阵列波导光栅波分复用器/解复用器的优化设计和软件实现

【摘要】：随着光通信系统和网络对带宽和容量需求的迅猛增长，波分复用技术越 来越成为人们研究的热点。基于阵列波导光栅（AWG）的各种光子器件能 够满足密集波分复用系统的各种需求，因此，研制 AWG 器件以及改善它的 性能就成为了密集波分复用系统研制工作的关键技术之一。 阵列波导光栅是由一定数量的输入/输出信道波导、阵列波导和两块平 板波导组成，信道波导和阵列波导通过平板波导相连。阵列波导中相邻阵列 波导的长度差保持为常数，可以起到光栅的作用，从而可以完成不同波长光 的复用和解复用功能。本论文从波导的模式方程和基本的光栅方程出发来阐 述阵列波导光栅的工作原理及主要功能，如角色散、自由光谱区、微调效应、 波长分配原理、波谱平坦、偏振不灵敏性、温度效应等。分析了波分复用系 统对 AWG 的具体要求：波长对准与稳定、低串扰、低插入损耗、顶部平坦 的带通、偏振不敏感、可集成和级连、低成本与封装。给出了 AWG 的具体 特性和在光通信系统中的应用。 条形波导是集成光路和各种集成光学器件包括AWG器件的基本元件。 本论文依据介质光波导的电磁理论，具体推导了矩形波导的Emn 和Emn 导模 y x 的场分布函数和特征方程，并以此为基础给出了单模矩形波导的波导芯尺寸 和模的有效折射率。结合以上关于矩形介质波导的推导和AWG光栅方程中 的参数关系，对于一种中心波长为 1.550918μm，信道间隔为 1.6nm的 11× 11 通道的聚合物AWG波分复用器进行了参数优化和结构设计。我们对参数 124 WP=133 吉林大学博士学位论文 的优化主要体现在以下几个方面：从波导传输单模的条件出发来优化波导芯 的厚度和宽度，并给出模的有效折射率和群折射率的数值；根据AWG的参 数关系来优化衍射级数、相邻波导间距、相邻阵列波导的长度差、平板波导 的焦距、自由光谱区、最大信道波导数和最小阵列波导数等参量，并给出一 组经过优化的参数值。在结构设计方面，我们从AWG的具体几何形状出发， 推导出AWG中波导坐标的公式，并以此确定出AWG中波导坐标的具体数 值，我们所设计的结构参数包括信道波导和阵列波导的弯曲半径、弯曲角度、 弯曲弧长及总长度。最后，根据以上的计算给出AWG器件的版图，器件由 11 条输入信道波导、11 条输出信道波导、91 条阵列波导和 2 个平板波导构 成。该器件的尺寸约为 3.2×1.8 cm2。 对于光通信组件阵列波导光栅波分复用器而言，传输特性是衡量器件性 能的重要标志，传输特性的好坏直接决定器件的复用与解复用功能能否实 现。我们从AWG衍射理论出发，具体推导了AWG的输入平板波导和输出平 板波导中衍射远场的公式。以此公式分析了输入与输出平板波导中的功率分 布，魔鬼峰的能量损失和衍射效率，旁瓣的抑制以及波谱平坦问题。根据 AWG的传输函数分析了传输光谱、自由光谱区、串扰特性，以及由于Epq 和 x Epq 模的有效折射率不同所带来的偏振相关性问题。在以上的每一项分析 y 中，我们都着重分析了不同参数对传输性能的影响，都给出了具体的参数优 化结果。 在 AWG 器件的具体研究中，如何降低器件的插入损耗是我们另一项主 要的研究内容。AWG 器件的损耗主要来源于以下几个方面：光在 AWG 波 分复用器的输入/输出平板波导中发生衍射时引起的衍射损耗；AWG 器件中 信道波导和阵列波导通常都具有弯曲的形状，这将引起光的弯曲损耗；AWG 器件通常是在高折射率衬底上制作的，高折射率衬底将引起光的泄露损耗； 由于波导材料的吸收还要引起光的传输损耗。我们从 AWG 的衍射远场公式 出发，分析了输入平板波导中和输出平板波导中的衍射损耗，适当减小相邻 波导间距、增大波导芯宽度和阵列波导数可以降低AWG器件中的衍射损耗。 从马卡提里的波导弯曲损耗方程出发分析了波导的弯曲损耗，分析结果表 明，适当增大波导的弯曲半径是降低弯曲损耗的最好方法。通过增大波导芯 与衬底之间的下限制层厚度，可以有效地减小由高折射率衬底引起的泄漏损 耗。至于器件的传输损耗，解决的最好办法就是提高材料的性能，尽可能减 125 WP=134 吉林大学博士学位论文 小材料对光的吸收。 最后，我们以上面的几个部分为基础，开发出一种适合对 AWG 进行特 性分析、参数优化和结构设计的计算机模拟软件 AWGCAD，在模拟的精度 和全面性上，我们的软件跟国外软件相比也毫不逊色。给出了软件以下几个 模块的具体介绍：波导有效折射率分析模块、参数相互关系分析模块、波导 弯曲损耗分析模块、波导耦合间距分析模块、自由光谱区分析模块、衍射效 率和衍射损耗分析模块、旁瓣抑制分析模块、高折射率衬底泄漏损耗模块、 串扰分析模块。 本文的主要创新点为： 1. 在国内外以往的关于AWG波分复用器的研究中，矩形波导的远场 都是采用高斯分布函数，这一函数中含有一个称为“波导模场尺寸”的 参量w0。这一参量的值与矩形波导的具体材料和截面尺寸有关，不同矩 形波导的w0具有不同的值。因此对于某一具体的矩形波导而言必须用实 验方法进行确定，如何