阵列波导光栅最新进展
阵列光波导器件对准耦合的工艺要求
、
建设 马克思主义学 习型政党的重要 性。
围绕 马 克 思 主 义 学 习 型 政 党 建 设 ， 学 界 展 开 了 一 系 列 研 究并 取得 了丰 硕 成 果 。
其 中 ， 发 挥 党 校 在 马 克 思 主 义 学 习 型 政 党 建 设 中 的 作 用 是 研 究 的 一 个 重 要 方 学 的新 思 想 新 知 识 ” 。 党 的 十 七 届 四 中 校 图 书馆 现 代 化 建 设 ，提 高 服 务 水 平 ， 面 ， 并取 得 重 大 进 展 。 目前 ，关 于 党 校 全 会 明 确 提 出 ，要 充 分 发 挥 党 校 、行 政 充 分 发 挥 在 建 设 学 习型 政 党 进 程 中 的作 图书 馆 对 于 推 进 学 习 型政 党 建 设 中 的作 学 院 、 干 部 学 院 “ 建 设 马 克 思 主 义 学 用 ， 是党 校 图 书 馆 工 作 带 有 根 本 意 义 的 用 也 展 开 了 研 究 ，但 研 究 的 的 广 度 、深 在 习 型 政 党 中 的重 要 作 用 ” 。这 是 加 强 和 项 重大 课题 。 度 不 足 和 可 操 作 性 不 强 。 因 此 ，在 厘清 改 进 新 形 势 下 党 的建 设 的 重 要 举 措 ， 也 二 、研究 背 景 与 问题 的提 出 相 关 研 究 成 果 的 基 础 上 ， 明 确 党 校 图 书
器 （Ｔ ） Ｏ Ｆ 等 。
图 １ 阵列 波 导 器 件 的 空 间 位 姿 对 准
于石 英光 纤 （ｔ １５ ，根 据 式 （） ，耦 ｎ ． ） ２知 合 界面 产生 的透 射耦 合 效率为 Ｔ Ｏ９ ，透 Ｔ ．２ ＝
射损耗 ｒ ＝ ．６ Ｂ ｌ Ｏ ３ ｄ ；当填充介质为折射率
密集波分复用系统中的新型光器件
通 道间隔） 。但是它在色 散和非线性方面并没有很大改善。 光子晶体光纤 （ｈ ｔｎｃ ｒｓ ｌ ｉｅ，Ｃ ） Ｊ Ｐ ｏｏ ｉＣｙｔ ｂ ｒＰ Ｆ ￣ 用光子带隙 ａＦ （ ｈｔｎｃ ａ ｄ ａ ，Ｂ 来导光 。原理如图 １ Ｐ ｏｏ ｉＢ ｎ Ｇ ｐ Ｐ Ｇ） 所示 。Ｐ Ｆ纤 Ｃ
密集波分复用系统 中的新型光器件
邹 芳 刘 丽
０７０ ） ６００ （ 河北民族师范学院物理 系 河北 ・ 承德
摘
要 ：介绍 了密集波分复用 系统 中几种重要 的新型光器件（ 包括光子晶体 光纤、 掺铒 波导放大器、 基于 阵列波
．
导光栅 的光复用／ 解复用器等 ） 的性能优势和发展状况。 关键词 ：光予晶体 光纤 掺铒 波导放大器 阵列波导光栅 光分插 复用器 光交叉连 接器 中图分类号 ： Ｎ８ １ Ｔ ０ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：ｌ０ －９ ３ ２ １ ） ７０ ２０ ０ ７３ ７ （ ００ ０ －７ ・３ 结构合理的 Ｐ Ｆ具有极 宽的通信带宽， 以在几乎全波 Ｃ 可 段 内实现单模传输 。 并且 ， 即使放大光纤 的结构尺寸， 这种“ 无
ｌ光 子 晶体 光 纤
越性展示了极大 的应用潜力，使它成 为未来通信的理想光传
输介质。 ２ 掺铒 波导 放 大 器 光 放 大器 （ｐｉ ｌ ｍｐｉｅ， Ａ） 出现 和 发 展 解 决 了衰 ｏｔ ａ ａ ｌｉｒＯ 的 ｃ ｆ
目前工程中广泛应用 的光纤是 Ｇ ６２光纤 ， ．５ 它在 １５ ｎ ５０ ｍ 附近传输损耗最低， 但偏振色散系数较大， 要实现长距离、高
近 年 来 ， 们 日益膨 胀 的信 息需 求 ， 人 刺激 了全 球通 信 业 务
的迅猛增长 ， 为光 纤通信网的发展带来 了巨大 的机遇和挑战。
光栅的分类
光栅的分类光栅是一种重要的光学元件，广泛应用于光学仪器、光谱仪、光学通信等领域。
根据光栅的不同特性和应用场合，可以将光栅分为多种分类。
本文将从光栅的工作原理、制作方法、应用领域等方面，介绍几种常见的光栅分类。
一、普通光栅普通光栅是最基本的光栅形式，它由一系列等间距的平行凹槽或凸起构成。
当光线经过光栅时，会发生光的衍射现象。
普通光栅通常用于光谱仪、光学通信中的波长选择等应用。
二、衍射光栅衍射光栅是一种特殊的光栅，它的凹槽或凸起不再平行，而是根据特定的衍射原理进行设计。
衍射光栅具有更高的光谱分辨率和更广的工作波长范围，被广泛应用于光谱分析、激光器调谐、光学成像等领域。
三、反射光栅反射光栅是一种能够反射光线的光栅，它通常由一系列平行的凹槽或凸起组成，并且具有特定的反射镀膜。
当光线照射到反射光栅上时，一部分光线被反射出来，形成特定的衍射图样。
反射光栅广泛应用于激光器输出耦合、光谱分析仪器等领域。
四、透射光栅透射光栅是一种能够透过光线的光栅，它通常由一系列平行的凹槽或凸起组成，并且具有特定的透过镀膜。
当光线通过透射光栅时，会发生衍射现象。
