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基于ＡＷＧ的平面光波导技术采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。
本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。
标签：平面光波导阵列波导光栅波分复用1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨;②3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。
基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。
波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。
早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。
平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。
PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。
由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。
目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs 单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。
光纤通信简明教程习题及题解《光纤通信简明教程》习题及题解1-1 光程差计算波长为1.55 μm 的两束光沿z 方向传输，从A 点移动到B 点经历的路径不同，其光程差为20 μm ，计算这两束光的相位差。
解：两束光的相位差由式（1.2.8）可知2z φλπΔΔ== 2π×20/1.55 = 25.8 π 弧度2-1 mW 和dBm 换算一个LED 的发射功率是3 mW ，如用dBm 表示是多少？经过20 dB 损耗的光纤传输后还有多少光功率？解：LED 的输出功率用式（B.1）计算为dBm = 10 log P = 10 log 3 ≈ 4.77 dBm或者从附录D 中查表也可以近似得到。
经过20 dB 损耗的光纤传输后，还有4.77 ? 20 = ?15.23 dBm 的光功率。
2-2 光纤衰减注入单模光纤的LD 功率为1 mW ，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10 nW ，在1.3 μm 波段工作，光纤衰减系数是0.4 dB/km ，请问无需中继器的最大光纤长度是多少？解：由式（2.3.3）可得3in 9dB out 111010lg 10lg 125 km 0.41010P L P α===????×???? 2-3 材料色散光源波长谱宽λΔ和色散τΔ指的是输出光强最大值一半的宽度，21λΔ称为光源线宽，它是光强与波长关系曲线半最大值一半的宽度，21τΔ是光纤输出信号光强与时间关系曲线半最大值一半的宽度。
已知光纤的材料色散系数为（1.55 μm ）。
11m nm km ps 22??=D 请计算以下2种光源的硅光纤每千米材料色散系数：当光源采用工作波长为1.55 μm 、线宽为100 nm 的LED 时；当光源采用工作波长仍为1.55 μm 、但线宽仅为2 nm 的LD 时。
解：对于LED ，nm 10021=Δλ，由式（2.3.7）可以得到()()()ps 200 2nm 100nm km ps 22km 1111m 21==Δ≈Δ??λτD L ，或者 2.2ns 。
有热型阵列波导光栅AWG
1U机架式AWG（图）
有热型AWG设备采用有热阵列波导光栅模块，基于硅基板上的平面波导光路（PLC）光栅技术，关键模块拥有独特的封装设计，减少功耗，特设工作组套件，选用可靠的热塑料，低的热传导和精确的工作温度控制，可实现精确的通道耦合、低插入损耗、高通道隔离度及高稳定性。
功能特点
◆通道间距100GHZ(0.8 nm)最高可复用48个通道；
◆低插损，插损≤5dB，典型值为4.5dB
◆通道隔离度高，相邻隔离度≥25dB；非相邻隔离度≥35dB
◆高稳定性，双电源可热插拔，1+1保护；
◆完善的指示灯状态；
性能参数。
1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。
1-2 光纤通信有哪些优点光纤通信具有许多独特的优点，他们是：1. 频带宽、传输容量大；2. 损耗小、中继距离长；3. 重量轻、体积小；4. 抗电磁干扰性能好；5. 泄漏小、保密性好；6．节约金属材料，有利于资源合理使用。
第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。
