毕设设计-陈培阳15级

1、毕业设计（论文）题 目： 阵列波导光栅 学 院： 测试与光电工程学院 专业名称： 电子科学与技术班级学号： 110831学生姓名： 陈培阳指导教师： 吴华明二O一五 年 六 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意

2、学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：阵列波导光栅学生姓名：陈培阳 班级：110831指导老师：吴华明摘要：光波作为载频，在同一通道中传输不会相互干扰，为了充分挖掘和利用现有光通信网络的宽带优势，满足人们对各种大量信息量的需求，发展波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM）技术，对网络的发展具有十分重要的意义，在WDM和DWDM系统中，波长复用器/解复用器是重要器件，它的性能的好坏对光复用

3、系统的传输质量起到关键性作用，在这样的背景下，阵列波导光栅（AWG）便产生了。目前国内外开发的DWDM技术主要有3种类型，它们分别基于阵列波导光栅和介质膜滤光片以及光纤光栅技术，阵列波导光栅（AWG）是本文的研究对象。AWG是一种平面波导器件，AWG具有集成度高、通道数目多、插入损耗小、制作成本低、高稳定性和可靠性、易于批量自动化生产等优点。本文首先介绍AWG的基本结构和工作原理，给出了基本物理量的表达式，分析了AWG的各项性能指标，并重点介绍了AWG光束传播方法(BPM)耦合算法的基本原理。借助基于RSoft软件，设计了1×4，1×8通道的阵列波导光栅，给出AWG的版图，

4、设置参数，进行仿真，根据得出的图像和数据进行计算计算AWG的性能指标,同时还分析了参数的改变对AWG的影响。关键词:阵列波导光栅(AWG )；波分复用器；光束传播算法(BPM ) ；RSoft指导老师签名：Arrayed Waveguide GratingStudent name : Chen peiyang Class:110831Supervisor: Wu HuamingAbstract ：Waves as the carrier frequency, transmission will not interfere with each other in the same channel

5、in order to fully exploit the existing broadband optical communications networks advantage, meet the demand for all kinds of large number of information, the development of wavelength division multiplexing (WDM) and dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) technology, the development of network

6、s of great significance, WDM and DWDM systems in the wavelength multiplexer / demultiplexer is an important device, its performance is good or bad for the OMS system transmission quality play a key role in this context, arrayed waveguide grating (AWG) arose.DWDM technology development at home and ab

7、road are mainly three types, which are based on arrayed waveguide gratings and dielectric film filter and a fiber grating technology, arrayed waveguide grating (AWG) is the object of study. AWG is a planar waveguide devices, AWG high integration, the number of multi-channel, low insertion loss, low

8、production cost, high stability and reliability, easy advantage of volume automated production.This paper describes the basic structure and working principle AWG, gives basic physical expression, analyzed the performance of AWG and highlighted the basic principles AWG beam propagation method (BPM) c

9、oupling algorithm. With the software-based RSoft designed 1 × 4,1 × 8-channel array waveguide grating AWG given territory, setting parameters, simulation, calculation and analysis based on data derived from the image and AWG's performance, but also analysis change the parameters on the

10、 AWG. Keywords: array waveguide grating (AWG); WDM; beam propagation algorithm (BPM); RSoftSignature of Supervisor:目录第一章：概述1.1 波分复用简介自从进入20世纪90年代,随着网络技术的出现与成熟，人类社会对信息容量的要求与日俱增，因此，人们迫切需要能适应时代发展的网络传输技术。依赖光纤为主要载体的通信业务逐渐成为信息时代的主流，而光纤通信中的一个研究热点就是密度波分复用(DWDM)技术。波分复用技术，简单地说就是将每个目标用户分配一个波长，并将相应信息调制到该波长载波上，多

