光電子課程設計--陣列波導光柵

1、光電子器件課程設計 論文題目： 波導型Bragg光柵的設計 學院名稱： 機械工程學院 專業(yè)班級: 光信息1102 學生姓名： 陳志勇 學生學號： 3110303034 指導教師： 陳明陽 2015 年 3 月 25 日一、引言密集波分復用( DWDM) 技術為光纖通信向大容量、 高速率發(fā)展提供了有效途徑, 而 D WDM系統(tǒng)中的關鍵器件是波分復用器/ 解復用器 . 波分復用器大致分為介質膜濾波器型、 光柵型和平面波導型等, 未來 D WDM 系統(tǒng)對波分復用器的發(fā)展要求是: 大通道數(shù)、 損耗及其偏差小、 串擾小、偏振相關性小等 .基于 P L Cs ( Planar Light wave Cir

2、cuits) 的平面光波導器件陣列波導光柵(AWGs) 型波分復用器具有波長分辨率高、 集成化、 通道串擾小和插入損 耗小等優(yōu)點, 很適宜于大通道數(shù)波分復用器件.目前, A WGs 已成為國內(nèi)外研究機構和通信公司研究的熱點 .A WG s 的 分 光 性 能 類 似 于 普 通 光 柵, 但A WG s 不同于普通衍射光柵之處在于: 普通光柵的光束是在自由空間中傳播的, 而 A W Gs 中的光束是受約束的導波 . 所以分析和設計 A WG s 需用導波光學和衍射光學分別處理光束的傳播問題, 如條形波導、平板波導的傳輸常量, 過渡區(qū)的耦合, 串擾的估算等等需要用到導波光學; 而光束在平板波導中

3、的遠場衍射, 干涉聚焦等等則需用到衍射光學。二、陣列波導光柵的結構和原理要明白陣列波導光柵(AWG-Arrayed Waveguide Gratings)的原理，我們首先要知道凹面光柵與羅蘭圓凹面光柵：在凹球面上刻劃一系列等間距的線條，同時具有衍射和聚焦兩種功能；羅蘭圓：直徑等于凹面光柵的曲率半徑；特性：羅蘭圓上任一點發(fā)出的光，衍射之后仍聚焦在羅蘭圓上，不同衍射級次對應不同衍射角，滿足衍射條件：1、AWG的結構 輸入星形耦合器 輸出星形耦合器一個標準的AWG器件由五部分組成：輸入波導、輸入星形耦合器、陣列波導、輸出星形耦合器和輸出波導陣列。陣列波導：波導長度以L遞增。輸入星形耦合器：輸入波導的

4、端口位于羅蘭圓上，而陣列波導的輸入端位于兩倍直徑的圓周上。輸出星形耦合器：輸出波導陣列的端口位于羅蘭圓上，而陣列波導的輸出端位于兩倍直徑的圓周上。2、AWG的基本工作原理輸入星形耦合器與輸出星形耦合器為鏡像關系，輸入波導鏡像為輸出波導陣列中的波導C，而陣列波導相當于一個凹面反射型光柵，與普通凹面光柵的區(qū)別是，在相鄰光柵單元之間引入了光程差naL。從波導C發(fā)出的光，在陣列波導的輸出端發(fā)生反射型衍射，不同波長被衍射到不同角度，從而被不同輸出波導接收，實現(xiàn)波長解復用。當含有1，2 n波長的復用光信號被耦合到其中一個輸入波導 ，經(jīng)平板波導衍射 后耦合進陣列波區(qū)。因陣列波導端面位于光柵圓周上 ， 所以衍

5、射光以相同相位到達陣列 波導端面 。 相同相位的衍射光經(jīng)過長度差為 L的陣列波導后 ， 產(chǎn)生了相位差 ，且相 位差和波長有關 。于是不同波長的光波經(jīng)過輸出平板波導以不同的波前傾 斜聚焦到不同的輸波導位置 完成解復用功能 反之 ，可將不同輸入波導中的具有不同波長的光信號匯集到同一 根輸出波導中 ， 完成復用功能 。 陣列光柵復用器工作原理和衍射光柵型復用器基本相同。三、AWG的光柵方程AWG滿足的光柵方程為:、為光在輸入輸出平板波導上的衍射角，i、j為輸入輸出波導的序列號(中心波導記為0) ， 為輸入輸出端的波導間隔，Lf 為平板波導的聚焦長度。對于由中心波導輸入并由中心波導輸出的中心波長滿足、

