集成光電子器件及設計 - 集成光無源器件

第五章

集成光無源器件浙江大學光電系《集成光電子器件及設計》

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系

第五章

集成光無源器件23

光通信產業(yè)包括：?

1、各種規(guī)格的光纖和光纜，包括各種摻雜光纖、特殊結構光纖（保

偏光纖、色散漸變光纖、色散補償光纖、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、探測器、放大器、發(fā)射模塊、

接收模塊等）和無源器件（耦合器、濾波器、衰減器、隔離器、環(huán)形

器、連接器、光互聯(lián)、光分叉復用、光波分復用以及包含這些功能的

各種集成光子器件等）?

3、光通信系統(tǒng)（時分復用、波分復用）和光網絡系統(tǒng)（遠程網、城

域網、接入網）?

各種光通信測試儀器（功率計、波長計、光纖光譜分析儀、寬帶放大

器、反射信號測試儀、信號發(fā)生器、通信信號分析儀等）與光纖加工

設備（光纖拉制機、光纖熔接機、光纖熔融拉錐機、光纖刻蝕機、光

纖拋磨機）?

4、浙江大學光電系第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件4光通信的發(fā)展現(xiàn)狀?

經歷了本世紀初的光通信泡沫沉寂多年后，光通

信近年來呈現(xiàn)出新一輪的發(fā)展。不同于以往的盲

目擴張，這次的迅速發(fā)展動力來自于是實實在在

的市場需求，也就是“帶寬”。隨著交互式網絡

電視IPTV、網絡游戲等高帶寬業(yè)務的出現(xiàn)，人們

對帶寬的需求急劇增加，光纖從光網絡的干線網

絡、城域網絡向接入網延伸。作為

“最后一公里”

的解決方法，光纖到戶（Fiber

to

the

Home，簡

稱FTTH）以及無源光網絡（Passive

Optical

Network，簡稱PON）近年來在全球范圍內的大

面積的鋪開，增加了對集成光器件的需求，極大

地促進了相關集成光子器件的發(fā)展。

平均每9個月性能翻一番、價格降低一半浙江大學光電系5????容量超大，光纖的巨大帶寬資源數(shù)據(jù)透明，與信號的速率和調制方式無關擴容方便，波長的復用成本低廉，節(jié)約大量光纖密集波分技術光傳輸?shù)膭潟r代革命

第五章

集成光無源器件6光器件：

光通信網絡的基礎用戶網交換網接入網光

有

源

器

件光

無

源器

件

TDM

WDM傳輸網TDMWDM支撐基礎：浙江大學光電系第五章

集成光無源器件浙江大學光電系7

發(fā)射?激光器?調制器?波長鎖定?接收器?探測器?收發(fā)模塊

波分復用?薄膜濾波器?光纖光柵?陣列波導光柵?環(huán)行器?波長交換器

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?啦曼放大器

?半導體光放大器第五章

集成光無源器件

光開關?光交換開關?耦合器?上下路模塊光纖通信用光電子器件電線光纖調制器光調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用器放大器光放大器頻率轉換器光波長轉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器開關光開關集成電路集成光路8光器件與電器件的類比浙江大學光電系第五章

集成光無源器件9按是否需要外加能源驅動工作分：?

光有源器件?

光無源器件光有源和無源器件

光電子器件類型（通信）浙江大學光電系第五章

集成光無源器件10光有源器件定義：需要外加能源驅動工作的光電子器件

–半導體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)

–半導體光探測器(PIN,APD）

–光纖激光器（OFL:單波長、多波長）

–光放大器(SOA,EDFA)

–光波長轉換器(XGM,XPM,FWM)

–光調制器（EA）

–光開關/路由器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件11光無源器件

定義：不需要外加能源驅動工作的光電子器件

–光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC）

–光纖定向耦合器/分支器

–光分插復用器（OADM)

–光波分/密集波分復用器（WDM/DWDM)

–光衰減器（固定、連續(xù)）

–光濾波器（帶通、帶阻）

–光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關、無關）

–光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵浙江大學光電系第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件12

光無源器件?