透射光栅广泛应用于光学通信、光学成像、光谱仪等领域。
五、光栅阵列光栅阵列是一种由多个小尺寸光栅组成的光学元件，可以实现对光的分光、偏振分束等功能。
光栅阵列通常被应用于光纤通信、光学传感器等领域，具有较高的集成度和灵活性。
光栅作为一种重要的光学元件，其分类多样化，应用广泛。
除了上述几种常见的光栅分类外，还有一些特殊用途的光栅，如光电二维阵列、光栅波导等。
这些光栅在光学仪器、光通信、光电子技术等领域发挥着重要作用。
总结：本文介绍了光栅的几种常见分类，包括普通光栅、衍射光栅、反射光栅、透射光栅和光栅阵列。
通过对每种光栅的工作原理、制作方法和应用领域的介绍，展示了光栅在光学领域的重要性和多样性。
光栅的分类不仅丰富了光学元件的选择，也推动了光学技术的发展。
希望本文能对读者对光栅有更深入的了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
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)
AWG插入损耗性能的分析和改善
AWG插入损耗性能的分析和改善点击次数：1 发布时间：2012-10-30北京锦坤科技有限公司摘要：阵列波导光栅(AWG)是实现密集波分复用(DWDM)光网络的理想器件，插入损耗是它的一个重要性能指标．文章在综述了多种减小AWG器件插入损耗方法的基础上，分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法可以在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计．关键词：密集波分复用；阵列波导光栅；插入损耗；楔形波导阵列波导光栅(AWG)是实现多通道密集波分复用(DWDM)光网络的最理想器件．它是一种基于平面光波回路(PLC)技术的角色散型无源器件，由一个相位控制器，一个衍射光栅和输入／输出波导组成．与其他光栅技术相比，AWG具有设计灵活、插入损耗低、滤波特性良好、性能长期稳定、易与光纤有效耦合和适于大批量生产等优点，在DWDM光网络中得到了广泛的应用，可以实现滤波、复用／解复用、光分插复用(OADM)等功能．AWG是一种无源光器件，插入损耗是它的一项重要性能指标．近年来，人们在降低AWG器件的插入损耗方面做了大量的研究，提出了许多实用的设计方法．本文介绍了AWG的基本原理以及在降低器件插入损耗方面的最新进展，并在理论上分析了楔形波导结构对模场失配的优化作用，最后给出了8通道的AWG解复用器的模拟结果．1AWG的基本原理及其损耗特性1．1AWG的基本原理AWG基于凹面光栅原理，1988年由荷兰人M．K．Smit提出［1］．AWG将凹面光栅的反射式结构拉成传输式结构，输入和输出波导分开，并用波导对光进行限制和传输，取代光在自由空间中的传播．利用这种传输式结构可在光的传播中引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射状态，提高了光栅的分辨率．AWG复用／解复用器的结构如图1所示，它由集成在同一衬底上的输入／输出波导、阵列波导和两个聚焦平板波导组成．输入／输出波导位于Rowland 圆的圆周上，对称地分布在器件的两端．阵列波导中相邻波导的长度差为一常数，可对入射光的相位进行周期性调制，因此称这种器件为AWG．不同波长的光信号进入输入波导，在平板波导内自由传播，并耦合入阵列波导，经过阵列波导的色散作用，引起波前倾斜，在输出波导的不同位置上成像，完成解复用功能．反之，可将不同输入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．1．2AWG的插入损耗分析在实际应用中，AWG通常作为多功能器件中的组件，由于插入损耗在多个节点的积累作用，系统性能会随节点数的增加而恶化，因此在各种无法使用光放大器的接入网中，对AWG器件的插入损耗提出了很高的要求．同时，随着器件尺寸的增加，AWG的插入损耗也会相应增大，通常器件尺寸增加一倍，插入损耗将有3 dB左右的恶化．因此对于多通道的AWG器件，插入损耗是一个重要的性能指标．AWG器件的损耗分为两类，一类是在阵列波导和平板波导中由于吸收和散射等原因引起的传输损耗，其典型值为2 dB；另一类是由于模式失配造成的转换损耗．转换损耗有两个主要来源，一是平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，光栅阵列波导之间存在间隙，由此导致平板波导和阵列波导的模场失配，产生耦合损耗，而间隙的尺寸受到器件制作精度的限制．转换损耗的另一个来源则是光纤与波导之间的模场失配引起的连接损耗，这种损耗会随着光纤与波导的芯层尺寸和折射率的不同组合而变化．要有效降低AWG器件的插入损耗，关键在于减小光场传输过程中由于各种模式失配造成的转换损耗．