集成平面光波导器件 - 集成光无源器件I

第三章

集成光无源器件I集成光电子器件及设计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光子产业的分类4光通信产业需求驱动1、各种规格的光纤和光缆，包括掺杂光纤、特殊结构光纤（保偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光纤、大孔径光纤等）、光子晶体光纤和塑料光纤；2、各种有源器件（激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、接收模块等）和无源器件（耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环形器、连接器、光互联、光分叉复用、光波分复用以及包含这些功能的各种集成光子器件等）；（按是否需要外加能源驱动工作分有源、无源）3、各种光通信测试仪器（功率计、波长计、光纤光谱分析仪、宽带放大器、反射信号测试仪、信号发生器、通信信号分析仪等）与光纤加工设备（光纤拉制机、光纤熔接机、光纤熔融拉锥机、光纤刻蚀机、光纤抛磨机）；4、光通信系统（时分复用、波分复用）和光网络系统（远程网、城域网、接入网）；

发射•激光器•调制器•波长锁定•接收器•探测器•收发模块

波分复用•薄膜滤波器•光纤光栅•阵列波导光栅•环行器•波长交换器

放大器•隔离器•分路耦合器•泵浦激光器•增益平坦器件•光衰减器•光放大模块•拉曼放大器•半导体光放大器

光开关•光交换开关•耦合器•上下路模块

5用于光纤通信的光电子器件(波分复用系统)6密集波分复用(DWDM)技术

光传输的划时代革命

容量超大，光纤的巨大带宽资源；

数据透明，与信号的速率和调制方式无关；

扩容方便，波长的复用；

成本低廉，节约大量光纤；本世纪初的光通信泡沫7新增长/新需求I：光纤到户(FTTH)随着交互式网络电视IPTV、网络游戏等高带宽业务的出现，人们对带宽的需求急剧增加，光纤从光网络的干线网络、城域网络向接入网延伸。作为

“最后一公里”的解决方法，FTTH以及无源光网络（Passive

Optical

Network，简称PON）近年来在全球范围内的大面积的铺开，增加了对集成光器件的需求，极大地促进了相关集成光子器件的发展。全球FTTH/B用户发展预测（万）

数据来源：IDATE

中国FTTH/B用户发展预测（万）

数据来源：ICCSZ

2011.11

8

基于波分复用的FTTH系统根据国际电信联盟ITU

G.983标准

第一通道

语音业务

第二通道

数据业务

第三通道

视频业务

光线路终端（Optical

Line

Termination，简称OLT）

光网络单元（Optical

Network

Unit，简称ONU）9新增长/新需求:用于高性能计算机光互连技术

High

capacity

data

communication;

Reduce

total

power

in

data

center.First

electrically

connected

microdisk

lasers

on

Si

nanophotonic

waveguides10Intel的百亿亿次计算CPU技术Intel:

50Gbps

light

transmission11中国天河‐1A高性能计算机

采用12000条并行光缆实现了系统光互连特点及要求：高集成密度、低成本、低功耗。电线光纤调制器光调制器电阻光衰减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路12光器件与电器件的类比13集成型:

采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成光路

2.

光无源器件光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能够完成某种光学功能的光学元器件。其工作原理遵守几何光学和物理光学基本理论。

光纤型:熔融拉锥功分器、光纤光栅微器件型:透镜、反射镜、棱镜等分立光学元件14集成光无源器件

体积小、重量轻、集成度高

机械性能以及环境稳定性好

容易精确控制、重复性好

制作工艺与集成电路工艺相兼容，可以方便与其它光电子集成器

件集成于一个衬底上，实现单片集成的目的

虽然前期投入较大，但是在工艺成熟后很容易大批量生产，从而

大大降低单个器件的成本。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

加热电极162.1.