11、个波长的信号光经过复用后在一根光纤上进行传输，复用信号到达目的地之后再进行解复用。对于一个WDM系统，有效的将多波长信号复用到一根光纤上进行传输，并在接收前将多个波长信号分开，是一个非常关键的步骤，这类功能器件被称为波分复用器/解复用器。在WDM系统中，复用/解复用器是关键性器件，AWG在这方面起到了重要的作用。图1.1为复用/解复用功能示意图，(a)中的复用器将多种不同波长的光波汇集到一个输出波导中，(b)中的解复用器将不同波长的光波分散到N个输出波导中。 图1.1复用器和解复用器示意图1.2 阵列波导光栅的发展与现状1988年Smith1最早提出了阵列波导光栅的概念,而Vellekoop

12、和Smith2报道了第一个工作于短波段的AWG器件,Takahashi等3报道了第一个工作于长波窗口的AWG器件,Dragone4则将阵列波导光栅的概念从1 ×N 推广到N ×N 。虽然AWG 器件已经商用,但国外对AWG 的研究热度仍非常高,近几年取得了很大的进展,目前研究重点主要集中在以下几个方面：多通道AWG的研制，新型偏振无关AWG研制，无热、偏振无关全聚合物AWG，AWG与其他器件的集成。硅基二氧化硅阵列波导光栅对环境温度敏感。当周围环境的温度发生变化时，波导长度和材料折射率就会改变，导致信道中心波长也发生变化。目前，此类AWG的应用需要采用温度控制器来稳定信道的

13、输出波长。但温度控制器需要采用控制电路持续供电。一方面增加了成本和系统的复杂性;另一方而，限制了光学器件在系统集成方而的应用。有研究表明，通过在波导中嵌入补偿介质的技术方案可以制作出高性能的温度不敏感阵列波导光栅。2009年，NTT公司报道了折射率差1.5%、40信道、信道间隔100 GHz的硅基二氧化硅AWG，研究人员在阵列波导中嵌入了一种硅树脂介质，实现了一阶温度补偿，在一5-65范围内，波长偏移小于30 pm，插入损耗为1. 3 -1. 9 dB，串扰小于一32dB，附加损耗约为0. 2 dB5。随着光通信的快速发展，波分复用器的角色也越来越重要，在波分复用系统中应用最为广泛的复用/解复

14、用器是基于薄膜滤波器的复用/解复用器和阵列波导光栅(AWG)光纤通信系统要求AWG的每个通道的光信号的波长和国际电信联盟(ITU )规定的波长一致利用硅基一氧化硅技术制作的AWG,由于一氧化硅的折射率和相邻的阵列波导的长度差都随温度的变化而改变，从而导致AWG各个输出通道的波长随温度变化而发生漂移然而在通信系统中允许的波长漂移范围与通信系统的信道间隔、传输比特速率有关系，一般要求为小于O.O5nm随着密集波分复用系统从长途主干线延伸到局域网的快速发展，开发出热小敏感的阵列波导光栅(TI-AWG)成为了一种必需。光集成的快速发展，这对光器件的要求也越来越高，光电子器件开始向纳米尺度，低功耗，和高

15、集成度的力向转变对于AWG来说，为了适应于现代光纤通信发展的要求，也应该向纳米尺寸、低功耗、高集成度、低损耗、低串扰、以及与现有的电子工业的互补型金属氧化物半导体工艺发展相兼容的力向发展。AWG的两个主要研究方向：一是优化AWG性能，带通平坦，偏振不敏感，热不敏感，减少损耗、串扰等；另一个是拓展AWG功能，利用单片集成技术，构筑系统或网络所需要的功能模块，提高器件的集成度，朝着密集方向发展，即增加AWG的通道数和减少通道间隔。1.3 AWG的主要应用AWG除了在（密集）波分复用系统里实现多个通道的合成或分波功能以外，还可以和其他器件集成，构成多功能的模块，如波长路由器、多信道光接收机、多波长接

16、收器、多频激光器、波长选择性开关等6。1.波长路由器7,8波长路由器在无源光网络中有广泛的应用，是光纤通信系统中的基本结构。波长路由器有N个输入通道，N个输出通道，每个输入通道均可以携带N个不同波长的光信号，如图1.2所示。AWG将这些不同波长信号分配到不同的通道输出，所以达到波长路由功能。以AWG为基础的波长路由器首先由C. Dragone9提出，目前己有许多实用化的产品。图1.2 波长路由器2.AWG PIC 多信道光接收机：在WDM系统中，最重要的器件是直接能把波长信道分解出来的波长解复用接收机，如图1.3所示，它单片集成了AWG WGR波长解复用器和阵列PIN光电探测器，并且在PIN之

