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1、-阵列波导光栅_AWG_器件及其应用 专家论坛 中文核心期刊 阵列波导光栅(AWG)器件及其应用(本期优秀论文） 原荣 （中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004） 摘要：简述了阵列波导光栅WGWG在光通信中的多种应用。AWG已用于制造多（A）的工作原理，并综述了A 信道光发射机和接收机、调谐分/插光滤波器和分/插复用器等。它们的使用已产生了一种新的技术，即在本地环路中允许使用LED作为低成本多波长光源的频谱分割技术。关键词：阵列波导光栅；AWG调谐滤波器；AWG激光器；AWG光接收波导光栅路由器；平面波导集成电路；AWGWDM复用器；AWG光分插复用器；机；频谱分割 中图分类
2、号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1002-5561(2010)01-0001-05 Arrayedwaveguidegratingcomponentanditsapplications YUANRong (The34thResearchInstituteofCETC,GuilinGuangxi541004,China) Abstract:Theprincipleofarrayedwaveguidegrating(AWG)isbrieflydescribed,andmultipleapplicationsintheopticalcommunicationarealsosummarize
3、d.AWGhavebeenusedformakingmultichanneltransmittersandreceivers,tunableand-dropopticalfilters,andadd/dropmultiplexers.Theirusehasledtoanoveltech-nique,calledspectralslicing,thatpermitstheuseofanLEDasalow-costmultiwavelengthsourceforlo-cal-loopapplications. Keywords:AWG,WGR,PLC,AWGtunablefilter,AWGtra
4、nsmitter,AWGreceiver，AWGmultiplexerAWGOADM,spectralslicing 0引言 以阵列波导光栅(AWG,ArrayedWaveguideGrat- 1AWG的工作机理 平板阵列波导光栅（AWG）如图1(a)所示，这种器件由N个输入波导、N个输出波导、2个NM平板波导星形耦合器以及一个M个波导平板阵列波导光栅组成，这里M可以等于N，也可以不等于N。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差。 ings)为基础的平面波导集成电路(PLC)是光纤通信器 件的基础。以InP为基础的阵列波导光栅的显著特点是，尺寸小、成本低、设计灵活和易于和光纤耦合，它具有平坦的
5、频率响应，小于3dB的插入损耗，优于35dB串话电平以及易于和光电探测器、激光器、光调制器和半导体光放大器(SOA)集成，从而使光纤通信器件的体积进一步减小，可靠性进一步提高。 阵列波导光栅属于相位阵列光栅的范畴，其缺点是与偏振和温度有关，它是一种温度敏感器件，为了减小热漂移，可以使用热电致冷器。 由AWG构成的PLC器件有调谐滤波器、波分复用/解复用器、多信道光接收机和接收机、波导光栅路由器(WGR,WaveguideGratingRouter)、光分插复用器 NM平板波导星形耦合器中心耦合区如图1(a)中 的插图所示。自由空间区的设计有两种方法，一种是输入波导辐射段法线方向直接指向输出阵列
6、波导辐射段的相位中心P点，而输出波导辐射段法线方向直接指向输入波导辐射段的相位中心Q点，其目的是为了确保当发射阵列的边缘波导有出射光时接收阵列的边缘波导能够接收到相同的功率。另一种设计方法是自由空间区两边的输入/输出波导的位置满足罗兰圆(Row- (OADM)和WDM-PON使用的无色宽带光源等。 收稿日期：2009-10-20。 作者简介：原荣(1942-)，男，研究员，中国通信学会会士，著作有光纤通信网络、宽带光接入网和光纤通信。 landCirde)和光栅圆规则2。 AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的 原理，即多个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。输入光从第一个星形耦合
