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1、------------------------------------------------------------------------------------------------阵列波导光栅设计原理及优化_郑国兴第31卷第1期 2002年1月 ACTA光子学报 Vol.31No.12002 PHOTONICASINICAJanuary阵列波导光栅设计原理及优化郑国兴 杜春雷(中国科学院光电技术研究所,微细加工光学技术国家重点实验室,成都610209)摘 要 本文从波导光学和衍射光学理论出发,推导出阵列波导光栅
2、(Arrayed-WaveguideGratings)型波分复用器的重要结构参量;针对其性能参量,提出了一些优化设计方法.关键词 阵列波导光栅;结构参量;优化0 引言 密集波分复用(DWDM)技术为光纤通信向大容量、高速率发展提供了有效途径,而DWDM系统中的关键器件是波分复用器/解复用器.波分复用器大致分为介质膜滤波器型、光栅型和平面波导型等,——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------
3、-------------------------------------------未来DWDM系统对波分复用器的发展要求是:大通道数、损耗及其偏差小、串扰小、偏振相关性小等.基于PLCs(PlanarLightwaveCircuits)的平面光波导器件阵列波导光栅(AWGs)型波分复用器具有波长分辨率高、集成化、通道串扰小和插入损耗小等优点,很适宜于大通道数波分复用器件.目前,AWGs已成为国内外研究机构和通信公司研究的热点.AWGs的分光性能类似于普通光栅,但AWGs不同于普通衍射光栅之处在于:普通光栅的光束是在自由空间
4、中传播的,而AWGs中的光束是受约束的导波.所以分析和设计AWGs需用导波光学和衍射光学分别处理光束的传播问题,如条形波导、平板波导的传输常量,过渡区的耦合,串扰的估算等等需要用到导波光学;而光束在平板波导中的远场衍射,干涉聚焦等等则需用到衍射光学.本文正是基于此,对AWGs的参量及优化方法进行了详细的讨论.图1 阵列波导光栅原理图Fig.1 Principleofarrayed-waveguidegratings波导和阵列波导组成,以上器件均集成在一块衬底上,一般呈对称结构.如图1所示.解复用的原理是这样的:一束复合载波信号
5、(Kl…KN)经过一根输入波导后,在输入平板波导发生高斯远场衍射,由于输入波导端口与阵列波导端口均处于一罗兰圆上,复合光等相位地进入阵列波导;而相邻阵列波导间有一个固定长度差$L,从而产生一定的相位差(对同一波长——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------而言)$<=k0nc$L(1)式中,k0为真空
6、中的波数,nc为阵列波导的有效折射率.这样,从阵列波导口出来的、具有不同相位的同波长光束将在输出平板波导的聚焦面上干涉聚焦.不同波长的光束由于相位差异,将聚焦于不同的位置,从而实现解复用的功能.1 AWGs原理及参量设计1.1 AWGs原理AWGs主要是由输入/输出波导、二个平板34光子学报 31卷图2 输入、输出平板波导放大图Fig.2 Enlargedviewofinputandoutputslabwaveguides1.2 AWGs参量设计 1阵列波导长度差$L图2是输入平板波导和输出平板波导的放大图.对于对称型AWG
7、s,设平板波导的聚焦半径为f,阵列波导之间的最小间隔为d,输入、输出波导之间的最小间隔为D.如图2(a)所示,设某一波长光束从距离输入波导中心x1处入射(x1以顺时针方向为正),聚焦于距输出波导中心x处(x以顺时针为正),如图2(b)所示.下面通过追踪其中的两根相邻光线来导出AWGs参量的重要关系式.在图3中,两束相邻波导中出来的光汇聚于t(qt=x)点,在罗兰圆结构中,∠oqp=op/f=-s/f,其中,s以o为起点,顺时针方向为正,表示阵列波导端口上离开o点的距离.在△pqt中———————————————————————
8、———————————————------------------------------------------------------------------------------------------------pt=f+x-2xfcos(P/2-∠oqp)(2)因