我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层n a 、n b 和n c 等组成，如图2.1.2（a ）所示，而且 >>>c b a n n n 。
使光线1的入射角θA 正好等于折射率为n a 的a 层和折射率为n b 的b 层的交界面A 点发生全反射时临界角()a b c arcsin )ab (n n =θ，然后到达光纤轴线上的O'点。
而光线2的入射角θB 却小于在a 层和b 层交界面B 点处的临界角θc (ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB ' 折射进入b 层。
如果n b 适当且小于n a ，光线2就可以到达b 和c 界面的B'点，它正好在A 点的上方（OO'线的中点）。
假如选择n c 适当且比n b 小，使光线2在B '发生全反射，即θB ' >θC (bc) = arcsin(n c /n b )。
于是通过适当地选择n a 、n b 和n c ，就可以确保光线1和2通过O'。
那么，它们是否同时到达O'呢？由于n a >n b ，所以光线2在b 层要比光线1在a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。
这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b ）所示。
多维复用硅基集成光子器件储涛;郭德汾;吴维轲【摘要】从波长、模式、偏振几个维度的复用/解复用和路由出发,分别提出了新颖的器件设计方法并制作了相应的硅基光子器件,包括:阵列波导光栅器件(AWG)/刻蚀衍射光栅器件(EDG)、模式分离合束器件、偏振分离耦合光栅、偏振分离/分离旋转器件.AWG可以采用一步刻蚀简单工艺制作形成,EDG插损得到大幅降低,模式分离器件带宽增大,插损也得到降低,偏振分离耦合光栅的耦合效率得到有效提升,偏振分离/旋转器件的插损和带宽也被显著改进.以上器件全部符合互补金属氧化物半导体(CMOS)-180 nm工艺标准,这些器件的研制工作为多维度光波复用/解复用处理及传输提供了先进的器件技术保障.%In this paper,various silicon photonic devices designed for wavelength/mode/polarizationmultiplexing/demultiplexing are proposed,including arrayed waveguide grating (AWG) and etched diffraction grating (EDG),mode Mux/DeMux devices,polarization splitting grating coupler,and polarization splitting rotating device. With these novel devices,the following results can be achieved: (1) AWG could be formed by single step etching process; (2) EDG insertion loss is greatly reduced; (3) mode splitting device bandwidth increases,while the insertion loss is reduced; (4) the coupling efficiency of the polarization splitting grating coupler is effectively improved;(5) the insertion loss and bandwidth of the polarization splitting rotating device are also significantly improved. It is believed that the Mux/DeMux technologies on dimensions of wavelength/mode/polarization will be strongly supported by these silicon photonic devices,which are compatiblewith complementary metal oxide semiconductory (CMOS)-180 nm processing technologies.【期刊名称】《中兴通讯技术》【年(卷),期】2017(023)005【总页数】4页(P30-33)【关键词】波长复用/解复用;模式复用/解复用;偏振控制;硅光器件【作者】储涛;郭德汾;吴维轲【作者单位】浙江大学,浙江杭州310027;中国科学院半导体研究所,北京100083;浙江大学,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TN929.5随着信息社会的高速发展，海量数据信息的传输和处理面临着越来越高的要求。
