（光学工程专业论文）光栅型平面光波导波分复用器件的研究.pdf

浙大学博士学位论支 摘要 波分复用系统中的关键元件之是波分复用器，它对系统容量和系统传输质量 有决定性的影响。本论文对最具发展潜力的两种平面光波导波分复用器件蚀刻 衍射光栅( e d o ) 和阵列波导光栅( a w g ) 器件进行了研究，研究目的是提高器件 性能、简化器件制作工艺、降低器件制作成本。 从理论上分析了e d g 器件的特性。1 、从凹面光栅的成像分析出发，研究其各 级像差的解析表达式，给出了多点消像差的设计方法。2 、利用时域有限差分法对光 栅的后向衍射效率进行了分析，比较了全内反射( t i r ) 光栅结构和普通光栅在后向 衍射效率上的差别，及其适用范围。3 、分析了工艺误差对器件性能的影响。 研究了器件性能的改善方法。l 、利用两点消像差的方法对e d g 器件的结构设 计进行了改进，改善了多通道数e d g 各通道的均匀性。2 、用多光栅的方法实现了 e d g 器件的频谱响应平坦化。3 、设计了平场型e d g 器件，简化了制作工艺。4 、用 高掺杂的硼磷硅玻璃( b p s g ) 薄膜做波导的覆盖层，从而减小a w g 器件的偏振敏 感性。 在硅基二氧化硅波导制作技术的基础上，进行了这两种集成型波分复用器件的 实验制作。在制作中采用等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 方法淀积氧化硅薄膜， l i f t o f f 方法制作金属掩膜，以及感应耦合等离子( i c p ) 刻蚀方法进行光波导刻蚀。 对芯片性能进行了检测，取得了初步实验结果。 为降低器件的制作成本，设计并制作了基于贮n a + 离子交换波导的器件。通过 有限差分方法分析离子交换过程，计算了这种波导结构的弯曲损耗，对其结构和工 艺参数进行了优化。 总之，本文在理论和实验上研究了光栅型平面波导波分复用器件，提出了改善 其性能的方法并取得了初步的实验结果，这些结果对发展高性能、实用化的芯片有 重要意义。 关键词：蚀刻衍射光栅，阵列波导光栅，平面波导，光集成，像差，工艺误差，平 场型，频谱平坦化，偏振不敏感，离子交换波导 1 1 i 甚 女大掌博士掌位论文 a b s t r a c t a st h ek e yc o m p o n e n t si naw d m s y s t e m ，m u l t i d e m u l t i p l e x e r sh a v ea c r i t i c a le f f e c t o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，g r a t i n g - b a s e di n t e g r a t e dp l a n a r w a v e g u i d ed e m u l t i p l e x e r s f o r h i g hd e n s i t y w d ma p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n g e t c h e d d i f f r a c t i o ng r a t i n g s ( e d g s ) a n d a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g s ( a w g s ) ，a r es t u d i e di nd e t a i l t h ep u r p o s ei st o d e v e l o pd e v i c e sw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s ta n de a s i e rf o r f a b r i c a t i o n ， t h ep e r f o r m a n c eo fa ne d gi sa n a l y z e d f i r s t ，a b e r r a t i o n so fc o n c a v eg r a t i n g sa r e i n v e s t i g a t e di nd e t a i la n de x p r e s s i o n sf o rv a r i o u so r d e r so f a b e r r a t i o n sa r ed e v e l o p e d t h e d e s i g nm e t h o df o rg r a t i n gw i mm u l t i - s t i g m a t i c - p o i n ti sg i v e n s e c o n d l y , t h ea n a l y s i so f t h er e t r o d i f f r a c t i o ni na ne d gi s g i v e nb yu s i n g af i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d c o m b i n e dw i t hp e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r