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2012-10-30 閱讀(3151)
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摘 要：陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用（DWDM）光網(wǎng)絡(luò)的理想器件，插入損耗是它的一個(gè)重要性能指標(biāo)．文章在綜述了多種減小AWG器件插入損耗方法的基礎(chǔ)上，分析了如何使用楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)降低模式失配所導(dǎo)致的耦合損耗．這種方法可以在不增加器件制作難度的同時(shí)大大降低AWG的插入損耗，并且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件設(shè)計(jì)．
關(guān)鍵詞：密集波分復(fù)用；陣列波導(dǎo)光柵；插入損耗；楔形波導(dǎo)
陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是實(shí)現(xiàn)多通道密集波分復(fù)用（DWDM）光網(wǎng)絡(luò)的器件．它是一種基于平面光波回路（PLC）技術(shù)的角色散型無(wú)源器件，由一個(gè)相位控制器，一個(gè)衍射光柵和輸入／輸出波導(dǎo)組成．與其他光柵技術(shù)相比，AWG具有設(shè)計(jì)靈活、插入損耗低、濾波特性良好、性能長(zhǎng)期穩(wěn)定、易與光纖有效耦合和適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在DWDM光網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)濾波、復(fù)用／解復(fù)用、光分插復(fù)用（OADM）等功能．
AWG是一種無(wú)源光器件，插入損耗是它的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)．近年來(lái)，人們?cè)诮档?/span>AWG器件的插入損耗方面做了大量的研究，提出了許多實(shí)用的設(shè)計(jì)方法．本文介紹了AWG的基本原理以及在降低器件插入損耗方面的進(jìn)展，并在理論上分析了楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)模場(chǎng)失配的優(yōu)化作用，zui后給出了8通道的AWG解復(fù)用器的模擬結(jié)果．
1 AWG的基本原理及其損耗特性
1．1 AWG的基本原理
AWG基于凹面光柵原理，1988年由荷蘭人M．K．Smit提出［1］．AWG將凹面光柵的反射式結(jié)構(gòu)拉成傳輸式結(jié)構(gòu)，輸入和輸出波導(dǎo)分開，并用波導(dǎo)對(duì)光進(jìn)行限制和傳輸，取代光在自由空間中的傳播．利用這種傳輸式結(jié)構(gòu)可在光的傳播中引入一個(gè)較大的光程差，使光柵工作在高階衍射狀態(tài)，提高了光柵的分辨率．
AWG復(fù)用／解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由集成在同一襯底上的輸入／輸出波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)和兩個(gè)聚焦平板波導(dǎo)組成．輸入／輸出波導(dǎo)位于Rowland圓的圓周上，對(duì)稱地分布在器件的兩端．陣列波導(dǎo)中相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為一常數(shù)，可對(duì)入射光的相位進(jìn)行周期性調(diào)制，因此稱這種器件為AWG．不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)入輸入波導(dǎo)，在平板波導(dǎo)內(nèi)自由傳播，并耦合入陣列波導(dǎo)，經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)的色散作用，引起波前傾斜，在輸出波導(dǎo)的不同位置上成像，完成解復(fù)用功能．反之，可將不同輸入波導(dǎo)中的具有不同波長(zhǎng)的光信號(hào)匯集到同一根輸出波導(dǎo)中，完成復(fù)用功能．
1．2 AWG的插入損耗分析
在實(shí)際應(yīng)用中，AWG通常作為多功能器件中的組件，由于插入損耗在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的積累作用，系統(tǒng)性能會(huì)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而惡化，因此在各種無(wú)法使用光放大器的接入網(wǎng)中，對(duì)AWG器件的插入損耗提出了很高的要求．同時(shí)，隨著器件尺寸的增加，AWG的插入損耗也會(huì)相應(yīng)增大，通常器件尺寸增加一倍，插入損耗將有3 dB左右的惡化．因此對(duì)于多通道的AWG器件，插入損耗是一個(gè)重要的性能指標(biāo)．
