波导端口对氟化聚酰亚胺AWG性能影响分析

刘彩霞, 李嘉琪, 王广平, 陆斌武, 郭文滨, 阮圣平

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012； 2. 吉视传媒股份有限公司, 长春 130021;3. 无锡海达安全玻璃有限公司, 江苏 无锡 214000)

0 引 言

AWG(Arrayed Waveguide Grating)器件是当今通信领域的研究热点之一, 以二氧化硅/硅为基础的无机材料AWG已经进入实用化阶段, 但因二氧化硅材料生长工艺复杂、 成品率低, 价格一直居高不下[1-7]。近年来, 聚合物AWG以其优良性能引起了广泛关注[8-10], 同其他材料的阵列波导光栅复用器相比, 具有制造工艺简单、 传输损耗低、 良好的热稳定性和温度依赖性、 偏振双折射低和折射率容易控制等特点。以氟化聚酰亚胺为代表的氟化聚合物近年来得到了人们的广泛关注, 氟化聚合物具有较高的玻璃化温度、 较低的折射率、 柔性及制备工艺简单等优点, 可用于光波导的制备。而且氟化聚酰亚胺材料可采用旋凃等工艺进行生长,器件制备难度小。该材料的氟化程度越高, 吸湿率越低, 而且氟化聚酰亚胺具有很好的稳定性, 因而该材料的研究十分活跃[11-13]。

根据以往的聚合物AWG的设计和制备经验, 输入/输出波导和阵列波导的端口尺寸对器件的性能影响很大。在器件的设计和制备中要兼顾器件的性能和器件在通信系统中的集成, 因此器件的波导端口不能太大, 否则部分光场在传输过程中将损失掉, 使波导端口的衍射损耗增大, 衍射效率降低。笔者从器件的基本结构和光场模式分析出发, 研究了AWG器件中波导端口对器件的光能量损耗和串扰的影响, 优化器件的结构和参数, 为器件制备提供指导。

1 波导端口对AWG器件的性能影响分析

笔者以矩形波导的基本模式方程为基础, 根据Marcatili近似分析波导中的近场模式分布[14], 分析近场模式在波导输入端和输出端的功率分布特点, 经过计算后给出具体的分布图形。

1.1 输入角度和端口对AWG器件性能的影响分析

图1给出在不同角度入射时输入波导中的光场分布情况。从图1可看出, 输入的角度越小, 获得的光场分布越强, 衍射的效率也越高。波导宽度的大小直接决定了波导中功率的分布, 波导的宽度越小, 输入平板波导中的峰值谱线宽度越宽, 衍射效率越低, 反之衍射效率越高。但在器件的研制中, 波导芯层的宽度必须保证其中传输的单一模式, 不允许高阶模式的产生, 波导芯层的宽度在4～6 μm之间。

图2是衍射效率受输出波导端口值影响的变化情况。由此可知, 要想获得高度衍射效率必须使输出平板波导的端口尽可能大, 而且波导的间距越大, 衍射效率越低, 泄露的光功率越大。越靠近中心输入信号的衍射损耗越小、 功率越高; 而中心波长的衍射损耗最小, 功率最高。反之, 输入信号的波长越偏离中心波长, 衍射效率越小。

图1 输入角度和端口对输入功率的影响 图2 输出端口对不同输出波导中衍射效率的影响

1.2 阵列波导数量和端口对AWG器件性能的影响分析

图3 阵列波导数对输出光谱的影响

要使制备的AWG器件具有更高的衍射效率和更低的损耗必须对输出光谱进行优化, 若使输出主峰更加突出, 则次级衍射峰更低。次级衍射峰越多, 主峰携带的能量越小, 器件的性能也越差。图3是器件的输出波谱响应受阵列波导数量影响的变化情况, 阵列波导越少, 主峰携带的能量越小, 次级衍射峰的能量也越高。阵列波导数的增加对主峰携带的能量有决定性的影响, 增加阵列波导的数量是获得好的AWG波谱特性最简单的方法。因此, 阵列波导数的确定除了要考虑降低损耗, 还要考虑器件的波谱响应。在获得同样带宽的情况下, 获得的衍射峰越平坦, 器件的性能越好。

图4 阵列波导数量和端口对输入衍射效率的影响 图5 锥形端口和阵列波导数量对输入衍射效率的影响

图6 不同输入端口情况下输出波导中的串扰分布

由图4和图5的对比分析可发现, 提高阵列波导数和增大波导端口都可提高器件的衍射效率。波导入光的一侧如果做成锥形, 能提高器件对光的收集, 从而提高衍射效率, 降低衍射损耗。当波导宽度取6 μm时, 阵列波导数2M+1=91, 波导端口宽度wg=a=6 μm, 衍射效率ηi=22.5%。如果把波导的接收端口取的足够大, 即wg=d=26.5 μm, 与阵列波导间距相当时, 对输入光的接收效率会得到很大提高, 在这种情况下, 衍射效率ηin可达到99.7%。

1.3 氟化聚酰亚胺AWG的串扰特性分析

图6是在不同输入端口情况下输出波导中的串扰分布情况, 从中可知, 波导芯层宽度越大, 串扰越小, 越靠近中心波导, 串扰也越小。因此, 在保证单模传输的情况下, 波导的端口越大则可获得越小的串扰损耗, 每条输出信道中的串扰都降到-38 dB以下。

2 结 语

笔者系统分析了AWG中波导输出端口、 阵列波导数等参数对器件性能的影响, 结果表明, 阵列波导的输入孔径越大, 器件的衍射损耗越小, 衍射效率也越高； 阵列波导的端口宽度如果足够大, 衍射效率的极值可达到100%。对于输出波导的接收端口, 该规律同样适用。AWG器件的输出损耗和效率不但受到波导端口的影响, 还依赖于波导的数量。阵列波导数越大, 传输效率越高, 损耗越小, 串扰越低。

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