s ( p m l ) a n da p e r i o d i cb o u n d a r y c o n d i t i o n t h i r d l y , as t a t i s t i c a lm o d e lt oe s t i m a t et h ei m p a c to fp h a s ea n da m p l i t u d e e r r o r s i na ne d gi sd e v e l o p e d u s i n g as c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y s o m em e t h o d sa r ed e v e l o p e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e m u l t i p l e x e r s f i r s t ， am u l t i s t i g m a t i c p o i n tm e t h o di s a p p l i e d i na h i g h c h a n n e l e d gd e m u l t i p l e x e rt o i m p r o v et h ec o n v e n t i o n a lr o w l a n d t y p ed e s i g n s e c o n d l y ，at w o - f o c a l p o i n tm e t h o di s i n t r o d u c e df o ra no p t i m a l d e s i g n o fa ne d gd e m u l t i p l e x e rw i t haf l a t t o p s p e c t r a l r e s p o n s e t h i r d l y , af i a t f i e l de d gd e m u l t i p l e x e ri sd e s i g n e dt oe a s et h ef a b r i c a t i o na n d p a c k a g i n g f i n a l l y , as i m p l em e t h o d f o rf a b r i c a t i n ga p o l a r i z a t i o n i n s e n s i t i v ea w g d e v i c e i sd e v e l o p e db ym a t c h i n gt h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to ft h eo v e r c l a d d i n gl a y e rt o t h es i l i c o ns u b s t r a t e e x p e r i m e n t a ls t u d i e so f t h ef a b r i c a t i o no ft h ee d ga n da w gd e v i c e sa r ec a r r i e do u t p e c v d ，i c p a n dl i f t o f f t e c h n o l o g i e sa r eu s e df o rf a b r i c a t i n gs i 0 2d e v i c e so ns is u b s t r a t e s a m p l e so f t h ed e m u l t i p l e x e r sa r e t e s t e da n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ep r e s e n t e d k + 一n a + i o n e x c h a n g e dw a v e g u i d ed e v i c e sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ei o n 浙江大学博士学位论文 e x c h a n g ea n d b u r i a lp r o c e s sa l em o d e l e db yaf i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d b e n d i n gl o s so fa d i f f u s e db u r i e d w a v e g u i d e i s a n a l y z e d ，t h ew a v e g u i d e s t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o n c o n d i t i o n sa r eo p t i m i z e d i ns u m m e r y , t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so ng r a t i n g b a s e di n t