FTTH中应用的一种衍射光栅的设计

胡昱

【摘要】 研究了在WDM中使用广泛的平面波导衍射光栅，并且在此基础上设计了一种基于全内反射镜阵列的透射型平面波导光栅。设计了光栅的结构、分析了中心波长的成像，非中心波长的像差和光谱分布。

【关键词】 FTTH 衍射光栅 全内反射镜阵列 像差 光谱

一、引言

衍射光栅作为实现WDM技术的核心器件而备受关注。不同波长入射光由光纤导入输入波导，再由衍射光栅将不同波长的光分别聚焦到特定位置，由输出波导导出，以实现波分复用。目前，WDM中常用的两种衍射光栅分别是AWG（阵列波导光栅）和EDG（刻蚀衍射光栅）[1]。全内反射镜阵列光栅是AWG的一种，它具有像差低、制作简单等特点，有很好的应用潜力。

二、衍射光栅的结构设计

在罗兰圆上的光源发出一定频率的光，被与罗兰圆相切且半径为2倍罗兰圆半径的圆弧反射，将仍然汇聚在罗兰圆上。基于此原理，在罗兰圆上光输入位置I附近取点O作为给定波长的输出无像差点，由各槽面中心位置Pi（在2倍罗兰圆半径的圆上）确定的光程像差为波长的整数倍，从而决定槽面中心的位置，有：

将参数带入方程（2.3），可得每一个光栅齿面到第一个齿面的距离。可以看到，随着齿面序数的增加，每一个光栅齿面到第一个面的距离并不是直线增加的，而是增加的带有平缓的趋势。并且，当齿序数为100时所得到的值，可以代表光栅的总长度，可以看出，光栅的总长度大概为0.48毫米左右。

在确定了各个齿面的齿面中心点坐标后，下面将确定各齿面的具体形状。根据设计的需要，齿面形状的确定应该满足以下两个要求：1.位于下方的齿面不能遮挡进入上方齿面的光线；2.齿面的斜边不能对入射光线有影响。

三、非中心波长最小像差点的确定

其中：P是光栅上每一点所对应的高斯光束场强的振幅；∑P为所有光栅齿面上的高斯光束场强的振幅之和；ΔL为相对于空间中的任意一点，每一个齿面对于第50个齿（基准齿面）的光程差；k为光栅齿面的齿序数；m为衍射级次；λ为非中心波长，此处设为1550nm光波波长；neff为介质有效折射率；

假设一束高斯光束入射到光栅的第1个齿面，经过反射后出射点为XP1；入射到光栅的第50个齿面，出射点为XP50，；入射到第100个齿面，出射点为XP100。连接这三个出射点，形成一块扫描区域，对这个扫描区域的每一点计算出射光的像差，最终得到最小像差点的位置。对于1550nm非中心波长的入射光，其最小像差点的坐标为（0.0028，-8.0887e-006）。1490nm波长的光在聚焦点处的光强更大，光谱更为尖锐，聚焦性更好。而1550nm光波在聚焦点处的聚焦性能比1490nm要差，但仍然可以在波分复用中利用。其他非中心波长的最小像差点寻找方式和1550nm波长类似。

四、结束语

波分复用技术已经在光通信中大规模使用。衍射光栅作为波分复用的核心部件之一，其性能影响着光传输的信号质量。在满足信号质量的传输需求外，它的制作成本也是一个重要的考虑因素。本文提供了一种衍射光栅结构，既能满足光传输需求，而且制作方式简单，成本低廉，有良好的应用前景。

参 考 文 献

[1] 盛钟延，何赛灵，何建军.刻蚀衍射光栅波分复用器件的设计与模拟. 光子学报， 2001， 30（5）：567～571

[2] 盛钟延，何赛灵，何建军. 刻蚀衍射光栅设计的一点法与两点法. 光电子.激光， 2001， 12（7）：671～674