波导光栅,波导光栅原理什么?

波导光栅,波导光栅原理什么?

数组波导光栅属于平面光路技术(Planar Light Circuit; PLC)的一种，因此在介绍数组波导光栅之前，需先谈谈平面波导技术。

基于现有的光被动组件都有劳力密集、低产能与低组装良率等缺点，因而引发制造商投入以半导体制造技术来开发被动光组件的动机，也因此发展出了平面光波导的技术。发展平面光波导技术的主要目的便是要将具有2个以上功能组件积体化到同一平台(基板)上。其关键驱动力乃起因于WDM技术的成功，因为WDM技术使得在单一传输在线增加频宽变得可能。其主要概念为允许不同波长之光讯号得以共存(coexist)于单一光纤上。当不同的波长聚合时，个别的讯号便结合起来(combined)或是多任务化(multiplexed)，而到了接收端时，讯号则需被分离开来(separated)或进行解多任务(demultiplexed)。示意图如图一所示。

图一 WDM示意图

平面光波导的技术是将光回路(optical circuitry)局限在芯片上面，藉由波导(waveguide)来限制光讯号在芯片表面上的路径，其功能就好比光纤导引光讯号般。光波导的核心(core)比包覆层(cladding layer)有较高的折射率，因此便可以将信号局限在波导内(全反射原理)。而在组件上之波导图(waveguide pattern)就好比电路板上的电路图，光路在此组件表面上便可以很容易地被导到不同的位置。

平面光波导技术于直线路径的传输效果相当好，但是，因为在应用时需将路径局限于小小的芯片上，因此便需要将路径弯曲，而此弯曲的路径便会受制于曲率半径，而此曲率半径乃由核心/披覆层的折射率差以及波导所能承受的最大讯号插入损失所控制。前者取决于核心/披覆层的材料和制程，后者为组件设计时的重要参数。此外，最小弯曲半径可以在1公厘至10公厘的范围，主要是依组件设计型态的不同而不同。

在平面光组件中，应用于制作解多任务功能最普遍的例子，便是数组波导光栅(Array Waveguide Grating; AWG)，其主要设计依据为光的干涉原理(利用光波特性来产生建设性和破坏性干涉)。此类型组件会将一入射讯号分裂成多个不相同的波导分支(waveguide branch)，如图二所示，这些支流会被各不同曲率半径的拱形路径所引导，且各支流的长度都必须相当精确地设计成不等长度。因此当这谢光波抵达终点时，讯号会再次被汇集，但因为不同路径长度所造成的干涉态各不相同，以致于相差也各不相同，如此，借着利用干涉态不同的效应便可用来分离不同光波长的讯号。

图二 AWG 分波图

AWG分波原理简单说明如下： 参考图2-5

多个波长由Input waveguide进入input slab waveguide (star coupler)。

slab waveguide 将导入之多个波长分别等能量比例地导入array waveguide grating中。

Array waveguide grating使得相邻waveguide中之同一波长讯号产生同一差距之光程差，造成每个相邻波道之同一波长讯号彼此在 array waveguide 之输出端行程固定大小之相位差。

在output slab waveguide中，由于彼此不同相位差之光干涉原理，使得在array waveguide中不同波道之相同波长之讯号由相同之 output waveguide输出，进而达到分波之目的。