e g r a t e dp l a n a r w a v e g u i d ed e m u l t i p l e x e r s a l ec a r r i e do u ti n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ew o r ki n v o l v e st h e d e s i g na n df a b r i c a t i o no fh i g h - p e r f o r m a n c ed e m u l t i p l e x e r sa n d t h er e s u l t sa r eu s e f i l lf o r t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d i e so f i n t e g r a t e dd e v i c e s k e yw o r d s ：e t c h e dd i f f r a c t i o ng r a t i n g ，a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ，p l a n a rw a v e g u i d e ， p h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ，a b e r r a t i o n ，f a b r i c a t i o ne r r o r , f l a t f i e l d ，f i a t t o pr e s p o n s e ， p o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v e ，i o ne x c h a n g e v 浙大掌博士掌位论文 第一章绪论果一早箱化 1 1 目的与意义：光纤通信与波分复用技术 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。最近几年来，全球语音 电话市场每年都以高于1 0 的幅度增长，而以i p 业务为主的数据业务量正以每年翻 两番的增长速率高速增长，并将要超过网络中传统的话音业务量而成为网上的第一 业务。图1 1 显示了近年来语音和数据业务的增长趋势。i p 业务突飞猛进的发展， 迫切需要迅速提高通信的速度和容量，这给传统电信业务带来巨大冲击和挑战。光 纤通信网络以及密集波分复用( d w d m ) 技术是能够解决这个问题的较好方案，它可 以让i p 、a t m 和s d h s o n e t 协议下承载的电子邮件、多媒体、数据和语音等信息 都通过统一的光纤层传输，从而使网络的通信效率能够大幅度提高。 图1 - 1 通信业务的增长趋势 常规单模光纤本身在1 5 5 1 a m 波段提供了约2 5 t h z 的低损耗窗口 1 1 ，也就是说 在不考虑光纤损耗对传输的限制时，1 5 5 1 a m 的单一光载波能够以近2 5 t b s 的比特 率进行基带调制。但是，当前的光电器件不可能达到这么高的速率，激光器、外调 制器、开关和检测器的带宽充其量不超过1 0 0 g h z 。单路波长的传输速率是有上限 的，主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率，其次还受限于传输媒质 的色散和极化模色散，以及所开发系统的性能价格比是否合算，是否有商用经济价 值。所以，依靠单路高速信道只可能利用光纤带宽的极小一部分。进一步扩容出路 是转向光的复用方式，依靠多信道系统提高光纤带宽的利用率。 光复用方式有很多种，常用的有光时分复用( o t d m ) 2 3 】、光波分复用 ( w d m ) 4 5 】、码分复用( o c d m ) 6 7 。其中，t d m 在当今的网络中非常普及，目前 已能实现速率高于4 0 g b s 的光电器件和集成电路，利用t d m 方式已曰益接近硅和 砷化钾技术的极限，并且传输设备的价格也很高，光纤色散和极化模色散的影响也 浙江大学博士喜：垃论文 日益加重。光码分复用是近年兴起的一项技术，其基本原理与电码分复用类似。它 具有频带利用盎高、交换方便、保密性好的特点，但在技术方面还不成熟，距离实 用化还有一段路要走。 波分复用技术是将位于不同光波长的多个信道送进同一根光纤传输，而每个信 道可以采用较为成熟的低速通信系统( 例如2 5 c b s 或1 0 g b s ) ，这是目前最有效的 利用光纤带宽的方法。迄今为止，所有t b s 的传输实验都利用了w d m 技术，其主 要好处是： ( 1 ) 可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍： ( 2 ) 在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低了传输成本； ( 3 ) 与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段； ( 4 ) 利用w d m 网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存 性的光联网。 