3.8 阵列波导光栅（AWG）工作原理及器件

以阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating, AWG）为基础的平面波导集成电路（Planer Lightwave Circuit, PLC）在光纤通信器件中占有重要的地位。以InP为基础的AWG的显著特点是，尺寸小、成本低、设计灵活和易于和光纤耦合，具有平坦的频率响应，小于3dB的插入损耗，优于-35dB串扰电平以及易于和光电探测器、激光器、光调制器和半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）集成，从而使光纤通信器件的体积进一步减小，可靠性进一步提高。

AWG属于相位阵列光栅的范畴，其缺点是与偏振和温度有关，它是一种温度敏感器件，为了减小热漂移，可以使用热电制冷器。

由AWG构成的PLC器件有调谐滤波器、波分复用/解复用器、多信道光发送机和接收机、光分插复用器（Optical Add/Drop Multiplexer, OADM）等，本节将介绍AWG的工作原理、AWG复用/解复用器和AWG光分插复用器。

3.8.1 AWG星形耦合器

AWG星形耦合器（Star Coupler）是一种集成光学结构器件，它是在对称扇形结构的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区，即在Si或InP平面波导衬底上制成的自由空间耦合区，它的作用是把连接到任一输入波导的单模光纤的输入光功率辐射进入该区，均匀地分配到每个输出端，让输出波导阵列有效地接收，如图3.8.1所示。

自由空间区的设计有两种方法，一种如图3.8.1a所示，输入阵列波导法线方向直接指向输出阵列波导的相位中心P点，而输出波导法线方向直接指向输入波导的相位中心Q点，其目的是为了确保当发射阵列的边缘波导有出射光时，接收阵列的边缘波导能够接收到相同的功率。

自由空间区的另一种设计方法如图3.8.1b所示，自由空间区两边的输入/输出波导的位置满足罗兰圆（Rowland Circle）和光栅圆规则，即输入/输出波导的端口以等间距排列在半径为R的光栅圆周上，并对称地分布在聚焦平板波导的两侧，输入波导端面法线方向指向右侧光栅圆的圆心P点；输出波导端面的法线方向指向左侧光栅圆的圆心Q点。两个光栅圆周的圆心Q和P在中心输入/输出波导的端部，并使中心输入和输出波导位于光栅圆与罗兰圆的切点处。

这种结构的星形耦合器容易制造，适合构成大规模的N×N星形耦合器（输入输出均有N个端口）。

3.8.2 AWG工作原理

平板AWG器件由N个输入波导、N个输出波导、两个N×M平板波导星形耦合器以及一个有M个波导的平板AWG组成，这里M可以等于N，也可以不等于N。N×M平板波导星形耦合器中心耦合区如图3.8.1所示。

这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差ΔL，如图3.8.2a所示。

AWG光栅工作原理是基于多个单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导。由式（1.3.3b）可知，M阵列波导长度L用光在该波导中传输的半波长λ/2n的整数倍m（阶数）表示［32］，即

式中，n是波导的折射率，f=c/λ是光波频率，c是自由空间光速。由此可以得到用波导长度L表示的沿该波导传输的光的频率为

由于阵列波导中的波导长度互不相等，所以相邻波导光程差引起的相位延迟也不等，由式（1.2.8）可知，其相邻波导间的相位差为

式中，k是传播常数，k=2πn/λ，ΔL是相邻波导间的光程差，通常为几十微米。发生相长干涉时，Δϕ=m（2π），由式（3.8.3a）可以得到

从式（3.8.3b）可知，输出端口不同，光程差也不同，输出光的波长也不同，所以AWG可以从波分复用信号中分解出每个波长的信号。

图3.8.2b表示AWG频谱特性传输函数。由式（3.8.2）可知，当光频增加c/2nL时，相位增加2π，传输特性以自由光谱范围（FSR，见3.3.1节）为周期重复

