AWG介紹一：工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)

光纖在線編輯部 2008-06-26 09:24:53 文章來源：本站消息版權(quán)所有,未經(jīng)許可嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載.

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導(dǎo)讀：

光纖在線特約編輯萬助軍供稿：在光纖通信系統(tǒng)中，最早商用的DWDM模塊是由多個三端口的介質(zhì)膜濾波器（TFF）串聯(lián)而成，但是當(dāng)信道數(shù)大于16時，基于TFF技術(shù)的DWDM模塊因損耗太大，不能滿足應(yīng)用需求。陣列波導(dǎo)光柵（AWG）應(yīng)運而生，成為32通道以上DWDM模塊的主要技術(shù)途徑。
AWG是以平面光路（PLC）技術(shù)制作的器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由輸入波導(dǎo)、輸入星形耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器和輸出波導(dǎo)陣列五部分組成。輸入的DWDM信號，由第一個星形耦合器分配到各條陣列波導(dǎo)中，陣列波導(dǎo)的長度依次遞增ΔL，對通過的光信號產(chǎn)生等光程差，其功能相當(dāng)于一個光柵，在陣列波導(dǎo)的輸出位置發(fā)生衍射，不同波長衍射到不同角度，經(jīng)過第二個星形耦合器，聚焦到不同的輸出波導(dǎo)中。

圖1. AWG基本結(jié)構(gòu)

為了更直觀的理解AWG的工作原理，我們首先來分析凹面反射式光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)和原理，如圖2所示，凹面光柵的曲率半徑為R=2r，羅蘭圓的半徑為r，二者內(nèi)切且羅蘭圓通過光柵中心。通過簡單的光路分析和一定的近似可知，羅蘭圓上任一點發(fā)出的光，經(jīng)凹面光柵衍射之后仍聚焦在羅蘭圓上，不同衍射級次對應(yīng)不同衍射角，滿足衍射條件：

（1）

                               圖2. 凹面反射式光柵和羅蘭圓結(jié)構(gòu)

    AWG的輸入/輸出星形耦合器采用類似凹面反射式光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，輸入/輸出波導(dǎo)的端口位于羅蘭圓的圓周上，陣列波導(dǎo)位于凹面光柵的圓周上。

                          圖3. a)輸入星形耦合器，b)輸出星形耦合器

    輸入星形耦合器與輸出星形耦合器成鏡像關(guān)系，輸入波導(dǎo)發(fā)出的光信號經(jīng)陣列波導(dǎo)衍射，不同波長聚焦到不同輸出波導(dǎo)；圖4中羅蘭圓上C點發(fā)出的光信號經(jīng)凹面光柵反射衍射，不同波長聚焦到羅蘭圓上的不同點。二者完全等效，差別只在于后者是反射式光柵，而前者是透射式光柵。對于前者，我們也可以理解為圖3（b）中波導(dǎo)C發(fā)出的光信號，經(jīng)陣列波導(dǎo)反射衍射并聚焦到不同輸出波導(dǎo)中。

圖4. 凹面反射式光柵中的衍射

AWG的衍射公式與凹面光柵略有不同：

（2）
其中da為陣列波導(dǎo)中心間距，nc為星形耦合器區(qū)域的等效折射率，na為陣列波導(dǎo)的等效折射率，m為衍射級次。從式（2）可以看到，AWG與普通光柵有著相同的衍射能力，可用于DWDM信號的復(fù)用/解復(fù)用。
從（2）式可以看到，同一波長的不同衍射級次，將衍射為不同角度，聚焦到不同的輸出波導(dǎo)中，如圖5（a）所示，其中主衍射級次的光功率最強，次級衍射光功率迅速衰減。在滿足（3）式的情況下，不同波長的主衍射級次將進(jìn)入相同的輸出波導(dǎo)，造成串?dāng)_，Δλ稱為AWG的自由光譜范圍（FSR），如圖5（b）所示，為避免串?dāng)_，F(xiàn)SR應(yīng)大于需要復(fù)用/解復(fù)用的信號譜寬。

（3）

                                  a)                               b)
                           圖5. AWG的a)次級衍射和b)自由光譜范圍

    一個典型的AWG傳輸譜線如圖6所示，其主要技術(shù)指標(biāo)有插入損耗、損耗均勻性、通帶起伏、偏振相關(guān)損耗（PDL）、通帶寬度、相鄰?fù)ǖ栏綦x度、非相鄰?fù)ǖ栏綦x度等，分別如圖7（a）、圖5（a）、圖7（b－f）所示。