17、后紧接着又集成了异质结双极晶体管(HBT)作为前置放大器。图1.4表示目前使用的PIC多信道光接收机10, lOxlOGb/s的WDM光信号进入AWG解复用，AWG输出与波长有关的lOGb/s信号，进入PIN光电探测器阵列。该阵列可能是波导集成单向载流子探测器(UTC-PD)或波导探测器(WD-PD)或行波探测器(TW-PD)。图1.3 WGR波长解复用阵列PIN光电探测接收机图1.4 平而波导集成电路(PLC)多信道光接收机3.AWG多频激光器：AWG多频激光器PIC中间是波导光栅路由滤波器，右侧是阵列半导体光放大器(SOA)，左侧是一个功率放大SOA。芯片右侧镜而镀高反射率(HR)膜，左侧

18、则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图1.5所示。图1.5 AWG多频激光器PLC芯片结构示意图AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸，这有点像衍射光栅激光器的波长取决于LD有源条在衍射光栅腔体内的几何位置一样。因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时可重复性好11。4.波长选择开关12,13集成波长选择开关由AWG和光开关制作而成。其工作原理是光信号通过AWG解复用，再通过光开关选择后再经AWG复用。光交叉互联开关如图1.6（a）,光上下路器如图1.6 (b)所示。图1.6(a)由AWG构成的交叉互联开关图1.6(b)由AW G构成的光上下路器1.

19、4 本文的主要内容 第一章:简述了波分复原理，AWG器件的发展与现状。介绍了AWG的应用，如波长路由器、AWG PIC 多信道光接收机、AWG多频激光器、波长选择开关。 第二章:介绍了AWG器件的波分复用基本原理，并给出原理图，给出了基本物理量的表达式，光栅方程，、罗兰圆原理。简述了AWG的几个性能指标，串扰、频谱带宽、插入损耗、回损、方向性。 第三章:4/8通道的设计，借助RSoft软件画出相应版图，设置参数，从而进行仿真，根据得出的图像和数据进行计算分析AWG的串扰和回损。 第四章:总结与展望。 第二章 阵列波导光栅（AWG）的基本原理2.1 AWG的结构和工作原理2.1.1 AWG结构原

20、理图图2.1 AWG结构原理图简单来说，AWG是由输入/输出波导、自由传输区平板波导和弯曲波导阵列组成，是基于干涉原理的波分复用/解复用器件。各输入/输出波导连接自由传输区的一端以一定的中心间距均匀地排列在罗兰圆的圆周上，弯曲波导阵列中的每条波导正对中心I/O波导,均匀地排列在以中心I/O波导为圆心的圆周上。2.1.2 AWG的光栅方程从光程的角度分析AWG的波分复用/解复用功能。设第条阵列波导长度为， 2.1.1式中为最短阵列波导的长度，为相邻阵列波导的长度差。 对某一波长，从一波导（）输入，经过，条阵列波导，到达像面上某一点，若要在该点干涉加强，则这两条路径的光程差为波长的（为衍射级）倍，

21、即 ， 2.1.2 式中， ，和分别为阵列波导和平板波导的有效折射率，和分别为输入端自由传播区和输出端自由区的长度。有式2.1.2可得 ， 2.1.3 此式为AWG的基本方程。作为解复用器，仅考虑一条中心波导，即，则式2.1.3可以进一步化简为 ， 2.1.4当波长 ，时，此波长称为中心波长，记做 。对于中心波长，式2.1.3可化简为 ， 2.1.5即 ， 2.1.6其中 为输入波导端罗兰圆直径， 为输出波导端罗兰圆直径。2.2.3 罗兰圆原理凹面光栅的成像原理是1882年罗兰(H. A. Rowland)提出的14 , AWG器件是基于凹面光栅原理而发展起来的一种新型波分复用器件，其原理是于