光無源器件是一種不

必借助外部的任何光

或電的能量，由自身

能夠完成某種光學功

能的光學元器件。?

其工作原理遵守幾何

光學和物理光學基本

理論，各項技術指標、各種計算公式和各種測試方法與光纖光學和集成光學息息相關。

光功分器波分復用器光濾波器A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123浙江大學光電系第五章

集成光無源器件13光無源器件的分類?

光纖型熔融拉錐功分器、光纖光柵?

微器件型透鏡、反射鏡、棱鏡等分立光學元件?

集成型采用類似于半導體集成電路的方法，把光學元件集成到同一塊芯片上的集成光路浙江大學光電系第五章

集成光無源器件14集成光無源器件????體積小、重量輕、集成度高機械性能以及環(huán)境穩(wěn)定性好容易精確控制、重復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

成于一個襯底上，實現(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，從而大大

降低單個器件的成本。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件15

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件16多模干涉耦合器(MMI)OutputWaveguides

Multimode

Section

InputWaveguide

由輸入輸出波導及多模干涉區(qū)組成;

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

已經在功分器，光開關，上下路器，波分復用器件，環(huán)形激光器等器件中得到了廣泛應用.

(x)dxE(x,z)

c

(x)exp[

j

z]

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件17

c

(x,0)

(x)dx

2?

那么在多模區(qū)

z

處的場就可以表示成

v(v

2)

3L

多模干涉耦合器-自成像原理?

對于輸入場E(x,z)，我們可以將其分解成多模區(qū)所有模場的和

(正交且完備)

E(x,0)

c

(x)

相位因子ΦE3L

(x)

Ee

o

e

o

in(

x)(x)

E

(x)

E

(

x)

E

(

x)

E浙江大學光電系第五章

集成光無源器件18

多模干涉耦合器-Mode

Propagation

Analysis

(MPA)?可以將模場表示成奇模與偶模的和

Ei(x)

Ee(x)

Eo(x)

?

(a)

當

L=3L

時3L

0,

,0,

,各個模式的相位:

3L

6L

?

(b)

當

L=6L

時

6L

0,0,0,0,E6L

(x)

Ee(x)

Eo(x)

Ein(x)各個模式的相位:鏡像自成像0,

,0,

,

3L

1E32(x)

Ee

o

i

i(

x)e(x)

jE

(x)

EE

(x)e浙江大學光電系第五章

集成光無源器件19

2

j

14

j

14

33

2

2

2

1×2

splitter

3/2Lc1×N

splitter可以用類似的方法設計多模干涉耦合器-Mode

Propagation

Analysis

(MPA)

L

3/2L

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件20不同輸入方式(a)

一般干涉模式，General

Interference(b)限制干涉模式，Restricted

Interference

x

WMMI

/6(c)對稱干涉模式，Symmetric

Interference

x

0(a)(b)(c)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件21MMI典型應用-功分器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件22MMI典型應用-功分器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件23WMMI1310nm1550nm

Port1zxPort31550nmMMI應用-

偏振不敏感型

1310/1550

nm

波分復用器

Port2

1310nm

LMMI

結構示意圖通過選取合適的MMI寬度與長度實現(xiàn)1310nm

信道與1550nm信道的分離

LMMI

n

L

(1310)

(n

1)

L

(1550)x

(

m)x

(

m)Output

power

from

two

ports

(dB)Output

power

from

two

ports

(dB)x

(

m)x

(

m)z

(

m)z

(

m)z

(

m)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件240100200300400-10

-5

05100100200300400-10

-5

05100100300400-10-505100100300400-10-50510(a)200

(d)

200z

(

m)

(c)(b)(a)

TE偏振,

@1310nm;

(b)

TM偏振

,

@1310nm;

(c)

TE偏振,@1550nm;

(d)

TM偏振

,

@1550nm.1330-30

1290-20-25-15-10-501300

1310

1320

Wavelength

(nm)(a)(b)1575-30

1525-20-25-15-10-501537

1550

1567

Wavelength

(nm)Port3Port2Port2Port3TETMTETM輸出波導頻譜圖

(a)

1310nm

波段;

(b)

1550

nm波段.MMI應用-

偏振不敏感型

1310/1550

nm

波分復用器

三維BPM的模擬結果顯示，波分復用器對兩個偏振在1310/1550兩個波段都具有

較小的插入損耗及較大的帶寬.Y.