光纤与波导的连接损耗可以通过选择波导芯层与覆盖层的折射率差Δ来减小，使用0．45％的折射率差Δ可以明显减小这类损耗［2］．而对于平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，是由AWG本身的结构产生的，对器件性能的影响很大，人们提出了许多方法来减小这一固有损耗．例如，对于InP －基和Si－基的AWG可使用两次刻蚀的垂直楔形波导结构来优化器件性能［3］．另外，Maru等人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域，以减小平板波导与阵列波导的耦合损耗，从而降低器件的插入损耗［4］，其结构如图2所示．经过60min的紫外光照射，AWG器件的插入损耗可以达到最小值3．0 dB．最近有文献报导，在AWG的平板波导中加入相位调整元素——岛(周期性排列的折射率变化区域)，可有效地降低器件的插入损耗［5］．由于折射率的差异，岛区域内和平板波导区域内传播的光场具有不同的相速度，它们相互叠加的结果，可以使传播光场与阵列波导本征模场失配造成的损耗大大减小．实验中选择岛区域的折射率与器件覆盖层的折射率相同，可将插入损耗由9．3 dB降至1．3 dB．以上各种降低插入损耗的办法大多是针对InP－基和Si－基AWG器件的，而且这些方法或者需要附加的控制和稳定装置，或者会增加器件的制作难度，提高对工艺容差的要求，与实用化的目标尚有一段距离．如果在不同结构的波导的连接处增加渐变的过渡区，不但能够极大地降低转换损耗，而且适用于各种材料和结构的AWG器件的设计．下面我们对这种简单而有效的设计方法进行分析，并给出模拟结果．2理论分析及模拟结果2．1过渡区理论根据光波导理论，光场在两种不同的波导中传输，由于模场的失配，会产生相当大的反射和模式转换，导致光场能量的极大损耗．通过在波导的连接处加入渐变的过渡区，可以在各种不同的模场之间进行平滑的转换，有效地减小耦合损耗．从实用的角度来说，最简单的过渡区形状是渐变楔形．楔形区域中的损耗主要由3部分构成：传输损耗、模式转换造成的辐射损耗和由于波导表面粗糙或折射率不均匀引起的辐射损耗．在极短的长度范围内，楔形区域中的损耗主要表现为模式转换损耗，而在距离较长的情况下，则以非理想的波导特性造成的辐射损耗为主．下面我们主要分析模式转换带来的损耗．在楔形区域中，基模与高阶模相互作用，尤其是与相邻的高阶模作用，产生能量的转移，其基模能量大部分转化到相邻的高阶模中，并且当这个高阶模在楔形区域的单模端附近截止时，能量就会辐射出去．根据过渡区理论，两种不同光P mn＝场模式(模式m和模式n)之间的能量转移因子P mn满足［6］为了减弱基模与高阶模的这种相互作用，并且降低辐射损耗，楔形必须做得比较长而且是渐变的．由于κmn和Δβmn均与楔形区域的几何参数有关，我们可以根据所期望的能量转移因子P的大小，通过求解方程(1)来确定过渡区的形状及最小长度．但在通常情况下，方程(1)只能通过数值方法求解．计算和分析表明，如果楔形过渡区足够长(通常为几百μm)，并且是缓慢变化的，即楔形分叉角足够小(通常＜1°)，过渡区域内的损耗将会很小．这时，过渡区的形状(如线型、指数型、抛物型等)就不重要了，可以采用最简单的线型过渡区．若楔形区域无限长，就是严格无损耗的理想状态．我们模拟了采用不同长度的过渡区时，波导中的光功率与传播距离的关系，结果如图3所示．从图中可以看出，在没有过渡区(0μm)时，总的输出功率低于93％，而随着过渡区域长度的增加，波导之间的耦合损耗大大地降低了．2．2模拟结果从上面的分析可以知道，在不同结构的波导之间加入渐变的过渡区可以减小导模光场的发散，降低插入损耗．而且，过渡区的制作只需改变波导的宽度，可以方便地通过光刻掩膜版的设计来实现．通过优化过渡区的分叉角、长度以及折射率等参数，可以使器件的插入损耗达到期望值．AWG的设计可以采用这一简单有效的方法，在平板波导与输入／输出波导及阵列波导之间加入楔形结构，不增加器件制作的难度，并且能够大大降低AWG的插入损耗．我们以一个8通道的AWG器件为例(设计参数列于表1)，采用光束传播法(BPM)模拟了楔形结构对插入损耗的优化作用．首先在输出波导处加入楔形结构(线型，长度100μm，分叉角0．8°)，增加波导的有效接收宽度，同时增大进入信道的波长范围，降低插入损耗．这一方法在需要较大的信道带宽或平坦的通带谱响应时，85可以产生很好的效果．模拟结果如图4所示．点线为没有楔形波导的情况，实线是有楔形波导的情况，可以看到，总的插入损耗降低了2 dB左右，同时信道带宽增大了．在阵列波导末端采用楔形结构可以更有效地减小器件的插入损耗．光场传播到AWG输入聚焦平板波导的末端，并以平面波的方式耦合入阵列波导．当有些光场模式不能有效地耦合入阵列波导时，就会产生一些损耗．而波导末端的楔形部分产生平滑的过渡，可以降低损耗．图5显示了阵列波导末端的楔形结构(线型，长度100μm，分叉角0．