22、1988年由施密特(M. K. Smit)提出的。一般罗兰圆光栅的结构是:两个圆内切，外圆直径是内圆直径的两倍。光栅刻在半径为R（=2r）的外圆圆周上，而光源分布在半径为r的内圆圆周上，如图2.2所示。凹面光栅通常采用罗兰圆结构，其所在的圆G称作光栅圆，其半径为f。设Q是光栅面的中点，C是它所在的光栅圆的圆心，并以QC的中点O为圆心，以f/2=OQ=OC为半径作一个圆K，称作罗兰圆。可以证明，从罗兰圆K上任一点S射来的光将近似地被反射到圆上另一点P，同时被衍射到圆上另一些点P'， P"，这些点分别是各阶衍射光线的焦点。为证明此点，作与入射光线SQ对应的反射光线QP。设= SQ

23、C是入射角，则反射角 CQP也等于，而且弧SC等于弧CP。一条光线从S入射到光栅上另一点R。如果圆的直径足够大，假定R在圆K上就不致有多大的误差。由于C是光栅圆的圆心，弧SC等于弧CP，因而入射角SRC以及反射角CRP仍然等于，故可知R点的反射光线仍通过P。图2.2罗兰圆原理图 对衍射光线可采用同样的论证。设=PQP，是Q点某一衍射光线QP与QP的夹角，R点的相应同阶衍射光线RP与RP的夹角PRP，将也将等于。因此，SQP'与SRP相同，都是2，所以这两条衍射光线相交于圆K上一点P'。这就是罗兰圆聚焦原理15。2.2 AWG的主要性能指标（1）串扰XT（cross talk）.

24、串扰包括相邻串扰AXT和非相邻通道串扰。AXT是指某一输出波导的透过率峰值与相邻带通内功率和的比值，其主要来源是输出波导间的耦合，利用叠加积分法可以对AXT进行估算： ， 2.2.1式中，为输出波导的本征模式。由上式可知,波导间距增大,输出波导间的耦合减小,则串扰减小。非相邻通道串扰是指带通范围内信号功率与非相邻带通内功率和的比值。（2）频谱的LdB带宽，其定义为， 2.2.2 其中为高斯场的1dB(或3dB)等效带宽。由式 2.2.2 可知，LdB带宽和输出波导的间距成反比。（3）插入损耗IT(insertion loss)穿过AWG器件的某一个特定光通道所引起的功率损耗。这种低的插入损耗是

25、无法避免的，对二氧化硅基AWG来说，它们的插入损耗值一般在3dB左右。它是指输出各通道的最小损耗的最大值。， ， 2.2.3另外一个与IT相关的性能指标是插入损耗均匀性ILU，它是指输出各通道损耗的最大差值， 2.2.4（4）回损RL（return loss）。它是指所有输出状态下输入功率与反射内功率的最大比值， ， 2.2.5（5）方向性D（direction）。它定义为输入功率，与其他输入口的反射内功率的最大比值:， ， 2.2.62.3 AWG耦合算法随着对光学系统的要求越来越高，计算机辅助模拟和设计的软件的发展推动着光学器件的发展。精确模拟光电器件对于发展高性能的光学元件尤其重要。在集

26、成光学和纤维光学中，有多种模拟导波传播的技术。现在应用最普遍的是光束传播方法(BPM)16-18, BPM同其他方法相比，BPM减小了计算的复杂性，缩短了计算时间，降低了对计算机硬件的要求。BPM中用到的简化降低了大多数计算问题的复杂性，加速了计算过程。 BPM是一种模拟单向传播波场的好方法，它可以给出光场在空间的具体分布，通过列出单色波的波动方程给出数值解。一般认为，如果波导的折射率变化小于几个百分点，就可以将描述传播电磁场传播规律的Maxwell方程改写为标量波动方程，分别讨论TE. TM模。以TE模为例，电场的标量波动方程为: ， 2.3.1另外，要求E和在边界外连续。这里是自由空间的传

