AWG(陣列波導光柵)

AWG（Arrayed Waveguide Grating）

中文譯名

陣列波導光柵

分 類

光纖通信

簡 介

AWG(Arrayed Waveguide Grating)是密集波分復用系統（DWDM）中的首選技術。一組具有相等長度差的陣列波導形成的光柵，使用具有分波的能力。其原理為：含有多個波長的復用信號光經中心輸入信道波導輸出後，在輸入平板波導內發生衍射，到達輸入凹面光柵上進行功率分配，並耦合進入陣列波導區。因陣列波導端面位於光柵圓的圓周上，所以衍射光以相同的相位到達陣列波導端面上。經陣列波導傳輸後，因相鄰的陣列波導保持有相同的長度差ΔL，因而在輸出凹面光柵上相鄰陣列波導的某一波長的輸出光具有相同的相位差，對於不同波長的光此相位差不同，於是不同波長的光在輸出平板波導中發生衍射並聚焦到不同的輸出信道波導位置，經輸出信道波導輸出後完成了波長分配即解復用功能。這一過程的逆過程，即如果信號光反向輸入，則完成復用功能，原理相同。

我們可以簡單地將AWG理解為當前飛速發展的快遞行業中的包裝運輸技術，在同一個郵寄地點，當快遞員在收取每個人不同的包裹後，他會將其整理分類，把寄往同一方向的包裹歸為一類，統一運輸到目的地，再分發到各個收件人手中。在運輸的過程中，我們可能會對包裹的大小進行細分以實現運輸空間利用益最大化，如果還有多的空間，在中途也可以接收新的包裹加入進來，就是一個合與分的過程，這便是AWG的基本功能，如同快遞公司可以人為控制哪些包裹在哪個方向哪個地點分發接收一樣。

AWG現狀

陣列波導光柵（AWG）是正在迅速發展的DWDM 網路的關鍵器件。1988年，荷蘭Delft大學的Smit首先提出AWG 的概念。其重要的套用價值引起了NTT公司和Bell實驗室等機構的關注。經過十多年的研製開發，已研製出多種不同的AWG器件，並開始用於DWDM 系統。AWG具有濾波特性和多功能性。可獲得大量的波長和信道數，實現數十個至幾百個波長的復用和解復用。利用N×N 的矩陣形式。在N個波長上可同時傳輸N 路不同的光信號，並能靈活地與其它光器件構成多功能器件和模組。此外，AWG還具有高穩定性及好的性價比，非常適合高速大容量的DWDM 系統使用。AWG器件是以光集成技術為基礎的平面波導型器件，具有平面波導技術的潛在優點，適宜於批量生產，重複性好，尺寸小，插入損耗均勻性較好，加溫控後熱穩定性可達0.0013 nm/℃，並且可與有源器件集成，組成光電積體電路（OEIC）等，是未來發展的主流技術。

目前國內外開發的DWDM技術主要有3種類型，它們分別基於陣列波導光柵（AWG—Arrayed Waveguide Grating）和介質膜濾光片（TFF）以及光纖光柵（FBG）技術。AWG是一種平面波導器件，是利用PLC技術在晶片襯底上製作的陣列波導光柵。與FBG和TTF相比，AWG具有集成度高、通道數目多、插入損耗小、易於批量自動化生產等優點。

AWG發展

多通道數AWG的研製。多通道數AWG器件的研製充分利用光纖的巨大頻寬，更有效的實現光纖通信系統的擴容，滿足人們不斷增長的通信需求。

平頂頻譜回響的研究。對於一般的高斯型AWG器件，由於3dB頻寬較小，外界因素（如光源波長漂移、工作溫度漂移等）的影響大大限制了它在WDM系統中的套用。平頂型器件具有以下顯著優點：允許光信號的高速調製；允許光源波長有一些偏移；對因溫度變化引起的中心波長偏移不敏感；允許因偏振引起的少許波長偏移；允許系統串聯多個DWDM或濾波器等器件而不引起系統性能的顯著下降。已經有很多的平頂方法的報導，比如在器件的輸入端加入特殊結構（MMI結構、Taper結構以及拋物型結構）；採用多個子光柵設計；採用多聚焦成像點設計等。

消除偏振相關性。在AWG器件中，由於TE模式和TM模式的傳播常數不同會造成AWG頻譜回響的偏振相關問題，這會影響器件的性能。相應的消除方法有很多，比如在陣列波導的中心區域插入半波片；在陣列波導區域(或者自由傳輸區)加入偏振補償區域；採用應力釋放槽設計；無雙折射波導結構設計以及採用雙折射補償層設計等方法。

