导光栅可以实现高效的光滤波和波长分复用，从而提高光通信的带宽和效率。
此外，阵列波导光栅还可以用于光谱分析、光学传感和光学调制等应用，具有广阔的应用前景。
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
阵列波导光栅的简便模拟方法及应用
３０２ ） １０ ７ （ 江大学 现代光学仪 器 国家 重点实验 室 光及 电磁波研 究 中心 ， 浙 杭州
Ｅ ｍａｌ ｘ ｍ＠ ｃｅ ．ｊ ．ｄ ．ｎ — ｉｄｄ ： ｏｒｚ ｅｕ ｃ ｕ
摘
要 结合 等 效折 射 率 方 法并 利 用 高斯 光 束 近似 给 出 了一种 简便 的模 拟 计 算 阵列 波 导 光栅
维普资讯
第 ３ 卷 第 ８期 １
乍 积
ＡＣＴＡ ＨＯＴＯＮ Ｉ Ｐ ＣＡ Ｉ Ｉ Ｓ Ｎ ＣＡ
Hale Waihona Puke ＶＯ ． １ Ｎｏ． １３ ８Ａｕ ｕ ｔ ２ ０ ｇ ｓ ０ ２
２ ０ 年 ８月 ０２
阵列 波 导 光 栅 的 简 便 模 拟 方 法 及 应 用 ＊
／ 复用 ． 解
简 称 Ａ Ｇ） （ 集 ） 分 复 用 技 术 的 关 键 器 件 Ｗ 是 密 波 之一 ． ＡＷＧ器 件 尺 寸 比较 大 ， 其 是 弱 波 导 如 Ｓ 尤 ｉ 基 ＳＯ， 导 ， 且 结 构 也 比较 复 杂 ， 此 用 一 般 ｉ 波 而 因 的方 法做 全 局 模 拟存 在 一 些 困难 ． 结 构 参 量 的 但 优 化 和工 艺误 差 容 限 的确 定 都 离 不 开 全 局 模 拟 ． 所 以寻求 一 种 方 便 、 可靠 、 快速 的模 拟计 算 方 法是
Ｅ（ ） 砌 ｗ０ 一 ｅ ｐ 一ｚ ／ ｚ， ＝（ ／ ） ｘ （ ｗ
关键 词 阵列 波导 光栅 ； 分 复 用 ； 合 系数 ； 位 误 差 ； 幅误 差 波 耦 相 振
，
，
０ 引 言
阵 列 波 导 光 栅 （ ｒｙｄ Ｗａ ｅ ｕｄ ａｉｇ Ａｒａ ｅ ｖｇ ｉｅＧｒｔ ， ｎ
AWG工作原理
• 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 射之后仍聚焦在罗兰圆上，不同衍 射级次对应不同衍射角。
• 4.偏振相关性：AWG器件的偏振相关性来源 于波导和材料的双折射。对同一波长而言， TE模和TM模的有效折射率是不同的，因此 会引起在TE模和TM模之间产生波长漂移。
0.TE
nTE L m
0.TM
nTM L m
0.TM TE
TM
TE
L m
nTM
nTE
• 在光纤通信网中，传输线大多是普通单模光 纤，无保偏特性，因此AWG在实际应用中 必须消除对偏振的敏感性。
n1 b
n2
• 举例：选用氟化聚芳醚
(FPE)作为制作AWG的材
料，芯层折射率为
n1=1.5100，包层材料的
折射率为n2=1.49790，芯
与包层的相对折射率差为
0.8%。然后根据ITU标准 ，取中心波长为 λ=1.5509μm，波长间隔 Δλ=0.8nm。矩形波导的 模式选E为pyq 导模，平板波 导的模式选为TM导模。
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。
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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。
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)。
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
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。
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。(aBiblioteka 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]
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分出（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
专家论坛
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。
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]。
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
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
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。
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。
专家论坛
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
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 。
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