（电路与系统专业论文）阵列波导光栅的空间频域特性与分析.pdf

硕士学位论文 ma s t e r s t i i e s i s 以 看作是空间抽样以 及空间滤波的过程: 空间抽样由阵列波导的周期间隔排列 完成， 空间滤波由每个阵列波导的基模形式以 及位相延迟完成 ( 阵列波导即为 一空间滤波器) 。 a wg具有相干系统的“ 分频成谱、 合频成像” 这一本质功能， 因此若从空间频域的角度来看， a wg就是一个相干系统的光学集成:两个平 板波导类似两个二 维傅里叶透镜， 实现光信号的两次傅里叶变换; 而阵列波导 区即为频谱区。 另一方面， 运用光学信息处理方法， 我们探讨了a w g 型相干系统频谱区两 类基本的滤波函数的引入， 设计了两种光信号处理器: 光信号加减器以及位相 滤波器。通过在阵列波导嵌入一定传递函数的振幅型滤波片 ( 模片) ，设计了 a wg型光信号加减器;通过改变中心阵列波导的长度，设计了a wg型相衬 滤波器。 最 后 ， 对 本 文 工 作 作 了 总 结 ， 对 后 续 工 作 进 行 了 阐 述 户 关键词:阵 列波导光 栅; 傅立叶变换; 空间 频率; 光信息处理 a b s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f p h o t o n t e c h n o l o g y a n d t h e a p p a r e n t a d v a n t a g e s o f t h e i n t e g r a t e d o p t i c s y s t e m o v e r t h e c o n v e n t i o n a l b u l k o p t i c s s y s t e m ; t h e c o n c e p t o f i n t e g r a t e d o p t i c s h a s p e n e t r a t e d i n t o t h e v a r i o u s d o m a i n s o f o p t i c a l i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y . i t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o r e a l i z e t h e o p t i c a l i n t e g r a t i o n o f c o h e r e n c e s y s t e m b e c a u s e t h e s y s t e m i s f u n d a m e n t a l i n t h e o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s a n d w i d e l y u t i l i z e d i n t h e o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s d o m a i n . t h e a r r a y e d - w a v e g u i d e g r a t i n g ( a wg ) b a s e s o n t h e p l a n a r l i n e a r c i r c u i t t e c h n o l o g y o f s i s u b s t r a t e h a s t w o e l e m e n t a r y f u n c t i o n s : o n e i s m u l t i / d e m u l t i p l e x e r , t h e o t h e r i s s t a t i c w a v e l e n g t h r o u t e r . a wg h a s b e e n e x t e n s i v e l y a p p l i e d i n t h e o p t i c a l f ib e r c o m m u n i c a t i o n d o m a i n a n d b e c o m e o n e o f t h e k e y d e v i c e s i n t h e d e n s e w a v e l e n g t h s d i v i s i o n mu l t ip l e x e r ( d wd m) . f r o m t h e p o i n t o f s p a t i a l fr e q u e n c y d o m a in t h e p a p e r a p p l i e s t h e s p a t i a l fr e q u e n c y t r a n s f o r m a t i o n t o a n a l y z e t h e a wg t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d