Shi,

S.Anand

and

S.

He,

“Apolarization

insensitive

1310/1550nm

demultiplexer

based

on

sandwiched

multimode

interferencewaveguides,”

IEEE

Photon.

Technol.

Lett.,

19(22):

1789-1791,

Nov.

2007.Port

1

(dB)Port

2

(dB)級聯(lián)型MMI實現(xiàn)偏振分束

?

結構和原理：

–

利用聚合物多模波導的雙折射，使TM模在第一個MMI末端成像輸出，TE模能量全

部進入第二個MMI后成像輸出。Port#1

LMMI2

LMMI=2LTMPort#2

MMI#2

WMMI2

MMI#1

WMMI

Port#0TETM154015701580-35

1530-23-24-25-26-27-28-29-30-31-32-33-34

1550

1560Wavelength

(nm)TETM154015701580-38

1530-31-32-33-34-35-36-37

1550

1560Wavelength

(nm)TETMY.

Jiao,

D.

Dai,

Y.

Shi,

and

S.

He.,

“Shortened

polarization

beam

splitterswith

two

cascaded

multimode

interferencesections,”IEEE

PhotonicsTechnology

Letters,

21(20):

1538-1540,

Sep.

2009.Frequency

(

/

)光子晶體嵌入型偏振分束器工作原理圖光子晶體能帶示意圖2015/6/9260

0.10.050.25

0.20.150.30.350.4

M

KTETMzLtPort3TEPort2TMTMTEPort1Lr

MMI應用-光子晶體-MMI混合型偏振分束器

x

光子晶體的作用是一個偏振敏感的反射鏡，對于

TE/TM偏振分別實現(xiàn)高透和高反

取

Lr

L

TM

/2

前向場分布

t(x,Lt)

t

(

x,0)

后向場分布

r(x,0)

r

(

x,0)Y.

Shi,

D.

Dai,

S.

He,

“Proposal

for

an

ultra-compact

polarization

beam

splitter

based

on

a

photonic-crystal-assisted

multimodeinterference

coupler,”

IEEE

Photon.

Technol.

Lett.,

19(11):

825-827,

June

2007.第五章

集成光無源器件Output

Power

From

Port2

(dB)Output

Power

from

Port3

(dB)2015/6/927(a)TE

polarization

(b)

TM

polarization1.6-35

1.5

0

-5-10-15-20-25-30

1.55Wavelength

(

m)1.6-35

1.5

0

-5-10-15-20-25-30

1.55Wavelength

(

m)TMTE在1500-1600nm帶寬內實現(xiàn)插入損耗

(<2dB)

且

竄擾

(<-20dB)引入光子晶體后，多模干涉耦合區(qū)的長度不再需要滿足兩個偏振的耦合長度的公倍數(shù)的關系，因此整個器件的尺寸大大減小

(50

m

5

m)

.MMI應用-光子晶體-MMI混合型偏振分束器第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件28

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器；?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件29

在分支區(qū)域之前的錐形部分（過渡區(qū)）平滑地將單模直波

導展寬，從而增大光波導本征模式的寬度以減小和輸出波

導之間的耦合損耗。?

對稱型Y分支：兩個分支臂具有相同的光傳輸特性，相同

的材料結構和相同的波導寬度，實現(xiàn)3dB耦合器功能。?