8°)对降低AWG插入损耗的作用．可以看到，楔形结构除了改变插入损耗外不改变器件的其他任何性质，并且每一个信道和波长的插入损耗都被同等地降低了4dB．3结束语AWG是DWDM光网络中的关键器件之一，尤其在多通道的DWDM系统中，AWG的插入损耗是一个重要的性能指标．本文综述了多种减小AWG插入损耗的方法，并分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法原理简单，可以通过光刻掩膜版的设计方便地实现，在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计，是一种灵活、简单且有效的方法．参考文献：［1］ Smit M K．Newfocusing and dispersive pla－nar componentbased on an opticalphased ar－ray［J］．Electronics Letters，1988，24(7)：385－386．［2］Takagi A，Kaneko A，Ishii M，et al．Low－loss and flat pass－band 1×8 arrayed－waveg－uide grating multi／demultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area net－works［A］．OFC2000［C］．Baltimore：2000．WH5：1－3．［3］ Sugita A，Kaneko A，Okamoto A，etal．Verylowinsertion loss arrayed －waveguide gratingwith vertically tapered waveguides［J］．Pho－tonicsTechnology Letters，2000，12(9)：1180－1182．［4］ Maru K，Chiba T，Okawa M，etal．Low－lossarrayed－waveguide grating with high indexregions at slab－to－array interface［J］．Elec－tronics Letters，2001，37(21)：1287－1289．［5］ JunjiYamauchi，YuichiYamamoto．A novelAWG demultiplexer composed of slabs withislands［A］．OFC2002［C］．Anaheim，Cali－fornia：2002．ThGG36．［6］ Sporleder F，Unger H G．Waveguide taperstransitions and couplers ［M］．London andNewYork：The Institute of Engineers，1979．北京锦坤科技有限公司。
AWG 工作原理和主要技术指标及设计和优化jonkon
AWG工作原理和主要技术指标及设计和优化北京锦坤科技有限公司在光纤通信系统中，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：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。
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。
图4.凹面反射式光栅中的衍射AWG的衍射公式与凹面光栅略有不同：其中da为阵列波导中心间距，nc为星形耦合器区域的等效折射率，na为阵列波导的等效折射率，m为衍射级次。
AWG光通信研究探究
光通信研究SYUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS2003年第1卷第3期AWG插入损耗性能的分析和改善万莉1，吴亚明2，王跃林1，2（1．浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州310027；2．中科院上海微系统与信息技术研究所，上海200050）摘要：阵列波导光栅（AWG）是实现密集波分复用（DWDM）光网络的理想器件，插入损耗是它的一个重要性能指标．文章在综述了多种减小AWG器件插入损耗方法的基础上，分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法可以在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计．关键词：密集波分复用；阵列波导光栅；插入损耗；楔形波导阵列波导光栅（AWG）是实现多通道密集波分复用（DWDM）光网络的最理想器件．它是一种基于平面光波回路（PLC）技术的角色散型无源器件，由一个相位控制器，一个衍射光栅和输入／输出波导组成．