p r o b e s i n t o t h e f u n c t i o n o f f o u r i e r t r a n s f o r m , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o h e r e n t s y s t e m a n d i t s a p p l i c a t i o n i n o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s d o m a i n . t h e p a p e r f i r s t p r e s e n t s t h e c o n f i g u r a t i o n , t h e p r i n c i p l e , t h e a p p l i c a t i o n s , n e w d e v e l o p m e n t i n t h e wd m s y s t e m a n d t h e s o l u t i o n s t o r e l e v a n t p r o b l e m s o f a w g t h e n t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e t h e o ry b a s i s o f s p a t i a l fr e q u e n c y a n a l y s i s o f a wg : fu n d a m e n t a l f o u r i e r o p t i c s . b a s e d o n t h e a b o v e m e n t i o n e d , fr o m t h e p o i n t o f s p a t i a l - fr e q u e n c y d o m a i n , t h e p a p e r a n a l y z e s t h e c h a n g e o f l i g h t fi e l d i n t e n s i t y i n d i ff e r e n t p h a s e s w h e n o p t i c a l s i g n a l o f f u n d a m e n t a l m o d e t r a n s m i t s i n a wg t h e g e n e r a l e x p r e s s i o n o f a wg s t r a n s i m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s i s o b t a i n e d . a n d t h e n w e s t u d y p r o p e rt y o f s y s t e m o f a wg. t h e w h o l e a wg c a n b e r e g a r d e d a s a n o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m , w h o s e t r a n s m i s s i o n p r o p e r ty i s c h i e fl y d e t e r m i n e d b y t h e t r a n s m i s s i o n p r o p e rt y o f t h e s l a b w a v e g u i d e a n d a r r a y e d - w a v e g u i d e . t h e d i ff r a c t i o n p r o c e s s o f l i g h t b e a m i n p u t e d i n s l a b w a v e g u i d e i s a p r o c e s s o f d e c o m p o s i n g fr e q u e n c y a n d c o m p o s i n g s p e c t r u m . t h e a n g l e s p e c t r u m o f i n p u tt i n g o p t i c a l s i g n a l s i s r e c e i v e d b y t h e i n p u t s u r f a c e o f a r r a y e d w a v e g u i d e s . wh e r e a s t h e d i ff r a c t i o n p r o c e s s o f l i g h t b e a m o u t p u t e d i n s l a b w a v e g u i d e i s a p r o c e s s o f c o m p o s i n g fr e q u e n c y a n d g e n e r a t i n g i m