基于级联AWG的光谱分析芯片设计

韩征，恽斌峰

（东南大学电子科学与工程学院先进光子学中心，南京 210096）

0 引言

小尺寸、高分辨率和大工作带宽光谱仪在各种应用中需求量很大，包括光谱学、医学成像、天文学、农业、食品工业等［1-3］。在保持性能的同时，使用集成光学器件可以减小光谱仪的尺寸，已有大量报道实现集成的光谱仪［4］。阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）是一种平面色散器件，具有高稳定性、小尺寸和易于制造等特点［5］。AWG之前主要用于光波分复用网络，但是最近它在开发小型化光学系统方面受到了人们的关注［6-7］。在单个AWG中同时实现高分辨率和大的自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）是相当困难的，然而，通过使用多级AWG级联［8-9］或者微环谐振器（Microring Resonator，MRR）与AWG级联［10-12］的方法，可以克服AWG分辨率和FSR的限制，使得光谱仪可以同时获得高分辨率和大的工作带宽。

使用MRR与AWG级联的方式［10-12］实现的光谱仪虽然可以获得较高的分辨率，但是因为其需要热调谐每个MRR的谐振波长，通过波长扫描才能得到光谱，故其需要较长的调谐时间，受到温度波动的影响较大，且串扰也较大。使用多级AWG级联的方式［8-9］可以快速获得高分辨率、大带宽的光谱；对于多级AWG级联有两种不同的方式。第一种方式［8］为：第一级AWG每个输出通道的光谱有较大的3 dB带宽，第二级AWG将第一级AWG每个通道的输出光进一步细分到多个通道中；即第一级AWG提供大带宽，第二级AWG提供高分辨率；这种级联方式的结构由于第一级AWG输出光谱需要进行平坦化［13-14］，故其插入损耗较大，均匀性较差；且如果使用这种结构实现高分辨率的光谱仪，则第二级AWG需要有较小的通道间隔和较多的通道数，会导致第二级AWG尺寸增大，从而使光谱分析芯片尺寸过大。第二种方式［9］为：利用AWG输出光谱的周期性路由特性［5，15］，第一级AWG拥有高分辨率，并利用其多个周期的输出光谱；第二级AWG的作用是对第一级AWG的输出光谱进行滤波，所以这种级联方式对第二级AWG的分辨率和通带平坦度要求相对较低；在这种方法中，第一级AWG提供高分辨率，所有第二级AWG的通道数量决定了工作带宽，此种结构的光谱仪可以有较小的插入损耗和串扰；且整体尺寸优于上一种级联方法，因为这种结构仅使用到了一个高分辨率AWG。一般说来，多级AWG级联的系统，使用一个高分辨率AWG要比使用多个高分辨率AWG的系统整体尺寸小。

本文多级AWG使用的级联方式为第二种方式，即第一级使用高分辨率的AWG，并利用AWG的周期性路由特性级联两级AWG。与之前报道相比，本文使用通道间隔更小的第一级AWG实现了更高的分辨率，并通过增加第二级AWG的数量获得了较大的工作带宽。本文基于氮化硅（Si3N4）平台，设计并仿真了中心波长1550 nm，分辨率为0.5 nm，工作带宽为75 nm，共有150个输出通道的光谱分析芯片。

1 结构原理

如图1为本文提出的光谱分析芯片结构示意图，其由两级AWG级联构成。图1中红色虚线框内为第一级AWG，其 有6个输 出 通 道。图1中 蓝 色虚 线 框 内 为6个 第 二级AWG，分 别 为AWG1、AWG2、AWG3、AWG4、AWG5、AWG6；每个第二级AWG有25个输出通道。第一级AWG的输出通道级联对应第二级AWG的输入通道，形成的光谱分析芯片共有150个输出通道，可对150个不同波长的光进行滤波。

图1 光谱分析芯片结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the spectrum analysis chip

在光谱分析芯片的工作带宽内，设峰值波长分别为λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，…，λ150的光从该光谱分析芯片输入通道输入，经过该芯片后，光波长将从对应的输出通道输出。

