AWG介绍一：工作原理和主要技术指标

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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