a g e . t h e r e a s o n t h a t f r a u n h o f e r d i ff r a c t i v e p a tt e rn c a n b e g a i n e d o n o u t p u tt i n g w a v e g u i d e s u r f a c e i s t h a t o u t p u t e n d s o f a r r a y e d w a v e g u i d e d i s t r i b u t e o n t h e a r c h s t r u c t u r e w h i c h l e a d s b e n t p h a s e f a c t o r t o o ff s e t t h e q u a d r a t i c p h a s e f a c t o r i n f r e s n e l d i f f r a c t i o n . t h e e s s e n c e o f t w o k i n d s o f d i ff r a c t i v e p r o c e s s i s s p a t i a l f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n . t h e p r o c e s s t h a t l i g h t w a v e g e t s t h r o u g h a r r a y e d w a v e g u i d e s c a n b e r e g a r d e d a s a p r o c e s s o f e x t r a c t i n g s p a t i a l s a m p l e a n d f i l t e r i n g s p a t i a l fr e q u e n c y . s p a c i a l s a m p l e i s a c c o m p l i s h e d b y p e r i o d i n t e r v a l a r r a n g e m e n t o f a wg a n d s p a t i a l fr e q u e n c y f i l t e r i n g i s a c c o m p l i s h e d b y t h e f u n d a m e n t a l m o d e a n d p h a s e d e l a y o f e a c h a r r a y e d w a v e g u i d e w h i c h i s j u s t a s p a t i a l f r e q u e n c y f i l t e r . a w g p o s s e s s e s a n e s s e n t i a l f u n c t i o n o f c o h e r e n c e s y s t e m - c o m p o s i n g fr e q u e n c y a n d g e n e r a t i n g i m a g e . t h e r e f o r e a s f a r a s s p a t i a l fr e q u e n c y f i e l d i s c o n c e rn e d , a wg i s a n o p t i c a l i n t e g r a t i o n o f c o h e r e n t s y s t e m : t w o s l a b w a v e g u i d e s s i m i l a r t o t w o f o u r i e r l e n s e s o f o n e d i m e n s i o n a n d t w i c e f o u r ie r t r a n s f o r m o f o p t i c a l s i g n a l s a r e r e a l i z e d . h e r e t h e a r r a y e d w a v e g u i d e r e g i o n i s fr e q u e n c y s p e c t r u m r e g i o n . o n t h e o t h e r s i d e , w e u s e t h e m e t h o d o f o p t i c a l f o r m a t io n p r o c e s s t o i n t r o d u c e t w o f u n d a m e n t a l f i l t e r in g f u n c t i o n i n fr e q u e n c y d o m a in o f c o h e r e n c e s y s t e m o f a wg t w o o p t i c a l p r o c e s s o r s a r e d e s i g n e d , t h a t i s o p t i c a l s i g n a l a d d / m i n u s a n d p h a s e f i l t e r . b y s e tt i n g a a m p l it u d e f i l t e r ( m o d u le ) w it h c e r t a i n t r a n s m i s s i o n f u n c t i o n i n a r r a y e d w a v e g u i d e s , w e d e s i g n o p t i c s i g n a l a d d / m i n u s . b y c h a n g i n g t h e l e n g t h o f c e n t e r a r r a y e d w a v e g u i d e s , w e d e s i g n p h a s e f o i l f i l t e r o f a wc z u l t i m a t e l y , t h e p r e s e n t s t a g e w o r k a r e s u m m a r i z e d a n d s o m e f u t u r e w o r k a r e d i s c u s s e d . k e y w o r d s : a r r a y e d w a v e g u i d e g r a t i n g ; f o u r i e r t r a n s f o r m ; s p a t i a l fr e q u e n c y ; o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s 1 硕士学位论文 ni八 s r e a s ni r s l s 第一章绪论 当前， 光子技术已 经是信息高科技发展的热点课题和主流之一。自 六十年 代初半导体激光器的问 世， 尤其是七十年代初低损耗石英光纤和运作半导体激 光器的成就对光纤通信技术的发展作了奠基性的贡献， 使通信技术从电子时代 跨入光子时 代 ， . 同 时， 受i c ( 集成电 路) 的 启 发， 集成光学( i n t e g r a t e d o p t i c s ) 已 成为光子技术发展的 重要方向。 采用类似的 集成电 路的微加工技术， 将各种 有源和无源光波导器件集成在同一 s i 基板上，从而构成具有特定功能的光路 系统。 这种集成光学系统与传统的光学体器件系统相比， 具有体积小、 质量轻， 坚固紧凑，无需人工进行校准，适宜于平面工艺大批量生产和成本低等优点。 另一方面，光子技术的迅速发展，己经渗透到信息技术领域的各个方面。 用光子作为信息的载体与电子相比， 在传输方面带来的优点己在光纤通信上充 分显示。 今后， 无庸置疑，电缆通信即使不是全部也将是绝大部分被光纤通信 所取代。 而把光子用于信息处理和计算方面的潜在作用在某种意义上说将比光 子用于通信更杰出 【 ” 。 因为光子不带电 荷， 不象电 子信号那样容易受到自 身干 扰或外界干扰， 光信号可以 沿各自的通道传播， 不论其通道相互平行或互相交 叉都不会产生干扰， 这就造成光学的固有并行性。 这种特性对信息的并行处理 和并行计算恰好配合。而且，由于光子不具有静质量，它可以在真空中传播， 也可以在介质中传播， 传播过程中能量损耗极小。电子一般限制在金属导体内 传输，电流的传输速度往往只有光速的千分之几，传输带宽受 r c的限制。光 具有很高的频率，并且传输带宽不会有类似 r c弛豫过程的限制。可见光学系 统的空间带宽和时间带宽积很大。 最后，自 从发现某些材料具有很大的光学非 线性系数后， 过去认为难于实现光开关和光逻辑操作的问题不再是光计算的壁 垒。 利用光子与某些材料相互作用所具有的三次非线性效应所设计的光双稳器 硕士学位论文 ma s t e r s i i i i : s i s 馨一一 件， 其开关时间已 低达纳秒量级。 利用光的高并行性( 1 d 8 ) 及决 响应( 1 vs ) , 未来全光计算机的速度可超过1 d b i t / s o 在早期的习惯观念上， 光信息处理一般理解为仅仅是光学图像处理， 而光 计算也只限于数值计算。 今天， 光信息处理和光计算的概念都无疑大大地扩展 了， 而且两者之间并不存在明显的分界。 光信息处理的基本应用是衍射图形显 示及通过简单的滤波使光信号改善: 光信息处理的基本系统是相千系统即 4 f 系统。 相千系统在光信息处理中占有极其重要的地位， 它是实现光信息空间域 与空间频率域相互转换的物理手段， 是沟通光信息的空间分布 像) 与空间频 率谱分布的桥梁。 正因为如此， 对光信息空间域的空间处理可以通过在空频域 实施相应的操作来完成， 也即空间 滤波. 利用透镜的傅里叶变换性质， 在频谱 面上获得光信息的空间频谱后， 根据需要， 在频谱面安置适当的滤波器， 可以 很方便地实现对各种频率成分的调制， 再经过一次傅里叶变换， 相对振幅和位 相己发生变化的各种频率在空间域合成， 给出所期望的输出。 相干滤波系统在 光信息处理中的应用非常广泛， 如用于光信息检测的带通滤波、 信号边缘增强 的高通滤波、 光信息提取的低通滤波以 及将信息位相变化转化为能 够探测到的 振幅变化的位相滤波。 此外，相干系统还可以 用于光信号的 加、 减与微分等。 然而遗憾的是目 前相千系统的构成仍然采用传统的分离体器件来实现， 因 而必然存在着分离体器件的诸多缺点， 最突出的有三点:1 . 成本较高，由于傅 里叶变换透镜的生产工艺精度要求极其严格，单片价格昂 贵;2 . 操作不方便， 使用时需要人工进行校准; 3器件的使用保存环境要求很高， 要严格防尘。 这 些缺陷无疑大大限制了相干系统的广泛应用。 很显然， 实现相干系统的光学集 成将是解决问题的较好方案。 迄今为止，国内外对此尚无成文的研究报道。探 讨相干系统的光学集成具有重要的研究价值和深远的应用前景。 基于硅基片上的平面光波回路( p l a n e r l i g h t w a v e c i r c u i t , p l c ) 技术的 阵列波导光栅 ( a w g ) 在波分复用 ( w d m ) 通信系统的应用非常广泛，主要分为 两类: 1基于a w g 的复用/ 解复用功能， 如各种复用/ 解复用器、 光分插复用器、 波长选择开关等;2 . 基于a w g 的静态路由功能，如波导光栅路由器等。 也许正 硕士学位论文 n i a s r s a s l 1 u s e s 是由于a w g 在多波长通信领域的巨 大成功掩盖了 它在光信息处理领域的发展潜 力。 a w g 因其特殊的结构，能够实现光信息的空间傅里叶变换，具有相干系统 的 “ 分频成谱、 合频成像” 这一本质功能。因 而， 若从空间频域的角度来看， a w g 就是一个一维的“ 4 f 相干系统” 的光学集成: 两个平板波导取代两个傅里 叶透镜，实现光信号的 两次傅里叶变换;而阵列波导区即为频谱区。由 于a w g 与光纤具有良 好的祸合性， a w g 型相干系统在光纤信息处理系统有着广泛的的 应用前景。 作为背景知识并考虑到借鉴与比 较性，本文首先介绍了a w g 的结构原理， 在w d m 系统中的应用、 新发展及其相应问 题的解决措施; 然后介绍了a w g 的空 间频率域分析方法的理论基础: 傅里叶光学的基本理论。以此为基础， 论文的 研究工作分为两个部分:1 . a w g 的空间频域的分析。论文应用傅里叶光学的基 本理论， 从空间频域的角度分析了a w g 的相干系统特性， 此时， 整个a w g 可以 看作为一个级联的光学传递系统， 光束在平板波导的两次衍射过程实质是两次 傅里叶变换过程。光场通过阵列波导的过程，可以看作空间抽样及滤波过程。 空间抽样由阵列波导的周期间隔排列完成， 空间滤波由每个阵列波导的基模形 式以 及位相延迟完成;同时分析了基模光信号在通过a wg的过程中各个阶段 的光场强度变化情况， 得到了a w g 的传输特性的一般表达式， 并由此导出的一 些重要结论， 不但较好地解释了a w g 相干系统的成像特性， 还较好地说明了a w g 的色散特性与频率周期性.2 .运用光学信息处理方法，我们探讨了a w g型相 干系统频谱区两类基本的滤波函数的引入， 设计了两种光信息处理器: 光信号 加减器以 及位相滤波器。 通过在阵列波导嵌入一定传递函数的振幅型滤波片 ( 模片) ，设计了a w g型光信号加减器; 通过改变中心阵列波导的长度， 设 计了a wg型相衬滤波器。 硕士学位论文 n a ,v s r f r, s ni f s i s 第二章阵列波导光栅的概述 当前， 波分复用技术 ( w d m ) 是克服电 路限制， 扩大通信带宽以 及在光纤 通信网络中实现波长路由和信道复用的关键技术。 9 0 年代以来， 光纤通信中的 密集波分复用技术 d w d m )已形成一个热点。而在 w d m系统中， 波分复用/ 解 复用器是关键器件. 基于集成光学技术的阵列波导光栅复用器 ( a w g m ) ，相对 其它复用器，具有如下优势: 插入损耗小、串扰低、可靠性高、器件尺寸小， 容易实现单片集成， 尤其是它在单片上容易做到多通道的输入、 输出。 因此扭w g 复用器成为w d m ，尤其是 d w d m 系统的首选器件。 a w g 的 概念， 首先由 荷兰d e l f t 大学的s m i t 教授在1 9 8 8 年提出的(7 ， 其 重要的应用价值引起了日 本公司n t t 和美国b e l l 实验室等的关注。 n t t 公司的 t a k a h a s h i 实 现了1 . 5 5 u m 波段的a w g m (0 o b e l l 实 验室的d r a g o n 。 教授则将a w g 从单一复用器推广到n x n 波长路由 器， 从而极大地拓展了复用器在光通信网络 中 的 应 用 。 本章在分析a w g 结构原理的基础上， 介绍了a w g 的性能参数以 及a w g 在w d m 系统中的应用，并对a w g 的新发展作了论述。 芍 2 . 1 a w g 的结构原理 如图2 . 