耦合器/功分器

方向耦合器(详见第二章)；

Y分支；

马赫‐泽德干涉仪(MZI)；

多模干涉(MMI)耦合器；172.1.1

Y分支

在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波导之间的耦合损耗。对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同的材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。

非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角或者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应调节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。输入波导锥形波导输出波导主要性能指标：损耗、带宽、功分比等；理想Y分支

VS

实际Y分支实际制造中带间距的分支波导理想分支波导

由于制作工艺水平的限制，两条输出波导之间的分支角不可能做成完全的尖角，而是会留下一段空隙，这段分支间距一般为1‐2μm；

通常直接在分支顶端留有一定宽度的间距，而这段空隙是Y分支功分器损耗的主要来源；

1819Y分支的级联(a)

树形级联方式(b)

Sparkler方式BPM

模拟光场传输图实验测试图⎢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输出特性2

2k

nΔl

234PP⎡E3⎤

⎡exp(−

jk0nl1)−exp(−

jk0nl2)

⎤⎣

4⎦

⎣

0

1

0

2

⎦θ

11=π/4θ

22=π/422MZI应用Silicon

optical

modulatorThermal‐optical

switcher

加热电极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

由输入/输出波导、多模干涉区组成；

与方向耦合器、Y分支、星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点；

已经在功分器、光开关、上下路器、波分复用器件、环形激光器等器件中得到了广泛应用。z]v(v+2)π

3LπE(x,z)

=∑cνϕν

(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

•

对于输入场E(x)，可将其分解成多模区所有模场的加权和(正交完备基

函数)

E(x,0)

=∑cνϕν

(x)

ν加权系数

cν

=

2

传播

常数

则在多模区传输距离z

后的场可表示为273Lπ

将模场分为两部分：奇模与偶模

Ei(x)

=

Ee(x)+

Eo(x)(a)

当

L=3Lπ时

各个模式的相位:

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)

当

L=6Lπ时

各个模式的相位:

Φ6Lπ

={0,0,0,0,L}镜像自成像z]v(v+2)π

3LπE(x,z)

=∑cνϕν

(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)

当

L=3/2Lπ时

⎧

3

3

⎫

2

⎩

2

2

⎭29Self‐imaging

in

an

MMI

section30

三种输入方式(a)

一般干涉模式(General

Interference);(b)

限制干涉模式(Restricted

Interference);(c)

对称干涉模式(Symmetric

Interference);x

=±WMMI

/6x

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

for

the

self‐imaging

at

MMI

sections32MMI应用‐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通过选取合适的MMI宽度与长度实现1310nm与1550nm信道的分离。

LMMI

=

n⋅Lπ

(1310)

=

(n+1)⋅Lπ

(1550)MMI应用：1310/1550

nm

波分复用器

结构示意图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应用：偏振分束器（PBS）传统方法：通过选取合适的MMI宽度与长度实现TE与TM的分离。

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.

波分复用器件

(WDM)光波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一种技术，基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用）。光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。对于不同的应用领域，光波分复用器件有不同的技术要求和不同的制作方法，一般的分光元件包括光栅、干涉滤波片、以及波导等。36

为什么要波分复用

(WDM)？在1300~1600

nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播37波分复用系统WDM系统结构示意图38波分复用器件

光纤耦合器型

光纤光栅型

薄膜滤波器型

体光栅型

阵列波导光栅型39λ1

λ2

直通臂耦合臂λ1

λ20光纤耦合器型λ1，λ2

P

P1

P240熔融拉锥法(1)

两根以上光纤除去涂覆层

并靠拢;(2)

在高温加热下熔融并向两

侧拉伸;(3)

加热区形成双锥体形式的

波导;41光纤光栅型

Opticalcirculator

2

13

FBGλBragg=λ0λiλ1,

λ2,

…,

λi,

…,λNλ1~λN

(except

λi)基于薄膜滤波器的复用器通带特性好（平顶、隔离度高~25dB）;PDL小

(~0.2dB);插损低

5~7dB（16通道）;温度敏感性小（0.0005nm/OC

不需温控）;波长数≤16CH；波长间隔≥0.8nm;价格较高;是16波长WDM系统中主要选用的器件;

4243透

镜光

栅体光栅型复用器

光

纤

λ1

λ2

λ3

λ1+

λ2+

λ3

具有很好的波长稳定性和通道均匀性

具有衍射效率高

偏振不敏感

×不利于批量化加工，

×器件尺寸较大

×一般使用光学晶体为介质，成本高44阵列波导光栅

(Arrayed

Waveguide

Grating,

AWG)

最典型的基于平面光波导的波分复用器件之一。IWFPR1AW’sInput

apertureOutput

apertureFig.

1(b)Fig.