AWG器件的損耗分為兩類，一類是在陣列波導(dǎo)和平板波導(dǎo)中由于吸收和散射等原因引起的傳輸損耗，其典型值為2 dB；另一類是由于模式失配造成的轉(zhuǎn)換損耗．轉(zhuǎn)換損耗有兩個(gè)主要來(lái)源，一是平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過(guò)渡損耗，光柵陣列波導(dǎo)之間存在間隙，由此導(dǎo)致平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)的模場(chǎng)失配，產(chǎn)生耦合損耗，而間隙的尺寸受到器件制作精度的限制．轉(zhuǎn)換損耗的另一個(gè)來(lái)源則是光纖與波導(dǎo)之間的模場(chǎng)失配引起的連接損耗，這種損耗會(huì)隨著光纖與波導(dǎo)的芯層尺寸和折射率的不同組合而變化．
要有效降低AWG器件的插入損耗，關(guān)鍵在于減小光場(chǎng)傳輸過(guò)程中由于各種模式失配造成的轉(zhuǎn)換損耗．光纖與波導(dǎo)的連接損耗可以通過(guò)選擇波導(dǎo)芯層與覆蓋層的折射率差Δ來(lái)減小，使用0．45％的折射率差Δ可以明顯減小這類損耗［2］．而對(duì)于平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過(guò)渡損耗，是由AWG本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，對(duì)器件性能的影響很大，人們提出了許多方法來(lái)減小這一固有損耗．例如，對(duì)于InP－基和Si－基的AWG可使用兩次刻蝕的垂直楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化器件性能［3］．另外，Maru等人提出在平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間通過(guò)紫外光照射引入高折射率區(qū)域，以減小平板波導(dǎo)與陣列波導(dǎo)的耦合損耗，從而降低器件的插入損耗［4］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示．經(jīng)過(guò)60min的紫外光照射，AWG器件的插入損耗可以達(dá)到zui小值3．0 dB．
zui近有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在AWG的平板波導(dǎo)中加入相位調(diào)整元素——島（周期性排列的折射率變化區(qū)域），可有效地降低器件的插入損耗［5］．由于折射率的差異，島區(qū)域內(nèi)和平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)傳播的光場(chǎng)具有不同的相速度，它們相互疊加的結(jié)果，可以使傳播光場(chǎng)與陣列波導(dǎo)本征模場(chǎng)失配造成的損耗大大減小．實(shí)驗(yàn)中選擇島區(qū)域的折射率與器件覆蓋層的折射率相同，可將插入損耗由9．3 dB降至1．3 dB．
以上各種降低插入損耗的辦法大多是針對(duì)InP－基和Si－基AWG器件的，而且這些方法或者需要附加的控制和穩(wěn)定裝置，或者會(huì)增加器件的制作難度，提高對(duì)工藝容差的要求，與實(shí)用化的目標(biāo)尚有一段距離．如果在不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)的連接處增加漸變的過(guò)渡區(qū)，不但能夠極大地降低轉(zhuǎn)換損耗，而且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件的設(shè)計(jì)．下面我們對(duì)這種簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，并給出模擬結(jié)果．
2 理論分析及模擬結(jié)果
2．1 過(guò)渡區(qū)理論
根據(jù)光波導(dǎo)理論，光場(chǎng)在兩種不同的波導(dǎo)中傳輸，由于模場(chǎng)的失配，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的反射和模式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致光場(chǎng)能量的極大損耗．通過(guò)在波導(dǎo)的連接處加入漸變的過(guò)渡區(qū)，可以在各種不同的模場(chǎng)之間進(jìn)行平滑的轉(zhuǎn)換，有效地減小耦合損耗．從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，zui簡(jiǎn)單的過(guò)渡區(qū)形狀是漸變楔形．
楔形區(qū)域中的損耗主要由3部分構(gòu)成：傳輸損耗、模式轉(zhuǎn)換造成的輻射損耗和由于波導(dǎo)表面粗糙或折射率不均勻引起的輻射損耗．在極短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，楔形區(qū)域中的損耗主要表現(xiàn)為模式轉(zhuǎn)換損耗，而在距離較長(zhǎng)的情況下，則以非理想的波導(dǎo)特性造成的輻射損耗為主．下面我們主要分析模式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗．
在楔形區(qū)域中，基模與高階模相互作用，尤其是與相鄰的高階模作用，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，其基模能量大部分轉(zhuǎn)化到相鄰的高階模中，并且當(dāng)這個(gè)高階模在楔形區(qū)域的單模端附近截止時(shí)，能量就會(huì)輻射出去．根據(jù)過(guò)渡區(qū)理論，兩種不同光場(chǎng)模式（模式m和模式n）之間的能量轉(zhuǎn)移因子Pmn滿足［6］Pmn＝
為了減弱基模與高階模的這種相互作用，并且降低輻射損耗，楔形必須做得比較長(zhǎng)而且是漸變的．由于κmn和Δβmn均與楔形區(qū)域的幾何參數(shù)有關(guān)，我們可以根據(jù)所期望的能量轉(zhuǎn)移因子P的大小，通過(guò)求解方程（1）來(lái)確定過(guò)渡區(qū)的形狀及zui小長(zhǎng)度．但在通常情況下，方程（1）只能通過(guò)數(shù)值方法求解．
計(jì)算和分析表明，如果楔形過(guò)渡區(qū)足夠長(zhǎng)（通常為幾百μm），并且是緩慢變化的，即楔形分叉角足夠小（通常＜1°），過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的損耗將會(huì)很小．這時(shí)，過(guò)渡區(qū)的形狀（如線型、指數(shù)型、拋物型等）就不重要了，可以采用zui簡(jiǎn)單的線型過(guò)渡區(qū)．若楔形區(qū)域無(wú)限長(zhǎng)，就是嚴(yán)格無(wú)損耗的理想狀態(tài)．我們模擬了采用不同長(zhǎng)度的過(guò)渡區(qū)時(shí)，波導(dǎo)中的光功率與傳播距離的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示．從圖中可以看出，在沒有過(guò)渡區(qū)（0μm）時(shí)，總的輸出功率低于93％，而隨著過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度的增加，波導(dǎo)之間的耦合損耗大大地降低了．
2．2 模擬結(jié)果
從上面的分析可以知道，在不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)之間加入漸變的過(guò)渡區(qū)可以減小導(dǎo)模光場(chǎng)的發(fā)散，降低插入損耗．而且，過(guò)渡區(qū)的制作只需改變波導(dǎo)的寬度，可以方便地通過(guò)光刻掩膜版的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)．通過(guò)優(yōu)化過(guò)渡區(qū)的分叉角、長(zhǎng)度以及折射率等參數(shù)，可以使器件的插入損耗達(dá)到期望值．AWG的設(shè)計(jì)可以采用這一簡(jiǎn)單有效的方法，在平板波導(dǎo)與輸入／輸出波導(dǎo)及陣列波導(dǎo)之間加入楔形結(jié)構(gòu)，不增加器件制作的難度，并且能夠大大降低AWG的插入損耗．我們以一個(gè)8通道的AWG器件為例（設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1），采用光束傳播法（BPM）模擬了楔形結(jié)構(gòu)對(duì)插入損耗的優(yōu)化作用．
首先在輸出波導(dǎo)處加入楔形結(jié)構(gòu)（線型，長(zhǎng)度100μm，分叉角0．8°），增加波導(dǎo)的有效接收寬度，同時(shí)增大進(jìn)入信道的波長(zhǎng)范圍，降低插入損耗．這一方法在需要較大的信道帶寬或平坦的通帶譜響應(yīng)時(shí)，85可以產(chǎn)生很好的效果．模擬結(jié)果如圖4所示．點(diǎn)線為沒有楔形波導(dǎo)的情況，實(shí)線是有楔形波導(dǎo)的情況，可以看到，總的插入損耗降低了2 dB左右，同時(shí)信道帶寬增大了．
在陣列波導(dǎo)末端采用楔形結(jié)構(gòu)可以更有效地減小器件的插入損耗．光場(chǎng)傳播到AWG輸入聚焦平板波導(dǎo)的末端，并以平面波的方式耦合入陣列波導(dǎo)．當(dāng)有些光場(chǎng)模式不能有效地耦合入陣列波導(dǎo)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一些損耗．而波導(dǎo)末端的楔形部分產(chǎn)生平滑的過(guò)渡，可以降低損耗．圖5顯示了陣列波導(dǎo)末端的楔形結(jié)構(gòu)（線型，長(zhǎng)度100μm，分叉角0．8°）對(duì)降低AWG插入損耗的作用．可以看到，楔形結(jié)構(gòu)除了改變插入損耗外不改變器件的其他任何性質(zhì)，并且每一個(gè)信道和波長(zhǎng)的插入損耗都被同等地降低了4dB．
3 結(jié)束語(yǔ)
AWG是DWDM光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件之一，尤其在多通道的DWDM系統(tǒng)中，AWG的插入損耗是一個(gè)重要的性能指標(biāo)．本文綜述了多種減小AWG插入損耗的方法，并分析了如何使用楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)降低模式失配所導(dǎo)致的耦合損耗．這種方法原理簡(jiǎn)單，可以通過(guò)光刻掩膜版的設(shè)計(jì)方便地實(shí)現(xiàn)，在不增加器件制作難度的同時(shí)大大降低AWG的插入損耗，并且適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的AWG器件設(shè)計(jì)，是一種靈活、簡(jiǎn)單且有效的方法．
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