AWG介绍二：设计和优化

作者：光纤在线特约编辑万助军
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：输出波导接收的光场为阵列波导输出位置光场的傅立叶变换，如果在阵列波导输出端得到sinc函数（sinc(x)=sinx/x）分布的光场，则其通带为近似矩形。
一般情况下，在阵列波导输出端得到的光场如图20（a）所示；通过调整阵列波导输入端口径，可以改变其输出端光场，如图20（b）所示；在某些波导的输出端引入π相移（可通过调整波导长度差来实现），如图20（c）所示；阵列波导的最终输出光场为图20（b）和（c）函数的乘积，如图20（d）所示，其波形类似sinc函数分布，因此在输出波导可得到近似矩形的通带特性，如图21所示。
           
                                     a) 
           
                                     b)
           
                                     c) 
           
                                     d)
图20. a)阵列波导输出端光场，b)通过改变阵列波导输入端口径得到的输出端光场，c)在某些阵列波导输出端引入相移，d)阵列波导最终输出光场为c)和d)两函数的乘积

            
                   图21. 通过在阵列波导输出端引入相移得到的通带特性

4)输入端接MZ干涉器：在输入波导与输入星形耦合器之间串接一个MZ干涉器，如图22（a）所示，输入星形耦合器将有两条输入波导，不同波长的光场在输入端呈现不同的分布情况，如图22（b）所示。这样，在中心波长的附近，损耗将得到一定的平衡，从而实现平坦化的通带特性，如图23所示。
              
           图22. a)输入端接MZ干涉器的AWG结构，b)不同波长的光场在输入端分布情况

        
                  图23. 通过在输入端接MZ干涉器得到的通带特性

    前面两种方案，其本质都是通过改变输入光场与输出光场之间的耦合特性来优化通带特性；第三种方案是从傅立叶分析的角度实现通带平坦化；第四种方案是在透彻理解输入波导平面与输出波导平面之间的镜像关系的基础上，直接对通带内各波长的损耗进行均衡，实现通带平坦化。
第一种优化方案存在应用局限性；第三种优化方案工艺复杂，难以控制；第二种优化方案会增加额外的损耗，大约3dB；第四种优化方案工艺简单，也不会引起额外的损耗，通带平坦化之后的总损耗<3.5dB，缺点是串接的MZ干涉器会增加器件尺寸。