非對稱型Y分支：分支臂波導寬度不等，通過調整分支角或者臂的寬度調節(jié)功分比，還可以通過電光、熱光等效應調節(jié)其中一個臂的折射率，實現(xiàn)分光比的可調諧。Y分支

輸入波導錐形波導輸出波導浙江大學光電系第五章

集成光無源器件30理想Y分支和實際Y分支的比較實際制造中帶間距的分支波導理想分支波導由于制作工藝水平的限制，兩條輸出波導之間的分支角不可能做成完全的尖角，而是會留下一段空隙，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源浙江大學光電系第五章

集成光無源器件31理想Y分支和實際Y分支的比較對于芯層厚度為6μm的波導而言，其最小的波導間距為2μm。如果設計間距小于2μm，那么當沉積上包層后在分支頂端將會存在空氣（這將引入散射損耗）浙江大學光電系第五章

集成光無源器件32輸入波導輸出波導錐形波導

彎曲波導R輸入光SY分支光功率分配器模塊

PLC芯片光纖光纖陣列輸出光

輸出光D=250

μm過渡錐形波導2、分支（功分）波導

?

零間隙定向耦合

?

過渡錐形波導作用

–

降低反射

–

降低輻射損耗

1：2功分器

錐角~幾%---十幾%

分支臂夾角同上

波導寬度~幾

m

損耗~1dB浙江大學光電系第五章

集成光無源器件34輸入波導錐形波導輸出波導1mw?Y分支功分器浙江大學光電系35Y分支功分器

OPTICS

LETTERS

/

Vol.

7,

No.

3

/

March

1982第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件36Y分支功分器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件37

彎曲波導?

彎曲波導-光路變換的重要單元

如何解決性能和尺寸？

減小

會使尺寸變長，

加大

會使彎曲損耗增加。

采用S型過渡波導可以兼

顧2者y(μm)?

折射率差

↑

。

彎曲波導?

角速度相同

-----

越往外的光場傳播速度越快?

有一部分光場有可能跟不上-----形成彎曲損耗。

一般來說，

彎曲損耗

↓

：

?

彎曲半徑

↑

。

?

波長

↓

。-8-6-4-2

0x(μm)246810-5

-10

5

4

3

2

1

0-1-2-3-4wr

=6μm,

R=10000μm光纖型-平面光波導型功分器對比波導型透鏡?

模折射率透鏡(Mode

Index

Lens)?

短程透鏡(Geodesic

Lens)?

微透鏡(MicroLens)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件40neff

/k0

k1sin

i

/k0

n1sin

in2

neff

n1

增大有效折射率的途徑

1.

增加波導厚度

2.

雜質擴散3.

n2變大nLnenLnenL>ne模折射率透鏡(Mode

Index

Lens)

模折射率就是?

將傳統(tǒng)的體型透鏡平

面化，在光波導上作

出圓形或者圓弧形的

折射率分布曲線短程透鏡?

將襯底（玻璃，LiNbO3)加工成曲面，再在

其表面形成波導層制作成短程透鏡浙江大學光電系第五章

集成光無源器件42微透鏡浙江大學光電系第五章

集成光無源器件43

熔融鹽槽中的金屬

離子經過掩膜擴散

以置換玻璃中的不

同金屬離子，形成

球形變化的折射率

分布對光源、探測器實現(xiàn)光束的耦合、準直、擴束、匯聚等功能浙江大學光電系第五章

集成光無源器件44

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器；?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件451324DC1DC2Mach-Zehnder

Interferometer

(MZI)

L1

L2

MZI

的基本結構?MZI

由兩個方向耦合器DC1和DC2組成。在兩個DC之間存在兩個長度不等的干涉臂

。

L

L1

L2

1=

/4

2=

/4

1

2

j

E

'

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件46Directional

coupler

in

MZI

E

E2

E1'

E2'

jsin

E1

cos

E2

cos

jsin

對一個3dB耦合器來說，cos2

1/2

L1234+

/2+

/21’2’

j

1

jsin

2

1

cos

cos

jsin

2

1

2

j

E1

E1'

2

當E2

0

KL其中.相位差=Pi/2

0.5E1

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件47當時MZ

interferometers

1=

/4

2=

/4

0

exp(

jk0nL2)

1

2

E3

E4

L

3

4

jsin

exp(

jk0nL1)

cos

0

jsin

'

E1

cos

'

E2

cos

jsin

cos

'

jsin

'E2

0

E3

E4

exp(

jk0nl1)

exp(

jk0nl2)

jexp(

jk0nl1)

jexp(

jk0nl2)

cos2

1/2P

3

sin2k0n

l

n

lfk

n

l

n

lff

,(2q

1)c浙江大學光電系第五章

集成光無源器件48?