与其他光栅技术相比，AWG具有设计灵活、插入损耗低、滤波特性良好、性能长期稳定、易与光纤有效耦合和适于大批量生产等优点，在DWDM光网络中得到了广泛的应用，可以实现滤波、复用／解复用、光分插复用（OADM）等功能．AWG是一种无源光器件，插入损耗是它的一项重要性能指标．近年来，人们在降低AWG器件的插入损耗方面做了大量的研究，提出了许多实用的设计方法．本文介绍了AWG的基本原理以及在降低器件插入损耗方面的最新进展，并在理论上分析了楔形波导结构对模场失配的优化作用，最后给出了8通道的AWG 解复用器的模拟结果．1 AWG的基本原理及其损耗特性1．1 AWG的基本原理AWG基于凹面光栅原理，1988年由荷兰人M．K．Smit提出［1］．AWG将凹面光栅的反射式结构拉成传输式结构，输入和输出波导分开，并用波导对光进行限制和传输，取代光在自由空间中的传播．利用这种传输式结构可在光的传播中引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射状态，提高了光栅的分辨率．AWG复用／解复用器的结构如图1所示，它由集成在同一衬底上的输入／输出波导、阵列波导和两个聚焦平板波导组成．输入／输出波导位于Rowland圆的圆周上，对称地分布在器件的两端．阵列波导中相邻波导的长度差为一常数，可对入射光的相位进行周期性调制，因此称这种器件为AWG．不同波长的光信号进入输入波导，在平板波导内自由传播，并耦合入阵列波导，经过阵列波导的色散作用，引起波前倾斜，在输出波导的不同位置上成像，完成解复用功能．反之，可将不同输入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．1．2 AWG的插入损耗分析在实际应用中，AWG通常作为多功能器件中的组件，由于插入损耗在多个节点的积累作用，系统性能会随节点数的增加而恶化，因此在各种无法使用光放大器的接入网中，对AWG器件的插入损耗提出了很高的要求．同时，随着器件尺寸的增加，AWG的插入损耗也会相应增大，通常器件尺寸增加一倍，插入损耗将有3 dB左右的恶化．因此对于多通道的AWG器件，插入损耗是一个重要的性能指标．AWG器件的损耗分为两类，一类是在阵列波导和平板波导中由于吸收和散射等原因引起的传输损耗，其典型值为2 dB；另一类是由于模式失配造成的转换损耗．转换损耗有两个主要来源，一是平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，光栅阵列波导之间存在间隙，由此导致平板波导和阵列波导的模场失配，产生耦合损耗，而间隙的尺寸受到器件制作精度的限制．转换损耗的另一个来源则是光纤与波导之间的模场失配引起的连接损耗，这种损耗会随着光纤与波导的芯层尺寸和折射率的不同组合而变化．要有效降低AWG器件的插入损耗，关键在于减小光场传输过程中由于各种模式失配造成的转换损耗．光纤与波导的连接损耗可以通过选择波导芯层与覆盖层的折射率差Δ来减小，使用0．45％的折射率差Δ可以明显减小这类损耗［2］．而对于平板波导和阵列波导之间的过渡损耗，是由AWG本身的结构产生的，对器件性能的影响很大，人们提出了许多方法来减小这一固有损耗．例如，对于InP－基和Si－基的AWG可使用两次刻蚀的垂直楔形波导结构来优化器件性能［3］．另外，Maru等人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域，以减小平板波导与阵列波导的耦合损耗，从而降低器件的插入损耗［4］，其结构如图2所示．经过60min的紫外光照射，AWG器件的插入损耗可以达到最小值3．0 dB．最近有文献报导，在AWG的平板波导中加入相位调整元素——岛（周期性排列的折射率变化区域），可有效地降低器件的插入损耗［5］．由于折射率的差异，岛区域内和平板波导区域内传播的光场具有不同的相速度，它们相互叠加的结果，可以使传播光场与阵列波导本征模场失配造成的损耗大大减小．实验中选择岛区域的折射率与器件覆盖层的折射率相同，可将插入损耗由9．3 dB降至1．3 dB．以上各种降低插入损耗的办法大多是针对InP－基和Si－基AWG器件的，而且这些方法或者需要附加的控制和稳定装置，或者会增加器件的制作难度，提高对工艺容差的要求，与实用化的目标尚有一段距离．如果在不同结构的波导的连接处增加渐变的过渡区，不但能够极大地降低转换损耗，而且适用于各种材料和结构的AWG器件的设计．下面我们对这种简单而有效的设计方法进行分析，并给出模拟结果．2理论分析及模拟结果2．1 过渡区理论根据光波导理论，光场在两种不同的波导中传输，由于模场的失配，会产生相当大的反射和模式转换，导致光场能量的极大损耗．通过在波导的连接处加入渐变的过渡区，可以在各种不同的模场之间进行平滑的转换，有效地减小耦合损耗．从实用的角度来说，最简单的过渡区形状是渐变楔形．