阵列波导光栅(AWG)的工作原理

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AWG是Arrayed Waveguide Grating阵列波导光栅，是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。AWG是一种平面波导器件，是利用PLC技术在芯片衬底上制作的阵列波导光栅。与FBG和TTF相比，AWG具有集成度高、通道数目多、插入损耗小、易于批量自动化生产等优点。

AWG的工作原理，可以从凹面光栅来分析。凹面光栅结构如图1所示，光栅的槽面分布在一个半径为R=2r的大圆上，在光栅前面存在一个小圆，其半径r是大圆的一半，这个小圆称为罗兰圆。凹面光栅兼有传统光栅和透镜两种功能，从罗兰圆上任意一点P1发出的光束，经凹面光栅衍射之后，必定聚焦在罗兰圆上另一点P2。衍射角θ与入射角α之间满足关系式（1）。

根据式（1），衍射角θ是波长相关的。当一束复色光波从P1点发出，经凹面光栅衍射之后，不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同位置（P2点附近）。


图1. 凹面光栅的衍射

输入/输出星形耦合器具有类似凹面光栅的结构，图2是输出星形耦合器的结构，阵列波导的端口都分布在一个直径为R=2r的大圆上，而输出波导的端口都分布在一个半径为r的小圆（罗兰圆）上。输入星形耦合器的结构与星形耦合器类似，差别仅在于数十根输出波导被一根输入波导替代，输入波导的端口位于输出波导的中心位置C。


图2. 输出星形耦合器的结构

凹面光栅与星形耦合器之间的类比，如图3所示。在凹面光栅中，复色光束从罗兰圆上的一点发出，不同波长的光聚焦在罗兰圆上的不同点。在星形耦合器中，DWDM信号从输出波导的中心店C（即输入波导的镜像点）发出，这个点在罗兰圆上。如果在阵列波导中能否如凹面光栅一样，发生反射式衍射，那么不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同点。然后色散展开的不同波长，被罗兰圆上的不同输出波导接收。现在的关键点是，如何在阵列波导中产生反射式衍射。


图3. 凹面光栅与星形耦合器之间的类比

因为输入/输出星形耦合器的结构类似，我们可以对AWG进行折叠，如图4所示。在阵列波导中间设置一个反射镜，将阵列波导对称分开。阵列波导的左侧一半镜像到右侧一半，输入星形耦合器镜像到输出星形耦合器，输入波导镜像到输出波导的中心位置C。因此AWG的工作过程可视同：DWDM信号从输出波导的中心位置C输入，经过输出星形耦合器中的自由传输，分配至阵列波导之中；多光束在阵列波导的右半侧传输至镜面，被反射的多光束进入输出星形耦合器；经过星形耦合器中的自由传输之后，不同波长的光束聚焦在不同位置，被输出波导接收，从而实现对DWDM信号的解复用。


图4. AWG的折叠操作过程

AWG具有波长间隔小、信道数多、易于集成的优点，特别适合于超高速、大容量的DWDM系统使用，已成为DWDM系统中大部分器件的核心构件，应用广泛。

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亿源通（英文简称HYC）创立于2000年，是全球行业内领先的无源光器件OEM/ODM及解决方案提供商，专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务。公司主营产品为：光纤连接器（数据中心高密度光连接器），WDM波分复用器，PLC光分路器，MEMS光开关等四大核心光无源基础器件，广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。