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AWG插入損耗性能的分析和改善

2012-10-30  閱讀(3276)

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  要:陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是實現(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重要性能指標.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.
   
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)的角色散型無源器件,由一個相位控制器,一個衍射光柵和輸入/輸出波導(dǎo)組成.與其他光柵技術(shù)相比,AWG具有設(shè)計靈活、插入損耗低、濾波特性良好、性能長期穩(wěn)定、易與光纖有效耦合和適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點,在DWDM光網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用,可以實現(xiàn)濾波、復(fù)用/解復(fù)用、光分插復(fù)用(OADM)等功能.


  AWG是一種無源光器件,插入損耗是它的一項重要性能指標.近年來,人們在降低AWG器件的插入損耗方面做了大量的研究,提出了許多實用的設(shè)計方法.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展,并在理論上分析了楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對模場失配的優(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.


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 AWG的基本原理及其損耗特性
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1 AWG的基本原理
  AWG基于凹面光柵原理,1988年由荷蘭人MKSmit提出1AWG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)對光進行限制和傳輸,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,對稱地分布在器件的兩端.陣列波導(dǎo)中相鄰波導(dǎo)的長度差為一常數(shù),可對入射光的相位進行周期性調(diào)制,因此稱這種器件為AWG.不同波長的光信號進入輸入波導(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)中的具有不同波長的光信號匯集到同一根輸出波導(dǎo)中,完成復(fù)用功能.

12 AWG的插入損耗分析
  在實際應(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節(jié)點的積累作用,系統(tǒng)性能會隨節(jié)點數(shù)的增加而惡化,因此在各種無法使用光放大器的接入網(wǎng)中,對AWG器件的插入損耗提出了很高的要求.同時,隨著器件尺寸的增加,AWG的插入損耗也會相應(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.因此對于多通道的AWG器件,插入損耗是一個重要的性能指標.
  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)換損耗有兩個主要來源,一是平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過渡損耗,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)換損耗的另一個來源則是光纖與波導(dǎo)之間的模場失配引起的連接損耗,這種損耗會隨著光纖與波導(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)鍵在于減小光場傳輸過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選擇波導(dǎo)芯層與覆蓋層的折射率差Δ來減小,使用045%的折射率差Δ可以明顯減小這類損耗2.而對于平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)之間的過渡損耗,是由AWG本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的,對器件性能的影響很大,人們提出了許多方法來減小這一固有損耗.例如,對于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60min的紫外光照射,AWG器件的插入損耗可以達到zui小值30 dB

zui近有文獻報導(dǎo),在AWG的平板波導(dǎo)中加入相位調(diào)整元素——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,可以使傳播光場與陣列波導(dǎo)本征模場失配造成的損耗大大減小.實驗中選擇島區(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93 dB降至13 dB
  以上各種降低插入損耗的辦法大多是針對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,或者會增加器件的制作難度,提高對工藝容差的要求,與實用化的目標尚有一段距離.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.下面我們對這種簡單而有效的設(shè)計方法進行分析,并給出模擬結(jié)果.


2
 理論分析及模擬結(jié)果
2
1 過渡區(qū)理論
  根據(jù)光波導(dǎo)理論,光場在兩種不同的波導(dǎo)中傳輸,由于模場的失配,會產(chǎn)生相當大的反射和模式轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致光場能量的極大損耗.通過在波導(dǎo)的連接處加入漸變的過渡區(qū),可以在各種不同的模場之間進行平滑的轉(zhuǎn)換,有效地減小耦合損耗.從實用的角度來說,zui簡單的過渡區(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,并且當這個高階模在楔形區(qū)域的單模端附近截止時,能量就會輻射出去.根據(jù)過渡區(qū)理論,兩種不同光場模式模式m和模式n)之間的能量轉(zhuǎn)移因子Pmn滿足6Pmn

    

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而且是漸變的.由于κmnΔβmn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,通過求解方程(1)來確定過渡區(qū)的形狀及zui小長度.但在通常情況下,方程(1)只能通過數(shù)值方法求解.
  計算和分析表明,如果楔形過渡區(qū)足夠長通常為幾百μm),并且是緩慢變化的,即楔形分叉角足夠小通常<1°),過渡區(qū)域內(nèi)的損耗將會很小.這時,過渡區(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簡單的線型過渡區(qū).若楔形區(qū)域無限長,就是嚴格無損耗的理想狀態(tài).我們模擬了采用不同長度的過渡區(qū)時,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,在沒有過渡區(qū)(0μm)時,總的輸出功率低于93%,而隨著過渡區(qū)域長度的增加,波導(dǎo)之間的耦合損耗大大地降低了.

22 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)之間加入漸變的過渡區(qū)可以減小導(dǎo)模光場的發(fā)散,降低插入損耗.而且,過渡區(qū)的制作只需改變波導(dǎo)的寬度,可以方便地通過光刻掩膜版的設(shè)計來實現(xiàn).通過優(yōu)化過渡區(qū)的分叉角、長度以及折射率等參數(shù),可以使器件的插入損耗達到期望值.AWG的設(shè)計可以采用這一簡單有效的方法,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8通道的AWG器件為例設(shè)計參數(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,長度100μm,分叉角08°),增加波導(dǎo)的有效接收寬度,同時增大進入信道的波長范圍,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,85可以產(chǎn)生很好的效果.模擬結(jié)果如圖4所示.點線為沒有楔形波導(dǎo)的情況,實線是有楔形波導(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).當有些光場模式不能有效地耦合入陣列波導(dǎo)時,就會產(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,長度100μm,分叉角08°)對降低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),并且每一個信道和波長的插入損耗都被同等地降低了4dB

3 結(jié)束語
  AWGDWDM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的插入損耗是一個重要的性能指標.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)來降低模式失配所導(dǎo)致的耦合損耗.這種方法原理簡單,可以通過光刻掩膜版的設(shè)計方便地實現(xiàn),在不增加器件制作難度的同時大大降低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,是一種靈活、簡單且有效的方法.

參考文獻:

1] Smit M KNewfocusing and dispersive planar componentbased on an opticalphased arrayJ].Electronics Letters1988,24(7)385386
2] Takagi A,Kaneko A,Ishii M,et alLowloss and flat passband 1×8 arrayedwaveguide grating multidemultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area networksA].OFC2000C].Baltimore2000WH513
3] Sugita A,Kaneko AOkamoto A,etalVerylowinsertion loss arrayedwaveguide gratingwith vertically tapered waveguidesJ].Photonics Technology Letters,200012(9)11801182

 

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