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在光纤通信系统中,最早商用的DWDM模块是由多个三端口的介质膜滤波器(TFF)串联而成,但是当信道数大于16时,基于TFF技术的DWDM模块因损耗太大,不能满足应用需求。阵列波导光栅(AWG)应运而生,成为32通道以上DWDM模块的主要技术途径。
AWG是以平面光路(PLC)技术制作的器件,其基本结构如图1所示,由输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器和输出波导阵列五部分组成。输入的DWDM信号,由第一个星形耦合器分配到各条阵列波导中,阵列波导的长度依次递增ΔL,对通过的光信号产生等光程差,其功能相当于一个光栅,在阵列波导的输出位置发生衍射,不同波长衍射到不同角度,经过第二个星形耦合器,聚焦到不同的输出波导中。
图1. AWG基本结构
为了更直观的理解AWG的工作原理,我们首先来分析凹面反射式光栅和罗兰圆的结构和原理,如图2所示,凹面光栅的曲率半径为R=2r,罗兰圆的半径为r,二者内切且罗兰圆通过光栅中心。通过简单的光路分析和一定的近似可知,罗兰圆上任一点发出的光,经凹面光栅衍射之后仍聚焦在罗兰圆上,不同衍射级次对应不同衍射角,满足衍射条件:
(1)
图2. 凹面反射式光栅和罗兰圆结构
AWG的输入/输出星形耦合器采用类似凹面反射式光栅和罗兰圆的结构,如图3所示,输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上,阵列波导位于凹面光栅的圆周上。
a)
图3. a)输入星形耦合器,b)输出星形耦合器
输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系,输入波导发出的光信号经阵列波导衍射,不同波长聚焦到不同输出波导;图4中罗兰圆上C点发出的光信号经凹面光栅反射衍射,不同波长聚焦到罗兰圆上的不同点。二者完全等效,差别只在于后者是反射式光栅,而前者是透射式光栅。对于前者,我们也可以理解为图3(b)中波导C发出的光信号,经阵列波导反射衍射并聚焦到不同输出波导中。
图4. 凹面反射式光栅中的衍射
AWG的衍射公式与凹面光栅略有不同:
(2)
其中da为阵列波导中心间距,nc为星形耦合器区域的等效折射率,na为阵列波导的等效折射率,m为衍射级次。从式(2)可以看到,AWG与普通光栅有着相同的衍射能力,可用于DWDM信号的复用/解复用。
从(2)式可以看到,同一波长的不同衍射级次,将衍射为不同角度,聚焦到不同的输出波导中,如图5(a)所示,其中主衍射级次的光功率最强,次级衍射光功率迅速衰减。在满足(3)式的情况下,不同波长的主衍射级次将进入相同的输出波导,造成串扰,Δλ称为AWG的自由光谱范围(FSR),如图5(b)所示,为避免串扰,FSR应大于需要复用/解复用的信号谱宽。
(3)
a) b)
图5. AWG的a)次级衍射和b)自由光谱范围
一个典型的AWG传输谱线如图6所示,其主要技术指标有插入损耗、损耗均匀性、通带起伏、偏振相关损耗(PDL)、通带宽度、相邻通道隔离度、非相邻通道隔离度等,分别如图7(a)、图5(a)、图7(b-f)所示。
图6. AWG的传输谱线
a)插入损耗
b)通带起伏
c)PDL
d)通带宽度
e)相邻通道隔离度
f)非相邻通道隔离度
图7. AWG的主要技术指标
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