作者：光纖在線特約編輯萬助軍
一、AWG的設(shè)計步驟
    AWG參數(shù)中有多個自由度，因此其設(shè)計步驟也有多種，一個典型的設(shè)計步驟如下：
1)由設(shè)計要求確定信道數(shù)N和信道間隔Δf；
2)確定波導寬度W和折射率差Δ：要求波導滿足單模條件，并考慮波導的最小彎曲半徑（這對器件布版非常重要）隨W和Δ單調(diào)遞減，SiO2波導一般取W=6um，Δ=0.75%；
3)確定輸出波導間距dr：AWG的串擾隨dr的減小而增加，如圖8，根據(jù)對串擾的要求確定dr；
             
                          圖8. 串擾與輸出波導間距的關(guān)系

4)確定羅蘭圓直徑Ra：AWG的損耗均勻性≈8.7(θmax/θ0)2，而Ra=Smax/θmax，由邊緣通道的位置Smax和衍射角θmax決定；
5)確定陣列波導間距da：da越小則器件的損耗越小，在陣列波導與星形耦合器相接處，應使波導間隙盡量小，接近光刻極限；
6)確定陣列波導中相鄰波導長度差ΔL：陣列波導的色散D∝ΔLRa/da且D=dr/Δf，由此決定ΔL；
7)確定陣列波導數(shù)Na：邊緣陣列波導相對于輸入波導的張角2θa影響損耗和串擾，如圖9所示，根據(jù)損耗和串擾要求選定θa，再計算陣列波導數(shù)Na=2θaRa/da+1。
             
                         圖9. 陣列波導張角與損耗和串擾的關(guān)系

8)選擇AWG的布版方式：布版需要考慮輸入/輸出端口的設(shè)置和盡量縮小器件的布版面積，常用的布版方式有兩種，如圖10所示。

                         圖10. AWG常用的布版方式

二、減小AWG損耗的途徑
    在AWG的輸入星形耦合器中，如圖3（a）和圖11中虛線所示，輸入波導發(fā)出的光場呈高斯分布，分配到各條陣列波導中。如果在陣列波導的輸出端能夠得到同樣的光場分布，就能夠無損耗的耦合到目標輸出波導中。實際上，由于端口位置波導間隙的影響，在陣列波導輸出端得到的光場如圖11中實線所示，光場被撕裂，因此產(chǎn)生耦合損耗。如果采用強限制波導（折射率差較大）或者波導間隙較大，光場被完全撕裂，損耗較大；如果采用弱限制波導或者波導間隙較小，光場未完全撕裂，損耗較小。
            
                       圖11. 陣列波導輸入/輸出端的光場分布

針對產(chǎn)生損耗的機制，減小AWG損耗的途徑如下：
1) 在陣列波導接口位置，采用錐形設(shè)計逐步減小波導間隙，直至光刻極限；
2) 進行二次光刻，對陣列波導接口位置采用折射率差較小的材料組合。

三、AWG的消偏振設(shè)計
    因陣列波導的雙折射效應，TE模和TM模的衍射聚焦位置不同，產(chǎn)生PDL，甚至兩個模式聚焦到不同波導中，如圖12所示。
             
                           圖12. AWG中的PDL問題

針對PDL的產(chǎn)生機制，消除的方法如下：
1)采用零偏振波導：通過適當?shù)膮��?shù)設(shè)計和工藝優(yōu)化，可以得到雙折射系數(shù)極低的零偏振波導，如圖13所示。
             
                           圖13. 掩埋矩形和脊形零偏振波導結(jié)構(gòu)

2)衍射級次匹配：讓AWG的FSR等于偏振引起的頻移Δfpol，則TE模的m級衍射波長與TM模的m-1級衍射波長重合，二者衍射角相同，如圖14所示。
                     
                        圖14. 通過衍射級次匹配實現(xiàn)消偏振

3)色散匹配設(shè)計：在每條波導中插入一段雙折射系數(shù)不同的波導，其長度以δL遞增，如圖15所示。
                                     
          
                        圖15. 通過色散匹配實現(xiàn)消偏振

4)偏振分離輸入：將TE模和TM模分離之后再輸入AWG，如圖16所示。
           
                        圖16. 通過偏振分離輸入實現(xiàn)消偏振

5)半波片法：在每條波導的中間插入一片半波片，使波導的前后兩段發(fā)生TE模和TM模的轉(zhuǎn)換。

四、AWG的通帶平坦化設(shè)計
    陣列波導輸出的光場，在輸出波導的端口進行衍射重構(gòu)，這個重構(gòu)光場與輸出波導的能量耦合所表現(xiàn)出來的波長特性，即為AWG的傳輸譜線。
通帶未優(yōu)化的AWG，表現(xiàn)為高斯型譜線，如圖17所示，難以實用，因此必須進行通帶平坦化設(shè)計。
                
                        圖17. 高斯型AWG譜線

1)采用多模輸出波導：在輸出星形耦合器中采用多模輸出波導，如圖18（a）所示，衍射重構(gòu)光場與多模波導的能量耦合，表現(xiàn)為平坦化的通帶特性，如圖18（b）所示，因為輸出波導為多模，該方法只能用于解復用器，并且解復用的信號只能由探測器接收，而不能無中繼的繼續(xù)傳輸。
            
                                     a)
            
                                     b)
                      圖18. a)多模輸出波導， b)通帶特性

2)輸入端接多模干涉（MMI）耦合器：在輸入波導與輸入星形耦合器之間串接一個MMI耦合器，將輸入光場變成一個雙峰波形，如圖19（a）所示，優(yōu)化前后的通帶特性分別如圖19（b）中的虛線和實線所示，可以看到，通帶優(yōu)化后的AWG，其損耗增加了大約2dB。將MMI耦合器設(shè)計成牛角形狀，可以進一步優(yōu)化損耗和通帶特性。
              
                                       a)  
              
                                       b)
                     圖19. a)輸入端接MMI耦合器，b)優(yōu)化前后的通帶特性

3)在陣列波導輸出端引入相移：輸出波導接收的光場為陣列波導輸出位置光場的傅立葉變換，如果在陣列波導輸出端得到sinc函數(shù)（sinc(x)=sinx/x）分布的光場，則其通帶為近似矩形。
一般情況下，在陣列波導輸出端得到的光場如圖20（a）所示；通過調(diào)整陣列波導輸入端口徑，可以改變其輸出端光場，如圖20（b）所示；在某些波導的輸出端引入π相移（可通過調(diào)整波導長度差來實現(xiàn)），如圖20（c）所示；陣列波導的最終輸出光場為圖20（b）和（c）函數(shù)的乘積，如圖20（d）所示，其波形類似sinc函數(shù)分布，因此在輸出波導可得到近似矩形的通帶特性，如圖21所示。
           
                                     a) 
           
                                     b)
           
                                     c) 
           
                                     d)
圖20. a)陣列波導輸出端光場，b)通過改變陣列波導輸入端口徑得到的輸出端光場，c)在某些陣列波導輸出端引入相移，d)陣列波導最終輸出光場為c)和d)兩函數(shù)的乘積

            
                   圖21. 通過在陣列波導輸出端引入相移得到的通帶特性

4)輸入端接MZ干涉器：在輸入波導與輸入星形耦合器之間串接一個MZ干涉器，如圖22（a）所示，輸入星形耦合器將有兩條輸入波導，不同波長的光場在輸入端呈現(xiàn)不同的分布情況，如圖22（b）所示。這樣，在中心波長的附近，損耗將得到一定的平衡，從而實現(xiàn)平坦化的通帶特性，如圖23所示。
              
           圖22. a)輸入端接MZ干涉器的AWG結(jié)構(gòu)，b)不同波長的光場在輸入端分布情況

        
                  圖23. 通過在輸入端接MZ干涉器得到的通帶特性

    前面兩種方案，其本質(zhì)都是通過改變輸入光場與輸出光場之間的耦合特性來優(yōu)化通帶特性；第三種方案是從傅立葉分析的角度實現(xiàn)通帶平坦化；第四種方案是在透徹理解輸入波導平面與輸出波導平面之間的鏡像關(guān)系的基礎(chǔ)上，直接對通帶內(nèi)各波長的損耗進行均衡，實現(xiàn)通帶平坦化。
第一種優(yōu)化方案存在應用局限性；第三種優(yōu)化方案工藝復雜，難以控制；第二種優(yōu)化方案會增加額外的損耗，大約3dB；第四種優(yōu)化方案工藝簡單，也不會引起額外的損耗，通帶平坦化之后的總損耗<3.5dB，缺點是串接的MZ干涉器會增加器件尺寸。