6、通過對的設定可以決定衍射級數(shù)，一般較大的m可以產(chǎn)生較高的分辨率.四、AWG性能分析1.中心頻率偏差：中心頻率與實際中心頻率之差。對于WDM系統(tǒng)來說，由于信道間隔比較小，一個很小的信道偏移，就有可能造成極大的影響。因此，ITU-T建議左右不超過10%。光源頻率啁啾、自相位調(diào)制引起的脈沖展寬以及溫度等因素都會引起系統(tǒng)工作頻率發(fā)生漂移。2.插入損耗：穿過AWG器件的某一個特定光通道所引起的功率損耗。低的插入損耗是無源器件所必須的，對于一般SiO2基AWG來說，其插入損耗值是3dB左右。AWG器件的插入損耗分主要兩類：一是平板波導和陣列波導之間結處的轉換損耗二是光纖和陣列波導之間模場失配所引起的耦合損

7、耗。對于多通道的AWG器件。插入損耗是一個關鍵的性能指標。3.AWG串擾的主要來源有以下六個方面：(1)輸出波導間的模場的弱耦合是串擾的最直接來源，相鄰波導間通過衰減場進行弱耦合，能量相互進入相鄰通道。(2)由于陣列波導孔徑的寬度有限(即陣列波導的數(shù)目有限)，在輸入平板波導中只有部分衍射光能進入陣列波導，結果使場被截斷，導致輸入孔徑的功率損失，并在輸出孔徑處，焦場的旁瓣增多；(3)如果陣列波導不是嚴格的單模，在彎曲波導處就會激發(fā)高階模。由于基模和高階模的傳輸常數(shù)不一樣，兩者將會匯聚在不同位置，引發(fā)串擾；4)陣列波導輸入、輸出部分的耦合會使相位畸變；(5)由于制備過程的缺陷，使傳播常數(shù)畸變，導致

8、相位傳輸?shù)恼`差，最后使串擾增加；(6)在結或波導邊緣，光被散射出波導。4.偏振相關性：AWG器件的偏振相關性來源于波導和材料的雙折射。對同一波長而言，TE模和TM模的有效折射率是不同的，因此會引起在TE模和TM模之間產(chǎn)生波長漂移在光纖通信網(wǎng)中，傳輸線大多是普通單模光纖，無保偏特性，因此AWG在實際應用中必須消除對偏振的敏感性。5.溫度相關性：在實際DWDM系統(tǒng)應用時，AWG信道波長的溫度相關性是一個嚴重問題。溫度使波導的折射率發(fā)生改變，從而使信道的中心波長漂移。為了穩(wěn)定信道波長，需要附加一些溫控單元，如加熱器、Pltier冷卻器等，這些將導致系統(tǒng)代價的升高，因此迫切研制溫度無關的AWG。五、應

9、用1、AWG波分復用器的設計進行AWG波分復用器設計主要參數(shù)：波導芯的厚度和寬度、模的有效折射率和群折射率、衍射級數(shù)、相鄰波導間距、相鄰陣列波導的長度差、平板波導的焦距、自由光譜區(qū)(FSR)、最大信道波導數(shù)和最小陣列波導數(shù)等參量。2、AWG的研究現(xiàn)狀AWG復用/解復用器的襯底材料目前主要有三種：石英、InP和硅。石英襯底避免了硅襯底與二氧化硅熱膨脹系數(shù)不同導致的在生長厚二氧化硅時的龜裂問題，且石英熔點比硅高，可以提高熱處理的溫度降低器件的傳輸損耗。但這種襯底不利于集成。InP基的AWG波分復用/解復用器，這種器件的材料折射率差較大，尺寸小，與InP基的激光器和探測器等有源器件集成可實現(xiàn)多波長的