如果FSR=800GHz（6.5nm），可用于信道间距为100GHz（0.81nm）的8个信道的WDM解复用（100GHz×8=800GHz）。

传输峰值就发生在以式（3.8.2）表示的频率处。当λ=1500nm时，对应的f=c/λ=200THz，当Δλ=17～35nm时，由附录F可以求得由AWG传输特性决定的Δf=FSR约为2～4THz，这正好是光放大器的增益带宽，或是LD的调谐范围，于是阶数m=f/FSR=200/（2～4）=100～50，可用M-Z干涉器或m阶的光栅实现。在FSR内相邻信道峰值间的最小分辨率δf为

式中，M是阵列波导的波导数，假如M＞N，信道间距为

例如，AWG波导有效折射率指数n=3.3，相邻波导长度差ΔL=61.5μm，λ=1560nm，由式（3.8.3b）可以求出对应的光栅阶数m=nΔL/λ=130，由此给出的FSR=1560/130=12nm，即Δλ=12nm，由附录F可以求出对应的Δf=1.5THz。如果信道间距为100GHz，则允许15个这种间距的信道复用/解复用，如图3.8.3a所示。该图表示当16个WDM信号从第8个输入口输入时，16×16AWG的TM波输出频谱，因为信道1和信道16具有相同的频谱特性，所以这个器件充当的是一个15×15波分复用器/解复用器。图3.8.3b为相邻的第5和第6输出口的频谱。

一般来说，在设计阵列波导光栅时，要折中考虑几个因素，首先要使波导光栅AWG的带宽δf尽可能窄，以便只锁定WDM信道中的一个光波长。另外，自由光谱范围（FSR）或AWG周期应该足够大，以便覆盖WDM信道的总带宽（即EDFA或SOA光放大器的增益带宽）。比如，用C波段中的WDM信道等间距填充FSR（信道循环打包），FSR覆盖的频宽也就是AWG的周期，全部WDM信道等间距排列占据了整个FSR的频宽，当下一个FSR周期开始时，全部WDM信道又一次来填充FSR的频宽，这就是所谓的信道循环打包。

3.8.3 AWG光复用/解复用器

平板AWG复用/解复用器（AWG Multiplexers/Demultiplexers）由N个输入波导、N个输出波导、两个具有相同结构的N×N平板波导星形耦合器以及一个平板AWG组成，如图3.8.4a所示。这种光栅中的矩形波导尺寸约为6μm×6μm，相邻波导间具有恒定的路径长度差ΔL，由式（3.8.3a）可知，其相邻波导间的相位差为

式中，λ是信号波长，ΔL是光程长度差，通常为几十微米，n_eff为信道波导的有效折射率，它与包层的折射率差相对较大，使波导有大的数值孔径，以便提高与光纤的耦合效率。

输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地分配到阵列波导输入端中的每一个波导，由AWG的输入孔阑捕捉。由于阵列波导中的波导长度不等，由式（3.8.7）可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。随后，光场在输出平板波导区衍射汇聚，不同波长的信号聚焦在像平面的不同位置，通过合理设计输出波导端口的位置，实现信号的输出。此处设计采用对称结构，根据互易性，同样也能实现合波的功能。

AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论，所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经AWG传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上，如图3.8.4b所示。

AWG星形耦合器的结构可以是图3.8.1a表示的相位中心星形耦合器，也可以是图3.8.1b表示的光栅圆中心耦合区，图3.8.4a是图3.8.1b的结构。在图3.8.4a中，自由空间区两边的输入/输出波导的位置和弯曲阵列波导的位置满足罗兰圆（Rowland）和光栅圆规则，即输出波导的端口以等间距设置在半径为R的光栅圆周上，而输入波导的端口等间距设置在半径为R/2的罗兰圆的圆周上。光栅圆周的圆心在中心输入/输出波导的端部，并使阵列波导的中心位于光栅圆与罗兰圆的切点处。

AWG的显著优点是，它具有平坦的频率响应、小于3dB的插入损耗、优于-35dB串扰电平以及易于和光探测器集成。人们不但已制出了各种各样的平板波导光栅波分复用/解复用器件，而且有人已把光探测器或激光器阵列也与它集成在一起，从而使体积进一步减小，可靠性进一步提高。

