億源通：WDM器件— 陣列波導(dǎo)光柵AWG

  為什么需要AWG？

  我們知道，DWDM技術(shù)可以在單根光纖中傳輸數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)，大大擴(kuò)充了光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量。DWDM系統(tǒng)中最早采用的波分復(fù)用/解復(fù)用模塊是基于介質(zhì)膜濾光片TFF的，如圖1和圖2所示。這兩種都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，不同波長(zhǎng)在模塊中經(jīng)歷不同數(shù)量的器件，產(chǎn)生不同的功率損耗。隨著端口數(shù)增加，DWDM模塊的損耗均勻性劣化。同時(shí)，在最后端口產(chǎn)生的最大損耗是制約端口數(shù)量的另一個(gè)因素。因此，基于TFF技術(shù)的DWDM模塊，其信道數(shù)通常不超過16。

圖1. 基于三端口WDM器件的WDM模塊

圖2. 迷你WDM模塊結(jié)構(gòu)

  然而，一個(gè)典型的DWDM系統(tǒng)，通常在單根光纖中傳輸40或者48個(gè)波長(zhǎng)，因此需要更大端口數(shù)的復(fù)用/解復(fù)用器。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的WDM模塊會(huì)在后面端口累積太多功率損耗，因此需要采用并行結(jié)構(gòu)，一次性對(duì)數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用操作。陣列波導(dǎo)光柵AWG就是這樣一種光器件。

  陣列波導(dǎo)光柵通常用于波分復(fù)用WDM系統(tǒng)中的光復(fù)用器Optical (De)Multiplexers，這些設(shè)備能夠把許多波長(zhǎng)的光復(fù)合到單一的光纖中，從而提高光纖網(wǎng)絡(luò)的傳播效率。

  AWG的典型結(jié)構(gòu)

  典型的AWG結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括一個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)輸入星形耦合器（圖中自由傳輸區(qū)域FPR）、一組陣列波導(dǎo)、一個(gè)輸出星形耦合器和數(shù)十根輸出波導(dǎo)。陣列波導(dǎo)的長(zhǎng)度成等差級(jí)數(shù)，第一根波導(dǎo)的長(zhǎng)度是L0，第i根波導(dǎo)的長(zhǎng)度Li為

  (1)

圖3. 典型AWG結(jié)構(gòu)

  DWDM信號(hào)從輸入波導(dǎo)進(jìn)入輸入星形耦合器，經(jīng)自由傳輸之后，被分配到陣列波導(dǎo)之中。這個(gè)分配過程是波長(zhǎng)無關(guān)的，所有波長(zhǎng)被無差別的分配到陣列波導(dǎo)之中。陣列波導(dǎo)對(duì)多光束產(chǎn)生相位差，各光束的相位成等差級(jí)數(shù)，這與傳統(tǒng)光柵中的情況類似。不同波長(zhǎng)被色散展開，并聚焦在輸出星形耦合器中的不同位置。不同波長(zhǎng)被不同的波導(dǎo)接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DWDM信號(hào)的并行解復(fù)用。

  AWG工作原理

  為了更好的理解AWG的工作原理，此處從凹面光柵入手進(jìn)行分析。凹面光柵結(jié)構(gòu)如圖4所示，光柵的槽面分布在一個(gè)半徑為R=2r的大圓上，在光柵前面存在一個(gè)小圓，其半徑r是大圓的一半，這個(gè)小圓稱為羅蘭圓。凹面光柵兼有傳統(tǒng)光柵和透鏡兩種功能，從羅蘭圓上任意一點(diǎn)P1發(fā)出的光束，經(jīng)凹面光柵衍射之后，必定聚焦在羅蘭圓上另一點(diǎn)P2。衍射角θ與入射角α之間滿足關(guān)系式（2）。

  (2)

  根據(jù)式（2），衍射角θ是波長(zhǎng)相關(guān)的。當(dāng)一束復(fù)色光波從P1點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)凹面光柵衍射之后，不同波長(zhǎng)將會(huì)聚焦在羅蘭圓上的不同位置（P2點(diǎn)附近）。

