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摘 要：陣列波導光柵（AWG）是實現密集波分復用（DWDM）光網絡的理想器件，插入損耗是它的一個重要性能指標．文章在綜述了多種減小AWG器件插入損耗方法的基礎上，分析了如何使用楔形波導結構來降低模式失配所導致的耦合損耗．這種方法可以在不增加器件制作難度的同時大大降低AWG的插入損耗，并且適用于各種材料和結構的AWG器件設計．
關鍵詞：密集波分復用；陣列波導光柵；插入損耗；楔形波導
陣列波導光柵（AWG）是實現多通道密集波分復用（
DWDM）光網絡的器件．它是一種基于平面光波回路（PLC）技術的角色散型無源器件，由一個相位控制器，一個衍射光柵和輸入／輸出波導組成．與其他光柵技術相比，
AWG具有設計靈活、插入損耗低、濾波特性良好、性能長期穩定、易與光纖有效耦合和適于大批量生產等優點，在
DWDM光網絡中得到了廣泛的應用，可以實現
濾波、復用／解復用、光分插復用（OADM）等功能．
AWG是一種無源光器件，插入損耗是它的一項重要性能指標．近年來，人們在降低AWG器件的插入損耗方面做了大量的研究，提出了許多實用的設計方法．本文介紹了
AWG的基本原理以及在降低器件插入損耗方面的進展，并在理論上分析了楔形波導結構對模場失配的優化作用，zui后給出了8通道的AWG解復用器的模擬結果．
1
AWG的基本原理及其損耗特性
1．1 AWG的基本原理
AWG基于凹面光柵原理，1988年由荷蘭人M．K．Smit提出［1］．AWG將凹面光柵的反射式結構拉成傳輸式結構，輸入和輸出波導分開，并用波導對光進行限制和傳輸，取代光在自由空間中的傳播．利用這種傳輸式結構可在光的傳播中引入一個較大的光程差，使光柵工作在高階衍射狀態，提高了光柵的分辨率．
AWG復用／解復用器的結構如圖1所示，它由集成在同一襯底上的輸入／輸出波導、陣列波導和兩個聚焦平板波導組成．輸入／輸出波導位于Rowland圓的圓周上，對稱地分布在器件的兩端．陣列波導中相鄰波導的長度差為一常數，可對入射光的相位進行周期性調制，因此稱這種器件為
AWG．不同波長的光信號進入輸入波導，在平板波導內自由傳播，并耦合入陣列波導，經過陣列波導的色散作用，引起波前傾斜，在輸出波導的不同位置上成像，完成解復用功能．反之，可將不同輸入波導中的具有不同波長的光信號匯集到同一根輸出波導中，完成復用功能．
1．2
AWG的插入損耗分析
在實際應用中，
AWG通常作為多功能器件中的組件，由于插入損耗在多個節點的積累作用，系統性能會隨節點數的增加而惡化，因此在各種無法使用光放大器的接入網中，對AWG器件的插入損耗提出了很高的要求．同時，隨著器件尺寸的增加，
AWG的插入損耗也會相應增大，通常器件尺寸增加一倍，插入損耗將有3 dB左右的惡化．因此對于多通道的AWG器件，插入損耗是一個重要的性能指標．
AWG器件的損耗分為兩類，一類是在陣列波導和平板波導中由于吸收和散射等原因引起的傳輸損耗，其典型值為2 dB；另一類是由于模式失配造成的轉換損耗．轉換損耗有兩個主要來源，一是平板波導和陣列波導之間的過渡損耗，光柵陣列波導之間存在間隙，由此導致平板波導和陣列波導的模場失配，產生耦合損耗，而間隙的尺寸受到器件制作精度的限制．轉換損耗的另一個來源則是光纖與波導之間的模場失配引起的連接損耗，這種損耗會隨著光纖與波導的芯層尺寸和折射率的不同組合而變化．
要有效降低
AWG器件的插入損耗，關鍵在于減小光場傳輸過程中由于各種模式失配造成的轉換損耗．光纖與波導的連接損耗可以通過選擇波導芯層與覆蓋層的折射率差Δ來減小，使用0．45％的折射率差Δ可以明顯減小這類損耗［2］．而對于平板波導和陣列波導之間的過渡損耗，是由AWG本身的結構產生的，對器件性能的影響很大，人們提出了許多方法來減小這一固有損耗．例如，對于InP－基和Si－基的
AWG可使用兩次刻蝕的垂直楔形波導結構來優化器件性能［3］．另外，Maru等人提出在平板波導和陣列波導之間通過紫外光照射引入高折射率區域，以減小平板波導與陣列波導的耦合損耗，從而降低器件的插入損耗［4］，其結構如圖2所示．經過60min的紫外光照射，
AWG器件的插入損耗可以達到zui小值3．0 dB．
zui近有文獻報導，在
AWG的平板波導中加入相位調整元素——島（周期性排列的折射率變化區域），可有效地降低器件的插入損耗［5］．由于折射率的差異，島區域內和平板波導區域內傳播的光場具有不同的相速度，它們相互疊加的結果，可以使傳播光場與陣列波導本征模場失配造成的損耗大大減小．實驗中選擇島區域的折射率與器件覆蓋層的折射率相同，可將插入損耗由9．3 dB降至1．3 dB．
以上各種降低插入損耗的辦法大多是針對InP－基和Si－基
AWG器件的，而且這些方法或者需要附加的控制和穩定裝置，或者會增加器件的制作難度，提高對工藝容差的要求，與實用化的目標尚有一段距離．如果在不同結構的波導的連接處增加漸變的過渡區，不但能夠極大地降低轉換損耗，而且適用于各種材料和結構的
AWG器件的設計．下面我們對這種簡單而有效的設計方法進行分析，并給出模擬結果．
2 理論分析及模擬結果
2．1 過渡區理論
根據光波導理論，光場在兩種不同的波導中傳輸，由于模場的失配，會產生相當大的反射和模式轉換，導致光場能量的極大損耗．通過在波導的連接處加入漸變的過渡區，可以在各種不同的模場之間進行平滑的轉換，有效地減小耦合損耗．從實用的角度來說，zui簡單的過渡區形狀是漸變楔形．
楔形區域中的損耗主要由3部分構成：傳輸損耗、模式轉換造成的輻射損耗和由于波導表面粗糙或折射率不均勻引起的輻射損耗．在極短的長度范圍內，楔形區域中的損耗主要表現為模式轉換損耗，而在距離較長的情況下，則以非理想的波導特性造成的輻射損耗為主．下面我們主要分析模式轉換帶來的損耗．
在楔形區域中，基模與高階模相互作用，尤其是與相鄰的高階模作用，產生能量的轉移，其基模能量大部分轉化到相鄰的高階模中，并且當這個高階模在楔形區域的單模端附近截止時，能量就會輻射出去．根據過渡區理論，兩種不同光場模式（模式m和模式n）之間的能量轉移因子Pmn滿足［6］Pmn＝
為了減弱基模與高階模的這種相互作用，并且降低輻射損耗，楔形必須做得比較長而且是漸變的．由于κmn和Δβmn均與楔形區域的幾何參數有關，我們可以根據所期望的能量轉移因子P的大小，通過求解方程（1）來確定過渡區的形狀及zui小長度．但在通常情況下，方程（1）只能通過數值方法求解．
計算和分析表明，如果楔形過渡區足夠長（通常為幾百μm），并且是緩慢變化的，即楔形分叉角足夠小（通常＜1°），過渡區域內的損耗將會很小．這時，過渡區的形狀（如線型、指數型、拋物型等）就不重要了，可以采用zui簡單的線型過渡區．若楔形區域無限長，就是嚴格無損耗的理想狀態．我們模擬了采用不同長度的過渡區時，波導中的光功率與傳播距離的關系，結果如圖3所示．從圖中可以看出，在沒有過渡區（0μm）時，總的輸出功率低于93％，而隨著過渡區域長度的增加，波導之間的耦合損耗大大地降低了．
2．2 模擬結果
從上面的分析可以知道，在不同結構的波導之間加入漸變的過渡區可以減小導模光場的發散，降低插入損耗．而且，過渡區的制作只需改變波導的寬度，可以方便地通過光刻掩膜版的設計來實現．通過優化過渡區的分叉角、長度以及折射率等參數，可以使器件的插入損耗達到期望值．AWG的設計可以采用這一簡單有效的方法，在平板波導與輸入／輸出波導及陣列波導之間加入楔形結構，不增加器件制作的難度，并且能夠大大降低
AWG的插入損耗．我們以一個8通道的
AWG器件為例（設計參數列于表1），采用光束傳播法（BPM）模擬了楔形結構對插入損耗的優化作用．
首先在輸出波導處加入楔形結構（線型，長度100μm，分叉角0．8°），增加波導的有效接收寬度，同時增大進入信道的波長范圍，降低插入損耗．這一方法在需要較大的信道帶寬或平坦的通帶譜響應時，85可以產生很好的效果．模擬結果如圖4所示．點線為沒有楔形波導的情況，實線是有楔形波導的情況，可以看到，總的插入損耗降低了2 dB左右，同時信道帶寬增大了．
在陣列波導末端采用楔形結構可以更有效地減小器件的插入損耗．光場傳播到
AWG輸入聚焦平板波導的末端，并以平面波的方式耦合入陣列波導．當有些光場模式不能有效地耦合入陣列波導時，就會產生一些損耗．而波導末端的楔形部分產生平滑的過渡，可以降低損耗．圖5顯示了陣列波導末端的楔形結構（線型，長度100μm，分叉角0．8°）對降低
AWG插入損耗的作用．可以看到，楔形結構除了改變插入損耗外不改變器件的其他任何性質，并且每一個信道和波長的插入損耗都被同等地降低了4dB．
3 結束語
AWG是DWDM光網絡中的關鍵器件之一，尤其在多通道的
DWDM系統中，AWG的插入損耗是一個重要的性能指標．本文綜述了多種減小AWG插入損耗的方法，并分析了如何使用楔形波導結構來降低模式失配所導致的耦合損耗．這種方法原理簡單，可以通過光刻掩膜版的設計方便地實現，在不增加器件制作難度的同時大大降低
AWG的插入損耗，并且適用于各種材料和結構的
AWG器件設計，是一種靈活、簡單且有效的方法．
參考文獻：
［1］ Smit M K．Newfocusing and dispersive pla－nar componentbased on an opticalphased ar－ray［J］．Electronics Letters，1988，24（7）：385－386．
［2］ Takagi A，Kaneko A，Ishii M，et al．Low－loss and flat pass－band 1×8 arrayed－waveg－uide grating multi／demultiplexers withathermalspectrumfor metropolitan area net－works［A］．OFC2000［C］．Baltimore：2000．WH5：1－3．
［3］ Sugita A，Kaneko A，Okamoto A，etal．Verylowinsertion loss arrayed－waveguide gratingwith vertically tapered waveguides［J］．Pho－tonics Technology Letters，2000，12（9）：1180－1182．
［4］ Maru K，Chiba T，Okawa M，etal．Low－lossarrayed－waveguide grating with high indexregions at slab－to－array interface［J］．Elec－tronics Letters，2001，37（21）：1287－1289．
［5］ JunjiYamauchi，YuichiYamamoto．A novelAWG demultiplexer composed of slabs withislands［A］．OFC2002［C］．Anaheim，Cali－fornia：2002．ThGG36．
［6］ Sporleder F，Unger H G．Waveguide taperstransitions and couplers［M］．London andNewYork：The Institute of Engineers，1979．
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