如图2（a）为第一级AWG的功能示意图，因为AWG的周期性路由性质，从第一级AWG的CH1中输出的光有λ1、λ7、λ13、…、λ145，可以写为λ（1+6n），0≤n≤24，n为自然数；同理，其它通道输出的光如图2（a）标示。如图2（b）为第一级AWG的光谱示意图，选定AWG的衍射级数（m）为mp，其FSR为FSRP，相邻通道间隔为ΔλP。

图2 第一级AWG功能和光谱示意图Fig.2 Primary AWG function and spectrum schematic

第二级AWG的功能是作为粗滤波器，对第一级AWG的对应通道的光进行滤波。如图3（a）为AWG1的功能示意图，从第一级AWG的CH1通道输出的光有λ1、λ7、λ13、…、λ145，AWG1对其进一步分光，使AWG1的输出通道仅输出单一波长的光。如图3（b）为AWG1的光谱示意图。设AWG1衍射级数（m）为ms，其相邻通道间隔为Δλs，FSR为FSRs，其中，为了各个输出通道之间不互相干扰，其FSRS须大于光谱分析芯片的工作带宽［5］。

图3 AWG1功能和光谱示意图Fig.3 Schematic diagram of AWG1 function and spectrum

AWG2、AWG3、AWG4、AWG5、AWG6的功能和原理与AWG1相同，第二级的6个AWG仅中心波长不同，其余性能参数均相同［9］。设AWG的相邻阵列波导长度差值为ΔL，根据文献［5］中AWG的原理可得，通过调整ΔL即可调整中心波长。

两级AWG在进行级联时需要满足一定的条件。图4为第一级AWG的CH1通道级联AWG1时的光谱位置关系示意图，图中黑色实线为第一级AWG的CH1通道输出的多个周期的透射光谱，其余彩色实线为AWG1不同通道的透射光谱。为了让AWG1可以正确滤波，黑色实线的峰值波长须要与彩色实线的峰值波长相同，如图4中黑色虚线标示；又因为黑色实线相邻峰值波长间距为第一级AWG的FSR（FSRP），彩色实线相邻峰值波长间距为第二级AWG的通道间隔（ΔλS）；故ΔλS=FSRP。图4中的彩色虚线为AWG1对第一级AWG的CH1滤波后的光谱曲线。

图4 第一级AWG CH1与AWG1光谱关系示意图Fig.4 Schematic diagram of the spectral relationship between Primary AWG CH1 and AWG1

根据上述级联AWG结构光谱分析芯片的工作原理可得，最终实现的光谱仪分辨率（相邻峰值波长间距）取决于第一级AWG的相邻通道间隔（ΔλP），工作带宽取决于第二级AWG的自由光谱范围（FSRS）与总的输出通道数量。

2 设计仿真

采用波导截面如图5所示的氮化硅光波导设计光谱分析芯片，波导芯层和包层材料分别为氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2），并采用宽度w=1 μm，厚度为h=300 nm的条形单模光波导。其在1550 nm波长处TE基模模场图如图5（b）所示；本文中设计的光谱分析芯片工作在TE模式。

图5 条形波导截面图以及TE基模模场图Fig.5 The cross-sectional view of the strip waveguide and the mode field diagram of the TE fundamental mode

本文中仿真的AWG结构示意图如图6所示，其中w为波导的宽度，fFPR为自由传输区域（Free Propagation Region，FPR）的长度，ΔL为相邻阵列波导长度的差值，d为相邻阵列波导与FPR交点处M、N之间的直线距离；Δxout为相邻输出波导与FPR交点处P、Q之间的直线距离；Δθout为相邻输出波导之间的夹角；阵列波导的数量设为N；输出波导的数量为Nout。在该波导平台上，选择d=Δxout=3 μm。为了降低AWG的插入损耗，在条形波导与FPR的连接处使用了宽度线性变化的渐变波导结构，下文简称为Taper［16-17］，图6中的插图为其结构示意图，设Taper的长度为LTaper，宽度为wTaper。

