集成光电子器件及设计 - 集成光无源器件

第五章

集成光无源器件浙江大学光电系《集成光电子器件及设计》

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系

第五章

集成光无源器件23

光通信产业包括：•

1、各种规格的光纤和光缆，包括各种掺杂光纤、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）•

3、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）•

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、浙江大学光电系第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件4光通信的发展现状•

经历了本世纪初的光通信泡沫沉寂多年后，光通

信近年来呈现出新一轮的发展。不同于以往的盲

目扩张，这次的迅速发展动力来自于是实实在在

的市场需求，也就是“带宽”。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，光纤到户（Fiber

to

the

Home，简

称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。

平均每9个月性能翻一番、价格降低一半浙江大学光电系5••••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，节约大量光纤密集波分技术光传输的划时代革命

第五章

集成光无源器件6光器件：

光通信网络的基础用户网交换网接入网光

有

源

器

件光

无

源器

件

TDM

WDM传输网TDMWDM支撑基础：浙江大学光电系第五章

集成光无源器件浙江大学光电系7

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•啦曼放大器

•半导体光放大器第五章

集成光无源器件

光开关•光交换开关•耦合器•上下路模块光纤通信用光电子器件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8光器件与电器件的类比浙江大学光电系第五章

集成光无源器件9按是否需要外加能源驱动工作分：•

光有源器件•

光无源器件光有源和无源器件

光电子器件类型（通信）浙江大学光电系第五章

集成光无源器件10光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件

–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)

–半导体光探测器(PIN,APD）

–光纤激光器（OFL:单波长、多波长）

–光放大器(SOA,EDFA)

–光波长转换器(XGM,XPM,FWM)

–光调制器（EA）

–光开关/路由器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件11光无源器件

定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件

–光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）

–光纤定向耦合器/分支器

–光分插复用器（OADM)

–光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)

–光衰减器（固定、连续）

–光滤波器（带通、带阻）

–光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）

–光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅浙江大学光电系第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件12

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，各项技术指标、各种计算公式和各种测试方法与光纤光学和集成光学息息相关。

光功分器波分复用器光滤波器A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123浙江大学光电系第五章

集成光无源器件13光无源器件的分类•

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•

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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件15

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件16多模干涉耦合器(MMI)OutputWaveguides

Multimode

Section

InputWaveguide

由输入输出波导及多模干涉区组成;

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.

(x)dxE(x,z)

c

(x)exp[

j

z]

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件17

c

(x,0)

(x)dx

2•

那么在多模区

z

处的场就可以表示成

v(v

2)

3L

多模干涉耦合器-自成像原理•

对于输入场E(x,z)，我们可以将其分解成多模区所有模场的和

(正交且完备)

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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件18

多模干涉耦合器-Mode

Propagation

Analysis

(MPA)•可以将模场表示成奇模与偶模的和

Ei(x)

Ee(x)

Eo(x)

•

(a)

当

L=3L

时3L

0,

,0,

,各个模式的相位:

3L

6L

•

(b)

当

L=6L

时

6L

0,0,0,0,E6L

(x)

Ee(x)

Eo(x)

Ein(x)各个模式的相位:镜像自成像0,

,0,

,

3L

1E32(x)

Ee

o

i

i(

x)e(x)

jE

(x)

EE

(x)e浙江大学光电系第五章

集成光无源器件19

2

j

14

j

14

33

2

2

2

1×2

splitter

3/2Lc1×N

splitter可以用类似的方法设计多模干涉耦合器-Mode

Propagation

Analysis

(MPA)

L

3/2L

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件20不同输入方式(a)

一般干涉模式，General

Interference(b)限制干涉模式，Restricted

Interference

x

WMMI

/6(c)对称干涉模式，Symmetric

Interference

x

0(a)(b)(c)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件21MMI典型应用-功分器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件22MMI典型应用-功分器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件23WMMI1310nm1550nm

Port1zxPort31550nmMMI应用-

偏振不敏感型

1310/1550

nm

波分复用器

Port2

1310nm

LMMI

结构示意图通过选取合适的MMI宽度与长度实现1310nm

信道与1550nm信道的分离

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)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件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输出波导频谱图

(a)

1310nm

波段;

(b)