10、激光器、探測器等，但偏振色散大。目前硅基二氧化硅AWG器件性能最好，最大通道數(shù)實現(xiàn)了1010，通道間隔為25GHz，插入損耗為幾個分貝，串擾值小于-35dB。而InP基AWG器件最大通道為64，通道間隔為50GHz，插入損耗為714dB，串擾值小于-20dB。但InP基AWG器件性能正在逐漸提高，其最大的缺點是波導尺寸小，與光纖耦合困難。在系統(tǒng)應用方面，硅基AWG已進入系統(tǒng)商業(yè)應用，InP基的AWG也已應用到波分復用試驗網(wǎng)中。但是硅基SiO2 AWG器件也存在一定的問題，高質量厚膜SiO2波導材料的生長比較困難，需要的設備復雜，造成器件價格一直居高不下，這對AWG器件的應用很不利。因此，許多研

11、究者開始研究硅基聚合物AWG器件，這種器件具有價格便宜、工藝簡單、折射率調(diào)整容易、透明性好、偏振不靈敏以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使其在與無機材料AWG器件的競爭中處于有利的地位。3、AWG波分復用/解復用器的研究方向主要有兩個：一是優(yōu)化AWG的性能，主要是減小損耗、串擾、偏振色散，提高中心波長的穩(wěn)定性和精確度，提高輸出波長的平坦度，提高溫度不敏感性等。另一個是拓展AWG的功能，利用單片集成技術，構筑系統(tǒng)或網(wǎng)絡所需要的功能模塊，提高器件的集成度，朝高密集方向發(fā)展，即增加AWG的通道數(shù)量和減小通道間隔。六、波導型Bragg光柵的設計設計一種波導型Bragg光柵，通過Rsoft軟件的GratingMOD

12、模塊計算，獲得光柵的結構參數(shù)及性能。步驟：一、初始化相關參數(shù)的獲得：波導結構（Slab2D）參數(shù)：背景折射率(3.4)，波導折射率3.41(或自定)，波導直徑6um，中心波長1.36；設計指標帶寬B=3.6 (nm) ；允許偏差±10%反射率90%>R80%，允許偏差±5%二、軟件模擬（1）初步設計：用GratingMOD Grating Layout模擬輸出光柵（=1000，=3.4，=0.005），設置中心波長=1.36um；得反射譜圖樣：運行其周期為0.1995，但帶寬遠大于設計要求，中心折射率高于要求。(2) 進行優(yōu)化：光柵長度：110、調(diào)制深度：0.0061

13、；得反射譜圖樣：其中實際峰值波長l=1.36016um，反射率為R=0.815，帶寬d=3.62nm,基本符合要求。通過這個選項卡，可改變Duty Cycle（占空比）和Chirp Coefficient（啁啾系數(shù)）。其他條件保持不變，改變占空比，分別取為0.1，0.5，0.9，其反射譜圖為從上圖可知改變其占空比，其基本數(shù)值基本沒有改變。其他條件保持不變，改變其啁啾系數(shù)，分別取0,5,10從上圖可以得出，啁啾系數(shù)增大，帶寬增大，峰值反射率減小；啁啾系數(shù)減小，帶寬減小，峰值反射率增大。記事本打開程序：Length = 110ModDelta = 0.0061N0 = background_ind

14、exPeriod = 0.1995alpha = 0background_index = 3.4delta = 0.01domain_max = 20eim = 0free_space_wavelength = 1.36grating_scan_option = 7height = 0index_display_mode = DISPLAY_CONTOURMAPXZk0 = (2*pi)/free_space_wavelengthmode_length = defaultmonitor_step_size = Period/4profile_type = PROF_STEPINDEXsim_tool = ST_GRATINGMODslice_step_size = Period/4step_size = Period/4width = 6user_taper 1type = UF_GRATINGgr_profile_type = 0gr_apodization_type = APOD_UNIFORMgr_chirp_type = CHIRP_LINEARgr_phase = 0gr_period