楔形区域中的损耗主要由3部分构成：传输损耗、模式转换造成的辐射损耗和由于波导表面粗糙或折射率不均匀引起的辐射损耗．在极短的长度范围内，楔形区域中的损耗主要表现为模式转换损耗，而在距离较长的情况下，则以非理想的波导特性造成的辐射损耗为主．下面我们主要分析模式转换带来的损耗．在楔形区域中，基模与高阶模相互作用，尤其是与相邻的高阶模作用，产生能量的转移，其基模能量大部分转化到相邻的高阶模中，并且当这个高阶模在楔形区域的单模端附近截止时，能量就会辐射出去．根据过渡区理论，两种不同光场模式（模式m和模式n）之间的能量转移因子Pmn 满足［6］Pmn＝为了减弱基模与高阶模的这种相互作用，并且降低辐射损耗，楔形必须做得比较长而且是渐变的．由于κmn 和Δβmn均与楔形区域的几何参数有关，我们可以根据所期望的能量转移因子P的大小，通过求解方程（1）来确定过渡区的形状及最小长度．但在通常情况下，方程（1）只能通过数值方法求解．计算和分析表明，如果楔形过渡区足够长（通常为几百μm），并且是缓慢变化的，即楔形分叉角足够小（通常＜1°），过渡区域内的损耗将会很小．这时，过渡区的形状（如线型、指数型、抛物型等）就不重要了，可以采用最简单的线型过渡区．若楔形区域无限长，就是严格无损耗的理想状态．我们模拟了采用不同长度的过渡区时，波导中的光功率与传播距离的关系，结果如图3所示．从图中可以看出，在没有过渡区（0μm）时，总的输出功率低于93％，而随着过渡区域长度的增加，波导之间的耦合损耗大大地降低了．2．2模拟结果从上面的分析可以知道，在不同结构的波导之间加入渐变的过渡区可以减小导模光场的发散，降低插入损耗．而且，过渡区的制作只需改变波导的宽度，可以方便地通过光刻掩膜版的设计来实现．通过优化过渡区的分叉角、长度以及折射率等参数，可以使器件的插入损耗达到期望值．AWG的设计可以采用这一简单有效的方法，在平板波导与输入／输出波导及阵列波导之间加入楔形结构，不增加器件制作的难度，并且能够大大降低AWG的插入损耗．我们以一个8通道的AWG器件为例（设计参数列于表1），采用光束传播法（BPM）模拟了楔形结构对插入损耗的优化作用．首先在输出波导处加入楔形结构（线型，长度100μm，分叉角0．8°），增加波导的有效接收宽度，同时增大进入信道的波长范围，降低插入损耗．这一方法在需要较大的信道带宽或平坦的通带谱响应时，85可以产生很好的效果．模拟结果如图4所示．点线为没有楔形波导的情况，实线是有楔形波导的情况，可以看到，总的插入损耗降低了2 dB左右，同时信道带宽增大了．在阵列波导末端采用楔形结构可以更有效地减小器件的插入损耗．光场传播到AWG输入聚焦平板波导的末端，并以平面波的方式耦合入阵列波导．当有些光场模式不能有效地耦合入阵列波导时，就会产生一些损耗．而波导末端的楔形部分产生平滑的过渡，可以降低损耗．图5显示了阵列波导末端的楔形结构（线型，长度100μm，分叉角0．8°）对降低AWG插入损耗的作用．可以看到，楔形结构除了改变插入损耗外不改变器件的其他任何性质，并且每一个信道和波长的插入损耗都被同等地降低了4dB．3结束语AWG是DWDM光网络中的关键器件之一，尤其在多通道的DWDM系统中，AWG 的插入损耗是一个重要的性能指标．本文综述了多种减小AWG插入损耗的方法，并分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗．这种方法原理简单，可以通过光刻掩膜版的设计方便地实现，在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗，并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计，是一种灵活、简单且有效的方法．参考文献：［1］Smit M K．Newfocusing and dispersive pla－nar componentbased on an opticalphased ar－ray［J］．Electronics Letters，1988，24（7）：385－386．［2］Takagi A，Kaneko A，Ishii M，et al．Low－loss and flat pass－band 1×8 arrayed－waveg－uide grating multi／demultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area net－works［A］．OFC2000［C］．Baltimore：2000．WH5：1－3．［3］Sugita A，Kaneko A，Okamoto A，etal．Verylowinsertion loss arrayed －waveguide gratingwith vertically tapered waveguides［J］．