AWG属于相位阵列光栅的范畴，其缺点是与偏振和温度有关。在波导臂中间插入一个聚合物半波片进行偏振转换，如图3.8.4c所示，可以使它变为一个对偏振不敏感器件，如图3.8.4d和图3.8.4e所示。AWG是一种温度敏感器件，为了减小热漂移，在制造时，混合使用硅和聚合物波导；在使用时，采用热电制冷器。尽管如此，工作在0℃～85℃的器件已有报道。信道间距为250GHz的128信道（波长）的SiO₂阵列波导光栅和信道间距为50GHz的64波长InP阵列波导光栅已经制造出来，该器件除用于波分复用和解复用器外，也可以用于光分插复用器和调谐光滤波器。

表3.8.1给出几种常用波分复用器件的性能比较。

3.8.4 AWG光分插复用器

1.光分插复用器一般概念

在WDM网络中，需要光分插复用器，在保持其他信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入。可以认为，这样的器件是一个波分复用/解复用对，如图3.8.5所示。图3.8.5a为固定波长光分插复用器，图3.8.5b为可编程光分插复用器，通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其他波长信道通过，所以这样的分插复用器称为分插滤波器。使用级联的MZ等滤波器构成的方向耦合器也可以组成多口的分插滤波器。

2.AWG光分插复用器

利用1×N解复用器和N×1复用器，可以构成常规的OADM，如图3.8.5a所示。利用AWGN×N解复用器/复用器却可以构成星形N×N波长分插复用（ADM）互连系统，如图3.8.6a所示。利用这种系统可以构成波长地址环网或总线网络。图3.8.6a所示的ADM基本上是一个N×N AWG复用器（见3.8.3节），所不同的是，返回光通道连接与它对应的每个输出口。只有一个输入口和与它对应的输出口作为共用的输入和输出口，如图3.8.6a所示的第9端口。第9端口输入WDM信号，被AWG解复用，然后N-1个输出信号被返回到对应的输入口。这些环回的信号自动地再一次复用，并送到共用的输出口。利用环回通道被断开的端口（如图3.8.6a所示的第13端口）分出和插入需要的λ_i（此处i=13）。由此可见，有N-1个波长信道可以用于分出和插入。

为了保持极化器件AWG复用器工作的极化灵敏性，在AWG中间插入一个聚合物半波片。使用0.8nm（100GHz）波长间距的16×16端口的AWG复用器进行波长分插试验，图3.8.6b表示所有端口都环回在一起时输出端口9b的频谱响应。图3.8.6c表示13a-13b没有连接起来时，输出端口9b的频谱响应，由图可见，λ₁₃信道信号没有出现。图3.8.6d表示13a-13b没有连接起来时，13b端口的频谱响应，即分出λ₁₃的频谱响应。此时若需要，可以把新的业务调制到λ₁₃波长上，继续送回AWG复用器的输入口，即完成分插复用的功能。该器件分插光信号时，光纤-光纤的插入损耗为4～6dB。

下面介绍使用3个AWG和16个热光开关（TOS）构成的16信道OADM，如图3.8.7所示。这些AWG在1.55μm光谱区具有相同的光栅参数，信道间距为100GHz（0.8nm），自由光谱范围（FSR）为3300GHz（26.4nm）。波长间距相等的WDM信号λ₁，λ₂，…，λ₁₆耦合进入主输入口，被AWG₁解复用。被AWG₁解复用的信号引入TOS的左臂，其右臂连接到光插入口。从3.6.3节可知，热光开关不加热时，器件处于交叉连接状态，解复用信号通过交叉臂进入AWG₂，又一次被复用。相反，TOS通电加热后，就切换到平行连接状态，解复用信号通过平行（直通）臂进入AWG₃。因此，任何所需的波长信号通过控制TOS的交叉或平行状态，就可以从主输入口提取出来，改送到分出口而不是主输出口。同理，也可以把插入的λ_i光信号送到对应的λ_i主输出口或λ_i分出口。主输入口到主输出口的插入损耗是24dB，主输入口到分出口的插入损耗是13dB。当信号耦合到主输入口时，光纤到光纤的插入损耗是7～8dB，当信号耦合到插入口时，插入损耗是3～4dB。