1(c)FPR2Image

plane

OW’s

光栅

+

透镜AWG的结构与原理第一个自由传输区局部结构第二个自由传输区局部结构而各输入/输出波导连接自由传输区的一端以均匀地排列在一个罗兰圆的圆周上。阵列中的每条波导正对中心输入/输出波导，均匀地排列在以中心输入/输出波导为圆心的圆周上。

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色散关系

AWG器件功能：∆λ∆xodxo

dλ

iLFPR

i

d

gxi(λ0)

+

(λ

−

λ0)=

−不同波长的聚焦位置：

dxo

dλ?=

m−−ns(λ)

ddλ−ns(λ)

ddλ[ng(λ)]ΔL−

ddλ

dg

dxoLFPRo

dλo

xoLFPRoo

dg

dxiLFPRi

dλi

xiLFPRii将光栅方程两边对波长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忽略高阶小量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输出光波导间距:

dout=

(dxo/dλ)

∆λchng(λ)ΔL−ns(λ)dg

i−ns(λ)dg

oLFPRi⎪⎪n

(λ

+ΔλFSR)ΔL−ns(λ

+ΔλFSR)dg⎪

⎩49AWG的自由频谱范围FSR

若λ的第m阶衍射级位置和λ+Δλ的第m–1阶衍射级位置重合，

称Δλ自由频谱范围，记为ΔλFSR

。

从光栅方程出发：oi=

(m−1)(λ

+ΔλFSR)

xoLFPRo

xo

LFPRo

xiLFPRi⎧

xi⎪⎨

=

mλ−ns(λ

+ΔλFSR)dgg≈−1m

λm−1

λN

g(λ)ng(λ0)ΔλFSR

=可用的最大通道总数:

ΔλFSR

Δλch=Nmax50性能指标定义

I通道间隔ITU

带通

PB

ITU

定义的通道波长间隔以

ITU

波长为中心的对称带宽;该带宽与通道间隔相关(如对于通道间隔

100GHz，取

25GHz);可作为器件可用带宽来考虑;

偏振平均损耗

L(λ)

峰值波长

λmax,j

插入损耗

IL插入损耗均匀性

ILU

纹波

R对于某一特定波长，所有偏振态透过率(对数)的平均值

带通范围内透过率峰值对应波长

λmax,j=λ(minPBj[L(λ)])

各通道的最小损耗的最大值

IL=maxj[ILj]

ILj=

IL(λmax,

j]

各通道损耗的最大差值

ITU

带通内损耗最大变化量

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性能指标定义

IIj

jj

j

中心波长

λC,

j

中心波长精度

CWA

1.0,

3.0

dB

带宽

BWdB

偏振相关损耗

PDL相邻通道隔离度

ACI

从峰值下降

3dB

处两波长的平均值：

λb,3dB

+λa,3dB

2

各通道中心波长偏离

ITU

波长的最大值：

CWA

=

max[|λC,

j

−

ITU

j

|]

从频谱峰值下降1dB(或3dB)对应的波长间隔绝对值：

BWdB

=

min[BWdB,

j]

BWdB,j

=|λb,dB

−λa,dB

|

ITU

带宽内所有偏振态的透过率的最大比值：

PDL＝max[PDLj]

PDLj=maxPBj[Lmax(λ)－Lmin(λ)]

Lmax(λ)＝maxpol

[L(λ,

pol)]

Lmin(λ)＝minpol

[L(λ,

pol)]

相邻

ITU

带宽内最大透过率的最大比值：

ACI＝min[ACIj]

ACIj=min[ΔLj-1,

ΔLj+1]52性能指标定义

III

相邻通道串扰

AXT

非相邻隔离度

NAI非相邻通道串扰

NXT

总串扰

TXT

回损

RL

方向性D

透过率峰值与相邻

ITU

带通内功率和的比值

AXT=minj[AXTj]

AXTj=10log[10(ΔLj–1/10)+

10(ΔLj+1/10)]

带通范围内透过率峰值与非相邻

ITU

带通内最大透过率的比值

NAI=minj[NAIj]

NAIj=ILj–minj

[ΔLj]

for

|i–j|>1

带通范围内信号功率峰值与非相邻

ITU

带通内功率和的比值

NXT=minj[NXTj]