圖4. 凹面光柵的衍射

  現(xiàn)在我們回到關(guān)于AWG的討論。輸入/輸出星形耦合器具有類似凹面光柵的結(jié)構(gòu)，圖5是輸出星形耦合器的結(jié)構(gòu)，陣列波導(dǎo)的端口都分布在一個(gè)直徑為R=2r的大圓上，而輸出波導(dǎo)的端口都分布在一個(gè)半徑為r的小圓（羅蘭圓）上。輸入星形耦合器的結(jié)構(gòu)與星形耦合器類似，差別僅在于數(shù)十根輸出波導(dǎo)被一根輸入波導(dǎo)替代，輸入波導(dǎo)的端口位于輸出波導(dǎo)的中心位置C。

圖5. 輸出星形耦合器的結(jié)構(gòu)

  凹面光柵與星形耦合器之間的類比，如圖6所示。在凹面光柵中，復(fù)色光束從羅蘭圓上的一點(diǎn)發(fā)出，不同波長(zhǎng)的光聚焦在羅蘭圓上的不同點(diǎn)。在星形耦合器中，DWDM信號(hào)從輸出波導(dǎo)的中心店C（即輸入波導(dǎo)的鏡像點(diǎn)）發(fā)出，這個(gè)點(diǎn)在羅蘭圓上。如果在陣列波導(dǎo)中能否如凹面光柵一樣，發(fā)生反射式衍射，那么不同波長(zhǎng)將會(huì)聚焦在羅蘭圓上的不同點(diǎn)。然后色散展開的不同波長(zhǎng)，被羅蘭圓上的不同輸出波導(dǎo)接收?，F(xiàn)在的關(guān)鍵點(diǎn)是，如何在陣列波導(dǎo)中產(chǎn)生反射式衍射。

圖6. 凹面光柵與星形耦合器之間的類比

  因?yàn)檩斎?輸出星形耦合器的結(jié)構(gòu)類似，我們可以對(duì)AWG進(jìn)行折疊，如圖7所示。在陣列波導(dǎo)中間設(shè)置一個(gè)反射鏡，將陣列波導(dǎo)對(duì)稱分開。陣列波導(dǎo)的左側(cè)一半鏡像到右側(cè)一半，輸入星形耦合器鏡像到輸出星形耦合器，輸入波導(dǎo)鏡像到輸出波導(dǎo)的中心位置C。因此AWG的工作過程可視同：DWDM信號(hào)從輸出波導(dǎo)的中心位置C輸入，經(jīng)過輸出星形耦合器中的自由傳輸，分配至陣列波導(dǎo)之中；多光束在陣列波導(dǎo)的右半側(cè)傳輸至鏡面，被反射的多光束進(jìn)入輸出星形耦合器；經(jīng)過星形耦合器中的自由傳輸之后，不同波長(zhǎng)的光束聚焦在不同位置，被輸出波導(dǎo)接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DWDM信號(hào)的解復(fù)用。

圖7. AWG的折疊操作過程

  陣列波導(dǎo)光柵（AWG）是正在迅速發(fā)展的（密集波分復(fù)用系統(tǒng)）DWDM 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件。AWG可獲得大量的波長(zhǎng)和信道數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)至幾百個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用和解復(fù)用，并能靈活地與其它光器件構(gòu)成多功能器件和模塊。具有高穩(wěn)定性和優(yōu)良性價(jià)比也是AWG成為DWDM首選的技術(shù)的原因之一。

  億源通（HYC）的AAWG(無熱陣列波導(dǎo)光柵)模塊是一種基于PLC(平面波導(dǎo))技術(shù)，不需要額外的電源供電或者溫度控制，屬于純無源模塊；相對(duì)于傳統(tǒng)TFF(薄膜濾波器)產(chǎn)品，AAWG具有集成度高、均勻性好、低PMD、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)。基于成熟的工藝，億源通可提供32通道、40通道、48通道甚至更大通道的無熱AWG模塊，封裝方式及擴(kuò)展端口均可定制化。

  關(guān)于億源通（HYC）

  億源通科技（英文簡(jiǎn)稱HYC），是一家專注于光通信無源基礎(chǔ)器件研發(fā)、制造、銷售與服務(wù)于一體的無源光通信器件OEM/ODM廠商，主要生產(chǎn)和銷售光纖連接類產(chǎn)品（光纖連接器、適配器、跳線），WDM波分復(fù)用器，PLC光分路器，MEMS光開關(guān)等核心光無源基礎(chǔ)器件，廣泛應(yīng)用于光纖到戶、4G/5G移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、國(guó)防通信等領(lǐng)域。