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《吉林大学》 2004年
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阵列波导光栅波分复用器的理论设计和性能分析

郑菊  
【摘要】:随着通信技术及其业务日新月异的飞速发展,大容量光纤通信系统已 具有越来越广泛的引用前景。迄今已获得的光纤最大传输容量只相当于其 潜在容量的 0.24%。随着通信系统和网络带宽和容量的迅猛增长,迫切要 求在原有光纤网的基础上进行改造扩容。目前有三种扩容方式:空分复用 (SDM) 时分复用(TDM)、波分复用(WDM)。其中波分复用尤其 是密集波分复用(DWDM)技术可利用已铺设的光纤,使单根光纤的传 输容量在高速率 TDM 的基础上成 N 倍的增加,能很好的挖掘光纤的传输 能力。因此,它是近年来世界各国的研发热点之一。波分复用器件是波分 复用系统的关键部分,可分为干涉滤光器型、光栅型和集成光波导型。集 成光波导型波分复用器中最主要的是阵列波导光栅(AWG)型波分复用 器。它具有波长间隔小、波通道数多、通带平坦等优点,非常适合 DWDM 系统。对它的研究和应用正在同时进行,基于 AWG 器件在 WDM 技术中 有重要的应用前景,其研究与开发工作最近几年得到了很快的发展。由于 AWG 器件具有较好的稳定性和较低的损耗,已成为 WDM 系统中最有前 途的复用/解复用光器件。 AWG 的概念首先是荷兰 Delft 大学的 Smit 在 1988 年提出的。其重要 的应用价值引起了 NTT 公司和 Bell 实验室等的关注,研究人员在 Si 和 InP 材料上研制了不同指标的 AWG 器件样品并开始应用于系统。 以 AWG 为基本结构的波长复用/解复用器是管通信网络中的关键器 件。这一器件由阵列波导光栅,输入/输出波导和聚焦平板波导组成。阵 列波导光栅连接两个平板波导,并由规则排列的波导构成,相邻波导的长 度相差一个常数。波导长度差造成依赖于波长的波前倾斜,因此光在输出 平板波导中的衍射分布依赖于光的波长或频率,阵列波导光栅的作用类似 于衍射光栅。关键是阵列波导光栅工作在高衍射级数下,尽管器件尺寸在 厘米量级却可以达到纳米或亚纳米量级的波长分辨率。 相对于其他复用/解复用器,AWG 具有以下优势:波长间隔小、信道 数多、输出平坦、串扰低、信号畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、 插入损耗小、通道间串扰低、可靠性高、器件尺寸小、易实现单片集成等。 AWG 理论已较成熟,目前的发展方向是在改善其性能的基础上扩大 其应用范围。除了复用和解复用的功能外,AWG 还可以和其它器件构成 波长路由器,光分插复用器,多波长光源,多波长接收器、光交叉连接、 波长监测、光谱分析仪等。AWG 在光纤通信中的应用日益突出。 目前,国际上已做出 400 信道、波长间隔 0.8 nm、串扰低于?30 dB、 温度依赖性在 0~85°C 范围内波长漂移小于 0.06 nm 的实用化硅基 SiO2 I WP=66 吉林大学硕士毕业论文 AWG 器件。32、64 及 128 信道满足实用化要求的器件已有销售。但是硅 基 SiO2 AWG 器件存在的主要问题是,高质量厚膜 SiO2波导材料的生长 比较困难,需要的设备复杂,造成器件价格一直居高不下。因此,许多研 究者开始研究硅基聚合物 AWG 器件,这种器件具有价格便宜、工艺简单、 折射率调整容易、透明性好、偏振不灵敏以及热稳定性好等优点,使其在 与无机材料 AWG 器件的竞争中处于有利的地位。目前在日本、美国、德 国等一些发达国家都在积极开展聚合物 AWG 器件的研究工作,并已取得 了许多重要的进展,一些主要性能指标正逐渐达到无机 AWG 器件的水 平。但聚合物 AWG 器件由于起步较晚,目前还没有达到系统化、商业化、 实用化和产品化。预计硅基聚合物 AWG 器件研制成功后经产业化过程, 批量生产将具有可观的经济效益和广阔的市场前景。 本文首先介绍 AWG 器件的波分复用原理,给出光栅方程、角色散方 程、自由光谱区的表达式、从理论上推导出波长分配原理;然后分三个层 次:矩形波导、定向耦合器、弯曲波导介绍了波导设计理论,并应用该理 论对器件进行设计,给出了信道波导及阵列波导的尺寸和间距、有效折射 率、信道波导数和阵列波导数、相邻阵列波导长度差、平板波导焦距、自 由光谱区、衍射阶数等基本物理量的表达式,根据给定的数据对 33×33 通道聚合物 AWG 确定了参数选择。 接着应用 AWG 器件的几何构成对器件进行结构设计,以聚合物 33 ×33 通道 AWG 的参数为例给出每条阵列波导和信道波导的长度、弯曲 半径、弯曲角度和相应的弯曲弧长,并给出设计版图时确定坐标位置的公 式,给出了 33×33 通道聚合物 AWG 按此设计得到的版图。 然后以 33×33 通道聚合物 AWG 的参数为例,对器件进行传输特性 分析,传输特性包括:输入/输出平板波导中的衍射远场和功率分布、传 输光谱和自由光谱区、旁瓣抑制、衍射效率、带宽、串扰、偏振相关性、 温度系数等。 最后针对星形耦合器带来的相差进行分析。AWG 中的星形耦合器一 般包含罗兰圆结构,但是传统的罗兰圆形凹面光栅只能消除二阶像差,当 器件通道数很大时,它将给边缘通道带来很大的像差,严重影响着光谱响 应。为了提高 AWG 器件的性能,我们用基于像差理论的 Stigmatic Points 方法去减小它的像差。同时我们令聚焦曲线呈直线型
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN256

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