當?

當,1

14

1

1Mach-Zehnder

interferometer?

我們可以得到:

P

sin2

P

2

c

P

cos2

0

P

cos2

P

2

c4

13

qc

n

lf

2n

l3

14P

P;

P

P;P

0

P

0

f

c2n

l3PP

4

f(q

is

positive

integer)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件49

L1234+

/2+

/21’2’（1）等臂長時，從1口輸入，幾口輸出？（2）n

△L=/2時，從1口輸入，幾口輸出？Mach-Zehnder

interferometer浙江大學光電系第五章

集成光無源器件50信號電壓電極輸出光電光晶體光波導輸入光應用實例：馬赫

-

曾德爾干涉儀型調制器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件51

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器；?

磁光隔離器與環(huán)形器52DropAddinputthroughputresonant

0resonant

0resonant

0Resonant

state(simulated

by

FDTD)微環(huán)諧振器-Micro-Ring

Resonator

(MRR)

MRR

proposed

first

by

Marctilli

in

1969微環(huán)諧振器工作原理浙江大學光電系第五章

集成光無源器件53A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123R為微環(huán)半徑，κ1、κ2和

t1、t2分別為兩個耦合區(qū)的振幅耦合比和振幅透射比。設進入以上耦合區(qū)的振幅為Ai，通過耦合區(qū)的振幅為Bi，輸入輸出信道的長度均為2L，微環(huán)和信道波導的傳播常數(shù)均為β=2πnc/λ，信道波導中的傳輸損耗（包括散射損耗、泄漏損耗等）為αL，微環(huán)波導中的傳輸損耗（包括彎曲損耗、散射損耗、泄漏損耗等）為αR。

1

exp(

2j(

j

L

L)L)B0

B

t1

t2

exp(

j2(

j

R)

R)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件541U

)L)

exp(

2j(

j

A0

A

1

t1t2

exp(

j2(

j

R)

R)1

輸入端口1到下輸出端口3的振幅傳遞函數(shù)V

)L)

exp(

2j(

j

A0

A

1

t1t2

exp(

j2(

j

R)

R)

微環(huán)諧振器工作原理當光波在微環(huán)內環(huán)繞一周后產生的光程差為波長的整數(shù)倍時，光波會與新耦合進入微環(huán)的光波相互干涉產生諧振增強效應

2πRnc=mλλ為諧振波長，R為微環(huán)半徑，nc為微環(huán)中光模式的有效折射率，m為諧振級次（取正整數(shù)）

分析方法：傳輸矩陣法

輸入端口1到輸出端口2的振幅傳遞函數(shù)55

The

resonator’s

response?

Key

features:

–

FSR

(free

spectral

response).

–

3dB-bandwidth,

Q

factor

=

λ/BW3dB.

–

Resonance

wavelengths.T

(dB)T

(dB)56微環(huán)諧振器特性1.521.58-50

1.5-40-30-20

0-101.54

1.56

λ

(μm)FSRκ=0.28κ=0.18κ=0.081.5451.5551.56-50

1.54-40-20-30

1.55λ

(μm)

κ=0.28κ=0.18κ=0.08A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A51.6

B5123(1)κ1=κ2=κ，lossless

0

-10T

(dB)571.54951.55051.551-35

1.549-25-30-20-10-15

0-5

1.55λ

(μm)κ2=0.08κ2=0.18κ2=0.28微環(huán)諧振器特性A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123(2)κ1=0.08,

~κ2T

(dB)λ

(μm)58微環(huán)諧振器特性A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123(3)κ1=κ2=0.08,

~loss1.54951.551.55051.551-35

1.549-30-25-20-15

-5-100аR=0аR=1×10-3μm-1аR=1×10-4μm-159Applications

of

ring-resonators:

optical

modulator

Nature

Photonics

4,

518

-

526

(2010)?