基於AWG的混合集成（Hybrid Integration）、單片集成（Monolithic Integration）多功能器件。在Si基底或者半導體基底材料的基礎上，通過混合集成和單片集成，可以把半導體光放大器（SOA）、光探測器（Photo-detector）等有源器件和AWG集成在一起，擴展了AWG的功能。

有機聚合物（Polymer）AWG。由於聚合物器件比相應矽基底器件成本低，其熱光係數比矽大10倍左右，因此聚合物波導可在更寬範圍內實現溫度調諧，所以聚合物AWG已引起了人們的重視。

套用領域

AWG的基本功能是波長的合波/分離，可以實現波長復用/解復用、插/分復用、波長路由等。通過與光開關結合，可進行波長選擇。AWG也可和多波長雷射器一起，組成多波長光源。

①復用/解復用器

②波長路由器

③光分插復用器

④多波長光源

⑤光波長選擇器（OWS）

⑥多波長接收器

⑦多信道均衡器

AWG的原理

當含有λ1，λ2……λn波長的復用信號被耦合到AWG的輸入波導時，在羅圓周上，復用的光信號將在聚焦的輸入平板波導內並產生衍射的高斯光束，衍射的高斯光束投射到陣列波導的輸入口。為使陣列波導對衍射光場有儘可能高的耦合效率，要求陣列波導的數量必須大於輸人/輸出波導數N。這意味著陣列波導的數值孔徑（NA）比輸入/輸出（I/O）波導的數值孔徑大，而且輸入平板中的衍射光和輸入波導一樣，都會聚到同一光斑尺時上，也就是說，把陣列波導和兩個平板波導組合起來建立1:1圖像格式系統。因此，一個輸入波導出口處的光場幾乎無失真地傳輸進合適的輸出波導。

由於陣列波導間任何兩相鄰波導都有著相等的長度差ΔL，這種結構將使陣列波導中傳輸的復用光信號產生與波長相關的不同相位差或（不同的相位延遲），其相位延遲等於ΔL/λi，λi為復用光信號的波長。所以陣列波導所起的作用和衍射光柵一樣，故把陣列波導稱為AWG，而且AWG的濾波特性比其他濾波器（如介質膜干涉濾波器和光纖光柵濾波器）更加優越，不僅有更寬的濾波頻寬，而且還可得到更加密集的波長間隔，這對DWDM來說，是十分有利的。

正因為陣列波導中相鄰波導間存在著固定的長度差，當復用光信號在這樣結構的陣列波導中傳播時，相應於ΔL的相位偏移將強加在每個波導中傳輸的光信號，使每個給定波長的信號以不同的波前傾斜聚焦在輸出平板波導的焦線上。如果通過設計正好把輸出波導的連線埠定位在輸出平板波導焦線上，則不同波前傾斜的光信號便耦合到輸出波的不同信道中。當覆信號光從非中心信道波導輸入時，平板波導內的衍射光以傾斜波前耦合進入陣列波導，此時輸出信號光的波長由輸入/輸出信道波導的位置和波長間隔共同決定。

光柵方程是所有各種光柵器件的最根本的理論基礎，光在各種光柵器件中的傳輸都必須滿足光柵方程。不同結構的光柵器件所滿足的光柵方程在形式上雖然可有不同，但是基本原理都是一樣：光在光柵器件中傳輸時，只有那些光程彼此相差波長的整數倍的光才能產生干涉或衍射而得到加強。陣列波導光柵的分光性能類似於普通光柵，但它不同於普通光柵之處在於：普通光柵的光束是在自由空間中傳播的，而AWG中的光束是受波導約束的導波。所以分析和設計AWG需用導波光學和衍射光學分別處理光束的傳播問題，如條形波導、平面波導的傳播常數，過渡區的耦合，串擾的估算等要用導波光學，而光束在平板中的遠場衍射，干涉聚焦等要涉及到衍射光學。

羅蘭圓

工藝簡介

AWG是第一個將平面波導線路（Planar Lightwave Circuit）技術套用於商品化的元件。其做法為在矽晶圓上沉積二氧化矽（SiO2）膜層，再利用微影製程（Photolithography）及反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etch）定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層即可完成。由於AWG使用與一般半導體相同的製程，在多通道數的製作成本與低通道數相差不多，但更適合量產，而且整合度（integration）較高，因此在多通道元件及日後發展上具有相當的潛力。