w d m 技术已经在网络中广泛采用，是目前唯一成熟且付诸实用的超大容量光 传输技术。北电等公司的3 2 0 g b s ( 3 2 x 1 0 g b s ) w d m 系统已开始装备网络，1 6 t b s ( 1 6 0 x 1 0 g b s ) w d m 系统也已经试验成功；朗讯公司则采用8 0 n m 谱宽的光放大器创 造了波长数达1 0 2 2 波的纪录；西门子公司在实验室完成了3 2 t b s ( 8 0 x 4 0 g b s ) 传输 4 0 k m 的试验，揭示了w d m 技术的巨大发展潜力。w d m 系统除了波长数和传输 总容量不断突破以外，全光传输距离( 即无电中继传输距离) 也在大幅度扩展。2 0 0 0 年美国c o r v i s 公司在芝加哥到西雅图的3 2 0 0 k m 的路由上成功地实现了1 6 0 x 25 g b s 信号的传输，而且正在将单路传输速率提高到1 0 g b s 。按照这一新传输架 构，可以将美国东西海岸的再生点减少9 0 ，运行成本减少7 0 ，而带宽配置时间 减少9 5 ，大大降低了网络总成本。 随着技术的进展和业务的发展，w d m 技术正从长途传输领域向城域网领域扩 展。为了节约成本，人们提出了粗波分复用( c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， c w d m ) 8 - 1 0 的概念。c w d m 技术充分分析了城域网传输距离短的特点，不必受 e d f a 放大波段的限制，而是可以使用1 3 l o n m 一1 5 6 0 n m 的整个光纤传输窗口，以比 d w d m 系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输距离短， c w d m 无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器；c w d m 系统无 须选择高成本的密集波分解复用器和复用器，只须选择廉价的粗波分复用器；无须 采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求；无须采用e d f a ，只须采用便宜 得多的多通道激光收发器作为中继。这些特点使得c w d m 系统的造价比d w d m 浙4 大掌博士掌位论文 系统有大幅下降。 总之，w d m 系统的发展是光纤通信发展史上的一个里程碑。不仅彻底开发了 的光纤传输的容量，而且也成为i p 业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活 光节点的基础，是今后光通信领域的主流技术发展方向。因此，对于其核心技术之 一密集波分复用器件，我们必须要开发出拥有自主知识产权的技术，才能在世 界电信发展的浪潮中占据一席之地，占领世界先进技术的制高点。 1 2 波分复用系统概述 w d m 技术是为了充分利用光纤低损耗区的巨大带宽资源，把光纤的可应用波 长范围划分为若干个波段，每个波段用作一个独立的通道来传输个特定波长的光 信号。在发送端，采用光复用器( 合波器) 将待传输的多个光载波耦合到一根光纤 进行传输；相应的，在接收端，再由一解复用器( 分波器) 分离出这些不同波长的 光信号。当不考虑光纤的非线性效应时，光纤中不同波长的光信号可以看作是相互 独立的。w d m 系统的结构示意图如图1 2 所示。 图1 - 2w d m 系统结构图 w d m 系统可以分为开放式w d m 系统和集成式w d m 系统【1 1 】。集成式w d m 系统是指s d h 终端设备具有满足g 6 9 2 的光接口，包括标准的光波长和满足长距离 传输的光源。整个系统构造比较简单，没有多余设备。但在接纳过去的s d h 系统时， 必须引入波长转换器( o t u ) ，完成波长转换，而且要求s d h 与w d m 为同一个厂商， 在网络管理上很难实现s d h 、w d m 的彻底分开。开放式w d m 系统就是在波分复 用器前加o t u ，将s d h 非规范的波长转化为标准波长。对输入端的信号没有要求， 可以兼容任意厂家的s d h 信号。开放式系统可以实现s d h 与w d m 的分离。 浙江大掌博士掌位论支 1 2 1 波分复用系统中的关键器件 从图1 2 可以看出，w d m 系统中的关键器件有光源、光放大器、光波分复用 器。下面对这三种器件进行简单介绍。 1 w d m 系统中的光源 w d m 系统一般使用半导体激光器( l d ) 做光源，光源产生光通信系统所需要的 光载波，其特性的好坏将直接影响光纤通信系统的性能。w d m 系统的波长间隔一 般为1 0 0 g h z 或2 0 0 g h z ，这对激光器提出了很高的要求：( 1 ) 激光器的波长在光纤 的低损区，包括8 5 0 n m 窗口、1 3 1 0 r n 窗口和1 5 5 0 衄窗口；( 2 1 激光器的单色性要 好，光源的谱宽会影响到系统的传输容量和传输距离：( 3 ) 输出效率高；( 4 ) 调制速 率高，调制方便；( 5 ) 可靠性高，寿命长：( 6 ) 输出功率足够大；( 7 ) 价格低廉，能 批量生产。 另外，i t u t 对w d m 系统的波长做了规范。