一分钟了解阵列波导光栅AWG

2020-10-24

阵列波导光栅(AWG, Arrayed Waveguide Grating)是32通道以上DWDM模块的主要技术途径。AWG具有滤波特性和多功能性,可获得大量的波长和信道数,实现数十个至几百个波长的复用和解复用。利用N×N的矩阵形式在N个波长上可同时传输N路不同的光信号,并能灵活地与其它光器件构成多功能器件和模块。此外,AWG还具有高稳定性及好的性价比,非常适合高速大容量的DWDM 系统使用。

AWG器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件,具有平面波导技术的潜在优点,适宜于批量生产,重复性好,尺寸小,插入损耗均匀性较好,加温控后热稳定性好,并且可与有源器件集成,组成光电集成电路(OEIC)等,是未来光通信发展的主流技术。

为什么需要AWG?

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。然而,一个典型的DWDM系统,通常在单根光纤中传输40或者48个波长,因此需要更大端口数的复用/解复用器。串联结构的WDM模块会在后面端口累积太多功率损耗,因此需要采用并行结构,一次性对数十个波长进行复用/解复用操作。阵列波导光栅AWG就是这样一种光器件。

基于三端口WDM器件的WDM模块

基于三端口WDM器件的WDM模块

AWG结构

典型的AWG结构如图所示,它包括一个输入波导、一个输入星形耦合器(图中自由传输区域FPR)、一组阵列波导、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。阵列波导的长度成等差级数,第一根波导的长度是L0,第i根波导的长度Li为Li=L0+(i-1)ΔL

典型AWG结构

典型AWG结构

DWDM信号从输入波导进入输入星形耦合器,经自由传输之后,被分配到阵列波导之中。这个分配过程与波长无关,所有波长被无差别的分配到阵列波导之中。阵列波导对多光束产生相位差,各光束的相位成等差级数,这与传统光栅中的情况类似。不同波长被色散展开,并聚焦在输出星形耦合器中的不同位置。不同波长被不同的波导接收,从而实现对DWDM信号的并行解复用。

AWG工作原理

为了更好的理解AWG的工作原理,此处从凹面光栅入手进行分析。凹面光栅结构如图4所示,光栅的槽面分布在一个半径为R=2r的大圆上,在光栅前面存在一个小圆,其半径r是大圆的一半,这个小圆称为罗兰圆。凹面光栅兼有传统光栅和透镜两种功能,从罗兰圆上任意一点P1发出的光束,经凹面光栅衍射之后,必定聚焦在罗兰圆上另一点P2。衍射角θ与入射角α之间满足关系式d(sinθ-sinα)=mλ。

根据公式,衍射角θ是波长相关的。当一束复色光波从P1点发出,经凹面光栅衍射之后,不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同位置(P2点附近)。

凹面光栅的衍射

凹面光栅的衍射

AWG的工作过程可视同:DWDM信号从输出波导的中心位置C输入,经过输出星形耦合器中的自由传输,分配至阵列波导之中;多光束在阵列波导的右半侧传输至镜面,被反射的多光束进入输出星形耦合器;经过星形耦合器中的自由传输之后,不同波长的光束聚焦在不同位置,被输出波导接收,从而实现对DWDM信号的解复用。

AWG主要应用

  • 波长路由:光信号在经过网络节点时,根据它的波长来选择路由,无需经过光电转换,波长决定了光信号传输的路径,实现波长重用,提高了波长利用率。
  • LED 频谱分割多波长光源:使用AWG,对 LED 的宽谱光进行分割, 就可以得到一种低成本多波长光源,以便用于 WDM-PON(波分复用无源光网络)
  • 光分插复用器:在光信号网络的接点上,经常需要把部分信号流从节点上“分”出来,或把某些信号流“插”进网络传输系统。这种可以把信号分出来,插进去的设备叫做“光分插复用器”。
  • 光交叉互连:光交叉互连器主要用来完成多波长环网间的交叉连接,作为网格状光网络的结点,目的是实现光波网的自动配置、保护,恢复和重构。
  • 全光传输网:在全光网络结构和全光传输网中,OXC和OADM起到了信息传输和交叉互联的作用。

AWG种类

AWG有两种不同的类型,分别是无热阵列波导光栅AAWG和有热阵列波导光栅TAWG。无热指的是纯无源类型,有热代表的是需要低电压控制热敏电阻加温。

市场上大部分厂商供应的都是AAWG,与TAWG相比,AAWG具有如下突出和不可替代的优点:

  • 无热型AAWG具有优秀的热稳定性,并且改进了ITU-G694.1规定的ITU-Grid精确度并具有更宽的传输带宽,从而可以应用于高端领域,如城域网和长距离DWDM光纤通信系统。
  • 更好PMD特性(<0.5ps)使其可以更好的满足高速 DWDM传输系统的要求,满足高速系统的PMD容限。
  • AAWG无需外置电路控制,作为一种纯无源器件,利用自身补偿技术对外界温度进行自适应控制,中心波长对于外界温度的变化不敏感。

起浪光纤推出多款AAWG模块,基于硅基硅技术,用于组合和分离密集波分复用网络中的光信号。多种属性可定制,包括芯片类型(高斯型和平顶型)、端口配置、工作波长、光纤长度、输入端光纤连接器和输出端光纤连接器。

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