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。
AWG产品介绍及工艺培训目录§AWG基本原理及应用§AWG结构§AWG生产工艺流程§AWG 工艺介绍AWG基本原理及应用AWG是什么?中文名:阵列波导光栅英文名: Arrayed Waveguide Grating它是一种平面集成波导型（PLC）的WDM器件,具有复用与解复用功能。
用AWG来实现WDM器件的原理最早由M.K. Smit于1988年提出。
AWG同时具有聚焦和色散的功能，也就是说，让同一波长的光聚焦于一点，同时对于不同波长的光，让其聚焦点发生色散偏移。
§AWG基本原理及应用结构原理图阵列波导输出波导输出波导自由传输区AWG基本原理及应用AWG基本原理及应用§AWG应用之一:V-mux§VOA与Mux相结合实现信道功率自动均衡.应用领域:发送单元业务上下接点光交叉接点AWG基本原理及应用§AWG应用之二§功率探测器阵列与Dumux相结合,实现同时监控所有信道的功率、波长、OSNR等参数.应用领域:传输系统的各个接点.AWG基本原理及应用§AWG应用之三波长选择器§SOA阵列开关与AWG相结合§实现高速波长选择§应用领域:§传输系统的光交叉接点特征§低插入损耗§高相邻通道隔离度§低偏振相关性§高可靠性AWGAWG芯片AWG 单纤FA工艺流程要求：161§工艺图示热盘准备准备夹具设置点胶机芯片清洗预处理盖板清洗预处理摆放下盖板§工艺图示放芯片点胶示意图点胶加上盖板盖压块4、详细参考CU组装操作指导书§工艺图示图一穿插芯图一粘玻璃块图一粘玻璃板图一穿光纤§工艺图示图一清洗图二装夹具图三设置热盘图一清洗图四粘玻璃板图五UV固化图六放置铝条图七图八放置玻璃块对光材料清洗§清洗要求:§ 1. 端面无灰尘,无异物.§ 2. 清洗完后,注意保护好清洗材料§避免二次污染.§3. 详细参考清洗作业指导书要清洗面对光要求:5.详细参考操作指导书紫外胶水紫外胶水对光平台精密调节架1、六维调节架2、调节精确微米级UV 固化设备1、光强2、时间点胶设备其他辅助设备光源、光开关、光谱分析仪、功率计等无热AWG 对光机台对光测试§测试平台示意图电脑控制测试多通道测试系统偏振控制器可调光源多通道功率计要求:1 、注意光纤保护,请参照相关知识2 、产品测试前,用标准件检测试系统是否正常工作。
温度不敏感硅基阵列波导光栅的研究徐延海【摘要】阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG)由于其损耗较低、尺寸小、结构紧凑、易于与其他器件集成等优点,成为实现波分复用与解复用器系统中的关键光学器件.近年来AWG的小型化和温度不敏感设计引起了关注.本文主要研究如何设计对温度不敏感的纳米线AWG器件.首先介绍了AWG的基本工作原理和一般结构,给出了温度不敏感AWG的设计方案.通过对相关参数的分析,并结合实例对温度不敏感AWG的研究.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2019(027)008【总页数】5页(P29-33)【关键词】AWG;温度不敏感;阵列波导光栅;光学器件【作者】徐延海【作者单位】陕西邮电职业技术学院陕西咸阳 712000【正文语种】中文【中图分类】TN722随着光纤通信的迅速发展，密集波分复用（DWDM）技术得以广泛应用，由于DWDM可以使多路不同波长的信号复用在单根光纤或者波导中，极大地提高了光纤通信速率和通信容量。
在DWDM系统中应用最为广泛的复用/解复用器是基于薄膜滤波器（Thin Film Filter，TFF）的复用/解复用器和AWG。
基于纳米线的AWG由于SOI的强限制作用，可以将器件尺寸做得很小，但是，由于纳米线波导的有效折射率对温度的波动十分敏感，限制了它在实际系统中的应用。
在AWG的芯片结构或者材料上采用特殊设计和工艺，以达到波长不随外界温度变化而变化的目的，进而不采用任何加热装置和控制电路。
1 AWG结构阵列波导光栅是一种基于平面光波回路（Planar Light Circuit，PLC）原理的角色散光无源器件，其基本结构如图1所示。
其核心部分是由输入波导、两个星型耦合的平板波导、阵列波导以及输出波导5个部分组成。
对有Nin个输入通道和Nout个输出通道的AWG，一般称之为Nin×Nout的AWG。
其中，平板波导是采用罗兰圆结构以减小衍射畸变。
第35卷，增刊、，o】．35Suppl em明t红外与激光工程h五脚铡卸d L童ser Engi ne嘶ng2006年10月O ct．2006基于自聚焦平板波导的新型A W G理论研究阎嫦玲，刘德明，鲁平(华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉430074)摘要：研究一种基于自聚焦平板波导的新型直波导阵列波导光栅(A W G)。
