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       提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)更重要。因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。—愛(ài)因斯坦（A.Einstein）

       以陣列波導(dǎo)光柵為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)集成電路在光纖通信器件和系統(tǒng)中占有極其重要的地位。

一、AWG星形耦合器

       AWG星形耦合器是一種集成光學(xué)結(jié)構(gòu)器件，它是在對(duì)稱(chēng)扇形結(jié)構(gòu)的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即在Si或InP平面波導(dǎo)襯底上制成的自由空間耦合區(qū)，它的作用是把連接到任一輸入波導(dǎo)的單模光纖的輸入光功率輻射進(jìn)入該區(qū)，均勻地分配到每個(gè)輸出端，讓輸出波導(dǎo)陣列有效地接收，如圖4.2.1所示。

       自由空間區(qū)的設(shè)計(jì)有兩種方法，一種是相位中心耦合法，如圖4.2.1a所示，輸入陣列波導(dǎo)法線(xiàn)方向直接指向輸出陣列波導(dǎo)的相位中心P點(diǎn)，而輸出波導(dǎo)法線(xiàn)方向直接指向輸入波導(dǎo)的相位中心Q點(diǎn)，其目的是為了確保當(dāng)發(fā)射陣列的邊緣波導(dǎo)有出射光時(shí)，接收陣列的邊緣波導(dǎo)能夠接收到相同的功率。

圖4.2.1采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦合器和相位中心結(jié)構(gòu)示意圖

a）相位中心多端星形耦合器外形圖b）光柵圓中心耦合區(qū)星形耦合器示意圖

       自由空間區(qū)的另一種設(shè)計(jì)方法是光柵圓中心耦合法，如圖4.2.1b所示，自由空間區(qū)兩邊的輸入/輸出波導(dǎo)的位置滿(mǎn)足羅蘭圓和光柵圓規(guī)則，即輸入/輸出波導(dǎo)的端口以等間距排列在半徑為R的光柵圓周上，并對(duì)稱(chēng)地分布在聚焦平板波導(dǎo)的兩側(cè)，輸入波導(dǎo)端面法線(xiàn)方向指向右側(cè)光柵圓的圓心P點(diǎn)；輸出波導(dǎo)端面的法線(xiàn)方向指向左側(cè)光柵圓的圓心Q點(diǎn)。兩個(gè)光柵圓周的圓心Q和P在中心輸入/輸出波導(dǎo)的端部，并使中心輸入和輸出波導(dǎo)位于光柵圓與羅蘭圓的切點(diǎn)處。

       這種結(jié)構(gòu)的星形耦合器容易制造，適合構(gòu)成大規(guī)模的N×N星形耦合器（輸入/輸出均有N個(gè)端口）

二、AWG工作原理——多波長(zhǎng)光經(jīng)不同路徑在終點(diǎn)干涉

       平板AWG器件由N個(gè)輸入波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)在4.2.1節(jié)介紹的N×M平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個(gè)有M個(gè)波導(dǎo)的平板AWG組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。N×M平板波導(dǎo)星形耦合器中心耦合區(qū)如圖4.2.1所示。

        這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長(zhǎng)度差ΔL，如圖4.2.2a所示。

圖4.2.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）

a）AWG構(gòu)成原理圖b）表示AWG頻譜特性傳輸函數(shù)

       AWG光柵工作原理是基于多個(gè)單色光經(jīng)過(guò)不同的光程傳輸后的干涉理論。輸入光從第一個(gè)星形耦合器輸入，該耦合器把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個(gè)波導(dǎo)。由式（6.1.1b）可知，M陣列波導(dǎo)長(zhǎng)度L用光在該波導(dǎo)中傳輸?shù)陌氩ㄩL(zhǎng)λ/2n的整數(shù)倍m（階數(shù)）表示，即

式中，n是波導(dǎo)的折射率，f=c/λ是光波頻率，c是自由空間光速。由此可以得到用波導(dǎo)長(zhǎng)度L表示的沿該波導(dǎo)傳輸?shù)墓獾念l率為

        由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長(zhǎng)度互不相等，所以相鄰波導(dǎo)光程差引起的相位延遲也不等，由式（2.2.3）可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為

式中，k是傳播常數(shù)，k=2πn/λ，ΔL是相鄰波導(dǎo)間的光程差，通常為幾十微米。發(fā)生相長(zhǎng)干涉時(shí)，Δφ=m（2π），由式（4.2.3a）可以得到

從式（4.2.3b）可知，輸出端口不同，光程差也不同，輸出光的波長(zhǎng)也不同，所以AWG可以從波分復(fù)用信號(hào)中分解出每個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)。