27、播常数，n为波导的有效折射率，Z方向为场传播的方向。若波导在横向(X方向)有较高的折射率差，而侧向(Y方向)具有弱波导效应，可以利用有效折射率法(EIM)首先在横向(x方向)求解TE模或TM模的平板波导模式，再导出这些模式在侧向(Y方向)的有效折射率。这些讨论的前提是假设波导在z方向折射率的变化可忽略。另外，这里假设场的传播是傍轴的。更重要的是，忽略波导内各个方向的场的反射，这也同时意味着z方向折射率没有变化或者变化缓慢，并且在该方向上场没有相干叠加。这样，BPM就把一个复杂的边值问题化为简单的初值问题。 在数学上有很多方法处理BPM，而每种方法都无一例外的将波导的折射率分成两项，常数项(与z

28、无关的项)和微扰项(随z变化的项)。即 ， 2.3.2的选择使得Helmholz方程成立，即： ， 2.3.3方程的本征解可表示为: ， 2.3.4利用一对傅里叶变换与逆变换: ， 2.3.5 ， 2.3.6其中，是光在介质波导中的波矢在x, y方向上的分量，光在波导中的传播常数与，有这样的关系: ， 2.3.7可得到下面的关系: ， 2.3.8函数称作场在z处的角谱或空间频谱。根据以上的分析，我们可以给出场分布的数值解。而场传输到远距离时，计算过程中每一步所产生的误差会不断累加，这就对数值模拟的步长z提出了要求。一般在低折射率差的情况下，z可取10,或者更大;当n大于几个百分点时，一般取步长

29、z为0.5, 0.2, 0.1。当然，步长越小，计算精度越大，但计算时间较长。从以上的理论分析可知:普通BPM有一定的适用范围。目前，己经有多种经过改进的BPM，扩大了BPM的适用范围。第三章4、8通道的AWG设计本文主要使用RSoft算法集中的BPM算法对光波导和简单光波导器件进行仿真计算，从而对光在波导中的传输有一定得了解。31 四通道AWG选择掩埋型波导，一输入通道，输出通道数为四，通道间隔为0.0016um，中心波长为1.55um，截面宽度为820um，阵列波导数为40，宽度为6um 。图3.1 四通道输入AWG结构图图3.2 四通道输出AWG结构图图3.3 1×4 AWG

30、仿真光谱图横坐标为波长 ，纵坐标为输出功率（单位dB），通道对应的颜色与波长如表1所示：表1通道数通道1（蓝）通道2（绿）通道3（红）通道4（浅蓝）中心波长（nm）1552.41550.81549.21547.6性能指标分析： 串扰：非相邻通道串扰是指带通范围内信号功率与非相邻带通内功率和的比值。由数据计算可知:四通道串扰为0.00250082 dB。 回损：回损是指所有输出状态下输入功率与反射内功率的最大比值，以对数形式来表示，单位是dB，一般是负值，其绝对值可以称为反射损耗。，经过数据分析计算，四通道回损为-0.95 dB。3.2 八通道AWG选择掩埋型波导，一输入通道，输出通道数为八，通

31、道间隔为0.0016um，中心波长为1.55um，截面宽度为820um，阵列波导数为40，宽度为6um 。图3.4 八通道输入AWG结构图图3.5 八通道输出AWG结构图3.6 1×8 AWG 仿真光谱图横坐标为波长 ，纵坐标为输出功率（单位dB）,通道对应的颜色与波长如表2所示：表2通道数通道1（蓝）通道2（绿）通道3（红）通道4（浅蓝）中心波长(nm)15551553.515521550通道数通道5（粉红）通道6（深蓝）通道7（深绿）通道8（褐）中心波长（nm）1548.515471545.51544 性能指标分析： 串扰：由数据计算可知，八通道串扰为0.000225036 dB

32、。 回损：经过数据分析计算得出，八通道回损为-0.63 dB 。3.3 AWG参数中心波长 =1.55信道间隔 0.0016波导在输入圈的间隔 Di = 20波导在输出圈的间隔 Do= 18.5标准罗兰结构移灶 Dz = 0输入波导的长度 Li = 2*Lit输入锥长度 Lit = 500输出波导的长度 Lo = 2*Lot输出锥的长度 Lot = 500罗兰圆内半径 Ri = Ro/2罗兰圆外半径 Ro = 5670波导在输入圈宽度 Wit = 2*Width波导在输入圈宽度 Wot = Do背景折射率 background_index = 1.4482自由空间波长 free_space_w

