光电子课程设计阵列波导光栅汇编.docx

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光电子课程设计阵列波导光栅汇编

光电子器件课程设计

论文题目：

波导型Bragg光栅的设计

学院名称：

机械工程学院

专业班级:

光信息1102

学生姓名：

陈志勇

学生学号：

3110303034

指导教师：

陈明阳

2015年3月25日

一、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,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。

二、阵列波导光栅的结构和原理

要明白阵列波导光栅（AWG-ArrayedWaveguideGratings）的原理，我们首先要知道凹面光栅与罗兰圆

凹面光栅：

在凹球面上刻划一系列等间距的线条，同时具有衍射和聚焦两种功能；

罗兰圆：

直径等于凹面光栅的曲率半径；

特性：

罗兰圆上任一点发出的光，衍射之后仍聚焦在罗兰圆上，不同衍射级次对应不同衍射角，满足衍射条件：

1、AWG的结构

输入星形耦合器输出星形耦合器

一个标准的AWG器件由五部分组成：

输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器和输出波导阵列。

阵列波导：

波导长度以ΔL递增。

输入星形耦合器：

输入波导的端口位于罗兰圆上，而阵列波导的输入端位于两倍直径的圆周上。

输出星形耦合器：

输出波导阵列的端口位于罗兰圆上，而阵列波导的输出端位于两倍直径的圆周上。

2、AWG的基本工作原理

输入星形耦合器与输出星形耦合器为镜像关系，输入波导镜像为输出波导阵列中的波导C，而阵列波导相当于一个凹面反射型光栅，与普通凹面光栅的区别是，在相邻光栅单元之间引入了光程差naΔL。

从波导C发出的光，在阵列波导的输出端发生反射型衍射，不同波长被衍射到不同角度θ，从而被不同输出波导接收，实现波长解复用。

当含有λ1，λ2…λn波长的复用光信号被耦合到其中一个输入波导，经平板波导衍射后耦合进阵列波区。

因阵列波导端面位于光栅圆周上，所以衍射光以相同相位到达阵列波导端面。

相同相位的衍射光经过长度差为△L的阵列波导后，产生了相位差，且相位差和波长有关。

于是不同波长的光波经过输出平板波导以不同的波前倾斜聚焦到不同的输波导位置．完成解复用功能反之，可将不同输入波导中的具有不同波长的光信号汇集到同一根输出波导中，完成复用功能。

阵列光栅复用器工作原理和衍射光栅型复用器基本相同。

三、AWG的光栅方程

AWG满足的光栅方程为:

、

为光在输入输出平板波导上的衍射角，i、j为输入输出波导的序列号（中心波导记为0），为输入输出端的波导间隔，Lf为平板波导的聚焦长度。

对于由中心波导输入并由中心波导输出的中心波长满足

、

通过对

的设定可以决定衍射级数，一般较大的m可以产生较高的分辨率.

四、AWG性能分析

1.中心频率偏差：

中心频率与实际中心频率之差。

对于WDM系统来说，由于信道间隔比较小，一个很小的信道偏移，就有可能造成极大的影响。

因此，ITU-T建议左右不超过10%。

光源频率啁啾、自相位调制引起的脉冲展宽以及温度等因素都会引起系统工作频率发生漂移。

2.插入损耗：

穿过AWG器件的某一个特定光通道所引起的功率损耗。

低的插入损耗是无源器件所必须的，对于一般SiO2基AWG来说，其插入损耗值是3dB左右。

AWG器件的插入损耗分主要两类：

一是平板波导和阵列波导之间结处的转换损耗

二是光纤和阵列波导之间模场失配所引起的耦合损耗。

对于多通道的AWG器件。

插入损耗是一个关键的性能指标。

3.AWG串扰的主要来源有以下六个方面：

（1）输出波导间的模场的弱耦合是串扰的最直接来源，相邻波导间通过衰减场进行弱耦合，能量相互进入相邻通道。

（2）由于阵列波导孔径的宽度有限（即阵列波导的数目有限），在输入平板波导中只有部分衍射光能进入阵列波导，结果使场被截断，导致输入孔径的功率损失，并在输出孔径处，焦场的旁瓣增多；

（3）如果阵列波导不是严格的单模，在弯曲波导处就会激发高阶模。

由于基模和高阶模的传输常数不一样，两者将会汇聚在不同位置，引发串扰；

4）阵列波导输入、输出部分的耦合会使相位畸变；

（5）由于制备过程的缺陷，使传播常数畸变，导致相位传输的误差，最后使串扰增加；

（6）在结或波导边缘，光被散射出波导。

4.偏振相关性：

AWG器件的偏振相关性来源于波导和材料的双折射。

对同一波长而言，TE模和TM模的有效折射率是不同的，因此会引起在TE模和TM模之间产生波长漂移

在光纤通信网中，传输线大多是普通单模光纤，无保偏特性，因此AWG在实际应用中必须消除对偏振的敏感性。

5.温度相关性：

在实际DWDM系统应用时，AWG信道波长的温度相关性是一个严重问题。

温度使波导的折射率发生改变，从而使信道的中心波长漂移。

为了稳定信道波长，需要附加一些温控单元，如加热器、Pltier冷却器等，这些将导致系统代价的升高，因此迫切研制温度无关的AWG。

五、应用

1、AWG波分复用器的设计

进行AWG波分复用器设计主要参数：

波导芯的厚度和宽度、模的有效折射率和群折射率、衍射级数、相邻波导间距、相邻阵列波导的长度差、平板波导的焦距、自由光谱区（FSR）、最大信道波导数和最小阵列波导数等参量。