Pho－tonics Technology Letters，2000，12（9）：1180－1182．［4］Maru K，Chiba T，Okawa M，etal．Low－lossarrayed－waveguide grating with high indexregions at slab－to－array interface［J］．Elec－tronics Letters，2001，37（21）：1287－1289．［5］JunjiYamauchi，YuichiYamamoto．A novelAWG demultiplexer composed of slabs withislands［A］．OFC2002［C］．Anaheim，Cali－fornia：2002．ThGG36．［6］Sporleder F，Unger H G．Waveguide taperstransitions and couplers ［M］．London andNewYork：The Institute of Engineers，1979．光通信研究。
简明光波导模式理论
简明光波导模式理论光波导模式理论是光学领域中的重要理论之一，它主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
在本文中，我们将简要介绍光波导模式理论的基本概念、原理、种类和特点，以及在光电子学、光通信等领域的应用，并分析其优缺点及改进方向。
1、光波导模式理论的基本概念和原理光波导模式理论主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
波导结构是指能够约束和引导光波传播的介质层或光纤。
根据麦克斯韦方程组和波动光学理论，光波导模式理论可描述为在波导结构中传播的光波的电磁场分布和传播常数之间的关系。
在光波导中，光波的电磁场分布在横向和纵向两个方向上，因此光波导模式理论包括横向模态和纵向模态。
横向模态是指光波在波导结构横截面上的场分布，它包括多种模式，如基模、高阶模、辐射模等。
纵向模态是指光波在波导结构长度方向上的场分布，它描述了光波的传播行为，包括相速度、群速度、衰减等参数。
2、光波导模式的种类和特点根据光波在波导结构中的传播特性和横向模态，光波导模式可分为多种类型。
其中，常见的类型包括：(1)基模（Fundamental Mode）：基模是波导结构中最基本的横向模态，它的场分布具有对称性，并且在横向方向上具有最小的光强分布。
基模的传播常数较小，具有最小的衰减系数。
(2)高阶模（Higher-order Mode）：高阶模是波导结构中除基模以外的其他模态，它的场分布具有非对称性，并且在横向方向上具有较大的光强分布。
高阶模的传播常数较大，具有较大的衰减系数。
(3)辐射模（Radiation Mode）：辐射模是波导结构中不限制光波传播的模态，它的场分布不受波导结构的限制，并且可以向外部辐射能量。
辐射模的传播常数最小，衰减系数也最小。
3、光波导模式在光电子学、光通信等领域的应用光波导模式理论在光电子学、光通信等领域具有广泛的应用价值。
例如，在光电子器件方面，光波导模式理论可用于分析器件的性能和使用条件。
在光纤通信方面，光波导模式理论可用于研究光的传输和信号处理。
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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ＩＰ 基 、聚合物基和铌酸锂基几种 材料 的阵列波导光 佳 化法是将芯层和包层掺杂浓度最佳化， ｎ 以减少包层玻
栅 （ Ｗ Ｇ）器 件 。 Ａ
璃 中的压缩应力来抑制偏振相关性 ＮＴ 已制作具有 Ｔ
目前已制作出偏振不相关 Ａ 、平坦光谱 Ａ ＷＧ ＷＧ、大 高斯型响应的 １０ Ｈ ＷＧ 其偏振相关性（００ ｎ ０Ｇ ｚ Ａ ， ．． ｍ、 ２ 信道数和窄信道间隔Ａ 、 ＷＧ 无热Ａ ＷＧ和极低损耗Ａ ＷＧ等。 中心信道的插 入损耗为 ２５ Ｂ、串扰（４ ｄ ， ． ｄ ．０ Ｂ 通过将熔
模的 中心波长不同 。为减少 Ａ ＷＧ的偏振相关性，已提 出几 种偏振 不相关性 的方 案： Ｍ２波 片偏振模 交换法 、 热扩散抑制法 、掺 杂浓度最佳化法 、层上淀积 非晶硅
性 。该 １ 信道 Ｓ ． ＷＧ芯片尺寸为 ２８ ３ ｍｍ，中心 ６ ＳＡ ．ｘ ． ２
波长为 １ ４ ｍ，信道间隔为 １ ｒ （０ Ｇ ｚ，自由光 ．ｍ ５ ． ｍ ２０ Ｈ ） ６ ｉ
Ｌ带进行 １８ ２ 信道复用和解复用 。 迄今 已获得的最 小信
引起的偏振相关 ｝通过将Ｍ 石英片插入阵列波导中间来 道间隔为 １ Ｇ ｚ 生 ２ ０ Ｈ 。由于在 １ＧＨ 信道间隔 Ａ ０ ｚ ＷＧ 中阵 消除。光栅能以 １５ １ 衍射级 数工作， 以达到高的波长分 列 波导 中 的相 位 误 差影 响 不能 被 忽 略 ， 以需 采 用相 位 所 辨率。 偏振不敏感性和高的分辨率导致了间隔为 ｌｍ的 ｎ