Lipson’s

group

at

Cornell

Univ.60Silicon

hybrid

laser

based

on

rings??Bowers

group

at

UC

Santa

Barbara;Roel

Beats’s

group

at

Ghent

Univ.61Ring-based

optical

sensor:

temperature,

liquid/gas

concentration62環(huán)形諧振器的級聯(lián)形式63More

forms

for

ring-resonators浙江大學光電系第五章

集成光無源器件64

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調制器

電光開關、調制器

聲光開關、調制器；?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件65波分復用技術

（Wavelength

Division

Multiplexer,WDM)?

光波分復用（WDM）技術是在一根光纖中同時傳輸多個

波長光信號的一種技術，基本原理是在發(fā)送端將不同波

長的光信號組合起來（復用），并耦合到同一根光纖中

進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復

用）。?

光波分復用器是對光波波長進行分離與合成的光無源器

件。對于不同的應用領域，光波分復用器件有不同的技

術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、以及波導等。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件

WDM

40

Gb/s

PSK例：這兩個低損耗波長窗口可以容納

290個40-Gb/s

PSK信號

66為什么要波分復用

(WDM)？在1300~1600

nm光譜范圍內，以一定的間隔隔開的多個波長可以在同一根光纖中獨立傳播

100

GHz波分復用系統(tǒng)WDM系統(tǒng)結構示意圖浙江大學光電系第五章

集成光無源器件68波分復用器?????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光柵型光路可逆原理波分復用/解復用器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件69光纖耦合器型

1

2P0P1P2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

向兩側拉伸

(3)

加熱區(qū)形成雙錐體形

式的波導W錐形區(qū)耦合區(qū)錐形區(qū)L拉伸區(qū)L浙江大學光電系71

1—

15

光纖光柵型

1—

16

16123布拉格光柵

Optical

circulator

FBGλBragg=λ0

λi第五章

集成光無源器件λ1,

λ2,

…,

λi,

…,λNλ1~λN

(except

λi)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件72基于薄膜濾波器的復用器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件73

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?。?.0005nm/OC

不需溫控）波長數(shù)

16CH；波長間隔

0.8nm價格較高是16波長WDM系統(tǒng)中主要選用的器件薄膜濾波器復用器特點浙江大學光電系第五章

集成光無源器件74透

鏡光

柵體光柵型復用器

光

纖

1

2

3

1+

2+

3

具有很好的波長穩(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

一般使用光學晶體為介質，成本高

S1

sin

i;

S2

sin

d

d

arcsin

sin

i

m

n

光柵具有特殊性質：與波長相關的反射特性，這可以使用光柵方程描述：

n

sin

i

sin

d

m

不同波長的光具有不同的衍射角，因此它們在空間上被分開。

光柵：材料中的周期性擾動反射型光柵浙江大學光電系第五章

集成光無源器件75浙江大學光電系第五章

集成光無源器件76陣列波導光柵（Arrayed

WaveguideGrating,

AWG）?

最典型的基于平面光波導技術的波分復用器件之一。λ1…λnλ1λn輸入波導陣列波導輸入端

自由傳輸區(qū)像面

輸出波導

輸出端自由傳輸區(qū)AWG的結構浙江大學光電系第五章

集成光無源器件77θidgi輸入波導輸入端xix自由傳輸區(qū)diLFPRix自由傳輸區(qū)LFPRoLFPRo/2像面輸出端

輸出波導xododgo第一個自由傳輸區(qū)局部結構第二個自由傳輸區(qū)局部結構而各輸入/輸出波導連接自由傳輸區(qū)的一端以一定的中心間距均勻地排列在一個羅蘭圓的圓周上。陣列中的每條波導正對中心輸入/輸出波導，均勻地排列在以中心輸入/輸出波導為圓心的圓周上。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件78AWG的特點

信道間隔（1.6

0.8

0.4nm）

端口（1

8

1

16

1

32

1

64

1

128)

需要溫控（0.01nm/0C)

插損不隨通道數(shù)增加(3~5dB)

高斯型通帶（采用特殊技術可實現(xiàn)平頂，但增大

插損）

隔離度~35dB

PDL<1dB

16通道以上WDM系統(tǒng)中最具競爭力的器件79???輸入/輸出波導;自由傳輸區(qū)

(Free

Propagation

Region,

FPR);陣列波導

(Arrayed

Waveguides);AWG的基本工作原理dgi輸入波導輸入端xix

θi自由傳輸區(qū)diLFPRix自由傳輸區(qū)LFPRo/2LFPRo像面輸出端

輸出波導xododgo

輸入波導浙江大學光電系自由傳輸區(qū)陣列波導輸入端輸出端像面

輸出波導

第五章

集成光無源器件自由傳輸區(qū)sin

i)

ng(

)[L0

(l

1)

L]

ns(

)(LFPRo

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件80i

odg

dg

2

2sin

i)ns(

)(LFPRi

i

ns(

)(LFPRi

sin

i)

ng(

)(L0

l

L)

ns(

)(LFPRo

sin

o)

m

2

2AWG基本工作原理

對某一波長λc，從同一輸入波導輸入(xi)，經過第l、l–1條陣

列波導，到達像面上某一點(xo)。若要在該點干涉加強，則

這兩條路徑的光程差為波長λ的m(m為衍射級)倍io

xiLFPRi

xoLFPRong(

)

L

ns(

)dg

ns(

)dg

m

AWG的基本方程自由光譜范圍(Free

FSR

cSpectral

Range,FSR)：浙江大學光電系第五章

集成光無源器件81波長級次m+1級次

m

級次

m-1

FSRCh1

Ch2

Ch3

Ch1

Ch2

Ch3

Ch1

Ch2

Ch3Ch1Ch2Ch3Ch4

陣列波導

輸入自由

傳輸區(qū)輸入波導輸出自由傳輸區(qū)

輸出

波導

Nch

ch

m

AWG的頻譜周期特性中心波長：

ng

L

m

c浙江大學光電系第五章

集成光無源器件82AWG的特性模擬Coupling

coefficient浙江大學光電系第五章

集成光無源器件8301734516885102

1191361531700

l陣列波導的耦合系數(shù)ηl由于陣列波導數(shù)足夠多(NWG=170)，耦合到陣列波導的總能量約為1.0，即幾乎沒有損耗。AWG的特性模擬

0.16

0.14

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02振幅浙江大學光電系第五章

集成光無源器件84-1000-5000500100000.40.30.20.124525026527027502400.30.20.10.50.4255

260

像面

x

(μm)ideal

image

fieldmm

ΔXFSR=682.1μmm+1λ=1529.32nm

m-1除了m級主峰外，還有

級次峰。由于是邊緣通道，m–1級衍射峰比m+1級衍射峰大得多。m級主峰、m–1級次峰值分別約為0.34、0.19。作為對比，圖中虛線給出的是理想成像場分布(即輸入波導基模)，其峰值為0.45。由此可以估算損耗約為10lg(0.342/0.452)=

–2.4dBFPR2中的光場傳播AWG的特性模擬損耗

(dB)浙江大學光電系851530153515401545155015551560-40

波長(nm)AWG器件的頻譜響應圖模擬結果

第五章

集成光無源器件AWG的頻譜特性

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35浙江大學光電系第五章

集成光無源器件86AWG的主要性能要求對一個實用化的AWG來說，一般要求：??????小的中心波長漂移寬的光譜響應通帶低的通道串擾低的偏振相關性低的插入損耗溫度不敏感性浙江大學光電系第五章

集成光無源器件87高斯型響應平坦化響應-20-30-40-50-60-70-1001.54431.54681.54931.55181.55431.55681.55931.56181.56431.56681.56931.5718AWG的頻譜響應

0-10-20-30-40-50-60-701.549101.553101.557101.561101.565101.569101.573101.57710EIMEoT浙江大學光電系第五章

集成光無源器件88AWG頻譜平坦化????平坦化頻譜具有以下優(yōu)點：(a)

允許高速調制；(b)

允許LD的發(fā)射波長有一些偏移；(c)