1 , a w g 由输入/ 输出 波导( 各n 根) ， 两个平板波导( s l a b w a v e g u i d e ) 和阵列波导( a rr a y w a v e g u i d e ) 一般设计为中心波长对应的光程的整数倍。 几盛 -李、 .一 ， 月. ， d 日如白 自川 创口 卜 o w - 合n d - s r + d - : o fa j 图2 . 1阵列波导光栅复用器 ( a w g m ) 结构示意图 对于中心波长，阵列波导提供的相移为0 ;输入中心端口的场分布可以在 输出平板波导的中心端口 再现: 对于其它波长，由于光程与波长的相关性， 不 同分支提供的相位延迟不一样， 实 现多波长信号空间分离， 不同波长的光波被 输出 平板波导聚焦到不同的输出波导， 完成解复用功能: 光波的反向输入， 则 完成复用功能7 7 (8 ) 复用器的光栅方程为e 7 n _, d s i n b ; + n , d s i n b o + n . a l “ m a , ( 2 . 1 ) 式中，n : 和n 。 分别为 平板波导和条形波导的 有效折射率，倪、氏分别为 输入/ 硕士学位论文 m a s t e r s 丁 1 i h s i s 出 平板波导的 衍射角。a l 为相邻阵列波导的长度差; 。 是衍射级。由 上式可以 看出，衍射角为零时，光栅仍能工作在高阶衍射。 对( 2 . 1 ) 式进行微分，可得到光栅的角色散: d o l 以二 m n a 1 ( n , n , d )( 2 . 2 ) 线色散为: d x l 以， l f m n g l ( n , n , d ) ( 2 . 3 ) 其 中 n : 为 群 折 射 率 ， 定 义 为 : n g = n 一 a 功 :c / 以( 2 . 4 ) a w g 的衍射级m通常很高，因而色散率很高。 信道间隔为: d a = d ( d x l d a .) 一 ， = d n , n , d l ( f m n 8 ) ( 2 . 5 ) 其中d 为相邻输入/ 出波导的间隔。 自由光谱范围为: f s r = 凡 n c 1 ( m n g ) ( 2 . 6 ) 当f s r = n d a . 时，n x n a w g 具有频率周期性，可实现n 个波长的nx n互联。 由上面的分析可知， a wg的基本工作原理与传统的衍射光栅类似， 但是a wg 结构的独特性和设计的灵活性， 使其具有两个鲜明的特点: 高色散特性和频率 周期性。 2 . 2 a wg的性能参数 a w g 的性能参数指的是其用于制造及商用的通用指标参数(s l a l 1 . 固定信道中心波长几 ( f i x e d c h a n n e l c e n t e r )与信道间隔 ，( 信道间 硕士学位论文 n i 入 s i i r s t l i bi s 隔的频率表示)， 国际通用名称也称为i t u 波长与 i t u 信道间隔。 2 . 1 d b 带宽与3 d b 带宽: 如图2 . 2 从a w g 某一中心波长的响应峰值下降1 d b 或3 d b 对 应的 带 宽。 而3 d b 对 应的 上、 下限 的 波长平 均 值即 为 测 量 波长凡。 图 2 .2 中 ， 、 一 告 (“ ， 十 、 ) 。 、 与 、 的 差 值 二 一 、 一 、 称 为 中 心 波 长 偏 移 。 ? , cit u wa v e l e n gt h 即洲 肥ln +乙 认- 、丫万lde-3de l md 1 ( l m t 1 ) ( l m . 3 ) 0刀刀刀刀刀刀刀刀刀 。-2礴书刁-10-12书-16-18 汕 i 皿 一 。 .015 8 6 1 5 8 6 a $ . 日 -司月 ， 5 8 8 1 5 8 61 50 6 1 5 86 人 ，夕 ， 1 5日51 5 8 6 1 5 8 6 wa v e l e n g t h ( n m ) 图2 . 2通带带宽 口卫20一的望盆sn咤匡1 咋 wa v e l e n g t h ( a r b it r a r y ) 图2 . 3波长偏振相关性与损耗偏振相关性 硕士学位论文 ma s t e r s 1 i i bi s 3 . 波长偏振相关性( p d w: p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n t w a v e l e n g t h ) 与损耗偏振 相关性 ( p d l : p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n t l o s s ) : 指的是同 一波长的横电 模t e 和横 磁模t m的中心波长有差别及其相应的损耗有差别。如图2 . 3 所示。 4 . 插入损耗 ( i l : i n s e r t i o n l o s s )与损耗不均 ( i l u : i n s e rt i o n l o s s u n i f o r m i t y )分别指a w g 某一信道对应的功率损耗及a w g 所有信道的最大与最 小损耗的差值。 此外， a w g 的 性能 参数还有相邻串 扰 ( a c : a d j a c e n t c r o s s t a l k ) 、非相邻串 扰 ( n a c : n o n a d j a c e n t c r o s s t a l k ) 以 及反射损耗( r l : r e t u rn l o s s ) 等。 表2 . 1 是某一典型商用a w g 的性能参数。 表2 . 1 : 4 0 信道1 0 0 0 h z 商用a w g 性能参数表 n a v 入 c3 d b带宽 i li l u p d l a cn a c r l 数值 4 01 0 01 5 3 0 . 3 3 1 5 6 1 . 4 2 2 55 . 51 . 50 . 52 53 04 5 单位个 g h znmg h zd bd bd bd bd bd b ; 2 . 3 a w g 的应用 a w g由于具有复用/ 解复用及静态路由功能， 它已 成为光波分复用系统的一 个关键器件:它不仅可作为波分复用/ 解复用器，还可以用做光分插复用器、 波长路由器及波长选择开关等。 1 复用/ 解复用器 这是 a w g m 的基本应用，如图2 . 4 所示，在点对点通信传输中，a w g m 可作 发射端的复用器和接收端的解复用器。 硕士学位论文 n 1 人 s t fl r s t i ( e s t s 二一一川川汁件址川ml长 .一一一仁叮性比丘什特ul伪 裸侧月 性 丛 戈. ( a ) 固定波长 占几p山入早一人甲六早山八丫 滋 米摇 传愉光纤 竹戈内丫八v曲内v曲内u寸 图2 . 4复用/ 解复用器图图2 . 5光分插复用器 2 .光分插复用器 ( o a d m ) 光分插复用器是复用通信网中的关键技术，通过o a d m ， 用户可以 在节点处 方便下载( d r o p ) 通道中通往本地的信号，同时上载伍d d ) 本地用户发往另一节 点用户的信号。分插复用器有固定波长和可变波长两种。图2 . 5 ( a ) , ( b ) 为两 种器件的原理示意图。 可变波长分插复用器通过光开关来控制信号的上载与下 载。 3 .波长路由器 具有频率周期特性的n x n a w g m可构成一个简单的路由 器，如图 2 . 6 所 示。 输入端口 输入由 光网 络某一节点传输来的n 个波长复用信号， 经解复用后， 分配到不同的输出端口，相应输出端口 输出重新复用后的n 个波长复用信号， 送回该节点。 与传统n x n 互联的星型祸合器需n ， 个波长不同， 只需n 个波长即 可将 n 个输入端口和 n 个输出端口连接起来。因此 a w g m 构造大规模光网络是 很有优势的。 a w g m 因 其具有静 态 路由 功能 ， 己 成为w d m p o n ( p as s iv e o p t ic a l n e t w o r k ) 的 重 要 基 础器 件， 在 该 应 用中， a w g m 又 称为w g r ( w a v e g u i d e g r a t i n g r o u t e r ): 波导光栅路由器。此时w g r 的路由功能可由方程 ， ， ， 一 ， + “ 一 ， + in t( i)m m ( 2 . 7 ) 硕士学位论文 n i a s t e r s t i i i i s i s .1 1 3 a l b a j a 2 a i-41 m. 6 ，c - 1 ( 8 ) m一 6 ，c -2 ( b ) 图2 . 6波长路由器图2 . 7 w g r的路由功能示例图 ( a ) c = 1 ( b ) c = 2 表示，其中m 是w g r 输入、 输出口的数目:( i , j ) 是w g r 输入、 输出口的序数 i , j e 1 , m ; f 是与路由 波长相对应的序数， 它与实际波长的关系为 a ( f ) = 凡十 ( f 一 1 ) a a ，d f e p a ( 2 . 8 ) 凡为中 心 波 长， a a 为 相邻 信道的 波 长间 隔; c 是 粗 糙度 ( c o a r s e n e s s ) 表 示 属 于同一波梳( w a v e l e n g t h c o m b ) 相邻波长信道的 数目 ， 即经路由 器路由 可至同 一输出口的波长数。其路由功能如图2 . 7 所示。 4 .波长选择开关 波长选择开关可以由a w g m 和光开关集成。复用信号解复用后，由 光开关进 行选择， 然后复用输出。 图2 . 8 ( a ) 表示从给定的波长中选择出所需要的波长， 图2 . 8 ( b )表示两个传输通道之间切换任意波长的信号。 2 . 之离 母 花 ( a ) 固定型 ( b ) 可切换型 图2 . 8波长选择开关 1 0 硕士学位论文 a1-wi下 r s t h e s i s 此外， a w g m 还可 用于 光交 叉 连 接u x 、 数 字调 谐 滤 波 器【17 和光 信号 质 量监 视器u 等。 2 . 4 a w g 应用中的问题及其解决措施 为了使a w g m 实用化， 还必须解决许多技术问 题。 主要有偏振相关性、插入 损耗、串扰和平坦光谱响应。 1 .消除偏振相关性( 15 - 17 复用器的中心波长与波导有效折射率有关。 如果波导具有双折射， 就会出 现偏振相关性， 即t e 模式和t m 模式的中心波长不同。 虽然传统的理想玻璃没 有双折射， 但由于掩模应力的影响， 会出现应力双折射。 n t t 的掺g 。 波导方案 中，双折射达到 1 0 - 量级，这将导致0 . 1 n m的波长漂移， 对于d w d m ， 通道间隔 只有0 . 8 n m ， 这种漂移是不允许的。目 前比较成功的主要措施有: 半波片 n t t 采用了半波片的方法，消除双折射的影响。在a w g m的中部 切开一个沟道， 插入半波片。 半波片旋转偏振方向， 因此光线在前后两个部分 分别以不同的模式传播，经历了折射率的平均，从而消除了双折射的影响。 反射型设计 这种方案与半波片的方案原理一样。所不同的是，在波片 位置设计一个反射面， 进行镀膜，改变了t e / t m 模式。结构上，该a w g m 只有 一般型的一半面积，更加紧凑。 高台波导结构 插入半波片消除偏振相关性对于半导体单片集成的器件 不很适合。这种场合可以采用深脊或高台的结构。为了实现偏振独立性， t e 和t m 模式的等效折射率应该具有相同的数值。通常，t m 模式沿垂直掩模方向 的电场分布大于t e 模式。 因此， t m 模式的折射率大于t e 模。 但是， 只要减小 波导的宽度， t e 模的折射率会增大， 两个折射率的关系会反转。 通过靠近芯层 和包层的成分， t e 和t m 模式的两个折射率之差初值会很小.因此， 如果波导 的宽度为某个特殊值，折射率的差别可以达到零。 l i 1， 干涉级次 这种方法建立在可调自由光谱范围 ( f s r )的基础上。通过适 当设计， f s r 等于t e / t m的波长漂移， 因此t e 的m 级可以和t m的， - 1 级匹配， 从而消除偏振相关性的中心波长漂移。 非双折射波导 由于采用了偏振无关的非双折射波导，a w g m 就不存在偏 振相关性。对于 x 和y 方向折射率差一样的波导，如掩埋式结构， 通过波导横 截面来严格方形实现。 对于x 和y 方向折射率差不一样的波导， 需要合理设计 高度比， 进行相应的双折射匹配。 制作误差造成的形状尺寸偏差会造成偏振相 关， 对于高折射率差的波导尤其敏感。 尽量采用大的芯结构可以减小制作误差 的影响。 2 .插入损耗 对于合理设计的a w g m ， 如果由低损耗波导制作， 主要的插入损耗取决于波 导阵列和条形波导的对接时波导单元间的间隙。若间隙可以线性地降为0 ,损 耗就会相应降低。 但是由于刻蚀的分辨率限制， 不可能保证零间隙的加工质量。 间隙的存在会对输出孔径的光场进行调制， 大间隙调制越明显， 光场强度的起 伏就更明显。 输出孔径光场的起伏导致部分光能衍射到其它级次而损失掉。 为 了减小输出孔径的光场起伏，可以提高加工能力，尽量实现小间隙。 此外， 还 可以减小波导的约束能力。但是低约束波导保证低辐射损失的最小曲率更大， 器件尺寸相应增大。 . 3 .串扰 通常，串 扰指激活一个输入通道时在非期望通道出现的单通道最大输出。 在工作条件下，串扰要大些，因为所有通道都会产生串扰。 根据m . k . s m i t 的分析 . a w g m 的串 扰机制主 要包括六种。 接收波导串 扰 由接收场的尾端祸合造成。 截断串 扰 有限的阵列孔径不但导致能量损失，还会增大输出的旁瓣。 一般地，孔径越小串扰越大。因此，必须适当增加阵列孔径。 模式转换 如果阵 列波导不是严格单模的，直波导和弯曲 波导的连续位 置会辐射一阶模，导致 “ 鬼像” .由于基模和一阶模优化设计连接结构，减小 辐射，可以降低或者避免模式转换造成的串扰。 阵列祸合 在阵列的输入/ 输出端，分支波导间距很小，祸合难以避免， 这会引起位相扭曲，导致串音。这种形式的串 音影响比较小。 相位误差 主要由 于制作水平的限制， 覆盖层不均匀、 波导宽度随机变 化以及阵列波导的非对称填充都会影响有效折射率， 从而导致相位误差。 相位 误差一般会降低器件的性能。 背景辐封 杂乱的背静辐射很可能会泄露到非期望的波导里。 前四种可以通过适当的设计减小。 后两种主要由 加工工艺水平限制。 实际 操作中，串扰主要来源是加工的偏差。目 前串 扰的水平可以达到一 3 0 d b ，半导 体器件稍低。 4 .平坦光谱响应 实际使用的解复用器， 要求通道内的光谱响应比较平坦，以放宽对信号源 波长准确性的 控制。 对于a w g m ，实现平坦响 应的 措施有以下几点 is - 2 2 1 波导形状 由 于波长复用器基于1 : 1 成像的原理，输入光场的像投射到 输出波导的边沿。 因此， 它的传输谱决定于输入/ 输出波导出瞳处模场的卷积。 由于一般模式场谱型是近似g a u s s 型的， 因此传输谱也是g a u s s 型。 但是， w d m 需要平顶、陡边的传输谱，以放松对信道波长的控制。为了获得这个效果， 可 以采用象喇叭一样的输入波导。 输入波导出瞳的模场就成了一个边沿带有小尖 峰的近似矩形分布。这种谱型与g a u s s 型相互卷积，逼近矩形的传输谱。 mmi 均化 m m i( 多模干涉，m u