偏振 不 相关 Ａ Ｇ Ｗ
Ａ ＷＧ 的最大缺点是偏振相关 ｌ （ｌ 生 １偏振敏感性 ） ￣ Ｊ ，
凝温度最佳化， 还可进一步减小 串扰。 ＮＴ 还研制了一种与光斑尺寸转换器集成在一起的 Ｔ １ 信道偏振不灵敏半导体阵列波导光栅 （ＳＡ ） 它 ６ Ｓ ．ＷＧ 。
由两个不 同的波导构成 ， 光斑尺寸转换器部分采用横向
补偿技术来获得一般的解复用性能， 已研究了几种对所
ｌ 个波长信道的成功复用，并获得 了 Ｏ ｎ 的通带宽度 有 阵列波 导的相位误差进 行外补偿的方法 。虽然采用 ３ 、ｍ ３
和 一 ｄ 的 串扰 。 ３ Ｂ ０
这几种方法 已大大减少了信道 串扰， 证实了外相 位补偿
的潜在能力， 由于要在每个 阵列波导上聚焦光束， 但 而
谱 区为一 ． Ｈ 。为了便于光斑扩大， 一２ ｚ ３Ｔ 采用 ０ 厚的 ．ｍ ３ ＩＧａ ｓ ｋ ＝ ． ￣ ｎ Ａ Ｐ（ｇ １ ５ｔ ０ ｍ）芯， 两个波导之间有 良好的耦合
的双折射补偿法 、正交偏振之 间的阶次安排法 、采 用 适 当截面纵横 比的非双折射波导法等。其 中常用的是
系数 。 目前该 １ 信道 Ｓ ． ＷＧ 已获得 ７ Ｂ的低损耗和 ６ ＳＡ ｄ
Ａ ＷＧ的 传输光谱 由输入 和输 出波 导出 口处的模 方法 。它利用阵列波导的光敏性 ， 将一个有窗 口的金属 场卷积 确定， 由于输入 和输 出波 导末端 的场 图近似 于 掩模放在阵列波导上， 然后用 １３ ｍ波长的 Ａ Ｆ ９ｎ ｒ 激光照 高 斯型 ， 致 Ａ 导 ＷＧ 的 传输 光谱 是高 斯 型 。然 而在 ＤＷＤＭ 系统实 际应用 中需 要平坦 光谱 响应，即传输
１８ ８年， Ｋ． ｍｉ提出光相控 阵列元件 （ Ｈ Ａ 插入一个聚酰亚胺Ｌ２波片； ９ Ｍ， Ｓ ｔ Ｐ ＡＳ Ｒ ／ 热扩散抑制法是为减少热 即阵列波导光栅 ）以来 已取得较大进 展。 目前 ， ＷＧ Ａ 扩散系数差异， 包括衬底、芯层及包层在 内的结构材料 理 论 已较成熟，在提高器件性 能和扩展器件功能 及应 基本上全部采用相 同的 ＳＯ 玻璃， ｉ： 并通过调节 ＳＯ 基 ｉ： 玻璃到硅衬底 的热扩散来抑制偏振相关 Ｉ 掺杂浓度最 生；
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光 电 －－ ７
—
噩
一
波导光瓣
信 息产业部 电子 ４ ４所 张瑞君
阵
用方 面 已取得很大进 展。迄今为止 已开发 了 ＳＯ２ 、 ｉ 基
／ 片偏振模交换法 、热扩散抑制法 、掺杂浓度最佳 ２波 化法 。偏振模交换法是在 阵列波导光栅 中间的沟槽中
美国光子研究公司研制了一种 ｓ基偏振不敏感Ａ ２ Ｇ ｚ信道 间隔 Ａ ｉ ＷＧ ５Ｈ ＷＧ 的串扰虽 比 ５ ＧＨ ０ ｚ信道间隔 波长复用器。它以制作在 ｓ 衬底上的 Ｓ ｉ ｉ 基光波导 （ Ｏ 双 Ａ ＷＧ的串扰大， 但仍＜ ３ ｄ 一０ Ｂ。这种 Ａ ＷＧ能在 Ｃ带或
折射 ＳＯ一 ｅ Ｊ ｉ 导）Ａ ｉ Ｏ ＳＯ 波 Ｇ ＷＧ 为基 础 ，由波 导双折 射
电子
因此在实际应用 中须消除对偏振 的敏感性。Ａ ＷＧ的中
心波长与所采用的波导有效折射率有关， 在弱导波结构
锥形掩埋波导结构，波导长度为 ２ ０ｍ，可与平端面单 ０￣ 中， 双折射主要来 自于芯层和包层之间热扩散 系数不 同 模光纤有效耦合 。Ａ ＷＧ 部分采用深桥形波导结构，其 引起 的内部应力 。波导 的双折射可导致 两个垂直偏振 宽度为 ２ ５ ｍ，可获得小型 、低损耗 、偏振不相关特 ．ｐ ５
另外， 采用氟 甲基丙烯聚合物 已制作 出信道 间隔为
０ ５ｍ、 ４通道的 Ａ ．ｒ １ ６ｉ ＷＧ复用器。 ３Ｂ带宽为 ０１ｎ 使 补偿 系统较为复杂， 其 ｄ ． ｍ， ９ 并且当波导数量增加时， 补偿所 插 入损耗为 ７８ １ｄ ， Ｂ、相邻信道串扰＜２ ｄ ， ～ｌ ．０Ｂ 偏振导致 有波导 的相位误差更为困难 。为此， Ｔ 在每个 阵列 Ｎ Ｔ
…
。
⑨
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０２ Ｂ 的低偏振相关损耗 ， ． ｄ 所有信道的 串扰低于一７ Ｂ 信道 Ａ ２ｄ， ＷＧ 是超密集复用／ 解复用器的重要器件 。目前
且信道偏移在 ２５Ｂ以内。 ． ｄ 已开发 了具有 １８信道 和 ２ Ｇ ｚ信道间隔的 Ａ ２ ５Ｈ ＷＧ。
的波长偏差为 ００ｎ ， ． ｍ 相当于 ３ １ ３ ×０ 的双折射， 几乎是 波导上淀积无定形硅， 然 。
以改变 薄膜 长度来调 节相 位进行相 位 补偿， 串扰＜ 使
一
３ ｄ 。 ０ Ｂ
平坦 光谱 Ａ ＷＧ
此外， Ｔ Ｎ Ｔ还开发了一种减少 Ａ ＷＧ 信道 串扰的新