2、AWG的研究现状

AWG复用/解复用器的衬底材料目前主要有三种：

石英、InP和硅。

石英衬底避免了硅衬底与二氧化硅热膨胀系数不同导致的在生长厚二氧化硅时的龟裂问题，且石英熔点比硅高，可以提高热处理的温度降低器件的传输损耗。

但这种衬底不利于集成。

InP基的AWG波分复用/解复用器，这种器件的材料折射率差较大，尺寸小，与InP基的激光器和探测器等有源器件集成可实现多波长的激光器、探测器等，但偏振色散大。

目前硅基二氧化硅AWG器件性能最好，最大通道数实现了1010，通道间隔为25GHz，插入损耗为几个分贝，串扰值小于-35dB。

而InP基AWG器件最大通道为64，通道间隔为50GHz，插入损耗为7~14dB，串扰值小于-20dB。

但InP基AWG器件性能正在逐渐提高，其最大的缺点是波导尺寸小，与光纤耦合困难。

在系统应用方面，硅基AWG已进入系统商业应用，InP基的AWG也已应用到波分复用试验网中。

但是硅基SiO2AWG器件也存在一定的问题，高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困难，需要的设备复杂，造成器件价格一直居高不下，这对AWG器件的应用很不利。

因此，许多研究者开始研究硅基聚合物AWG器件，这种器件具有价格便宜、工艺简单、折射率调整容易、透明性好、偏振不灵敏以及热稳定性好等优点，使其在与无机材料AWG器件的竞争中处于有利的地位。

3、AWG波分复用/解复用器的研究方向

主要有两个：

一是优化AWG的性能，主要是减小损耗、串扰、偏振色散，提高中心波长的稳定性和精确度，提高输出波长的平坦度，提高温度不敏感性等。

另一个是拓展AWG的功能，利用单片集成技术，构筑系统或网络所需要的功能模块，提高器件的集成度，朝高密集方向发展，即增加AWG的通道数量和减小通道间隔。

六、波导型Bragg光栅的设计

设计一种波导型Bragg光栅，通过Rsoft软件的GratingMOD模块计算，获得光栅的结构参数及性能。

步骤：

一、初始化

相关参数的获得：

波导结构（Slab2D）参数：

背景折射率（3.4），波导折射率3.41（或自定），波导直径6um，中心波长1.36；

设计指标

带宽B=3.6（nm）；允许偏差±10%

反射率90%>R≥80%，允许偏差±5%

二、软件模拟

（1）初步设计：

用GratingMODGratingLayout模拟输出光栅（=1000，=3.4，=0.005），设置中心波长=1.36um；得反射谱图样：

运行

其周期为0.1995，但带宽远大于设计要求，中心折射率高于要求。

（2）进行优化：

光栅长度：

110、调制深度：

0.0061；得反射谱图样：

其中实际峰值波长=1.36016um，反射率为R=0.815，带宽d=3.62nm,基本符合要求。

通过这个选项卡，可改变DutyCycle（占空比）和ChirpCoefficient（啁啾系数）。

其他条件保持不变，改变占空比，分别取为0.1，0.5，0.9，其反射谱图为

从上图可知改变其占空比，其基本数值基本没有改变。

其他条件保持不变，改变其啁啾系数，分别取0,5,10

从上图可以得出，啁啾系数增大，带宽增大，峰值反射率减小；啁啾系数减小，带宽减小，峰值反射率增大。

记事本打开程序：

Length=110

ModDelta=0.0061

N0=background_index

Period=0.1995

alpha=0

background_index=3.4

delta=0.01

domain_max=20

eim=0

free_space_wavelength=1.36

grating_scan_option=7

height=0

index_display_mode=DISPLAY_CONTOURMAPXZ

k0=（2*pi）/free_space_wavelength

mode_length=default

monitor_step_size=Period/4

profile_type=PROF_STEPINDEX

sim_tool=ST_GRATINGMOD

slice_step_size=Period/4

step_size=Period/4

width=6

user_taper1

type=UF_GRATING

gr_profile_type=0

gr_apodization_type=APOD_UNIFORM

gr_chirp_type=CHIRP_LINEAR

gr_phase=0

gr_period=Period

gr_apodization_coef=0

gr_chirp_coef=10

enduser_taper

segment1

color=12

index_taper=TAPER_USER_1

begin.x=0

begin.z=0

end.x=0relbeginsegment1

end.z=Lengthrelbeginsegment1

end.delta=delta+ModDelta

endsegment