7、器输入，该耦合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个 2010年第1 期 专家论坛 原荣：阵列波导光栅(AWG)器件及其应用 波导。通常M阵列波导长度L用光在该波导中传输的半波长/2n的整数m表示1，即：f=FSR/M=f/mM(5) 大家已经知道M是阵列波导的波导数。假如MN，相邻信道被下式分开： fc=FSR/N=(M/N)f (6) L=m=m,m=1,2,3., 22式中n是波导的折射率，f=c/是光波频率，c是光速。由此可以得到用波导长度L表示的沿该波导传输的 光的频率： 举例说，波导有效折射率指数n=3.3，相邻光栅臂通道长度差L=61.5m，=1560nm时对应的光栅
8、阶数m=130，由此给出的FSR=12nm(1.5THz)，信道间距约为100GHz,允许15个100GHz的信道复用/解复用。 f=mc,m=1,2,3., 相邻波导间的相位差为: 由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其 kL=2L 这里k是波矢量，k=2n/，L是相邻波导间的路径 长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。 2AWG滤波器 滤波器的调谐既可以用改变折射率指数实现，也可以用机械改变F-P腔的长度实现。电流注入改变折射率指数调谐速度很快(ns量级)，然而电流改变与调谐特性的关系却很难预见也很难重复，机械调谐的速度又很慢。为了克服以上的这些缺点，科学家
9、们在InP衬底上开发出基于AWGWGR和SOA的数字调谐滤波器4。这种AWG路由器在输入和输出端分别安排2个相同的AWG，而在中间又集成了一个半导体光放大器(SOA)阵列与它们相连，如图2所示。第1个AWG用作波分解复用，即把输入的WDM信号的频谱分开，然后将一个波长的信号送入与它相连的SOA。第2个 AWG用作WDM复用器，即重新复合SOA的输出信号到输出AWG。这种滤波器比简单的调谐滤波器功能 (a)AWG 构成原理图 FSR=c=f 更强大，因为在WDM系统中，它允许同时接入所有波长信道。此外，对功率电平低的信道，可以增加与它相连的SOA的增益，所以这种滤波器又起功率均衡的作用。另外，对
10、第1个AWG输出的每个光频进行调制，也可以构建一个多频WDM光源。 f=mc f=FSR=f (b)从指定的输入口经长L的波导传输到指定的输出口的传输函数 图1阵列波导光栅（AWG）1 在AWG腔体内，从指定的输入口经长L的波导传输到指定的输出口的传输函数如图1（b）所示3。由式可知，当光频增加c/2nL时，相位增加2，传输函数以自由光谱范围（FSR）为周期重复： FSR= 2传输峰值发生在式表示的频率处。=1500nm,f=200THz，由OFDM系统决定的FSR典型值约为2THz，这正好是光放大器的增益带宽，或是LD的调谐范围， 于是阶数m约为100，可用MZ干涉器或m阶的光栅实现。在FS
11、R内相邻信道峰值间的最小分辨率f为： 图2基于AWG、WGR和SOA 的数字调谐滤波器 该单片集成滤波器可以作为信道分出（下载）滤波器，信道均衡器，WDM接收机和WDM光源。波长信道是数字接入，而间距是由WGR的几何尺寸确定，因此具有高的精度和可重复性，在WDM系统中具有广泛的应用。 2010年第1 期 专家论坛 原荣：阵列波导光栅(AWG)器件及其应用 以上的滤波器结构，在WDM信道很多时，必须使用许多作为选通门的SOA，为了减少使用SOA的数量，NTT提出一种新的滤波器结构，这就是除循环使用 AWG外，还使用2级SOA4。 图3表示这种64信道AWG路由数字调谐滤波器的结构5，它除在18输
12、入AWG和88输出AWG 之间加有SOA阵列外，还在输出AWG输出端又增加了第2级SOA阵列，此外在输出端前依次还增加了一个81多模干涉耦合器和功率增强SOA。这种结构只用了16个SOA就可以选择64个WDM信道。前端 图4WGR波长解复用阵列PIN 光电探测接收机 AWG是高分辨率器件，信道间距为50GHz，FSR为400GHz。后端AWG是低分辨率器件，信道间距为400GHz，FSR为3.2THz。 图5平面波导集成电路（PLC）多信道光接收机 与波长有关的10Gb/s信号，进入PIN光电探测器阵 图3WDM64信道AWG 数字调谐滤波器芯片结构 列。该阵列可能是波导集成单向载流子探测器(
13、UTC- InP集成PIC芯片尺寸为77mm2，MMI尺寸为：宽32m，长260m。16个SOA均为600m。 这种滤波器的工作原理如下：首先，把64路 PD)或波导探测器(WD-PD)或行波探测器(TW-PD)。为了提高AWG输入端的光功率电平,也可以把半导体光 放大器(SOA)集成在AWG的前端构成另一个新器件。 WDM波长信号分成8组，每组8个信号，由18AWG完成。信道组光频间距为400GHz，正好等于前端AWG 的FSR。其次，8个信号为1组的信号被第1级SOA选通，并由后端88AWG解复用。最后，8个信号为1组的每个信号被第2级SOA选通，并通过81MMI耦合器输出到功率增强SOA