图6 AWG仿真结构示意图Fig.6 AWG simulation structure diagram

表1为第一级AWG和第二级AWG（AWG1、AWG2、AWG3、AWG4、AWG5、AWG6）的设计参数值。本文采用RSoft软件对AWG进行仿真，根据表1的参数值在软件中建立AWG的三维仿真模型。

图7（a）为第一级AWG仿真得到的1510 nm～1590 nm范围内的透射光谱，为了显示清晰，如图7（b）为1548.5 nm～1551.5 nm波长范围（同一个衍射级）的透射光谱放大图；可得在（1548.5 nm～1551.5 nm）范围内CH1～CH6的通道插损为2.5 dB、1.7 dB、1.3 dB、1.2 dB、1.7 dB、2.5 dB；相邻通道串扰为-28.7 dB、-24.6 dB、-26.1 dB、-26.1 dB、-24.7 dB、-28.8 dB；非相邻通道串扰为-24.4 dB、-33.9 dB、-38.9 dB、-39.0 dB、-33.9 dB、-24.4 dB。通道非均匀性为1.3 dB；平均1 dB带宽为0.14 nm，平均3 dB带宽为0.27 nm；中心波长为1549.90 nm。

图7 第一级AWG透射光谱以及其在1548.5～1551.5 nm范围内透射光谱放大图Fig.7 The first-stage AWG transmission spectrum and its enlarged view in the range of 1548.5～1551.5 nm

对表1中六个第二级AWG都进行仿真，图8为其中AWG4在1510 nm～1590 nm范围的透射光谱；可以计算得到AWG4边缘通道（CH1、CH25）的通道插损为4.5 dB、相邻通道串扰为-12.7 dB、非相邻通道串扰为-32.3 dB；中间通道（CH13）的通道插损为3.6 dB、相邻通道串扰为-17.8 dB、非相邻通道串扰为-42.2 dB。通道非均匀性为0.9 dB；平均1 dB带宽和3 dB带宽分别为1.28 nm、2.19 nm。由于第二级AWG的阵列波导和输出波导数量较多，故使用了较多的弯曲波导和Taper结构，导致通道的插入损耗相比第一级AWG有所增大［18］。根据仿真结果，AWG1、AWG2、AWG3、AWG5、AWG6的性能参数除中心波长外，均与AWG4性能参数相同。第二级AWG的中心波长如表2。由表2可得，对于各个第二级AWG的中心波长，其仿真值与设计值差别较小。在仿真过程中，可通过优化相邻阵列波导长度差值（ΔL）调整AWG的中心波长。

表1 所有AWG的设计值Table 1 Design values for all AWGs

表2 仿真得到的第二级AWG中心波长与设计值对比Table 2 Comparison between the center wavelength of the second-stage AWG obtained by simulation and the design value

图8 AWG4透射光谱Fig.8 AWG4 transmission spectrum

级联AWG结构的光谱分析芯片的输出光谱如图9（a）所示，图9（b）为中间部分通道（图9（a）中红色框内）的放大图，图9（c）为边缘部分通道（图9（a）中蓝色框内）的放大图。由图9可得，该光谱分析芯片可以覆盖的工作带宽为75 nm，分辨率为0.5 nm，共有150个通道。该光谱分析芯片的最大通道插损为7.9 dB、最大相邻通道串扰为-22.6 dB、最大非相邻通道串扰为-12.5 dB；最小通道插损为4.9 dB、最小相邻通道串扰为-27.7 dB、最小非相邻通道串扰为-23.0 dB。