1550

nm波段.MMI应用-

偏振不敏感型

1310/1550

nm

波分复用器

三维BPM的模拟结果显示，波分复用器对两个偏振在1310/1550两个波段都具有

较小的插入损耗及较大的带宽.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)级联型MMI实现偏振分束

•

结构和原理：

–

利用聚合物多模波导的双折射，使TM模在第一个MMI末端成像输出，TE模能量全

部进入第二个MMI后成像输出。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

(

/

)光子晶体嵌入型偏振分束器工作原理图光子晶体能带示意图2015/6/9260

0.10.050.25

0.20.150.30.350.4

M

KTETMzLtPort3TEPort2TMTMTEPort1Lr

MMI应用-光子晶体-MMI混合型偏振分束器

x

光子晶体的作用是一个偏振敏感的反射镜，对于

TE/TM偏振分别实现高透和高反

取

Lr

L

TM

/2

前向场分布

t(x,Lt)

t

(

x,0)

后向场分布

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

集成光无源器件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带宽内实现插入损耗

(<2dB)

且

窜扰

(<-20dB)引入光子晶体后，多模干涉耦合区的长度不再需要满足两个偏振的耦合长度的公倍数的关系，因此整个器件的尺寸大大减小

(50

m

5

m)

.MMI应用-光子晶体-MMI混合型偏振分束器第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件28

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器；•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件29

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。Y分支

输入波导锥形波导输出波导浙江大学光电系第五章

集成光无源器件30理想Y分支和实际Y分支的比较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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件31理想Y分支和实际Y分支的比较对于芯层厚度为6μm的波导而言，其最小的波导间距为2μm。如果设计间距小于2μm，那么当沉积上包层后在分支顶端将会存在空气（这将引入散射损耗）浙江大学光电系第五章

集成光无源器件32输入波导输出波导锥形波导

弯曲波导R输入光SY分支光功率分配器模块

PLC芯片光纤光纤阵列输出光

输出光D=250

μm过渡锥形波导2、分支（功分）波导

•

零间隙定向耦合

•

过渡锥形波导作用

–

降低反射

–

降低辐射损耗

1：2功分器

锥角~几%---十几%

分支臂夹角同上

波导宽度~几

m

损耗~1dB浙江大学光电系第五章

集成光无源器件34输入波导锥形波导输出波导1mw?Y分支功分器浙江大学光电系35Y分支功分器

OPTICS

LETTERS

/

Vol.

7,

No.

3

/

March

1982第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件36Y分支功分器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件37

弯曲波导•

弯曲波导-光路变换的重要单元

如何解决性能和尺寸？

减小

会使尺寸变长，

加大

会使弯曲损耗增加。

采用S型过渡波导可以兼

顾2者y(μm)•

折射率差

↑

。

弯曲波导•

角速度相同

-----

越往外的光场传播速度越快•

有一部分光场有可能跟不上-----形成弯曲损耗。

一般来说，

弯曲损耗

↓

：

•

弯曲半径

↑

。

•

波长

↓

。-8-6-4-2

0x(μm)246810-5

-10

5

4

3

2

1

0-1-2-3-4wr

=6μm,

R=10000μm光纤型-平面光波导型功分器对比波导型透镜•

模折射率透镜(Mode

Index

Lens)•

短程透镜(Geodesic

Lens)•

微透镜(MicroLens)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件40neff

/k0

k1sin

i

/k0

n1sin

in2

neff

n1

增大有效折射率的途径

1.

增加波导厚度

2.

杂质扩散3.

n2变大nLnenLnenL>ne模折射率透镜(Mode

Index

Lens)

模折射率就是•

将传统的体型透镜平

面化，在光波导上作

出圆形或者圆弧形的

折射率分布曲线短程透镜•

将衬底（玻璃，LiNbO3)加工成曲面，再在

其表面形成波导层制作成短程透镜浙江大学光电系第五章

集成光无源器件42微透镜浙江大学光电系第五章

集成光无源器件43

熔融盐槽中的金属

离子经过掩膜扩散

以置换玻璃中的不

同金属离子，形成

球形变化的折射率

分布对光源、探测器实现光束的耦合、准直、扩束、汇聚等功能浙江大学光电系第五章

集成光无源器件44

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器；•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件451324DC1DC2Mach-Zehnder

Interferometer

(MZI)