14、。通常SOA门的数量是2倍 4AWG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。芯片右侧镜面镀高反射率(HR)膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图6所示。 WDM信道数的平方根(这里是2姨)。 3AWGPIC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4所示，它单片集成了AWGWGR波长解复用器和阵列PIN光电探测器，并且在PIN之后紧接着又集成了异质结双极晶体管(HBT)作为前置放大器。WGR的自由光谱范围 (FSR)是800GHz(6.5
15、nm)，设计用于信道间距100GHz(0.81nm)的8个信道的WDM解复用(100GHz8=800GHz)。 图5表示目前使用的PIC多信道光接收机4，1010Gb/s的WDM光信号进入AWG解复用，AWG输出 图6AWG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 2010年第1 期 专家论坛 原荣：阵列波导光栅(AWG)器件及其应用 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。 在设计该激光器时，要折衷考虑几个因素，首先要使腔内WGR滤波器的带
16、宽尽可能窄。因为窄的滤波带宽可保证激光器锁定在一个单纵模上，而不管有多少纵模包含在滤波器带宽内。另外，FSR或WGR的周期应该足够大，以便光放大器增益曲线的选择性仅在 第13端口)，分出和加入需要的I(此处I=13)。由此可见，有N-1个波长信道可以用于分出和插入。 WGR的一个通带内足够选择产生激光。 在图6中，左边使用5个SOA，右边使用8个SOA，中间使用啁啾NNAWG，把左侧的镜面也镀以 高反射膜，光从星形耦合器输出，有人制造出了40个信道的数字调谐PIC激光器6。在此基础上，研究人员在中间又加了一个NNAWG，制造出了56个信道的数字调谐PIC(PhotonicIntegratedC
17、ircuits)激光器7。 图8用AWG构成的NN星形波长分插复用（ADM） 互联系统 下面介绍使用3个AWG和16个热光(TO,Ther- 5AWGWDM复用器 图7表示用AWGWDM复用器复用40个信道 moOptic)开关构成的16信道OADM，如图9所示。波长间距相等的WDM信号1,2,16耦合进入主输入 口，被AWG1解复用。被AWG1解复用的信号引入到 (每信道40Gb/s)的PIC发送机原理图8，每个发送信道包含一个具有后向功率监控的调谐DFB激光器，一个 电吸收调制器(EAM)，一个功率平坦元件(PEE)和前向功率监控器。PEE用来均衡每个信道的输出功率。 TO的左臂，其右臂连
18、接到光插入口。热光开关不加热 时，器件处于交叉连接状态，解复用信号通过交叉臂进入AWG2，又一次被复用。相反，TO通电加热后，就切换到平行连接状态，解复用信号通过平行(直通)臂进入AWG3。因此，任何所需的波长信号通过控制TO的交叉或平行状态，就可以从主输入口提取出来，改送到分出口而不是主输出口。 图74040Gb/s 多信道发送机结构原理图 6AWG光分插复用器 利用AWGNN解复用器/复用器可以构成星形 NN波长分插复用(ADM)互联系统，如图8所示9。利用这种系统可以构成波长地址环网或总线网络。图8所示的ADM基本上是一个NNAWG复用器，但是 返回光通道连接与它对应的每个输出口。只有一
19、个输入口和与它对应的输出口作为共用的输入和输出口，如图8中的第9端口。第9端口输入WDM信号，被 图93个AWG和16个热光开关构成的16信道 OADM Lucent公司研制的波长选择光交叉连接（OXC）单 片集成ROADM，包含2个AWG和1个248OXC，如图10所示 10 AWG解复用，然后N-1个输出信号被返回到对应的 输入口。这些环回的信号自动地再一次复用，并送到共用的输出口。利用环回通道被断开的端口(如图8中的 。1个AWG用作WDM解复用器，另一 个用作WDM复用器。OXC使用3级交换从24个波长信道中选择8个WDM信道(每信道100Gb/s)，下传到8个分出口中的任一个。 20