NXTj=10

log

[Σi

10(ΔLi/10)]

for

|i–j|>1

通道内功率与所有其它通道功率和的比值

所有输出状态下输入功率与反射内功率的比值的最大值

RL=maxj[RLj]

RLj=(PBACK,j–PIN,j)

输入功率与其它输入口的反射内功率的的最大比值

D=maxj[DLj]Dj=(DBACK,j–DIN,i)i?

j

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

10(NXTj/10)]53主要指标

信道间隔：波长间隔1.6、0.8、0.4nm；

或频率间隔200、100、50GHz等；

通道数：8、16、32、64、128

通道波长：通常需要温控；

通道非均匀性：~1dB；

通道串扰：‐25~‐35dB；

偏振相关损耗（PDL）、偏振相关波长（PDλ）；54AWG的基本设计流程及要确定的参数

设计单模波导参数，并确定最小弯曲半径。

确定通道数Nch、通道间隔∆λch，并根据ITU标准选择中心波

长λc。根据FSR确定最大衍射级次M，取m<M。

根据串扰要求，确定输出波导间距do。

根据工艺条件及色散要求，确定阵列波导间距dg。

根据通道插损均匀性确定自由传输区长度LFPR。.

根据所需波导阵列孔径大小确定阵列波导数NWG。

以上各步骤确定的都是各参数的取值范围。最后需要统筹兼

顾，微调各参数。55AWG器件模拟仿真FPR2LFPRoLFPRo/2Image

planeOutput

apertureOW

xodoxdgoθidgiIWInput

aperturexFPR1

xidiLFPRi基本思路：分区域分别模拟输入自由传输区输出自由传输区Coupling

coefficient,

ηlxE0(x)

=

exp(−

2

)Efar(x,

z)

=

⎜

⎜

z⎟

⎟wzηl

=∫EIAP(x/LFPR)EAW(x−

xl)dx56方法一：高斯场近似的简便模拟方法

2w0φl

=

2π

⋅ng(L0

+l⋅ΔL)

λ12iβx2

2Rx2

2)exp(−iβz

+iϕ)−exp(−⎞⎠⎛

w⎝

w0−*xS

=

LFPR

sinθSzS

=

LFPR

cosθSLx1odgxzz=0IW

LFPRFPR1Ein(x1)x'Input

aperture1733496581960

10.050.10.15EIAP(θS)

=

Efar(xS,zS)

0.2l输入自由传输区戴道锌等.

“阵列波导光栅的简便模拟方法及应用,”

光子学报.

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频谱计算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)输出自由传输区x

θlLFPRM*方法二：基于BPM的分区模拟方法

z

z

x

Lin

Nηl

=∫EMN(x)E0(x,l)dx

输入自由传输区‐

58

Lin=2800μm

LFPR=5200μm周勤存等.

“基于FD‐BPM方法的阵列波导光栅(AWG)模拟,”

半导体学报.

23(12):

1313

1319,

2002.

Amplitude

(arbitrary)∑η

E|ηout(q)|

=

∫EHK(x)E

(x,q)dx59

x重构输入场zLFPRθlHK0l(x,l)exp(−iφl)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重构输入场

2

0

0输出自由传输区Power

(dB)Power

(dB)Power

(dB)601530153515551560-40-35-30频谱响应

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模拟结果实验结果结果比较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：基于基尔霍夫衍射公式的AWG模拟

+∞

−∞基尔霍夫衍射公式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)|

+∞

+∞−∞

−∞*忽略高阶模(q>1)L

x1oxdgzz=0FPR1

Ein(x1)IW

x'LFPRInput

aperture输入自由传输区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)

=

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)0

*−∞x1xFPR2

z=0LFPR/2

zLFPRx'Image

planeOutput

aperture输出自由传输区∑η

ξ63NWG−1

l=0llexp(−iφl)ηout(λ)

=

far−∞64方法四：AWG的精确三维模拟方法

基尔霍夫

衍射公式FPR中光场传播

3DBPMFPR与波导连接处

(输入/输出/阵列)FPR1及相连阵列波导FPR2及相连阵列波导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‐新型设计对一个实用化的AWG来说，要求：

中心波长漂移小

3dB带宽大

通道串扰低

偏振相关性低

插入损耗低

温度不敏感性Transmission

A.

