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。在光通信收发芯片领域，主要有Phyworks、Mindspeed、Vitesse等供应商。Phyworks，全球最大的无源光网络用户端光模块的芯片供应商，在中国每月各类芯片出货量在200万片左右。基于平面光波导技术的PLC芯片同样主要来自进口，包括NTT Electronics、Hitachi Cable、Neo Photonics、JDS Uniphase、Teem、Wooriro等公司。在光有源器件芯片方面，2.5Gb/s及以下速率的LD芯片、APD芯片大部分依赖进口。阵列波导光栅（AWG）波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件，在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测；在性能上具有波长间隔小，信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰低、信号畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点。凹面光栅的成像原理是于1882年由罗兰提出的1，如图1所示凹面光栅所在的圆G称作光栅圆,其半径为f。设Q是光栅面的中点，C是它所在的光栅圆的圆心，并以QC的中点O为圆心，以处f/2=OQ=QC为半径作一个圆K，叫做罗兰圆。可证明，从罗兰圆K上任一点S射出的光将近似被反射到圆上的另一点P，同时被衍射到圆上另一点P，P，这些点分别是各阶衍射光线的焦点。从S入射到光栅上的另一点R的一条光线，可以证明，R点的反射光线仍通过P。对于衍射光线同样可以证明以上结论。这就是罗兰圆原理2。 图1 凹面光栅聚焦示意图1AWG原理于1988年由Slnit.M.K提出3。AWG器件将凹面光栅的反射式结构转变成传输式结构，输入波导与输出波导分开，用波导对光进行限制和传输，,取代光在自由空间的传输，利用这种传输式结构可以在光传输途中引入较大的光程差，使光栅工作于高阶衍射，提高了光栅的分辨率。图2给出了阵列波导光栅AWG的结构示意图4，它由输入/输出信道波导、两个平板波导和中间的阵列波导组成。阵列波导的两端以等间距d排列在两个光栅圆周上,正对光栅圆心。输入/输出波导排列在罗兰圆周上，端口朝向中心阵列波导。AWG同时具有复用和解复用功能，下面以解复用为例进行定性说明：图2典型阵列波导光栅结构示意图4解复用器的工作原理: 含有多个波长的复信号光经中心输入波导输出后,在输入平板波导内发生衍射,到达输入凹面光栅上进行功率分配,并耦合进阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上,所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后,因相邻的阵列波导保持有相同的长度差L，因而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,于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出波导位置，经输出波导输出后完成了波长分配，即解复用。这一过程的逆过程，即信号反向输入，则完成复用功能。当复信号光从非中心波导输入时,平板波导内的衍射光以倾斜波前耦合进入阵列波导，此时输出信号光的波长由输入/输出波导的位置和波长间隔共同决定。 大多数集成光波导材料折射率都会随外界温度变化而变化。折射率变化量n与温度变化量T的比值=n/T，称为热光系数。对于AWG波分复用器件，这将引起通道中心波长漂移。其波长漂移量=T/n，其中n为光波导有效折射率。例如，对于基于SiO2材料的波分复用器件，SiO2材料的热光系数=1.110-5,差将漂移接近0.0125nm/。在密集波分复用光纤通信系统中，温度引起的波长漂移将增大误码率。AWG的中心波长满足下面的方程式其中，ne为阵列波导的有效折射率；L为任意相邻阵列波导间的位相差；m为AWG器件的衍射级次。neL为波导阵列的光程差，由上面的方程可以导出AWG中心波长随温度的变化为de/dT=(e/ne)(dne/dT+nes),式中，s=（dL/dT）（1/L）为材料的线膨胀系数。由于一般情况下衬底厚度比上下覆盖层和芯层的厚度大得多，因此常用衬底的线膨胀系数。设计无热AWG的思想就是使上式右边为零，从而中心波长漂移为零。