20、10年第1 期 专家论坛 原荣：阵列波导光栅(AWG)器件及其应用 图12ONU宽谱光源WDM-PON系统的上行部分 图10波长选择光交叉连接（OXC）单片集成 ROADM 9结束语 本文阐述了AWG器件的工作机理，介绍了使用 7LED频谱分割多波长光源 使用阵列波导光栅(AWG)，对LED的宽谱光进行分割，就可以得到一种低成本多波长光源，以便用于 AWG的调谐滤波器、WDM复用器、光收发机和光分插复用器等。随着AWG性能的提高和集成化技术水 平的进步，以AWG为基础的器件在未来的光纤通信网络中将会有更多、更灵活、更复杂的应用，并将对光通信网络产生极大的影响。参考文献: 1SMITMK.New
21、focusinganddispersiveplanarcomponentbasedonanopticalphasedarrayJ.J.ElectronicsLetters,1988,24(7):385-386.2原荣.光纤通信M.第2版.北京：电子工业出版社，2006.3GLANCEB,KAMINOWIP,WILSONRW,etal.ApplicationoftheIntegratedWaveguideGratingRouterJ.J.LightwaveTechnol,1994,12(6):957-961. 4DOERRCR.InP-BasedPhotonicDevicesC.OFC2008,
22、OWE3.5KIKUCHIN,SHIBAKAY,OKAMOTOH,etal.High-SpeedError-FreeSignalSelectionbyaMonolithicallyIntegrated64-ChannelWDMChannelSelectorC.OFC2002,TuF4. 6DOERRCR,JOYNERCH,STULZLW,etal.,40-WavelengthRapid-lyDigitallyTunableLaserJ.IEEEPhoton.Tech.Lett,1999,11(11):1348-1350. 7MIZUNOT,KITOHT,ISHIIM,etal.Compacta
23、ndLow-lossArrayedWaveguideGratingModulewithTolerance-RelaxedSort-SizeConverter WDM-PON，如图11所示。基本想法是，首先用信号调制LED的输出光，然后将其输出连接到使用AWG的波长路由器(WGR)的输入端，此时LED的宽光谱就被 分成许多波长的信号，在WGR的每个端口输出。其结果是将调制后的信号以不同的波长分配到许多用户，这些不同的波长是由AWG的特性决定的。 图11本地环路应用的WDM-PON 8AWG用于ONU无色WDM-PON 基于无色ONU的技术方案是WDM-PON系统的主流，根据使用器件的不同，可分为
24、宽谱光源ONU和无光源ONU。 图12所示为ONU中采用宽谱光源的WDM-PON系统。在这种系统中，ONU内有一个宽谱光源，例如超发光二极管（SLED），它发出的光进入AWGWDM器件的一个端口，该器件对信号进行谱分割，只允许特定波长的光信号通过并传输到位于中心局的OLT。尽管所有ONU都采用同一个光源，但由于它们接在WDM合波器的不同端口上，所以每个ONU分切到的是同一个光源的不同光谱，即每个通道（ONU）得到的是不同的波长信号。 J.IEEEPhoton.Tech.Lett,2003,15(2):239-241. 8NAGARAJANR,KATOM,PLEUMEEKERSJ,etal.Si
25、ngle-chip40-channelInPtransmitterphotonicintegratedcircuitcapableofaggregatedatarateof1.6Tbit/sJ.J.ElectronLett,2006,42(13):771-773. 9TACHIKAWAY,INOUEY,KAWACHIM,etal.Arrayed-waveguidegratingadd-dropmultiplexerwithloop-backopticalpathsJ.J.ElectronicsLetters,1993,29(24):2133-2134. 10EARNSHAWMP,GRIFFIN
26、A,BOLLEC,etal.ReconfigurableOpti-calAdd-DropMultiplexer(ROADM)withIntegratedSub-BandOpticalCross-ConnectC.OFC2005,OTuD2. 11OKAMOTOK,TAKIGUHCIK,OHMORIY.16-channelopticaladd/dropmultiplexerusingsilica-basedarrayed-waveguidegratingsJ.J.Elec-tronicsLetters,1995,31(9):723-724. 12ZIRNGIBLM,JOYNERCH,DOERRCR,etal.An18-ChannelMulti-frequencyLaser.IEEEPhotonJ.Tech.Lett,1996,8(7):870-872. 2010年第1 期