33、avelength = 1.55高度 height = 0宽度 width = 63.4 参数改变对AWG的影响以四通道为例：1， 改变折射率差值度AWG的影响原来默认差值为0.005，改为0.03，其它参数不变。改前光谱图3.7，改后光谱图3.8：图3.7 改前1×4 AWG 仿真光谱图图3.8 改后1×4 AWG 仿真光谱图通道1（蓝） 通道2（绿） 通道3（红） 通道4（浅蓝）改前中心波长（nm） 1552.4 1550.8 1549.2 1547.6改后中心波长（nm） 1551.9 1550.3 1548.7 1547.1由光谱图及数据可以得出，改变参数折射率，各

34、通道对应的中心波长都有微微变化，大致是相差0.5nm ，整体图形向左平移了0.5nm 。2.改变宽度值对AWG的影响原来宽度为6，现改为10，其它参数不变。改变后光谱图如图3.9所示:图3.9 改后1×4 AWG 仿真光谱图 通道1（蓝） 通道2（绿） 通道3（红） 通道4（浅蓝）改前中心波长（nm） 1552.4 1550.8 1549.2 1547.6改后中心波长（nm） 1553.2 1551.8 1550.2 1548.6由光谱图及数据可以得出，改变参数宽度，各通道对应的中心波长都有微微变化，大致是相差1 nm ，整体图形向右平移了1 nm 。 第四章 总结与展望 本文先是简

35、述了波分复原理、AWG器件的发展，介绍了AWG的应用，从AWG的基本结构和工作原理出发，简述光栅方程，、罗兰圆原理等，综合考虑了各项性能指标，如串扰、插入损耗、回损等。借助RSoft软件设计4/8通道的AWG，设置参数，从而进行仿真，根据得出的图像和数据进行计算AWG的性能指标，同时分析了不同参数的改变对AWG的影响。目前，AWG理论己较为成熟，但AWG的研究远没有停止，AWG复用/解复用器的主要发展方向是在改善器件性能的基础上扩大它的应用范围，这使AWG器件以更优的性能、价格比走进多通道的波分复用网络中。相信在不远的未来，通过在材料，结构，工艺水平等方面的提高，可以得到性能优异的AWG，并对

36、AWG的功能进行扩展，使它拥有更为广泛的应用范围。参考文献1 Smith M K. New focusing and depressive planar component based on an optical phased array J .Electron. Lett ., 1988 , 24(7) :385 - 386.2 Vellekoop A R , Smith M K. Four2channel integrated optic wavlength demultiplexer with weak polarization dependenceJ . J . Lightwave T

37、echnol. , 1991 , 9 (3) :310 - 314.3 Takahashi H , Suzuki S , Kato K, et al. Arrayed2 waveguide grating for wavelength division multi/demultiplexer with nanometer resolution J . Electron. Lett . , 1990 , 26(2) : 87 - 88.4 Dragone C. An N ×N optical multiplexer using a planar arrangement of two s

38、tar couplers J . IEEE Photon.Technol. Lett . , 1991 , 3(9) : 812 - 815.5Kamei S , Inouc Y , Shibata T, et al. Low-loss and comlpact silica-based athermal arrayed Waveguide grating using resin-filled grooveJ.J. Lightwave Technol. 2009，27(17): J3790-3799 .6周治平，硅基光电子学，4.4，阵列波导光栅。7 K. Okamoto, K. Takigu

39、chi and N. Henmi, OFC'98, TuN4, 1998, 80.8 K. Okamoto, Recent process of integrated optical planar lightwave circuits. Opt.Quantum Electron. 1999, 3, 107.9 C. Dragone, An N X N optical multiplexer using a planar arrangement of two star couplers, IEEE Photon. Technol. Lett. 1991，3 (9), 812.10 MIZUNO T, HITOH T, ISHII M, et al. Compact and Low-loss A