AWG介绍二：设计和优化

一、AWG|0">AWG的设计步骤

AWG参数中有多个自由度，因此其设计步骤也有多种，一个典型的设计步骤如下：

1)由设计要求确定信道数N和信道间隔Δf；

2)确定波导宽度W和折射率差Δ：要求波导满足单模条件，并考虑波导的最小弯曲半径（这对器件布版非常重要）随W和Δ单调递减，SiO2波导一般取W=6um，Δ=0.75%；

3)确定输出波导间距dr：AWG的串扰随dr的减小而增加，如图8，根据对串扰的要求确定dr；

图8. 串扰与输出波导间距的关系

4)确定罗兰圆直径Ra：AWG的损耗均匀性≈8.7(θmax/θ0)2，而Ra=Smax/θmax，由边缘通道的位置Smax和衍射角θmax决定；

5)确定阵列波导间距da：da越小则器件的损耗越小，在阵列波导与星形耦合器相接处，应使波导间隙尽量小，接近光刻极限；

6)确定阵列波导中相邻波导长度差ΔL：阵列波导的色散D∝ΔLRa/da且D=dr/Δf，由此决定ΔL；

7)确定阵列波导数Na：边缘阵列波导相对于输入波导的张角2θa影响损耗和串扰，如图9所示，根据损耗和串扰要求选定θa，再计算阵列波导数Na=2θaRa/da+1。

图9. 阵列波导张角与损耗和串扰的关系

8)选择AWG的布版方式：布版需要考虑输入/输出端口的设置和尽量缩小器件的布版面积，常用的布版方式有两种，如图10所示。

图10. AWG常用的布版方式

二、减小AWG损耗的途径

在AWG的输入星形耦合器中，如图3（a）和图11中虚线所示，输入波导发出的光场呈高斯分布，分配到各条阵列波导中。如果在阵列波导的输出端能够得到同样的光场分布，就能够无损耗的耦合到目标输出波导中。实际上，由于端口位置波导间隙的影响，在阵列波导输出端得到的光场如图11中实线所示，光场被撕裂，因此产生耦合损耗。如果采用强限制波导（折射率差较大）或者波导间隙较大，光场被完全撕裂，损耗较大；如果采用弱限制波导或者波导间隙较小，光场未完全撕裂，损耗较小。

图11. 阵列波导输入/输出端的光场分布

针对产生损耗的机制，减小AWG损耗的途径如下：

1) 在阵列波导接口位置，采用锥形设计逐步减小波导间隙，直至光刻极限；

2) 进行二次光刻，对阵列波导接口位置采用折射率差较小的材料组合。

三、AWG的消偏振设计

因阵列波导的双折射效应，TE模和TM模的衍射聚焦位置不同，产生PDL，甚至两个模式聚焦到不同波导中，如图12所示。

图12. AWG中的PDL问题

针对PDL的产生机制，消除的方法如下：

1)采用零偏振波导：通过适当的参数设计和工艺优化，可以得到双折射系数极低的零偏振波导，如图13所示。

图13. 掩埋矩形和脊形零偏振波导结构

2)衍射级次匹配：让AWG的FSR等于偏振引起的频移Δfpol，则TE模的m级衍射波长与TM模的m-1级衍射波长重合，二者衍射角相同，如图14所示。

图14. 通过衍射级次匹配实现消偏振

3)色散匹配设计：在每条波导中插入一段双折射系数不同的波导，其长度以δL递增，如图15所示。

图15. 通过色散匹配实现消偏振

4)偏振分离输入：将TE模和TM模分离之后再输入AWG，如图16所示。

图16. 通过偏振分离输入实现消偏振

5)半波片法：在每条波导的中间插入一片半波片，使波导的前后两段发生TE模和TM模的转换。

四、AWG的通带平坦化设计

阵列波导输出的光场，在输出波导的端口进行衍射重构，这个重构光场与输出波导的能量耦合所表现出来的波长特性，即为AWG的传输谱线。

通带未优化的AWG，表现为高斯型谱线，如图17所示，难以实用，因此必须进行通带平坦化设计。

图17. 高斯型AWG谱线

1)采用多模输出波导：在输出星形耦合器中采用多模输出波导，如图18（a）所示，衍射重构光场与多模波导的能量耦合，表现为平坦化的通带特性，如图18（b）所示，因为输出波导为多模，该方法只能用于解复用器，并且解复用的信号只能由探测器接收，而不能无中继的继续传输。

a)

b)

图18. a)多模输出波导， b)通带特性

2)输入端接多模干涉（MMI）耦合器：在输入波导与输入星形耦合器之间串接一个MMI耦合器，将输入光场变成一个双峰波形，如图19（a）所示，优化前后的通带特性分别如图19（b）中的虚线和实线所示，可以看到，通带优化后的AWG，其损耗增加了大约2dB。将MMI耦合器设计成牛角形状，可以进一步优化损耗和通带特性。

a)

b)

图19. a)输入端接MMI耦合器，b)优化前后的通带特性

3)在阵列波导输出端引入相移：输出波导接收的光场为阵列波导输出位置光场的傅立叶变换，如果在阵列波导输出端得到sinc函数（sinc(x)=sinx/x）分布的光场，则其通带为