阵列波导光栅器件及应用

第４２卷，第４期　２００５年４月　

激光与光电子学进展　Ｖｏ１．４２．ＮＯ．４　

Ａｐｒ．２００５　

阵列波导光栅器件及应用　陈巧红黄旭光徐文成　ｆ华南师范大学量子电子研究所，广州５１０６３１）　

提要　简述阵列波导光栅（ＡｗＧ）复用／解复用器的原理，总结和分析ＡＷＧ器件性能的一些改进措施，并综述＿ｒ　ＡＷＧ　在当今光通信中的多种应用。　关键词　阵列波导光栅　波分复用　插／分复用　波长路由　

Ａｒｒａｙｅｄ．．Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＣＨＥＮ　Ｑｉａｏｈｏｎｇ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｕｇｕａｎｇ　ＸＵ　Ｗｅｎｃｈｅｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６３１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ａｒｒａｙｅｄ—ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）ｉｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｓｏｍｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＡＷＧ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｍｔｍｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＡＷＧ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＷＤＭ）　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｄｄ／ｄｒｏｐ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＡＤＭ）　ｏｐｔｉｃａｌ　ｗａｖｅ—　ｌｅｎｇｔｈ　ｒｏｕｔｅ（ｏｗｎ）　

１引言　密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术为　光纤通信向大容量、高速率发展提　供了有效途径，ＤＷＤＭ系统中，以　阵列波导光栅为基础的波分复用器　是波长复用和解复用传输光信号的　种关键器件，其性能的优劣对传　输质量起决定性作用。阵列波导光　栅（ＡＷＧ）的多功能性、高重复性、低　损耗、低串扰、高可靠性、尺寸小、低　成本、设计灵活、易与光纤有效耦合　以及与半导体器件集成能力强等优　点已被人们认可．致使ＡＷＧ很快　就进入了实用化阶段。迄今为止，研　究开发高性能ＡＷＧ及其器件仍然　是当今光通信的一大热点．为了提　高ＡＷＧ器件更优的性能／价格比．　降低成本、提高性能和拓宽应用就　成了ＡＷＧ研究的主要方向　

２　ＡＷＧ复用／解复用器的结构　和原理　２．１　ＡＷＧ的结构　阵列波导光栅（ＡＷＧ），也称作　相位阵列（ＰＨＡＳＡＲ），是荷兰大学　的Ｓｍｉｔｔ＇ｌ　Ｍ　Ｋ于１９８８年首先提出　来的。Ｄｒａｇｏｎｅ　ｃ。】于１９９１年将阵列　波导光栅的概念从ｌｘＮ推广到Ｎｘ　Ｎ　图ｌ示出一个Ⅳ×Ｎ　ＡＷＧ结构　示意图，它由Ⅳ个输入／输出波导、　两个相同自由传播区的输　出　聚焦平板波导和规则排列的弯曲　波导阵列集成在一块衬底上组成．　输入／输出波导的位置和弯曲阵列　波导的位置满足罗兰圆（Ｒｏｗｌａｎｄ）　规则，即输入偷出波导的端口设置　在半径为Ｒ的罗兰圆上（其波导间　距为　），并对称地分布在聚焦平　板波导（焦距ｆ＿－２Ｒ）的入口处，弯曲　

阵列波导的端口则以等间距ｄ分　布在半径为２Ｒ的光栅网周上，光　栅圆周的圆心在中心输入／输出波　导的端部，并使阵列波导的中心位　于光栅圆与罗兰网的切点处，相邻　阵列波导长度差为一常数△Ｌ。　２．２　ＡＷＧ解复用的工作原理　当含有　．，　…　波长的复用　光信号被耦合到其中一个输入波　导，经平板波导衍射后耦合进阵列　波导区。因阵列波导端面位于光栅　圆周上，所以衍射光以相同相位到　达阵列波导端面。相同相位的衍射　光经过长度差为△Ｌ的阵列波导　后，产生了相位差，且相位差和波　长有关。于是不同波长的光波经过　输出平板波导以不同的波前倾斜　聚焦到不同的输　波导位置．完成　解复用功能　反之，可将不同输入　

收稿日期：２００４—０９—１６：收到修改稿日期：２００４一ｌｌ一２２　基金项目：广东省自然科学基金（编号０４０１０３９８）资助项目　作者简介：陈巧红（１９７７～），女，湖南人，华南师范大学量子电子学研究所光学专业２００３级研究生，主要从事　线性光纤光学以及　导波光学卜ｊ光通讯技术方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｑｉａｏｈｏｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ　

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输入／输　波　

图１　ＮｘＮ　ＡＷＧ的结构示意　波导中的具有不同波长的光信号　汇集到同一根输出波导中，完成复　用功能。阵列光栅复用器工作原理　和衍射光栅型复用器基本相同。　３　ＡｗＧ的性能及一些改进措　施　在密集波分复用（ＤＷＤＭ）系　统中，其主要的性能包括大信道　数、窄信道间隔、小中心波长漂移、　宽的通带平坦光谱响应、低信道串　扰、低插入损耗、低偏振相关和低　温度相关性，在这种需求的推动　下，各种提高性能的改进措施不断　地被提出来，ＡＷＧ就是其中之一。　３．１小的中心波长漂移　ＡＷＧ复用／解复用器涉及到信　道间隔小于ｌｎｍ的密集光信号．中　心波长的精度必须控制在０．１ｎｍ　以下。阵列波导的光程差和信道波　导的折射率对中心波长有较大的　影响，例如，当信道折射率的变化　为７．５×ｌ０　时，相应中心波长变化　约为一个信道间隔（０．８ｎｍ），也就　是说，中心波长漂移０．１ｎｍ相当于　信道折射率变化约为１．Ｏ×ｌＯ４，就　目前制作ＡＷＧ的工艺水平而言，　还无法实现如此高的控制精度。针　对这一问题，提出了一些新的补救　方法Ｉａｌ：（１）使用具有中心波长补偿　能力的ＡＷＧ。这种ＡＷＧ能通过附　加的输入和输出端口的适当组合，　或者通过将输入端口之间的角度　设计为输出端Ｅｌ角度的９／１０，在阵　激光与光电子学进展　Ｖｏｌ４２．ＮＯ．４　Ａｐｒ．２００５　０　图２　ＡＷＧ第一个平板波导输出端与阵列波导界面图　列波导中重新获得所要的波长。　（２）利用中心波长对温度的敏感　性，引入温度校准技术进行补偿。　３．２低串扰　串扰也是影响器件性能的决　定性指标，目前降低串扰的方法　有：（１）在ＡＷＧ中增加相位补偿部　分以减少相位误差来降低串扰．具　体做法有：热光效应动态补偿相　位，光弹性效应静态补偿相位．用　光致折射率变化的原理来减少相　位误差等方法对降低串扰有效：　（２）利用ＡＷＧ的级联技术．可以实　现较低的串扰性能，而且对于由级　联构成的大型ＡＷＧ复用／解　用　器来说，这种方法既简单又非常有　效。ＫａｍｅｉＩ４Ｊ等人将ｌ￣６４　ＡｗＧ解　复用器和６４个ｌ×ｌ带通ＡＷＧ滤　波器级联起来，获得了较小的串扰　性能（一Ｓ２ｄＢ）。　３．３低损耗　损耗是许多光通信器件的一　个严重问题。ＡＷＧ损耗的来源主　要是片上损耗和光纤一波导耦合损　耗。前者主要是平板波导和阵列波　导接点处的转换损耗。由接点处的　间隙导致两者模场失配引起的：而　后者来自于光纤和波导之间的场　失配。有几种技术实现了低损耗　ＡＷＧ工作，其中Ｍａｒｕ等　提出在　平板波导和阵列波导之间通过紫　外光照射引入高折射率区．以减少　平板波导和阵列波导的转换损耗，　另外一种垂直楔型波导结构的技　术也颇具吸引力，在平板波导和阵　列波导之间加入垂直楔形波导结　构，使在平板波导中传播的光场逐　渐发生变化．平滑耦合入阵列波导　中，降低了模场失配造成的转换损　耗。实验证明　，采用这种结构的３２　通道ＡＷＧ器件，其插入损耗可以　达到０．７５ｄＢ。该方法的缺点是制作　Ｔ艺较复杂。Ｙａｍａｕｃｈｉ　Ｊ等ｍ在　ＯＦＣ　２００２上报道了在第一个平板　波导与阵列波导界面附近的平板　波导区挖一系列凹槽（放大部分为　槽），结构如图２所示，使槽内与槽　外的光在阵列波导间隙处的相位　差等于兀，从而使其发生相消干涉．　减少了平板波导和阵列波导的转　换损耗、降低了串扰。此方法的制　作工艺简单易行。　３．４低偏振相关性　在ＡＷＧ器件的实际应用中．　由双折射现象引起的偏振敏感性　非常重要。对同一波长而言。由于　ＴＥ模和ＴＭ模的有效折射率不　同，在输出端的聚焦位置也会不　同，从而在相同的输出端会产生波　长漂移。为了消除这种由于波导双　折射引起的偏振敏感性，到目前为　止，除了双折射波导控制法、应力　槽补偿法、干涉级次法、高台脊形　波导结构（常用于半导体基ＡＷＧ）　等方法外，还有半波片双折射补偿　法，其中插人ＡＷＧ中央的半波片　起转换偏振方向的作用，光线在前　后两个半部分分别以不同的模式　传播，经历了折射率的平均，几乎　可完全消除双折射的影响。但增加　了器件制作的复杂性，引入了附加　损耗。为避免引入附加损耗，又研　

田　

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制出了在阵列波导上淀积非晶硅（　Ｓｉ）膜来消除由于热应力引起的　偏振依赖性．使　—Ｓｉ膜的应力强　加到阵列波导上．导致波导的有效　折射率变化．从而补偿波导的双折　射。如果用三角形　—Ｓｉ膜覆盖部　分阵列波导．则可完全消除偏振依　赖性。此外．Ｉｎｏｕｅ　Ｙ等㈣利用双折　射与波导芯宽的关系（双折射随芯　宽的增大而增大），设计了一种新　型双折射补偿结构。该结构的阵列　波导光栅具有两个不同芯宽度值　的波导，较长波导的芯宽小，较短　波导的芯宽大，通过改变不同芯宽　波导长度的比值来控制有效双折　射，使ＡＷＧ对偏振不敏感。实验结　果表明，偏振相关波长漂移仅为　０．０１ｎｍ（传统ＡＷＧ为０．１２ｎｍ），中　心波长的偏振相关损耗小于０．１　ｄＢ，串扰为一４１ｄＢ，损耗为１．２ｄＢ。　此结构在传统ＡＷＧ制作条件下就　可获得，使大量生产成为可能。　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ公司［９１在　ＯＦＣ　２００３上报道了利用在波导芯　层上部加一盖帽层的方法来改善　器件的偏振相关性　通过调节盖帽　层的厚度可以改变波导芯层的应　力分布，从而实现接近于零的双折　射。结果表明通过增加盖帽层．器　件的偏振相关波长漂移从Ｏ．０５ｎｍ　减少到０．００８ｎｍ，偏振相关损耗从　１．１３ｄＢ减少到０．２５ｄＢ，插入损耗　从２．８ｄＢ减少到２．２ｄＢ　３．５低温相关性　由于材料的折射率会随温度的　变化而变化，ＡＷＧ器件的信道波长　也会随之变化。为了稳定信道波长．　就必需控制温度变化．因此开始了　寻求抑制ＡＷＧ热致折射率变化的　方法以及研制与温度无关的ＡＷＧ　（无热ＡＷＧ）。Ｋａｎｅｋｏ等㈣使用反　应离子刻蚀的方法．在ＡＷＧ波导　上刻出三角形的槽．注入硅胶．由　于硅材料具有负的热膨胀系数．可　冒　激光与光电子学进展　ＶＯｌ＿４２．Ｎｏ．４　Ａｐｔ．２００５　以对二氧化硅的正热膨胀系数进　行补偿，从而稳定ＡＷＧ的信道波　长，并且可以通过调整槽的宽度优　化器件的性能。此方法　工艺简单，　且使用该方法得到的复用器在０～　８５℃范同内都具有稳定的温度特　性，同时附加插入损耗小．性能良　好。　Ｏｏｂａ等【ｌｌ峙艮道在阵列波导的　硅衬底下面粘接双金属板．并选择　合适的参数（如金属板的宽度，厚度　及材料等）．可以实现温度的自动补　偿。实验结果证明．使用双金属板　结构的ＡＷＧ器件，中心波长的温　度依赖性小于０．００１ｎｍ／￣Ｃ。这种方　法实现简单．可以应用于任何结构　的ＡＷＧ器件，并且不会恶化器件　的性能，有很好的应用前景。　另外，由于聚合物的热光系数　比硅材料的热光系数大１Ｏ倍左　右，因此聚合物能在更宽的谱范围　内实现热调谐。在ＯＦＣ　２００１上，　Ｋｅｉｌ　Ｎｔ屹】提出全聚合物方法，将氟　丙烯酸脂（ＦＡ）聚合物材料用作波　导结构和基质，通过　配聚合物基　质热扩张系数和波导材料的热光　系数，可实现无热和偏振无关的　ＡＷＧ。但是。该种材料损耗较高，在　１５５０ｎｍ附近约０．８ｄＢ／ｃｍ　为了克　服这一缺点，在ＥＣＯＣ　２００３上，他　们又提出采用＝三嗪丙烯酸脂（ＴＡ）　聚合物旧．使材料损耗在１５５０～１５７０　ｎｌＴｌ波长范同内小于０．５ｄＢ／ｃｍ．而　且ＴＡ基聚合物ＡＷＧ的插入损耗　和串扰分别为３．７ｄＢ和一３０ｄＢ．通　过选择合适的聚合物波导和衬底　材料，可以精确控制这种全聚合物　ＡＷＧ的温度和偏振特性。并且聚　合物ＡＷＧ器件具有价格便宜、＿Ｔ　艺简单、波导材料的折射率调整容　易、透明性好等优点，使其在与无　机材料的竞争中具有极大的潜力。　３．６平坦光谱响应　在ＤＷＤＭ系统中．平坦的光　谱响应有利于放宽对信号源波长　准确性的控制和减少信道串扰等。　有多种方案可实现平坦光谱响应，　如多模干涉输入设计　１、采用抛物　线喇叭口形输入波导设计　】、用多　模接受波导代替单模接受波导【ｌ６】、　多个罗兰圆结构设计㈣、影响相位　转换法［１８】、双ＡＷＧ法等　３．７窄信道间隔和大信道数　未来光子网络需要窄信道间　隔和大信道数的ＡＷＧ。目前采用　串联的ＡＷＧ滤波器构形可使信道　间隔达到１０ＧＨｚ（相当于０．０８ｎｍ　的波长间隔）．信道数超过１０００的　ＡＷＧ，如Ｔａｋａｄａ　Ｋ等　】将具有平　坦通带的１×１０　ＡＷＧ（初级滤波　器）和１Ｏ个１０ＧＨｚ信道间隔的１×　１６０　ＡＷＧ（第二级滤波器）串联得　到的ＡＷＧ复用器／解复用器．实现　了最大信道数达１０１０．最小信道间　隔达１０ＧＨｚ。２００２年，他／ｌ＇Ｊ￥，ｌ用同　样的技术［２０１将一个１×１０　ＡＷＧ和　１Ｏ个１　ｘ２００　ＡＷＧ串联得到了　１０８０个信道，２５ＧＨｚ间隔的ＡＷＧ　复用器／解复用器，是目前报道的通　道数最大的ＡＷＧ