L1

L2

MZI

的基本结构•MZI

由两个方向耦合器DC1和DC2组成。在两个DC之间存在两个长度不等的干涉臂

。

L

L1

L2

1=

/4

2=

/4

1

2

j

E

'

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件46Directional

coupler

in

MZI

E

E2

E1'

E2'

jsin

E1

cos

E2

cos

jsin

对一个3dB耦合器来说，cos2

1/2

L1234+

/2+

/21’2’

j

1

jsin

2

1

cos

cos

jsin

2

1

2

j

E1

E1'

2

当E2

0

KL其中.相位差=Pi/2

0.5E1

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件47当时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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件48•

当•

当,1

14

1

1Mach-Zehnder

interferometer•

我们可以得到:

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)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件49

L1234+

/2+

/21’2’（1）等臂长时，从1口输入，几口输出？（2）n

△L=/2时，从1口输入，几口输出？Mach-Zehnder

interferometer浙江大学光电系第五章

集成光无源器件50信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光应用实例：马赫

-

曾德尔干涉仪型调制器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件51

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器；•

磁光隔离器与环形器52DropAddinputthroughputresonant

0resonant

0resonant

0Resonant

state(simulated

by

FDTD)微环谐振器-Micro-Ring

Resonator

(MRR)

MRR

proposed

first

by

Marctilli

in

1969微环谐振器工作原理浙江大学光电系第五章

集成光无源器件53A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123R为微环半径，κ1、κ2和

t1、t2分别为两个耦合区的振幅耦合比和振幅透射比。设进入以上耦合区的振幅为Ai，通过耦合区的振幅为Bi，输入输出信道的长度均为2L，微环和信道波导的传播常数均为β=2πnc/λ，信道波导中的传输损耗（包括散射损耗、泄漏损耗等）为αL，微环波导中的传输损耗（包括弯曲损耗、散射损耗、泄漏损耗等）为αR。

1

exp(

2j(

j

L

L)L)B0

B

t1

t2

exp(

j2(

j

R)

R)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件541U

)L)

exp(

2j(

j

A0

A

1

t1t2

exp(

j2(

j

R)

R)1

输入端口1到下输出端口3的振幅传递函数V

)L)

exp(

2j(

j

A0

A

1

t1t2

exp(

j2(

j

R)

R)

微环谐振器工作原理当光波在微环内环绕一周后产生的光程差为波长的整数倍时，光波会与新耦合进入微环的光波相互干涉产生谐振增强效应

2πRnc=mλλ为谐振波长，R为微环半径，nc为微环中光模式的有效折射率，m为谐振级次（取正整数）

分析方法：传输矩阵法

输入端口1到输出端口2的振幅传递函数55

The

resonator’s

response•

Key

features:

–

FSR

(free

spectral

response).

–

3dB-bandwidth,

Q

factor

=

λ/BW3dB.

–

Resonance

wavelengths.T

(dB)T

(dB)56微环谐振器特性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微环谐振器特性A1

B1A2

B2B3

A3B4

A4κ1

t1κ2

t2LLLLRB0A0A5B5123(2)κ1=0.08,

~κ2T

(dB)λ

(µm)58微环谐振器特性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环形谐振器的级联形式63More

forms

for

ring-resonators浙江大学光电系第五章

集成光无源器件64

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

电光开关、调制器

声光开关、调制器；•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件65波分复用技术

（Wavelength

Division

Multiplexer,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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件

WDM

40

Gb/s

PSK例：这两个低损耗波长窗口可以容纳

290个40-Gb/s

PSK信号

66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

100

GHz波分复用系统WDM系统结构示意图浙江大学光电系第五章

集成光无源器件68波分复用器•••••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光路可逆原理波分复用/解复用器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件69光纤耦合器型

1

2P0P1P2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W锥形区耦合区锥形区L拉伸区L浙江大学光电系71

1—

15

光纤光栅型

1—

16

16123布拉格光栅

Optical

circulator

FBGλBragg=λ0

λi第五章

集成光无源器件λ1,

λ2,

…,

λi,

…,λNλ1~λN

(except

λi)浙江大学光电系第五章

集成光无源器件72基于薄膜滤波器的复用器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件73

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薄膜滤波器复用器特点浙江大学光电系第五章

集成光无源器件74透

镜光

栅体光栅型复用器

光

纤

1

2

3

1+

2+

3

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

S1

sin

i;

