AWG介绍二:设计和优化一、AWG的设计步骤AWG参数中有多个自由度,因此其设计步骤也有多种,一个典型的设计步骤如下:1)由设计要求确定信道数N和信道间隔Δf;2)确定波导宽度W和折射率差Δ:要求波导满足单模条件,并考虑波导的最小弯曲半径(这对器件布版非常重要)随W和Δ单调递减,SiO2波导一般取W=6um,Δ=0.75%;3)确定输出波导间距dr:AWG的串扰随dr的减小而增加,如图8,根据对串扰的要求确定dr;图8.串扰与输出波导间距的关系4)确定罗兰圆直径Ra:AWG的损耗均匀性≈8.7(θmax/θ0)2,而Ra=Smax/θmax,由边缘通道的位置Smax和衍射角θmax决定;5)确定阵列波导间距da:da越小则器件的损耗越小,在阵列波导与星形耦合器相接处,应使波导间隙尽量小,接近光刻极限;6)确定阵列波导中相邻波导长度差ΔL:阵列波导的色散D∝ΔLRa/da且D=dr/Δf,由此决定ΔL;7)确定阵列波导数Na:边缘阵列波导相对于输入波导的张角2θa影响损耗和串扰,如图9所示,根据损耗和串扰要求选定θa,再计算阵列波导数Na=2θaRa/da+1。图9.阵列波导张角与损耗和串扰的关系8)选择AWG的布版方式:布版需要考虑输入/输出端口的设置和尽量缩小器件的布版面积,常用的布版方式有两种,如图10所示。图10.AWG常用的布版方式二、减小AWG损耗的途径在AWG的输入星形耦合器中,如图3(a)和图11中虚线所示,输入波导发出的光场呈高斯分布,分配到各条阵列波导中。如果在阵列波导的输出端能够得到同样的光场分布,就能够无损耗的耦合到目标输出波导中。实际上,由于端口位置波导间隙的影响,在阵列波导输出端得到的光场如图11中实线所示,光场被撕裂,因此产生耦合损耗。如果采用强限制波导(折射率差较大)或者波导间隙较大,光场被完全撕裂,损耗较大;如果采用弱限制波导或者波导间隙较小,光场未完全撕裂,损耗较小。图11.阵列波导输入/输出端的光场分布针对产生损耗的机制,减小AWG损耗的途径如下:1)在阵列波导接口位置,采用锥形设计逐步减小波导间隙,直至光刻极限;2)进行二次光刻,对阵列波导接口位置采用折射率差较小的材料组合。三、AWG的消偏振设计因阵列波导的双折射效应,TE模和TM模的衍射聚焦位置不同,产生PDL,甚至两个模式聚焦到不同波导中,如图12所示。图12.AWG中的PDL问题针对PDL的产生机制,消除的方法如下:1)采用零偏振波导:通过适当的参数设计和工艺优化,可以得到双折射系数极低的零偏振波导,如图13所示。图13.掩埋矩形和脊形零偏振波导结构2)衍射级次匹配:让AWG的FSR等于偏振引起的频移Δfpol,则TE模的m级衍射波长与TM模的m-1级衍射波长重合,二者衍射角相同,如图14所示。图14.通过衍射级次匹配实现消偏振3)色散匹配设计:在每条波导中插入一段双折射系数不同的波导,其长度以δL递增,如图15所示。图15.通过色散匹配实现消偏振4)偏振分离输入:将TE模和TM模分离之后再输入AWG,如图16所示。图16.通过偏振分离输入实现消偏振5)半波片法:在每条波导的中间插入一片半波片,使波导的前后两段发生TE模和TM模的转换。四、AWG的通带平坦化设计阵列波导输出的光场,在输出波导的端口进行衍射重构,这个重构光场与输出波导的能量耦合所表现出来的波长特性,即为AWG的传输谱线。通带未优化的AWG,表现为高斯型谱线,如图17所示,难以实用,因此必须进行通带平坦化设计。图17.高斯型AWG谱线1)采用多模输出波导:在输出星形耦合器中采用多模输出波导,如图18(a)所示,衍射重构光场与多模波导的能量耦合,表现为平坦化的通带特性,如图18(b)所示,因为输出波导为多模,该方法只能用于解复用器,并且解复用的信号只能由探测器接收,而不能无中继的继续传输。a)b)图18.a)多模输出波导,b)通带特性2)输入端接多模干涉(MMI)耦合器:在输入波导与输入星形耦合器之间串接一个MMI耦合器,将输入光场变成一个双峰波形,如图19(a)所示,优化前后的通带特性分别如图19(b)中的虚线和实线所示,可以看到,通带优化后的AWG,其损耗增加了大约2dB。将MMI耦合器设计成牛角形状,可以进一步优化损耗和通带特性。a)b)图19.a)输入端接MMI耦合器,b)优化前后的通带特性3)在阵列波导输出端引入相移:输...