陣列波導光柵(AWG)的工作原理

AWG是Arrayed Waveguide Grating陣列波導光柵，是密集波分復用系統（DWDM）中的首選技術。AWG是一種平面波導器件，是利用PLC技術在晶片襯底上製作的陣列波導光柵。與FBG和TTF相比，AWG具有集成度高、通道數目多、插入損耗小、易於批量自動化生產等優點。

AWG的工作原理，可以從凹面光柵來分析。凹面光柵結構如圖1所示，光柵的槽面分布在一個半徑為R=2r的大圓上，在光柵前面存在一個小圓，其半徑r是大圓的一半，這個小圓稱為羅蘭圓。凹面光柵兼有傳統光柵和透鏡兩種功能，從羅蘭圓上任意一點P1發出的光束，經凹面光柵衍射之後，必定聚焦在羅蘭圓上另一點P2。衍射角θ與入射角α之間滿足關係式（1）。

(1)

根據式（1），衍射角θ是波長相關的。當一束複色光波從P1點發出，經凹面光柵衍射之後，不同波長將會聚焦在羅蘭圓上的不同位置（P2點附近）。

圖1. 凹面光柵的衍射

輸入/輸出星形耦合器具有類似凹面光柵的結構，圖2是輸出星形耦合器的結構，陣列波導的埠都分布在一個直徑為R=2r的大圓上，而輸出波導的埠都分布在一個半徑為r的小圓（羅蘭圓）上。輸入星形耦合器的結構與星形耦合器類似，差別僅在於數十根輸出波導被一根輸入波導替代，輸入波導的埠位於輸出波導的中心位置C。

圖2. 輸出星形耦合器的結構

凹面光柵與星形耦合器之間的類比，如圖3所示。在凹面光柵中，複色光束從羅蘭圓上的一點發出，不同波長的光聚焦在羅蘭圓上的不同點。在星形耦合器中，DWDM信號從輸出波導的中心店C（即輸入波導的鏡像點）發出，這個點在羅蘭圓上。如果在陣列波導中能否如凹面光柵一樣，發生反射式衍射，那麼不同波長將會聚焦在羅蘭圓上的不同點。然後色散展開的不同波長，被羅蘭圓上的不同輸出波導接收。現在的關鍵點是，如何在陣列波導中產生反射式衍射。

圖3. 凹面光柵與星形耦合器之間的類比

因為輸入/輸出星形耦合器的結構類似，我們可以對AWG進行摺疊，如圖4所示。在陣列波導中間設置一個反射鏡，將陣列波導對稱分開。陣列波導的左側一半鏡像到右側一半，輸入星形耦合器鏡像到輸出星形耦合器，輸入波導鏡像到輸出波導的中心位置C。因此AWG的工作過程可視同：DWDM信號從輸出波導的中心位置C輸入，經過輸出星形耦合器中的自由傳輸，分配至陣列波導之中；多光束在陣列波導的右半側傳輸至鏡面，被反射的多光束進入輸出星形耦合器；經過星形耦合器中的自由傳輸之後，不同波長的光束聚焦在不同位置，被輸出波導接收，從而實現對DWDM信號的解復用。

圖4. AWG的摺疊操作過程

AWG具有波長間隔小、信道數多、易於集成的優點，特別適合於超高速、大容量的DWDM系統使用，已成為DWDM系統中大部分器件的核心構件，應用廣泛。