S2

sin

d

d

arcsin

sin

i

m

n

光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性，这可以使用光栅方程描述：

n

sin

i

sin

d

m

不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。

光栅：材料中的周期性扰动反射型光栅浙江大学光电系第五章

集成光无源器件75浙江大学光电系第五章

集成光无源器件76阵列波导光栅（Arrayed

WaveguideGrating,

AWG）•

最典型的基于平面光波导技术的波分复用器件之一。λ1…λnλ1λn输入波导阵列波导输入端

自由传输区像面

输出波导

输出端自由传输区AWG的结构浙江大学光电系第五章

集成光无源器件77θidgi输入波导输入端xix自由传输区diLFPRix自由传输区LFPRoLFPRo/2像面输出端

输出波导xododgo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一定的中心间距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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件78AWG的特点

信道间隔（1.6

0.8

0.4nm）

端口（1

8

1

16

1

32

1

64

1

128)

需要温控（0.01nm/0C)

插损不随通道数增加(3~5dB)

高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大

插损）

隔离度~35dB

PDL<1dB

16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件79•••输入/输出波导;自由传输区

(Free

Propagation

Region,

FPR);阵列波导

(Arrayed

Waveguides);AWG的基本工作原理dgi输入波导输入端xix

θi自由传输区diLFPRix自由传输区LFPRo/2LFPRo像面输出端

输出波导xododgo

输入波导浙江大学光电系自由传输区阵列波导输入端输出端像面

输出波导

第五章

集成光无源器件自由传输区sin

i)

ng(

)[L0

(l

1)

L]

ns(

)(LFPRo

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件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

对某一波长λc，从同一输入波导输入(xi)，经过第l、l–1条阵

列波导，到达像面上某一点(xo)。若要在该点干涉加强，则

这两条路径的光程差为波长λ的m(m为衍射级)倍io

xiLFPRi

xoLFPRong(

)

L

ns(

)dg

ns(

)dg

m

AWG的基本方程自由光谱范围(Free

FSR

cSpectral

Range,FSR)：浙江大学光电系第五章

集成光无源器件81波长级次m+1级次

m

级次

m-1

FSRCh1

Ch2

Ch3

Ch1

Ch2

Ch3

Ch1

Ch2

Ch3Ch1Ch2Ch3Ch4

阵列波导

输入自由

传输区输入波导输出自由传输区

输出

波导

Nch

ch

m

AWG的频谱周期特性中心波长：

ng

L

m

c浙江大学光电系第五章

集成光无源器件82AWG的特性模拟Coupling

coefficient浙江大学光电系第五章

集成光无源器件8301734516885102

1191361531700

l阵列波导的耦合系数ηl由于阵列波导数足够多(NWG=170)，耦合到阵列波导的总能量约为1.0，即几乎没有损耗。AWG的特性模拟

0.16

0.14

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02振幅浙江大学光电系第五章

集成光无源器件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级主峰外，还有

级次峰。由于是边缘通道，m–1级衍射峰比m+1级衍射峰大得多。m级主峰、m–1级次峰值分别约为0.34、0.19。作为对比，图中虚线给出的是理想成像场分布(即输入波导基模)，其峰值为0.45。由此可以估算损耗约为10lg(0.342/0.452)=

–2.4dBFPR2中的光场传播AWG的特性模拟损耗

(dB)浙江大学光电系851530153515401545155015551560-40

波长(nm)AWG器件的频谱响应图模拟结果

第五章

集成光无源器件AWG的频谱特性

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35浙江大学光电系第五章

集成光无源器件86AWG的主要性能要求对一个实用化的AWG来说，一般要求：••••••小的中心波长漂移宽的光谱响应通带低的通道串扰低的偏振相关性低的插入损耗温度不敏感性浙江大学光电系第五章

集成光无源器件87高斯型响应平坦化响应-20-30-40-50-60-70-1001.54431.54681.54931.55181.55431.55681.55931.56181.56431.56681.56931.5718AWG的频谱响应

0-10-20-30-40-50-60-701.549101.553101.557101.561101.565101.569101.573101.57710EIMEoT浙江大学光电系第五章

集成光无源器件88AWG频谱平坦化••••平坦化频谱具有以下优点：(a)

允许高速调制；(b)

允许LD的发射波长有一些偏移；(c)