在c 波段( 1 5 3 0 n m 一1 5 6 5 m ) ，i t u t g 6 9 2 选择1 9 3 。1 t h z ( 1 5 5 0 1 2 n m ) 作为绝对参考频率，以此频率为基准觌定了其它光 通路的标称中心频率。表1 - 1 是我国对1 6 路w d m 系统所规定的波长分配方案 1 2 】 该方案符合i t u tg 6 9 2 标准，标称中心频率间隔为1 0 0 g h z 。 表1 11 6 路w d m 系统中心频率分配 投 中心频率( t h z )波长( 1 1 i n )序号中心频率( t h z )波长( i 】1 1 1 ) 11 9 2 11 5 6 0 6 191 9 2 91 5 5 4 1 3 21 9 2 21 5 5 9 7 91 01 9 3 o1 5 5 3 3 3 31 9 2 31 5 5 8 9 81 11 9 3 11 5 5 2 5 2 41 9 2 41 5 5 8 1 71 21 9 3 21 5 5 1 7 2 51 9 2 51 5 5 7 - 3 61 31 9 3 31 5 5 0 9 2 61 9 2 ，61 5 5 6 5 5t 41 9 3 ，41 5 5 0 1 2 71 9 2 71 5 5 5 7 51 51 9 3 51 5 4 9 3 2 81 9 2 81 5 5 4 ，9 41 61 9 3 61 5 4 8 5 1 w d m 系统中的激光器一般采用外调制技术。对于直接调制来讲，单纵模激光 器引起的啁啾( c h i i p ) 噪声已成为限制其传输距离的主要因素。即使采用a 值较小的 应变型超晶格激光器，在g 6 5 2 光纤上传输2 5 g b s 信号的色散受限距离也只有1 2 0 公里左右。在外调制情况下，激光器产生稳定的大功率激光，而外调制器以低啁啾 4 浙江大掌博士掌位论文 对其进行调制，从而获得远大于直接调制的色散受限距离。实际采用的外调制方式 一般有两种：电吸收型外调制器，波导型铌酸锂m a t h 。z e h n d e r 外调制器。 2 光放大器 光放大器使光信号不需要进行光电，光的转换，两直接在光域对各个波长的光 信号同时放大，大大降低了w d m 系统的成本，是推动w d m 系统商业化的关键器 件之一。目前应用最多的光放大器有三种：掺铒光纤放大器( e d f a ) ，半导体光放大 器( s o a ) 平n 光纤拉曼放大器( f r a ) 。 e d f a 工作在光纤的1 5 5 0 r i m 低损传输窗口，能够同时对c 波段( 1 5 3 0 r i m ，1 5 6 5 n m ) 的各路光信号实现与信号码率、格式无关的透明放大。可以说，从9 0 年代中期起， w d m ，d w d m 的开始快速跃进和普遍发展有相当大一部分原因归功于e d f a 。e d f a 的放大作用是通过1 5 5 0 n m 频段的信号光在掺铒光纤中传输时与e r ”相互作用产生 的。e d f a 的结构如图1 3 所示，在一段不长的石英光纤纤芯中掺入e r 3 + ，1 5 5 0 r a n 波长窗口的信号光通过这段光纤。在9 8 0 n m 或1 4 8 0 n r n 的泵浦光的作用下，输入信 号得到放大。 信垮光信号光 图1 - 3e d f a 的结构图 半导体光放大器是采用与通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大 器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现放大作用。由 于s o a 具有体积小、结构简单、功耗低、寿命长、易于同其它器件集成、适合批量 生产等特性，在全光波长交换、谱反转、时钟提取等应用中受到广泛重视。而且s o a 覆盖了1 3 0 0 n m 1 6 0 0 n r n 频段，既可用于1 3 1 0 n m 窗口的放大，也可用于1 5 5 0 n a l 窗 口的放大。但s o a 同e d f a 相比，存在噪声大、功率低、对串扰和偏振敏感、与 光纤耦合时损耗大等缺点，迄今为止，性能与e d f a 还有较大差距 浙n 大学博士掌位论文 光纤拉曼放大器是基于光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 机制，如果一个弱信号光与 一强泵浦光同时在光纤中传输，而且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内， 弱信号光就能得到放大。f r a 的增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适 当，就可以放大任意波长的信号光；而且，还具有增益高、串扰小、温度稳定性好 等优点。f r a 的主要缺点是需要大功率的泵演激光器。f r a 是e d f a 有益补充，两 者结合起来可获得大于l o o n m 的增益平坦带宽。 3 波分复用器件 光波分复用器件是w d m 网络中的关键器件之一，将不同波长的信号光耦合到 一起经一根光纤传输的器件称为复用器：反之，将一根光纤中传输的多个不同波长 的信号光分离开的器件称为解复用器。从原理上讲这两种器件是互易的，将解复用 器的输入端和输出端反过来使用就是复用器，这里统称为波分复用器。波分复用器 件在超高速、大容量的波分复用系统中起着关键作用，其性能的优劣对系统的传输 质量有决定性的影响。w d m 系统对波分复用) 辞复用器件的要求是：低损耗，低串 扰，通带平坦，以及偏振不敏感。 波分复用的实现形式有多种，包括介质薄膜型、光纤光栅型、阵列波导光栅型 等，将在下一节详细介绍。 1 2 2 不同的w d m 实现技术及比较 1 介质薄膜型 介质薄膜型波分复用器件( t h i nf i l mf i l t e r , t f f ) 1 3 1 4 1 是目前使用最广泛得一种 波分复用器，主要应用在2 0 0 ，4 0 0 g h z 通路间隔的低通道数w d m 系统中。这种技 术十分成熟，具有良好的温度稳定性和通道隔离度。其工作原理如图l 一4 所示。在 玻璃衬底上镀上多层高反射膜，膜层结构如1 - 4 ( a ) 所示，由高折射率薄膜h 和低折 射率薄膜l 交替组成，每层薄膜的厚度为2 0 4 ，最中间的两层都是低折射率薄膜。 这种结构使波长为a o 的光能完全透过，而波长不等于 o 的光则被反射。薄膜的层数 越多选择性越好，一般的t f f 需要镀数十层薄膜，而用于d w d m 的t f f 则一般需 要镀2 0 0 层以上。镀膜后的玻璃经过切割、研磨，再与光纤准直器封装在一起就组 成了t f f 波分复用器。图1 - 4 ( b ) 是8 个通道的t f f 波分复用器示意图。 6 浙江大掌博士掌位论文 图1 - 4 ( a ) 膜层结构图图i - 4 ( b ) 8 通道t f f 波分复用器 t f f 波分复用器的主要缺点是实现通道间隔1 0 0 g h z 以下非常困难，限制了通 道数一般在1 6 路以下。 2 光纤光栅型 光纤布拉格光栅( f b g ) 1 5 1 6 1 是近几年发展起来的一种新型波长选择器，广泛 应用与光纤通信和光纤传感领域。将光敏光纤置于紫外光的照射下，使其纤芯折射 率成周期性分布，形成布拉格光栅。当满足布拉格条件的光入射时，被光栅反射回 去，而其它波长的光能够从光栅透射过去，起到选择波长的作用。将多个不同反射 波长的f b g 级连起来，如图1 5 所示，就能将各个波长逐一分离出来。 3 体相位光栅型 图1 - 5 光纤光栅型波分复用器 体相位光栅( v o l u m ep h a s eg r a t i n g ，v p g ) 1 7 】波分复用器由入射光纤、准直透镜、 体光栅、聚焦透镜和接收光纤阵列组成，如图l 一6 所示。体光栅被两层起保护作用 的基底玻璃夹住，基底本身是低散射的玻璃，并且在内表面镀了防反膜以减小损耗。 包含了n 个不同波长的入射光经准直透镜准直后照射到体光栅上，由于光栅的色散 作用，不同波长的入射光被衍射到不同的方向，经过聚焦透镜后被不同的接收光纤 j o 所接受。体光栅的角色散可写为：等= _ 二! = ，其中m 是衍射级数，以是光栅常 浙“ 掌博士掌位论文 数，目是衍射角。通过合理的设计，体光栅可以具有很高的衍射效率和角色散，衍 射效率最高可达9 9 。体光栅的制作采用全息技术，工艺很成熟，它的主要问题是 封装和稳定性。由于它不是集成型器件，封装是一个很严重的问题。制作体光栅的 材料一般为d c g ( d i c h r o m a t e dg e l a t i n ) ，在经过较长时间后，材料的性质容易发生变 化，从而影响到器件的性能。 4 阵列波导光栅型 图1 - 6v p g 波分复用器件示意图 与前面三种分立型波分复用器不同，阵列波导光栅( a w g ) 波分复用器n 8 - 2 0 1 是 基于集成光学技术的平面波导器件，是目前最成功的波导型波分复用器。如图1 7 所示，a w g 由输入波导，输出波导，两个自由传输区和波导阵列等部分组成。这 些结构部集成在同一衬底上。阵列波导是a w g 中实现色散功能的核心部分，在一 般的设计中，波导阵列中相邻波导的长度差为常数上，相应地满足：。l = m 丑，。 其中，脚是衍射级，乃为中心波长，。，为波导的有效折射率。根据多光束干涉原 理，同一波长的信号，将在等相位位置再现输入波导中对应波长的场分布。对于中 心波长，阵列波导提供的相位漂移为0 ，因此输入中心端口的场分布可以在输出面 中心端口处再现。对于其它波长，不同波导提供的相位延迟不一样，引起在输出孔 径的波前倾斜，光场的成像位置平移，从而实现了多波长信号的空间分离。显然， 相邻阵列波导之间的长度差直接影响波前倾斜的程度，是体现a w g 色散性能的重 浙江大学博士学位论文 要指标。 图】7a w g 结构原理图 a w g 工作在高衍射级，因此尽管a w g 尺寸为厘米量级，其波长分辨率仍然到 纳米量级。另外，a w g 是传输型器件，多个输入输出端口同时使用，可使其作为 n n 波长选择连接器。通过多种方法还可进一步改善其性能指标如极化无关、波 长响应平坦度等使其达到实用要求。 5 蚀刻衍射光栅型 a 九a i n p u t 图1 8e d g 结构原理图 蚀刻衍射光栅( e d g ) 器件 2 1 2 3 是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力 的一种，和其它结构的波分复用器件相比，它具有结构紧凑、波长分辨率高等优点， 适用于多通道的波长分离。图1 8 为e d g 波分复用器件的示意图。器件由输入输 出波导、凹面衍射光栅、衍射区组成。由于凹面光栅同时有会聚和色散的功能，所 以不同波长的入射光经反射后会聚在不同的位置，再由不同的输出波导输出。 6 不同技术的比较 波分复用器件的主要性能指标有通道间隔、插入损耗、偏振相关性、串扰、带 宽等，针对这些性能指标，表1 - 2 对上面几种器件进行了比较。 浙江大学博士学位论文 表】2 不同波分复用器件的性能 e 较 介质薄膜滤 光纤b r a g g 阵列波导光蚀刻衍射光体光栅 波片( t f f ) 光栅( f b g )栅( a w g )栅( e d g )( v p g ) 通道间隔一般大于一般大于可低于可低于可低于 1 0 0 g h z1 0 0 g h z5 0 g h z5 0 g h z5 0 g h z 插入损耗较低，随通很低较低，一般较大很低 道数增加为3 - - 4 d b 偏振敏感性低，p d l 一低较大，需要较大，需要低，p d l 约 般小于0 2 5偏振补偿偏振补偿为o 2d b d b 热稳定性好好差，需用温差，需用温好 控 坊 串扰较低，低通很低，小于较低，一般较大很低，小于 道数时可小 一3 0 d b 为2 5 至 3 0 d b 于一3 0 d b - 3 5 d b 器件尺寸随通道数增随通道数增较小，受通小，受通道大 加而迅速增加而迅速增道数和信道数影响不大 加加间隔影响 信道均匀性差差好好好 工艺成熟度高目较低较低 i 曷 从表1 - 2 可以看出，在众多的密集波分复用技术中，适合于实现大通道数、窄 通道间隔、最有前景的当属是后三种波分复用器件：基于蚀刻衍射光栅、阵列波导光 栅和体光栅的密集波分复用器件。它们具有低成本，高性能等优点，有利于实现大 规模的生产。 1 3 波分复用器件的研究现状及发展趋势 1 0 浙江大掌博士掌位论文 目前国内的骨干网多采用8 通道或者1 6 通道的系统，在这种低通道数的情况下， 采用的主要是t f f 型波分复用器件。随着业务量的增长，新的系统中需要3 2 通道 甚至1 2 8 通道才能满足需要，此时，传统的分立型器件很难再适应发展的需要，将 被a w g 、e d g 这样基于平面光波导技术的集成型器件代替。从8 0 年代至今，a w g 和e d g 的理论已经发展成熟，目前的发展方向是改善器件性能以及扩大它们的应 用范围。 对于上面两种集成型d w d m 器件，目前国内外的研究主要在如下几个大的方 面： l 。提高集成度，增大系统容量。这包括增加通道数，减小通道间隔，减小器件 尺寸。2 5 6 通道2 5 g h z 通道间隔、4 0 0 通道2 5 g i z 通道间隔以及5 1 2 通道1 0 g h z 通道间隔的a w g 、e d g 器件已经相继有了报道。目前市场上已有容量高达几百g b s 的d w d m 传输系统产品。 2 改善器件性能。主要包括以下几个方面： 频谱的平坦化。对于一般的高斯型的波分复用器件，由于3 d b 带宽和l d b 带 宽较小，外界因素( 如光源波长偏移、工作温度变化等) 会对系统的性能产生较大 影响。平顶型频谱响应的器件将使系统对外界环境的敏感性大为降低，同时可放宽 对光源波长漂移的限制。实现频谱响应平坦化的方法有多种，如在器件的输入端引 入多模波导结构 2 4 l ，在器件的输出端引入多模波导结构 2 5 ，调整a w g 中阵列波 导的长度和相对位置 2 6 ，2 7 1 ，将光栅分为多个成像点不同的子光栅 2 8 ，2 9 等。 偏振不敏感性。由于波导结构的不对称性或者由于应力引起的材料双折射， 会使t e 模和t m 模在器件中的传播常数不同，从雨影响器件性能。消除双折射的 方法有多种，如在波导的上包层薄膜中掺杂使其热膨胀系数和硅基底相同 3 0 3 2 】， 在a w g 阵列波导的中间区域插入半波片【3 3 】，在自由传输区引入偏振补偿区域【3 4 ， 采用应力释放槽 3 5 ，利用t e 模和t m 的不同衍射级次 3 6 】等。 低通道串扰。随着w d m 器件通道间隔的越来越窄，对器件的串扰要求越来 越高。通过a w g 的级联 3 7 的方法可以实现一8 2 d b 的串绕。 温度不敏感性。a w g 器件对温度非常敏感，通常的a w g 模块中都有温控装 置来保证器件稳定工作，需要额外的电源，增加了系统复杂性，研制实用的温度不 敏感的波分复用器件十分重要。目前采用的方法有如下几种，在阵列波导中插入有 负的热膨胀系数的材料 3 8 ，3 9 1 ，在硅基底下粘贴双金属片 4 0 等。 3 增加器件功能。通过光子集成技术将d w d m 器件和其它器件集成在一起， 浙江大乌| 博士掌位论文 实现更强大的功能，如将a w g 与光开光集成在一起可实现光分插复用 4 1 、光交叉 联结等功能：将a w g 与可调光衰减器集( v o a ) 成在一起可对每个波长的功率进行 控带1 j 4 2 】。 4 降低器件成本。通过使用新型材料如p o l y m e r 4 3 4 6 或者新的波导制作技术 如离子交换波导 4 7 - 4 9 等方法，降低器件的生产成本，使之得到更广泛的应用。 1 4 本论文的主要工作及成果 本文对基于平面光波导技术的光栅型波分复用器件进行了研究，主要工作有如 下几个部分： 1 蚀刻衍射光栅型波分复用器件的性能分析 用像差理论对蚀刻衍射光栅型波分复用器的成像进行了分析，比较了不同设计 方法所产生的像差大小，并通过标量衍射方法对器件的性能进行了分析。 利用时域有限差分法对光栅的后向衍射效率进行了分析，比较了全内反射型 ( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t ，t i r ) 光栅和普通光栅在后向衍射效率上的差别，模拟结果显 示，对于高折射率材料( 例如i n p ) 制作的光栅，t i r 结构有很高的后向衍射效率， 不需要再镀金属反射层；而对于低折射率材料( 例如s i 0 2 ) 制作的光栅，t i r 结构 损耗还是太大，仍然需要镀金属反射层以降低损耗。 工艺条件的不完善会对蚀刻衍射光栅器件的插入损耗和串绕性能产生影响。本 文分析了光栅圆角、光栅槽面倾斜、光栅槽面粗糙对器件损耗的影响；基于标量衍 射理论，分析了在器件制作过程中引入的相位误差和振幅误差对串绕性能的影响， 给出了满足实际应用要求所必需的工艺条件。 2 光栅型波分复用器件的性能改善 通过多点消像差的方法设计了大通道数的蚀刻衍射光栅器件，显著降低了器件 的整体像差，在通道数为1 2 8 的情况下，边缘通道的性能仍没有明显劣化。 提出了多光栅的设计方法，使光栅不同部分的成像位置有一定的偏移，从而实 现器件频谱响应的平坦化。该方法简单直观，不需要增加工序和工艺复杂度，平坦 化效果良好。 在两点消像差方法的基础上，设计了平场型波分复用器件，使所有通道的成像 浙大掌博士掌位论文 点在一条直线上。这种设计方法大大简化了器件的结构和制作工艺难度。 由于应力的原因，导致光栅型波分复用器件中t e 模和t m 模的传播常数不同， 导致器件对偏振态敏感。本文采用高掺杂的氧化硅薄膜( b o r o p h o s p h o s i l i c a t eg l a s s ， b p s g ) 做波导的覆盖层，调整其热膨胀系数，平衡了波导横截面两个垂直方向上的 应力，实验结果表明，这一方法能显著降低器件的偏振敏感性。 3 光栅型波分复用器件的制作 研究了采用国产p e c v d 设备制作二氧化硅薄膜过程中，各工艺参数对薄膜生 长速率和折射率的影响。并以此为基础，通过感应耦合等离子( i c p ) 刻蚀、l i f t o f f 等技术，制作了蚀刻衍射光栅型波分复用器的芯片。 研究了用p e c v d 制作b p s g 薄膜的方法，通过大量的实验，对工艺参数进行 了优化，使得b p s g 薄膜的热膨胀系数和s i 基底相当，并且b p s g 薄膜的折射率和 不掺杂的氧化硅薄膜的相同。将b p s g 薄膜作为器件的覆盖层，大大降低了光波导 器件偏振敏感性。通过这种方法制作出了最小偏振相关波长( p d 2 ) 为o 0 5 r i m 的 a w g 器件。 4 离子交换型器件的设计和制作 通过有限差分方法分析离子交换过程，计算了离子交换波导的弯曲损耗，对其 结构和工艺参数进行了优化。 对离子交换波导工艺进行了研究。以k 9 光学玻璃为基底，通过k + n a + 离子交 换的方法，制作出了低损耗的光波导，并以此为基础，制作了y 分又结构的光功率 分配器。 参考文献 1 r r a m a s w a m i ，k n s i v a r a j a n o p t i c a ln e t w o r k s ：ap r a c t i c a lp e r s p e c t i v e c a l i f o r n i a ：m o r g a n k a u f m a n np u b l i s h e r s ，19 9 8 2 左鹏，林金桐光通信技术成就与展望电信建设，2 0 0 1 ，5 ：2 - 1 1 3 余建国关于光时分复用的几个基本问题研究光通信研究，2 0 0 1 ，1 0 5 0 ) ：4 - 7 4 张煦d w d m 在通信网中的应用光纤与电缆及其应埔技术，2 0 0 1 ，3 ：1 - 3 5 黄勇宁。w d m 与t d m 技术的比较光纤与电缆及其应用技术，2 0 0 2 ，4 ：6 - 9 3 浙江大掌博士学位论支 6 gv a n n u c c i c o m b i n i n gf r e q u e n c y - d i v i s i o na n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi nah i g h - c a p a c i t y o p t i c a ln e t w o r k i e e en e t w o r k ，1 9 8 9 ，3 ( 2 ) ：2 1 - 3 0 7 j a s a l e h i e m e r g i n go p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i e e e n e t w o r k ，1 9 8 9 ，3 ( 2 ) ：31 3 9 8 rd f e l d m a n ，h w o o d ，j pm e e s t e r , e ta 1 b r o a d b a n du p g r a d eo fa no p e r a t i n gn a r r o w b a n d s i n g l e - f i b e rp a s s i v eo p t i c