介绍了自聚焦平板波导的结构；用几何光学法分析其光学特性，提出了二维半矢量有限差分光束传榆法(s V FD．B PM)模拟光束在0．5节距自聚焦平板波导中先发散后会聚的传输过程，并介绍了这种基于自聚焦平板波导的直波导A w G的工作原理；最后设计了一个1×8的新型直波导A w G并用2D SV FD．B PM对其进行了模拟，模拟结果显示该l×8的新型A W G可以实现信道间隔为3．2nm的解复用功能。
关键词：自聚焦平板波导；二维半矢量有限差分光束传输法；阵列波导光栅；解复用中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增E．0110—07T he or et i c al st udy on a noV el A W G bas ed on se l f oc s l ab w aV egui deY A N Chang-l i ng，LⅣD e—I I l i ng，LU Pi ng(S‘．h∞l0f opt oel ecl姗i c Sci．&E ng．，H u趔l on g U n i v．o f Sci．&．Ikh．，W uhan430074。
C hina)A bs”act：A noV el岫ed—waVeguide gr at i I l g(A W G)ba se d o n s elf酏s lab w aV egui des i s pr op os ed i n tl li s paper．F i r St t he st l l l ct u r e of t he se l fbc sl a b w a V egui de i s i nt r o duced；n ext i t i s anal yzed by m y opt i cs．T hen2D seI nj—V ect or i a l f i ni t e di f艳r ence be锄pr opagat i on m em od(S V FD—B PM)i s adopt ed t o s i m ul at e t he di V e唱i ng and conV e r gi ng pr oces s t ha t t he beam pr opag at es i n a0．5pi t ch l o ng se l foc s l ab w aV egui de．L at er t he pr i nci pl e O f tl li s noV el A W G i s pres en t ed；f i nal l y a1×8unb ent A W G is des i gned and s i m ul at ed by t lle2D S V FD—B PM，m e si I I l ul at i on r e sul t show s t hat i t can acc om pl i sh w a V el engt h dem ul t i p l exi ng and i ts channel s paci ng is3．2nm．K ey w or d s：Sel f oc s l ab w aV egui de；2D seI I l i—Vect or i al f；i nit e di骶r ence be锄pr opagat i on m e m od(2D SV FD—B PM)；A-I T a yed—w aV egui de gr at i ng(A W G})；D em ul t i pl ex0引言90年代以来，阵列波导光栅(A w G)【11以其特有的优势成为光通信系统的关键密集波分复用器件。
第4章 复习思考题参考答案4-1 简述半导体发光基理答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.1所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
能带差E ∆和发出光的振荡频率o v 之间有hv E =∆的关系，h 是普朗克常数，等于6.625?10?34 J ?s ?。
由c vλ=得出1.2398hc E Eλ==∆∆（?m ） （4.2.1） 式中，c 为光速，E ∆取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV ）。
图4.2.1 半导体发光原理4-2 简述激光器和光探测器的本质区别答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差hv E E E =-=∆v c 的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b ）所示。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c ）所示，这就是光接收器件。
4-3 自发辐射的光有什么特点答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回v E 能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。
因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。
同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。
因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a ）所示。
4-4 受激发射的光有什么特点答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。
18.
企业精神：敬业·诚信·创新·和谐
一 概述
阵列波导光栅（ＡＷＧ）型复用／解复用器是一种平面波导器件，是在单个芯片上制作的阵列波导光栅。
ＡＷＧ型ＤＷＤＭ器件的特点是信道间隔小、插入损耗小且均匀性好、复用信道数多、体积小、易于与其它器件集成等等。
并且由于ＡＷＧ是波导集成器件，易于批量、自动化生产，在成本上有一定的优势，所以在４０或８０个波长的ＤＷＤＭ系统的驱动下，ＡＷＧ型ＤＷＤＭ器件推广的势头强劲。
目前ＡＷＧ芯片的制备工艺基本成熟，国外许多大公司都能提供商品化的ＡＷＧ芯片，并且价格也不断下调，但ＡＷＧ模块价格却保持较高的水平，原因是将ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准粘接在一起形成ＡＷＧ模块的耦合封装工作难度很大。
波导通道的横截面尺寸大约几个μｍ，将如此小的波导通道和芯径约９个μｍ的单模光纤精确对准，是非常困难的。
另外，虽然国内外对ＡＷＧ芯片的研究文章非常之多，但对既重要又有难度的耦合封装工作的报道却
非常少。
阵列波导光栅（ＡＷＧ）复用／解复用器的耦合封装技术研究
马卫东 宋琼辉，杨涛
武汉邮电科学研究院光迅科技股份有限公司
19.经营理念：持续·稳健·快速·规模
目前对准ＡＷＧ芯片和光纤阵列主要有手工对准和自动对准两
种做法，它们依赖的硬件主要有六维精密（电动程控）微调
架、光源和功率计等。
图１给出了目前典型的ＡＷＧ耦合封装系统
示意图，两个光纤阵列分别固定在六维精密微调架上，ＡＷＧ芯片
放在中间的支架上，左边为输入端，右边为输出端。
首先光源
的光进入左边输入端光纤阵列１，并将光电探测器下移到ＡＷＧ芯
片的右输出端，调节微调架１，通过监测光电探测器的读数来对
准光纤阵列１和ＡＷＧ的输入端，然后移走探测器；调节微调架２，
通过监测光功率计的读数来对准ＡＷＧ的输出端和光纤阵列２。
目
前这种对准方案存在耗时长，封装好的ＡＷＧ模块作为双向器件使
用时可能出现插入损耗过大的问题。
本文提出了一种新的ＡＷＧ耦合封装方案，先利用两个探测器
来监测ＡＷＧ通道的功率值，快速对准ＡＷＧ和光纤阵列，再利用光
功率的双向监测来完成ＡＷＧ和光纤阵列的最终对准。
新方案克服
了ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的
ＡＷＧ模块在双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使ＡＷＧ芯片的快速高质量耦合封装成为可能。
二、 波导和光纤耦合的理论分析
关于光纤和波导耦合的理论有很多的报道，二者的耦合效率由光纤模场和波导模场之间的重叠积分确定。
光纤和波导之间的接续损耗主要由如下损耗构成：光纤和波导之间的横向位错损耗、纵向间距损耗、轴向角度倾斜损耗、模场匹配损耗、数值孔径差异损耗等。
前三项损耗的大小取决于光纤和波导是否对得非常准，后两项损耗取决于光纤和波导的本身结构，与对准无关。
本文重点考虑光纤和波导之间的纵向间距损耗问题，因为横向位错损耗和轴向角度倾斜损耗可通过精确调节微调架来减小到可接受的值，而纵向间距损耗需要考虑纵向间距取值范围的问题。
图２给出了波导模场辐射出端口的示意图。
光波从宽度为 的条形波导的开口端辐射入自由空间，即使波导口外面已不是波
导，但在距离范围内，波仍然象有波导一样，受到一定的约束。
光能是在 这个特征长度上辐射损耗掉的。
从衍射理论可知
当比较小时式中为远场角，为光波波长。
从几何关系可知：
（１）
（２）
对于单模光纤而言，约为９μｍ，取１．５５μｍ，则（ｆｉｂｅｒ）约为２６μｍ。
对于ＡＷＧ芯片来讲，目前的发展趋势是在同一个硅片上做更多的ＡＷＧ来降低成本，如日本的ＮＴＴ在４英寸的硅片上做了２６个ＡＷＧ芯片，也即减小ＡＷＧ芯片尺寸，这样就必须增加芯和包层之间的折射率差，从而要求波导的横截面尺寸比较小（一般为矩形），ＮＴＴ的典型报道值为：芯层和包层折射率指数差为１．５％，芯尺寸为４．５μｍ×４．５μｍ。
根据公式（２），得到ＡＷＧ波导的（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）约为６μｍ。
图２ 波导开口端的辐射示意图
小于（ｆｉｂｅｒ）＝２６μｍ，因为在距离光纤端面（ｆｉｂｅｒ）以内的距离，从光纤里出来的高斯光束仍然能象在波导里面一样正常传播，高斯模场的模场半径基本保持不变，使光能量有效地耦合入波导；在距离光纤端面（ｆｉｂｅｒ）以外的距离，光能量会迅速散开，使光纤和波导之间的耦合效率大大
（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）＝６μｍ。
可见，对于相同的光纤和波导，当光从光纤耦考虑图１所示的ＡＷＧ对准系统，为了减小端面反射损耗，波导器件和光纤阵列的端面都抛成了斜８度角的形状。
从图中可以看出，当对准光纤阵列１和ＡＷＧ芯片时，光纤阵列１需要在Ｘ和Ｙ方向上进行大范围的频繁移动以便寻找最佳位置。
为了防止光纤阵列和ＡＷＧ芯片碰撞在一起而造成器件损伤，一开始就必须保证光纤和波导端面之间有较大的距离 ｚ，一般而言 ｚ≈１００μｍ。
对
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准时按预先设定的步长来减小ｚ值，直到发现合适的ｚ值为止；每减小一次ｚ值，光纤阵列１就要重新在Ｘ和Ｙ方向上寻找最佳位置，使光电探测器上的读数满足预定值。
由于光纤阵列１和ＡＷＧ芯片的耦合距离约为２６μｍ，是个比较大的值，因此ＡＷＧ芯片左端的对准时间Ｔ１比较小；ＡＷＧ芯片的右端和光纤阵列２的耦合距离为６μｍ，相对较小，因此ＡＷＧ芯片右端的对准需要更长的时间Ｔ２，我们的经验值是Ｔ２＝５￣１０Ｔ１。
按上述过程封装好的ＡＷＧ模块，光纤阵列１为ＡＷＧ复用器的输入端，光纤阵列２为输出端。
当这个模块用做解复用器时，光信号要从光纤阵列２进入，从光纤阵列１输出，而很可能光纤阵列１和ＡＷＧ芯片之间的耦合距离大于６μｍ，从而造成过大的损耗。
三 、实验和讨论
图３为我们提出的新的ＡＷＧ芯片耦合封装系统示意图，和图１相比，增加了一个光电探测器；将图１中的光源和光功率计分别改为光源、光功率计和光开关模块，以便实现双向光传输和探测。
首先是光从光纤阵列１进入，用光电探测器２探测，由于光纤阵列１和ＡＷＧ之间的耦合距离较长，实现光纤阵列１和ＡＷＧ左端的对准所用的时间Ｔ'１较小；沿ｚ轴向左一维移开光纤阵列１，并记下移动距离，然后移动光电探测器１于ＡＷＧ芯片左端，移走光电探测器２，使光从光纤阵列２进入ＡＷＧ，调节微调架２对准光纤阵列２和ＡＷＧ的右端，所用时间应该和Ｔ'１相当。
移走光电探测器１，并恢复光纤阵列１的位置，切换光开关，由光功率计１监测光纤阵列１中的光功率，如果功率值非常小，说明光纤阵列１距ＡＷＧ左端的距离大于６μｍ，只需小心沿一维ｚ轴向右移动光纤阵列１即可，直到光功率计上获得满意的值为止。
切换光开关，使光从光纤阵列１进入，从光纤阵列２出来并进入光功率计２，小心沿一维ｚ轴向左移动光纤阵列２，使连接在光纤阵列２上的光功率计２的读数达到预定值为止，这时ＡＷＧ芯片的右端和光纤阵列２的距离应小于６μｍ。
由于是沿一维ｚ轴向左（右）移动光纤阵列２（１），所以用的时间比较小，用Ｔ'２表示，一般而言Ｔ'２远小于Ｔ'１，故总时间约２ Ｔ'１。
从上面的分析可知，T＇１￣ T１，在图１所示的方法中，由于T２过
从上面的分析可知，T＇１￣ T１，在图１所示的方法中，由于T２过大（５￣１０T１），所以和图３所示的方法相比耗时较大；从上面的分析可知，用图３所示的方法封装出的ＡＷＧ器件，既可用做复用器，也可用做解复用器，而不会存在插入损耗过大的可能性。
图４为光纤和ＡＷＧ波导之间的归一化耦合损耗随两者之间耦合距离变化的实验关系曲线，图中的曲线Ｃ为光从光纤进入波导，曲线Ｂ为光从波导进入光纤（实验中所使用的精密微调架为美国ＮＥＷＰＯＲＴ公司的产品：Ｍ－５６１－ＴＩＬ；光功率计为日本安立公司的产品：ＭＴ９８１０Ａ；光源为武汉邮科院的产品：ＳＯＦ３５－Ｂ。
）。
从图中可以看出，耦合距离的变化从０增加到２５μｍ时（在显微镜下观察，光纤和波导端面非常接近时设耦合距离为０），曲线Ｃ显示损耗变化在０．１２ｄＢ之内，大于２５μｍ后，损耗增加很快；耦合距离的变化从０增加到５μｍ时，曲线Ｂ显示损耗几乎不变，大于５μｍ后，损耗增加很快；该实验结果和上述理论分析基本符合，对于曲线Ｃ在２５μｍ内有０．１２ｄＢ损耗的变化可这样理解：微调架沿ｚ轴移动时，很难保证严格沿ｚ轴运动而不发生任何偏离，特别是移动的距离越长，这种偏离就越大，因此０．１２ｄＢ的损耗可能是这种偏离所造成。
图４ 归一化损耗和耦合距离的关系
四、 结论
本文从理论上分析了光纤和波导端面之间的耦合长度与光纤（波导）横截面尺寸之间的关系，当光从光纤进入ＡＷＧ波导时，耦合长度约为２６μｍ，光从ＡＷＧ波导进入光纤时，耦合长度约为６μｍ；提出了一种新的ＡＷＧ耦合封装方案，即先利用两个探测器监测通道功率值，快速对准ＡＷＧ和光纤阵列，再利用光功率的双向监测来完成ＡＷＧ和光纤阵列的最终对准；该方案克服了ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的ＡＷＧ模块当双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使ＡＷＧ芯片的快速高质量耦合封装成为可能。
E
六维微调架 ２
光纤阵列２。