如何增大3dB带宽？

AWG频谱平坦化技术平坦化频谱具有以下优点：

允许高速调制；

允许LD的发射波长有一些偏移；Flat-top

typeGaussian

type

Wavelength对于器件受温度变化影响引起的波长偏移不敏感；允许器件有少许的因偏振引起的波长偏移；允许系统串联多个DWDM或滤波器等器件而不引起系统性能的显著下降。-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高斯型响应平坦型响应∑η

ξ67

方法

调节

ηlξl

具体实现

输入/输出波导处连接如标准

MMI、锥形

MMI、抛物型波导、

Y

分支等特殊结构.

优点

设计过程简单方便;

不增加工艺复杂度;

几乎不增加器件尺寸.

缺点

不可避免地增大插损.

调制φl

双罗兰结构、双光栅结构.

非线性调制(迭代法).

设计方法较为简单;

不增加器件尺寸;

不增加工艺复杂度.

增大了器件尺寸;

串扰增加.

插损有所增加.

同时调节

ηlξl和φl

带通波长预偏移

调节阵列波导入口宽度以及长度微扰.

MZI

和

AWG

级连或两个AWG

级连.

理想情况下，可得到完美的频谱.

理想情况下，频谱非常完美.

具体实施过程较为复杂(尤其是结构设计).

增大器件尺寸

AWG频谱平坦化技术思路NWG−1

l=0llexp(−iφl)ηout(λ)

=EIMEoT68WMMIInput

waveguide

Wi

Output

waveguidesWoFPR1FPR2Waveguide

arrayMMI

sectionTapered

waveguide

WoAWG频谱平坦化设计举例69B.

热稳定AWG

(Athermal

AWG):

温度不敏感

对于AWG，外界温度变化将引起波导折射率变化，进而将引起通道中心波

长漂移。

其波长漂移量为Δλ=λ(γΔT)/n，其中n为光波导有效折射率。

例如，SiO2材料的热光系数γ=1.1×10–5，其AWG波长将漂移约0.0125nm/oC。

在DWDM光纤通信系统中，温度引起的波长漂移将增大误码率。引入绝热槽的AWG结构“复合光波导”Diffraction

efficiency(dB)1584158615881590159215941596701598-45

1582

0

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

TE

TMPDλC.

AWG偏振敏感性

由于波导中横电(TE)、横磁(TM)

模的传输常数

不同，引起两个模式的光在成像面的像点发生

偏移，从而使输出通道的频谱响应发生漂移，此即偏振敏感性。偏振相关波长偏移(Polarization

Dependent

Wavelength

Shift，简称PDλ

)。由于DWDM正在向越来越小的波长通道间隔（从1.6nm到0.8nm，甚至更小）迈进，因此即使是一个很小的PDλ（例如0.3‐0.4nm）也将造成很大的影响。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区域补偿方法利用不同宽度的波导双折

射不同实现偏振非敏感

71Transmission

(dB)

51.1μm

硅纳米线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.

低串扰AWG设计采用基于两级AWG的级联结构，有效地抑制背景串扰到‐80

dB的极低水平，并使得频谱边缘更加陡峭。74E.

极低损耗的AWG

平板波导与阵列波导连接处的损耗是AWG插入损耗的主要来源‐间

隙导致模场失配。

利用垂直楔形波导实现波导模式平滑转换，但需要特殊工艺；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的制作工艺(a)

薄膜沉积波导层

Si衬底

芯层

下包层SiO2(b)

光刻光刻胶金属

(Ti

&

Ni)光刻胶金属

(Ti

&

Ni)(e)

刻蚀SiO2(f)

去除残留金属SiO2波导层

Si衬底(c)

溅射金属

波导层

Si衬底

(d)

剥离

波导层

Si衬底Si衬底

Si衬底(g)沉积上包层薄膜

Si衬底Under

cladding

(SiO2)Si

substratePhotoresistor

mask

layerCore

layer

(Ge-doped

SiO2)Power

(dB)76AWG器件的测试

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

1553

1554

1555

1556

1557

1558

1559

1560

Wavelength

(nm)77AWG器件的封装782.3.

环形谐振器‐Ring

ResonatorMRR

proposed

first

by

Marctilli

in

196979环形谐振器的级联形式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: