集成平面光波導(dǎo)器件 - 集成光無(wú)源器件I

第三章

集成光無(wú)源器件I集成光電子器件及設(shè)計(jì)2Outline

1.

Background

2.

Typical

passive

integrated

photonic

devices

2.1.

Couplers

/

splitter

Directional

coupler;

Y‐branch;

MZI

(Mach‐Zehnder

interferometer);

2.2.

WDM

devices

AWG

(arrayed

waveguide

grating);

2.3.

Ring

resonator.

3

1.

Background光子產(chǎn)業(yè)的分類4光通信產(chǎn)業(yè)需求驅(qū)動(dòng)1、各種規(guī)格的光纖和光纜，包括摻雜光纖、特殊結(jié)構(gòu)光纖（保偏光纖、色散漸變光纖、色散補(bǔ)償光纖、大孔徑光纖等）、光子晶體光纖和塑料光纖；2、各種有源器件（激光器、發(fā)光管、探測(cè)器、放大器、發(fā)射模塊、接收模塊等）和無(wú)源器件（耦合器、濾波器、衰減器、隔離器、環(huán)形器、連接器、光互聯(lián)、光分叉復(fù)用、光波分復(fù)用以及包含這些功能的各種集成光子器件等）；（按是否需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作分有源、無(wú)源）3、各種光通信測(cè)試儀器（功率計(jì)、波長(zhǎng)計(jì)、光纖光譜分析儀、寬帶放大器、反射信號(hào)測(cè)試儀、信號(hào)發(fā)生器、通信信號(hào)分析儀等）與光纖加工設(shè)備（光纖拉制機(jī)、光纖熔接機(jī)、光纖熔融拉錐機(jī)、光纖刻蝕機(jī)、光纖拋磨機(jī)）；4、光通信系統(tǒng)（時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用）和光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（遠(yuǎn)程網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)）；

發(fā)射?激光器?調(diào)制器?波長(zhǎng)鎖定?接收器?探測(cè)器?收發(fā)模塊

波分復(fù)用?薄膜濾波器?光纖光柵?陣列波導(dǎo)光柵?環(huán)行器?波長(zhǎng)交換器

放大器?隔離器?分路耦合器?泵浦激光器?增益平坦器件?光衰減器?光放大模塊?拉曼放大器?半導(dǎo)體光放大器

光開(kāi)關(guān)?光交換開(kāi)關(guān)?耦合器?上下路模塊

5用于光纖通信的光電子器件(波分復(fù)用系統(tǒng))6密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)

光傳輸?shù)膭潟r(shí)代革命

容量超大，光纖的巨大帶寬資源；

數(shù)據(jù)透明，與信號(hào)的速率和調(diào)制方式無(wú)關(guān)；

擴(kuò)容方便，波長(zhǎng)的復(fù)用；

成本低廉，節(jié)約大量光纖；本世紀(jì)初的光通信泡沫7新增長(zhǎng)/新需求I：光纖到戶(FTTH)隨著交互式網(wǎng)絡(luò)電視IPTV、網(wǎng)絡(luò)游戲等高帶寬業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，人們對(duì)帶寬的需求急劇增加，光纖從光網(wǎng)絡(luò)的干線網(wǎng)絡(luò)、城域網(wǎng)絡(luò)向接入網(wǎng)延伸。作為

“最后一公里”的解決方法，F(xiàn)TTH以及無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive

Optical

Network，簡(jiǎn)稱PON）近年來(lái)在全球范圍內(nèi)的大面積的鋪開(kāi)，增加了對(duì)集成光器件的需求，極大地促進(jìn)了相關(guān)集成光子器件的發(fā)展。全球FTTH/B用戶發(fā)展預(yù)測(cè)（萬(wàn)）

數(shù)據(jù)來(lái)源：IDATE

中國(guó)FTTH/B用戶發(fā)展預(yù)測(cè)（萬(wàn)）

數(shù)據(jù)來(lái)源：ICCSZ

2011.11

8

基于波分復(fù)用的FTTH系統(tǒng)根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU

G.983標(biāo)準(zhǔn)

第一通道

語(yǔ)音業(yè)務(wù)

第二通道

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

第三通道

視頻業(yè)務(wù)

光線路終端（Optical

Line

Termination，簡(jiǎn)稱OLT）

光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical

Network

Unit，簡(jiǎn)稱ONU）9新增長(zhǎng)/新需求:用于高性能計(jì)算機(jī)光互連技術(shù)

High

capacity

data

communication;

Reduce

total

power

in

data

center.First

electrically

connected

microdisk

lasers

on

Si

nanophotonic

waveguides10Intel的百億億次計(jì)算CPU技術(shù)Intel:

50Gbps

light

transmission11中國(guó)天河‐1A高性能計(jì)算機(jī)

采用12000條并行光纜實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)光互連特點(diǎn)及要求：高集成密度、低成本、低功耗。電線光纖調(diào)制器光調(diào)制器電阻光衰減器三通（多通）光耦合器二極管光隔離器混頻器光波分復(fù)用器放大器光放大器頻率轉(zhuǎn)換器光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器濾波器光濾波器電源光源電接插件光連接器探頭光探測(cè)器開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)集成電路集成光路12光器件與電器件的類比13集成型:

采用類似于半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件集成到同一塊芯片上的集成光路

2.

光無(wú)源器件光無(wú)源器件是一種不必借助外部的任何光或電的能量，由自身能夠完成某種光學(xué)功能的光學(xué)元器件。其工作原理遵守幾何光學(xué)和物理光學(xué)基本理論。

光纖型:熔融拉錐功分器、光纖光柵微器件型:透鏡、反射鏡、棱鏡等分立光學(xué)元件14集成光無(wú)源器件

體積小、重量輕、集成度高

機(jī)械性能以及環(huán)境穩(wěn)定性好

容易精確控制、重復(fù)性好

制作工藝與集成電路工藝相兼容，可以方便與其它光電子集成器

件集成于一個(gè)襯底上，實(shí)現(xiàn)單片集成的目的

雖然前期投入較大，但是在工藝成熟后很容易大批量生產(chǎn)，從而

大大降低單個(gè)器件的成本。Examples

for

passive

optical

devicesSpiral

lineArrayed

waveguide

grating

Human’s

hair

42μm

79.9μm

Our

AWGOptical

switcher,

VOARing‐based

modulator

15

Y‐branchSOI

nanowire

MZI‐coupled

microring

R~2

μm

2

μmSiN

waveguide

加熱電極162.1.

耦合器/功分器

方向耦合器(詳見(jiàn)第二章)；

Y分支；

馬赫‐澤德干涉儀(MZI)；

多模干涉(MMI)耦合器；172.1.1

Y分支

在分支區(qū)域之前的錐形部分（過(guò)渡區(qū)）平滑地將單模直波導(dǎo)展寬，從而增大光波導(dǎo)本征模式的寬度以減小和輸出波導(dǎo)之間的耦合損耗。對(duì)稱型Y分支：兩個(gè)分支臂具有相同的光傳輸特性，相同的材料結(jié)構(gòu)和相同的波導(dǎo)寬度，實(shí)現(xiàn)3dB耦合器功能。

非對(duì)稱型Y分支：分支臂波導(dǎo)寬度不等，通過(guò)調(diào)整分支角或者臂的寬度調(diào)節(jié)功分比，還可以通過(guò)電光、熱光等效應(yīng)調(diào)節(jié)其中一個(gè)臂的折射率，實(shí)現(xiàn)分光比的可調(diào)諧。輸入波導(dǎo)錐形波導(dǎo)輸出波導(dǎo)主要性能指標(biāo)：損耗、帶寬、功分比等；理想Y分支

VS

實(shí)際Y分支實(shí)際制造中帶間距的分支波導(dǎo)理想分支波導(dǎo)

由于制作工藝水平的限制，兩條輸出波導(dǎo)之間的分支角不可能做成完全的尖角，而是會(huì)留下一段空隙，這段分支間距一般為1‐2μm；

通常直接在分支頂端留有一定寬度的間距，而這段空隙是Y分支功分器損耗的主要來(lái)源；

1819Y分支的級(jí)聯(lián)(a)

樹(shù)形級(jí)聯(lián)方式(b)

Sparkler方式BPM

模擬光場(chǎng)傳輸圖實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖?E

'?

=

??

jsinθ?E1?

θ

=κLE2???

cos

θ

?jsinθ?

2?

1

?j?1

??cos

θ

??2

???j??jsinθ=

?×?=

0.5E1?202.1.2

Mach‐Zehnder

Interferometer

(MZI)24

3+π/2

+π/22’=

Φ?

??

jsinθ??E1?

cosθ

????E2??

ΔL?E1'?

?

cosθ?

2

?

?

1

1’

3dB耦合器：cos2θ

=1/2Φ=?

=

E2

=

0?

?

2

?1

?2

??

j?E1=?

??E1'??E2'?相位差=Pi/2

?

?

0

?exp(?

jk0nL2)???E3??E4??

jsinθ??exp(?

jk0nL1)

cosθ

????

0

?

jsinθ'??E1?

cosθ'

????E2???

cosθ??

jsinθ

?

cosθ'

??

jsinθ'E2

=

0cos2θ

=1/2?E3??E4??

??exp(?

jk0nl1)?exp(?

jk0nl2)

???

jexp(?

jk0nl1)?

jexp(?

jk0nl2)??Power

(dB)?E

?

=

0.5E1??

jexp(?

jk

nl

)?

jexp(?

jk

nl

)?k0nΔlP3

=

sin

1

=P=

cos2

0P4

P21ΔL123+π/2

41’

+π/22’MZI輸出特性2

2k

nΔl

234PP?E3?

?exp(?

jk0nl1)?exp(?

jk0nl2)

??

4?

?

0

1

0

2

?θ

11=π/4θ

22=π/422MZI應(yīng)用Silicon

optical

modulatorThermal‐optical

switcher

加熱電極Variable

optical

attenuator

(VOA)23Optical

SensorR~2

μm2

μmMZI‐sensor

array

with

micro‐fluidic

channel

MZI‐coupled

microring24MZI

with

MMI

couplers

MMI:

Multimode

interference252.1.3多模干涉(MMI)耦合器

由輸入/輸出波導(dǎo)、多模干涉區(qū)組成；

與方向耦合器、Y分支、星型耦合器等相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于制作、損耗小、制作容差性好、偏振相關(guān)性小等優(yōu)點(diǎn)；

已經(jīng)在功分器、光開(kāi)關(guān)、上下路器、波分復(fù)用器件、環(huán)形激光器等器件中得到了廣泛應(yīng)用。z]v(v+2)π

3LπE(x,z)

=∑cν?ν

(x)exp[?

j

νLucas

B.

Soldano

and

Erik

C.

M.

Pennings.

Optical

multi‐mode

interference

devices

based

on

self‐imaging:

principles

and

applications.

J.

Lightwave

Technol.

13(4):

615‐627,

1995

(cited

1171

times).

M.

Bachmann,

P.

A.

Besse,

and

H.

Melchior,

"General

self‐imaging

properties

in

N

×

N

multimode

interference

couplers

26

MMI耦合器‐自成像原理

?

對(duì)于輸入場(chǎng)E(x)，可將其分解成多模區(qū)所有模場(chǎng)的加權(quán)和(正交完備基

函數(shù))

E(x,0)

=∑cν?ν

(x)

ν加權(quán)系數(shù)

cν

=

2

傳播

常數(shù)

則在多模區(qū)傳輸距離z

后的場(chǎng)可表示為273Lπ

將模場(chǎng)分為兩部分：奇模與偶模

Ei(x)

=

Ee(x)+

Eo(x)(a)

當(dāng)

L=3Lπ時(shí)

各個(gè)模式的相位:

Φ3Lπ

={0,π,0,π,L}E3Lπ

(x)

=

Ee(x)?

Eo(x)

=

Ee(?x)+

Eo(?x)

=

Ein(?x)6LπE6Lπ

(x)

=

Ee(x)+

Eo(x)

=

Ein(x)?

(b)

當(dāng)

L=6Lπ時(shí)

各個(gè)模式的相位:

Φ6Lπ

={0,0,0,0,L}鏡像自成像z]v(v+2)π

3LπE(x,z)

=∑cν?ν

(x)exp[?

j

νE32(x)

=

Ee

o(x)

=Ei(x)e?

j

4π

+

Ei(?x)e

j

4π28{}1

11

2(x)?

jE3/2Lc1×2

splitterMMI耦合器‐Mode

Propagation

Analysis

(MPA)

?

(c)

當(dāng)

L=3/2Lπ時(shí)

?

3

3

?

2

?

2

2

?29Self‐imaging

in

an

MMI

section30

三種輸入方式(a)

一般干涉模式(General

Interference);(b)

限制干涉模式(Restricted

Interference);(c)

對(duì)稱干涉模式(Symmetric

Interference);x

=±WMMI

/6x

=0(a)(b)(c)31Summary

for

the

self‐imaging

at

MMI

sections32MMI應(yīng)用‐功分器1xN

power

splitter2x2

couplerRing

resonatorx(

μ

m)Output

power

from

two

ports

(dB)Output

power

from

two

ports

(dB)x(

μ

m)z

(μm)1310nm1550nmWMMIPort1zxPort21310nmPort31550nm通過(guò)選取合適的MMI寬度與長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)1310nm與1550nm信道的分離。

LMMI

=

n?Lπ

(1310)

=

(n+1)?Lπ

(1550)MMI應(yīng)用：1310/1550

nm

波分復(fù)用器

結(jié)構(gòu)示意圖0100200300400-10-505100100300400-10

-50510

200z

(μm)

(c)

LMMITE偏振,

@1310nm

(a)TE偏振,

@1550nm1330-30

1290-25-20-15-10-501300

1310

1320

Wavelength

(nm)

(a)1575-30

1525-25-20-15-10-501537

1550

1567

Wavelength

(nm)

(b)

33Port3Port2Port2Port3TETMTETMx

(μm)

x

(μm)34z

(μm)

(b)

TE2000

1000

0

(a)

TMwMMI1

MMI

#1

wMMI2

MMI

#2TE/TMTMTE

MMI應(yīng)用：偏振分束器（PBS）傳統(tǒng)方法：通過(guò)選取合適的MMI寬度與長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)TE與TM的分離。

新方法：A

compact

design

with

cascaded

MMI

sectionsYuqing

Jiao,

et

al.

IEEE

Photonics

Technology

Letters,

,

21(20):

1538‐1540,

2009.

35

2.2.

波分復(fù)用器件

(WDM)光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一種技術(shù)，基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)（復(fù)用），并耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)（解復(fù)用）。光波分復(fù)用器是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行分離與合成的光無(wú)源器件。對(duì)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，光波分復(fù)用器件有不同的技術(shù)要求和不同的制作方法，一般的分光元件包括光柵、干涉濾波片、以及波導(dǎo)等。36

為什么要波分復(fù)用

(WDM)？在1300~1600

nm光譜范圍內(nèi)，以一定的間隔隔開(kāi)的多個(gè)波長(zhǎng)可以在同一根光纖中獨(dú)立傳播37波分復(fù)用系統(tǒng)WDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖38波分復(fù)用器件

光纖耦合器型

光纖光柵型

薄膜濾波器型

體光柵型

陣列波導(dǎo)光柵型39λ1

λ2

直通臂耦合臂λ1

λ20光纖耦合器型λ1，λ2

P

P1

P240熔融拉錐法(1)

兩根以上光纖除去涂覆層

并靠攏;(2)

在高溫加熱下熔融并向兩

側(cè)拉伸;(3)

加熱區(qū)形成雙錐體形式的

波導(dǎo);41光纖光柵型

Opticalcirculator

2

13

FBGλBragg=λ0λiλ1,

λ2,

…,

λi,

…,λNλ1~λN

(except

λi)基于薄膜濾波器的復(fù)用器通帶特性好（平頂、隔離度高~25dB）;PDL小

(~0.2dB);插損低

5~7dB（16通道）;溫度敏感性小（0.0005nm/OC

不需溫控）;波長(zhǎng)數(shù)≤16CH；波長(zhǎng)間隔≥0.8nm;價(jià)格較高;是16波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)中主要選用的器件;

4243透

鏡光

柵體光柵型復(fù)用器

光

纖

λ1

λ2

λ3

λ1+

λ2+

λ3

具有很好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和通道均勻性

具有衍射效率高

偏振不敏感

×不利于批量化加工，

×器件尺寸較大

×一般使用光學(xué)晶體為介質(zhì)，成本高44陣列波導(dǎo)光柵

(Arrayed

Waveguide

Grating,

AWG)

最典型的基于平面光波導(dǎo)的波分復(fù)用器件之一。IWFPR1AW’sInput

apertureOutput

apertureFig.

1(b)Fig.

1(c)FPR2Image

plane

OW’s

光柵

+

透鏡AWG的結(jié)構(gòu)與原理第一個(gè)自由傳輸區(qū)局部結(jié)構(gòu)第二個(gè)自由傳輸區(qū)局部結(jié)構(gòu)而各輸入/輸出波導(dǎo)連接自由傳輸區(qū)的一端以均勻地排列在一個(gè)羅蘭圓的圓周上。陣列中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入/輸出波導(dǎo)，均勻地排列在以中心輸入/輸出波導(dǎo)為圓心的圓周上。

45FPR2LFPRoLFPRo/2Image

planeOutput

apertureOW

xodoxdgoθidgiIWInput

aperturexFPR1

xidiLFPRi46

AWG原理The

l‐th

arrayed

waveguide’s

lengthIWFPR1AW’sInput

apertureOutput

apertureImage

plane

OW’sFig.

1(b)Fig.

1(c)FPR2Ll

=

L0

+lΔL?dg

2dg

2dg

2dg

2sinθo)?mλosinθi)+ng(λ)(L0

+lΔL)+ns(λ)(LFPRo

?i=

ns(λ)(LFPRisinθi)osinθi)+ng(λ)[L0

+(l

?1)ΔL]+ns(λ)(LFPRo

+ins(λ)(LFPRi

+Grating

equation:

xiLFPRisinθi

=

xoLFPRosinθo

==

mλ

xoLFPRoog

xiLFPRiig?ns(λ)dng(λ)ΔL?ns(λ)d=

mλ

xoLFPRoong(λ)ΔL?ns(λ)dgxi=0xo

=

xo(λ0)

+

(λ

?

λ0)LFPR

o

d

g[ns(λ)]dg[ns(λ)]dg47色散關(guān)系

AWG器件功能：?λ?xodxo

dλ

iLFPR

i

d

gxi(λ0)

+

(λ

?

λ0)=

?不同波長(zhǎng)的聚焦位置：

dxo

dλ?=

m??ns(λ)

ddλ?ns(λ)

ddλ[ng(λ)]ΔL?

ddλ

dg

dxoLFPRo

dλo

xoLFPRoo

dg

dxiLFPRi

dλi

xiLFPRii將光柵方程兩邊對(duì)波長(zhǎng)λ做偏分，得ooiLFPR

odgLFPRidg[xi[ng(λ)]}

ddλdns(λ)

dλ

1ns(λ)dxo

dλΔL

LFPR

o

λ0

ns(λ)dg+

xo]?{ng(λ0)?λ0=

?dxi/dλ=0+

xo(λ0)]dns(λ)

LFPRodgdλLFPRidg

o{ng(λ0)?λ0[ng(λ)]}48忽略高階小量dxo

dλxo＝xo(λ0)+(λ

?λ0)o[xidλ

λ0

dg

1ns(λ)

1

ns(λ)dns(λ)

dλ

1ns(λ)dxo

dλd

ΔL

LFPRo(λ

?λ0)]=

?

?[1+odxo

dλNg(λ)ΔL

LFPRo

λ0

ns(λ)dg=

?

ddλ[ng(λ)]式中群折射率Ng(λ)

N

g(λ)

=

ng(λ0)

?λ0輸出光波導(dǎo)間距:

dout=

(dxo/dλ)

?λchng(λ)ΔL?ns(λ)dg

i?ns(λ)dg

oLFPRi??n

(λ

+ΔλFSR)ΔL?ns(λ

+ΔλFSR)dg?

?49AWG的自由頻譜范圍FSR

若λ的第m階衍射級(jí)位置和λ+Δλ的第m–1階衍射級(jí)位置重合，

稱Δλ自由頻譜范圍，記為ΔλFSR

。

從光柵方程出發(fā)：oi=

(m?1)(λ

+ΔλFSR)

xoLFPRo

xo

LFPRo

xiLFPRi?

xi??

=

mλ?ns(λ

+ΔλFSR)dgg≈?1m

λm?1

λN

g(λ)ng(λ0)ΔλFSR

=可用的最大通道總數(shù):

ΔλFSR

Δλch=Nmax50性能指標(biāo)定義

I通道間隔ITU

帶通

PB

ITU

定義的通道波長(zhǎng)間隔以

ITU

波長(zhǎng)為中心的對(duì)稱帶寬;該帶寬與通道間隔相關(guān)(如對(duì)于通道間隔

100GHz，取

25GHz);可作為器件可用帶寬來(lái)考慮;

偏振平均損耗

L(λ)

峰值波長(zhǎng)

λmax,j

插入損耗

IL插入損耗均勻性

ILU

紋波

R對(duì)于某一特定波長(zhǎng)，所有偏振態(tài)透過(guò)率(對(duì)數(shù))的平均值

帶通范圍內(nèi)透過(guò)率峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)

λmax,j=λ(minPBj[L(λ)])

各通道的最小損耗的最大值

IL=maxj[ILj]

ILj=

IL(λmax,

j]

各通道損耗的最大差值

ITU

帶通內(nèi)損耗最大變化量

R=maxj[Rj]Rj=

maxPBj

[ILj–L(λ)]

L(λ)=avgpol[L(λ,

pol)]L(λ,

pol)=

avg

{–10log[T(λ,

pol)]}

ILU=maxj[ILj]

–minj[ILj]λC,

j

=51性能指標(biāo)定義

IIj

jj

j

中心波長(zhǎng)

λC,

j

中心波長(zhǎng)精度

CWA

1.0,

3.0

dB

帶寬

BWdB

偏振相關(guān)損耗

PDL相鄰?fù)ǖ栏綦x度

ACI

從峰值下降

3dB

處兩波長(zhǎng)的平均值：

λb,3dB

+λa,3dB

2

各通道中心波長(zhǎng)偏離

ITU

波長(zhǎng)的最大值：

CWA

=

max[|λC,

j

?

ITU

j

|]

從頻譜峰值下降1dB(或3dB)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)間隔絕對(duì)值：

BWdB

=

min[BWdB,

j]

BWdB,j

=|λb,dB

?λa,dB

|

ITU

帶寬內(nèi)所有偏振態(tài)的透過(guò)率的最大比值：

PDL＝max[PDLj]

PDLj=maxPBj[Lmax(λ)－Lmin(λ)]

Lmax(λ)＝maxpol

[L(λ,

pol)]

Lmin(λ)＝minpol

[L(λ,

pol)]

相鄰

ITU

帶寬內(nèi)最大透過(guò)率的最大比值：

ACI＝min[ACIj]

ACIj=min[ΔLj-1,

ΔLj+1]52性能指標(biāo)定義

III

相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_

AXT

非相鄰隔離度

NAI非相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_

NXT

總串?dāng)_

TXT

回?fù)p

RL

方向性D

透過(guò)率峰值與相鄰

ITU

帶通內(nèi)功率和的比值

AXT=minj[AXTj]

AXTj=10log[10(ΔLj–1/10)+

10(ΔLj+1/10)]

帶通范圍內(nèi)透過(guò)率峰值與非相鄰

ITU

帶通內(nèi)最大透過(guò)率的比值

NAI=minj[NAIj]

NAIj=ILj–minj

[ΔLj]

for

|i–j|>1

帶通范圍內(nèi)信號(hào)功率峰值與非相鄰

ITU

帶通內(nèi)功率和的比值

NXT=minj[NXTj]

NXTj=10

log

[Σi

10(ΔLi/10)]

for

|i–j|>1

通道內(nèi)功率與所有其它通道功率和的比值

所有輸出狀態(tài)下輸入功率與反射內(nèi)功率的比值的最大值

RL=maxj[RLj]

RLj=(PBACK,j–PIN,j)

輸入功率與其它輸入口的反射內(nèi)功率的的最大比值

D=maxj[DLj]Dj=(DBACK,j–DIN,i)i?

j

TXT=minj[TXTj]TXTj=10log[10(AXTj/10)+

10(NXTj/10)]53主要指標(biāo)

信道間隔：波長(zhǎng)間隔1.6、0.8、0.4nm；

或頻率間隔200、100、50GHz等；

通道數(shù)：8、16、32、64、128

通道波長(zhǎng)：通常需要溫控；

通道非均勻性：~1dB；

通道串?dāng)_：‐25~‐35dB；

偏振相關(guān)損耗（PDL）、偏振相關(guān)波長(zhǎng)（PDλ）；54AWG的基本設(shè)計(jì)流程及要確定的參數(shù)

設(shè)計(jì)單模波導(dǎo)參數(shù)，并確定最小彎曲半徑。

確定通道數(shù)Nch、通道間隔?λch，并根據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn)選擇中心波

長(zhǎng)λc。根據(jù)FSR確定最大衍射級(jí)次M，取m<M。

根據(jù)串?dāng)_要求，確定輸出波導(dǎo)間距do。

根據(jù)工藝條件及色散要求，確定陣列波導(dǎo)間距dg。

根據(jù)通道插損均勻性確定自由傳輸區(qū)長(zhǎng)度LFPR。.

根據(jù)所需波導(dǎo)陣列孔徑大小確定陣列波導(dǎo)數(shù)NWG。

以上各步驟確定的都是各參數(shù)的取值范圍。最后需要統(tǒng)籌兼

顧，微調(diào)各參數(shù)。55AWG器件模擬仿真FPR2LFPRoLFPRo/2Image

planeOutput

apertureOW

xodoxdgoθidgiIWInput

aperturexFPR1

xidiLFPRi基本思路：分區(qū)域分別模擬輸入自由傳輸區(qū)輸出自由傳輸區(qū)Coupling

coefficient,

ηlxE0(x)

=

exp(?

2

)Efar(x,

z)

=

?

?

z?

?wzηl

=∫EIAP(x/LFPR)EAW(x?

xl)dx56方法一：高斯場(chǎng)近似的簡(jiǎn)便模擬方法

2w0φl(shuí)

=

2π

?ng(L0

+l?ΔL)

λ12iβx2

2Rx2

2)exp(?iβz

+i?)?exp(????

w?

w0?*xS

=

LFPR

sinθSzS

=

LFPR

cosθSLx1odgxzz=0IW

LFPRFPR1Ein(x1)x'Input

aperture1733496581960

10.050.10.15EIAP(θS)

=

Efar(xS,zS)

0.2l輸入自由傳輸區(qū)戴道鋅等.

“陣列波導(dǎo)光柵的簡(jiǎn)便模擬方法及應(yīng)用,”

光子學(xué)報(bào).

31(8):

980‐984,

2002.

?z'=

(x?

xl)sinθl

+(z

?

zl)cosθl∑El(xim,zim)ηout

=∫E

(x,z)E

(x)dx∫E

(x)E

(x)dx57AWG頻譜計(jì)算NWG

?1

l=0Eim(xim,zim)

=2**im

o

o

o2?x'=

(x?

xl)cosθl

?(z

?

zl)sinθl?El(xim,zim)

=

Efar(x',z')θlimage

planezz'x'xl(xl,

zl)輸出自由傳輸區(qū)x

θlLFPRM*方法二：基于BPM的分區(qū)模擬方法

z

z

x

Lin

Nηl

=∫EMN(x)E0(x,l)dx

輸入自由傳輸區(qū)‐

58

Lin=2800μm

LFPR=5200μm周勤存等.

“基于FD‐BPM方法的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)模擬,”

半導(dǎo)體學(xué)報(bào).

23(12):

1313

1319,

2002.

Amplitude

(arbitrary)∑η

E|ηout(q)|

=

∫EHK(x)E

(x,q)dx59

x重構(gòu)輸入場(chǎng)zLFPRθlHK0l(x,l)exp(?iφl(shuí))Ein

=NWG?1

l=0-1000-500010000.40.30.20.12

*

240

2452702750.30.20.1

00.50.4250

255

260

265

The

image

plane,

x

(μm)

500ideal

image

fieldmm

ΔXFSR=682.1μmm+1λ=1529.32nm

m-1

Lout重構(gòu)輸入場(chǎng)

2

0

0輸出自由傳輸區(qū)Power

(dB)Power

(dB)Power

(dB)601530153515551560-40-35-30頻譜響應(yīng)

0

-5-10-15-20-251540

1545

1550

Wavelength(nm)153015351540

1545

1550

Wavelength(nm)15551560-40-35-30

0

-5-10-15-20-251542

1544

1546Wavelength(nm)15481550-50

1540-40

0-10-20-30simulationexperimentSub-peaksMain-peaksCrosstalk

(dB)Comparison3dBInsertionNonThe

central

SimulationExperimentpassband

(nm)

0.475

0.435Adjacent

16.8

16.5Non-adjacent

31.8

25.5

loss(dB)1.144.23-uniformity

(dB)

0.7

0.6wavelength

(nm)

1545.32

1544.95模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果比較Ein(x1,

y)

=∑aq(x1)uq

FPR(y)aq(x1)

=∫

Ein(x1,

y)uq

FPR(y)dyEfar(x',

y,z)

=∑aq

far(x',z)uq

FPR(y)a

(x',

z)

=∫?X

/

2aq(x1)ηl

=∫∫EIAP(x,

y)EAW(x?ldg,

y)dxdy61方法三：基于基爾霍夫衍射公式的AWG模擬

+∞

?∞基爾霍夫衍射公式Q?1q=0

Q?1

q=0+X

/

2qqfarqdx1exp(?inFPRkr)

cosθin

+cosθdr

r

2

iλ

/

nFPR20

0L2FPRz=

L2FPR

?x'2?x'z==

u

FPR(y)afar(x',z)|EIAP(x,

y)

=

Efar(x',

y,z)|

+∞

+∞?∞

?∞*忽略高階模(q>1)L

x1oxdgzz=0FPR1

Ein(x1)IW

x'LFPRInput

aperture輸入自由傳輸區(qū)Daoxin

Dai,

et

al.

Accurate

two‐dimensional

model

of

an

AWG

demultiplexer

and

the

optimal

design

using

the

reciprocity

theory.

Journal

of

the

Optical

Society

of

America

A,

21:

2392,

2004.

∑ηEAW(x?ldg,

y)exp(?iφl(shuí))

=

AEX(x,λ)u0

FPR(y)A

(x,λ)

=∫

EEX(x,

y,λ)u0

FPR(y)dy+∞?∞∑ηAEX_far(x1,z,λ)

=∫AEX(x,λ)EIM(x1,y,λ)

=

AEX_far(x1,z,λ)u0

FPR(y)|ηout(λ)

=∫∫EIM(x1,

y,λ)EOW(x1,

y)dx1dyηout(λ)

=∫

AEX_far(x1,z,λ)AOW(x1)dx1+∞620lEEX(x,

y,λ)

=NWG?1

l=020z=LFPR

/

2+

L2FPR

/

4?x1

+∞

+∞?∞

?∞*

+∞?∞dxexp(?inFPRkr)

r00

FPR00

iλ

/n

0EXNWG?1

l=0=

l

AAW(x?ldg)exp(?iφl(shuí))0

*?∞x1xFPR2

z=0LFPR/2

zLFPRx'Image

planeOutput

aperture輸出自由傳輸區(qū)∑η

ξ63NWG?1

l=0llexp(?iφl(shuí))ηout(λ)

=

far?∞64方法四：AWG的精確三維模擬方法

基爾霍夫

衍射公式FPR中光場(chǎng)傳播

3DBPMFPR與波導(dǎo)連接處

(輸入/輸出/陣列)FPR1及相連陣列波導(dǎo)FPR2及相連陣列波導(dǎo)Daoxin

Dai,

et

al.

Three‐dimensional

hybrid

method

for

efficient

and

accurate

simulation

of

AWG

demultiplexers.

Optics

Communications,

270(2):195‐202,

2007.65

AWG的主要性能要求‐新型設(shè)計(jì)對(duì)一個(gè)實(shí)用化的AWG來(lái)說(shuō)，要求：

中心波長(zhǎng)漂移小

3dB帶寬大

通道串?dāng)_低

偏振相關(guān)性低

插入損耗低

溫度不敏感性Transmission

A.

如何增大3dB帶寬？

AWG頻譜平坦化技術(shù)平坦化頻譜具有以下優(yōu)點(diǎn)：

允許高速調(diào)制；

允許LD的發(fā)射波長(zhǎng)有一些偏移；Flat-top

typeGaussian

type

Wavelength對(duì)于器件受溫度變化影響引起的波長(zhǎng)偏移不敏感；允許器件有少許的因偏振引起的波長(zhǎng)偏移；允許系統(tǒng)串聯(lián)多個(gè)DWDM或?yàn)V波器等器件而不引起系統(tǒng)性能的顯著下降。-60-50-40

0-10-20-30-70

1.549101.553101.557101.561101.565101.569101.573101.5771-60-50-40

0-10-20-30-70

1.54431.54681.54931.55181.55431.55681.55931.56181.56431.56681.5693

661.5718高斯型響應(yīng)平坦型響應(yīng)∑η

ξ67

方法

調(diào)節(jié)

ηlξl

具體實(shí)現(xiàn)

輸入/輸出波導(dǎo)處連接如標(biāo)準(zhǔn)

MMI、錐形

MMI、拋物型波導(dǎo)、

Y

分支等特殊結(jié)構(gòu).

優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單方便;

不增加工藝復(fù)雜度;

幾乎不增加器件尺寸.

缺點(diǎn)

不可避免地增大插損.

調(diào)制φl(shuí)

雙羅蘭結(jié)構(gòu)、雙光柵結(jié)構(gòu).

非線性調(diào)制(迭代法).

設(shè)計(jì)方法較為簡(jiǎn)單;

不增加器件尺寸;

不增加工藝復(fù)雜度.

增大了器件尺寸;

串?dāng)_增加.

插損有所增加.

同時(shí)調(diào)節(jié)

ηlξl和φl(shuí)

帶通波長(zhǎng)預(yù)偏移

調(diào)節(jié)陣列波導(dǎo)入口寬度以及長(zhǎng)度微擾.

MZI

和

AWG

級(jí)連或兩個(gè)AWG

級(jí)連.

理想情況下，可得到完美的頻譜.

理想情況下，頻譜非常完美.

具體實(shí)施過(guò)程較為復(fù)雜(尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)).

增大器件尺寸

AWG頻譜平坦化技術(shù)思路NWG?1

l=0llexp(?iφl(shuí))ηout(λ)

=EIMEoT68WMMIInput

waveguide

Wi

Output

waveguidesWoFPR1FPR2Waveguide

arrayMMI

sectionTapered

waveguide

WoAWG頻譜平坦化設(shè)計(jì)舉例69B.

熱穩(wěn)定AWG

(Athermal

AWG):

溫度不敏感

對(duì)于AWG，外界溫度變化將引起波導(dǎo)折射率變化，進(jìn)而將引起通道中心波

長(zhǎng)漂移。

其波長(zhǎng)漂移量為Δλ=λ(γΔT)/n，其中n為光波導(dǎo)有效折射率。

例如，SiO2材料的熱光系數(shù)γ=1.1×10–5，其AWG波長(zhǎng)將漂移約0.0125nm/oC。

在DWDM光纖通信系統(tǒng)中，溫度引起的波長(zhǎng)漂移將增大誤碼率。引入絕熱槽的AWG結(jié)構(gòu)“復(fù)合光波導(dǎo)”Diffraction

efficiency(dB)1584158615881590159215941596701598-45

1582

0

-5-10-15-20-25-30-35-40Wavelength(nm)

TE

TMPDλC.

AWG偏振敏感性

由于波導(dǎo)中橫電(TE)、橫磁(TM)

模的傳輸常數(shù)

不同，引起兩個(gè)模式的光在成像面的像點(diǎn)發(fā)生

偏移，從而使輸出通道的頻譜響應(yīng)發(fā)生漂移，此即偏振敏感性。偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移(Polarization

Dependent

Wavelength

Shift，簡(jiǎn)稱PDλ

)。由于DWDM正在向越來(lái)越小的波長(zhǎng)通道間隔（從1.6nm到0.8nm，甚至更?。┻~進(jìn)，因此即使是一個(gè)很小的PDλ（例如0.3‐0.4nm）也將造成很大的影響。λcΔna

na=Δλ

=

λTE

?λTM

naΔL

=

mλcna(TE)

≠

na(TM)偏振不敏感AWG器件半波片法三角形區(qū)域補(bǔ)償方法利用不同寬度的波導(dǎo)雙折

射不同實(shí)現(xiàn)偏振非敏感

71Transmission

(dB)

51.1μm

硅納米線AWG的偏振敏感性Difficult

to

compensate

the

huge

polarization

sensitivity.

72

‐5‐10‐15‐20‐25‐30

1540TEPDλ=35nm1560

1580

Wavelength

(nm)TM

TM

1600TE

42.7μm73D.

低串?dāng)_AWG設(shè)計(jì)采用基于兩級(jí)AWG的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，有效地抑制背景串?dāng)_到‐80

dB的極低水平，并使得頻譜邊緣更加陡峭。74E.

極低損耗的AWG

平板波導(dǎo)與陣列波導(dǎo)連接處的損耗是AWG插入損耗的主要來(lái)源‐間

隙導(dǎo)致模場(chǎng)失配。

利用垂直楔形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式平滑轉(zhuǎn)換，但需要特殊工藝；A.

Sugita,

A.

Kaneko,

K.

Okamoto,

M.

Itoh,

A.

Himeno,

and

Y.

Ohmori,

“Very

low

insertion

loss

arrayed‐waveguide

grating

with

vertically

tapered

waveguides,”

IEEE

Photon.

Technol.

Lett.

12(9):

1180‐1182

(2000).

75

AWG的制作工藝(a)

薄膜沉積波導(dǎo)層

Si襯底

芯層

下包層SiO2(b)

光刻光刻膠金屬

(Ti

&

Ni)光刻膠金屬

(Ti

&

Ni)(e)

刻蝕SiO2(f)

去除殘留金屬SiO2波導(dǎo)層

Si襯底(c)

濺射金屬

波導(dǎo)層

Si襯底

(d)

剝離

波導(dǎo)層

Si襯底Si襯底

Si襯底(g)沉積上包層薄膜

Si襯底Under

cladding

(SiO2)Si

substratePhotoresistor

mask

layerCore

layer

(Ge-doped

SiO2)Power

(dB)76AWG器件的測(cè)試

-5-10-15-20-25-30-35-40

1553

1554

1555

1556

1557

1558

1559

1560

Wavelength

(nm)77AWG器件的封裝782.3.

環(huán)形諧振器‐Ring

ResonatorMRR

proposed

first

by

Marctilli

in

196979環(huán)形諧振器的級(jí)聯(lián)形式80More

forms

for

ring‐resonators81Synthesize

the

spectral

responses?

(0)E1'

=

k2

(0

'1)

'E2

(0

'

)exp(?

jφ2

0'1')=

eE1k2

(0

'1)

'k12

(0')=

k12

(0')

+82The

resonator’s

responseGeneral

formula

11′22′l4′1′l23′(0

(

(2'

('(

(0

(

(2

('?E20)

=

k12)E10)

+k1'0)E10)?E2'

=

k12')E10)

+k1'0)E10)?

(0)?('1'

(2'(2'

('1'

(0(('('1'

(2'('('1'

(2'(2

('1'

(0(0((E10)

(0)E20)E10)E20)E10)1?

k20)k1'0)

k1'0)k20)k12')

1?

k20)k1'0)=k1'0)k20)k12')1?

k20)k1'0)=

k12)

+0k0

0

k2′1′

0

αl2'1'2'1'

φ2'1'

=

βl2'1'0βl2'1'

=

mλResonance

wavelgnth?

(0)E1'

=

k2

(0

'1)

'E2

(0

'

)E1=

k12

(0)

+k2

(0

'1)

'k12

(0')=

k12

(0')

+=?

?∏k1'2'

?

?γ

tol

exp(?

jΦtol)=

E

?

?k1'2

∏k1'2'

?

?γ

n

exp(?

jΦn)??(0

(

(2'

('(

(0

(

(2

('?E20)

=

k12)E10)

+k1'0)E10)?E2'

=

k12')E10)

+k1'0)E10)?

(0)?('1'

(2'(2'

('1'

(0(('('1'

(2'('('1'

(2'(2

('1'

(0((E20)E10)E10)

(0)E20)E10)=

k1'0)k20)k12')

1?k20)k1'0)1?k20)k1'0)

k1'0)k20)k12')

1?k20)k1'0)1′2′2′#N

1′1′

#1

1′

1

#0#n

2′

2

The

resonator’s

response

Ring

resonator

with

N

output

ports.

Through

port

2

1

Input

port

1

2output

port

#1

output

port

#N

2′

2

1output

port

#n

(0)2'1'k?

N

(n)??

n=1

?Daoxin

Dai

and

Sailing

He.

Proposal

of

a

coupled‐microring‐based

wavelength‐selective

1×N

832'

(n)2E(0)?

(n)

n?1

(m)?

m=1=

k

=

?

jkk84121′2′#01′12′2#1121′2′#N1′21#n

2′Input

portThrough

portoutput

port

#1output

port

#noutput

port

#N(

(('1'

(0

(0

(2'

(2

(0

1

1′l4′1′

The

critical

coupling

condition

2No

power

outputs

from

the

thru

port,

i.e.,

2′

E20)

/

E10)

=

0

l23′

k20)

=

k12)

/[k12)k1'0)

?

k1'0)k12')]k2′1′(0

(2'(1)

For

coupler

#0,

one

has

(0)

(0)

1'2

12'('1'k20)

=

1?k

2

k12)

=

k1'0)

=

1?k

2Finally

the

critical

coupling

condition

becomes85

Special

case

I:

all

passed

filter

(n=1)

The

critical

coupling

condition

becomes0

(0)2'1'0kαl2'1'exp(?

jφ2'1')=

e

1

1′l4′1′

2

2′l23′k2′1′and2

(0)2'1'k=

1?kα<0α>0

λPowerFSR=?

?∏k1'2'

?

?γ

tol

exp(?

jΦtol)E1=

k12

+=

E

?

?k1'2

∏k1'2'

?

?γ

n

exp(?

jΦn)??86Special

case

II: