WDM器件 - 阵列波导光栅

为什么需要AWG​?

我们知道,DWDM技术可以在单根光纤中传输数十个波长,大大扩充了光纤通信系统的传输容量。DWDM系统中最早采用的波分复用/解复用模块是基于介质膜滤光片TFF的,如图1和图2所示。这两种都是串联结构,不同波长在模块中经历不同数量的器件,产生不同的功率损耗。随着端口数增加,DWDM模块的损耗均匀性劣化。同时,在最后端口产生的最大损耗是制约端口数量的另一个因素。因此,基于TFF技术的DWDM模块,其信道数通常不超过16。

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图1. 基于三端口WDM器件的WDM模块

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图2. 迷你WDM模块结构

然而,一个典型的DWDM系统,通常在单根光纤中传输40或者48个波长,因此需要更大端口数的复用/解复用器。串联结构的WDM模块会在后面端口累积太多功率损耗,因此需要采用并行结构,一次性对数十个波长进行复用/解复用操作。阵列波导光栅AWG就是这样一种光器件。

AWG结构

典型的AWG结构如图3所示,它包括一个输入波导、一个输入星形耦合器(图中自由传输区域FPR)、一组阵列波导、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。阵列波导的长度成等差级数,第一根波导的长度是L0,第i根波导的长度Li为

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图3. 典型AWG结构[1]

DWDM信号从输入波导进入输入星形耦合器,经自由传输之后,被分配到阵列波导之中。这个分配过程是波长无关的,所有波长被无差别的分配到阵列波导之中。阵列波导对多光束产生相位差,各光束的相位成等差级数,这与传统光栅中的情况类似。不同波长被色散展开,并聚焦在输出星形耦合器中的不同位置。不同波长被不同的波导接收,从而实现对DWDM信号的并行解复用。

AWG工作原理

为了更好的理解AWG的工作原理,此处从凹面光栅入手进行分析。凹面光栅结构如图4所示,光栅的槽面分布在一个半径为R=2r的大圆上,在光栅前面存在一个小圆,其半径r是大圆的一半,这个小圆称为罗兰圆。凹面光栅兼有传统光栅和透镜两种功能,从罗兰圆上任意一点P1发出的光束,经凹面光栅衍射之后,必定聚焦在罗兰圆上另一点P2。衍射角θ与入射角α之间满足关系式(2)。

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根据式(2),衍射角θ是波长相关的。当一束复色光波从P1点发出,经凹面光栅衍射之后,不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同位置(P2点附近)。

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图4. 凹面光栅的衍射

现在我们回到关于AWG的讨论。输入/输出星形耦合器具有类似凹面光栅的结构,图5是输出星形耦合器的结构,阵列波导的端口都分布在一个直径为R=2r的大圆上,而输出波导的端口都分布在一个半径为r的小圆(罗兰圆)上。输入星形耦合器的结构与星形耦合器类似,差别仅在于数十根输出波导被一根输入波导替代,输入波导的端口位于输出波导的中心位置C。

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图5. 输出星形耦合器的结构

凹面光栅与星形耦合器之间的类比,如图6所示。在凹面光栅中,复色光束从罗兰圆上的一点发出,不同波长的光聚焦在罗兰圆上的不同点。在星形耦合器中,DWDM信号从输出波导的中心店C(即输入波导的镜像点)发出,这个点在罗兰圆上。如果在阵列波导中能否如凹面光栅一样,发生反射式衍射,那么不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同点。然后色散展开的不同波长,被罗兰圆上的不同输出波导接收。现在的关键点是,如何在阵列波导中产生反射式衍射。

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图6. 凹面光栅与星形耦合器之间的类比

因为输入/输出星形耦合器的结构类似,我们可以对AWG进行折叠,如图7所示。在阵列波导中间设置一个反射镜,将阵列波导对称分开。阵列波导的左侧一半镜像到右侧一半,输入星形耦合器镜像到输出星形耦合器,输入波导镜像到输出波导的中心位置C。因此AWG的工作过程可视同:DWDM信号从输出波导的中心位置C输入,经过输出星形耦合器中的自由传输,分配至阵列波导之中;多光束在阵列波导的右半侧传输至镜面,被反射的多光束进入输出星形耦合器;经过星形耦合器中的自由传输之后,不同波长的光束聚焦在不同位置,被输出波导接收,从而实现对DWDM信号的解复用。

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图7. AWG的折叠操作过程

参考文献
[1]      Meint K. Smit, Cor Van Dam, PHASAR-based WDM-devices: principles, design and applications, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2(2):236-250, 1996


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