图9 光谱分析芯片透射光谱Fig.9 Spectroscopic analysis chip transmission spectroscopy

本文仿真的光谱分析芯片性能参数与文献［9］报道的光谱分析芯片性能参数对比，本文在保持了工作带宽（75 nm）的情况下，提高了光谱分析芯片的分辨率（从1 nm提高到0.5 nm）；同时因为本文中所有的AWG在条形波导与FPR连接处使用了线形Taper，故芯片的插入损耗得到了优化。此外，我们目前设计的光谱分析芯片，其波导最小宽度为1 μm，故使用与文献［9］相同的光刻工艺即可实现。其面积约为（1.5 cm×1 cm），通过优化两级AWG的布局方式，芯片的面积可以进一步减小。由于氮化硅具有较大的热光系数，故外界温度的变化会导致AWG透射光谱发生平移，从而偏离设计值；为了减轻外界温度的影响，我们可以使用负热光系数的聚合物代替二氧化硅上包层［19］或者在芯片上放置加热电极控制温度［20］，从而提高AWG透射光谱的稳定性。

3 结果分析

从图9所示的光谱分析芯片的透射光谱可得，在光谱分析芯片的边缘部分通道串扰和插损均较大。原因如下所述。

设nc为在条形波导中的TE模式的有效折射率，ng为条形波导中TE基模的群折射率，λc表示中心波长，ΔL为AWG相邻阵列波导长度差值，m表示AWG的衍射级数。根据AWG的FSR满足的公式［5］

组合式（1）和（2）可得

即对于AWG的FSR来说，其随着级数m变化。即级数m不同，FSR也不同。

对于第一级AWG，其光谱示意图如图2（b），共使用到了25个级数。在1510 nm～1590 nm波长范围内，仿真得到的透射光谱如图7（a）所示。由图7（a）可得，第一级AWG的FSRP与m的关系如图10所示，FSRP在不同级数m处是不同的。当第一级AWG的m=430时，FSRP=3.01 nm，对应AWG的中间部分通道，与设计值（3 nm）接近。而当m=418时，FSRP=3.13 nm；当m=442时，FSRP=2.85 nm，对应AWG的边缘部分通道，均与设计值（3 nm）相差较大。

图10 第一级AWG的FSRP与m的关系Fig.10 The relationship between the FSRP of the Primary AWG and m

对于第二级AWG，根据仿真结果，其ΔλS=3 nm，即相邻通道间隔均为3 nm。故对于第一级AWG，当m=430时，可满足级联条件ΔλS=FSRP；当m≠430时，不满足级联条件ΔλS=FSRP。故中间部分通道插损和串扰小于边缘部分通道。

从图10可以看出，m越小，FSRP越大，m越大，FSRP越小。故两级AWG级联时光谱位置关系如图11所示，在中间部分通道（orderm），第一级AWG的输出光谱与第二级AWG的输出光谱峰值波长相同，故插损和串扰都较小；而在边缘部分通道（orderm-1、orderm+1），第一级AWG的输出光谱与第二级AWG的输出光谱的峰值波长不相同，故导致损耗增大，且如图11黑色虚线椭圆框内所示，两级光谱曲线峰值波长不相同，导致级联后的总光谱受到第二级AWG的相邻通道串扰影响，导致光谱分析芯片的串扰变大。

图11 边缘部分通道插损和串扰较大的原因分析示意图Fig.11 Schematic diagram of the cause analysis of the large channel insertion loss and crosstalk in the edge part

根据上述分析，光谱分析芯片越边缘的通道串扰越大；为了减轻由于第一级AWG在不同衍射级数下FSR不同造成的串扰，我们可以减少每个第二级AWG的输出通道数，同时增加第二级AWG的个数，这种方法虽然可以优化边缘通道的串扰，但是会让芯片的面积增大。

4 结论

本文在Si3N4平台上，通过级联两级AWG结构设计仿真了中心波长为1550 nm，分辨率为0.5 nm，工作带宽为75 nm的光谱分析芯片；仿真得到光谱分析芯片的最小通道插损为4.9 dB，最大通道插损为7.9 dB；通道间的最大相邻、非相邻串扰约为-22.6 dB、-12.5 dB，最小相邻、非相邻串扰约为-27.7、-23.0 dB。本文还分析了这种级联AWG结构的光谱分析芯片由于AWG在不同衍射级数处的FSR不同，在边缘通道不满足级联条件，导致插入损耗、串扰均变大。