基于新型阵列波导光栅的波分复用和接入网平面波导器件

摘要

随着光纤通信及其业务的发展，对系统容量的要求日益提高。波分复用技术可以很方便地提升已铺设光纤的容量，因而倍受重视。阵列波导光栅(AWG)正是波分复用系统的核心器件，具有波长间隔小、利于集成、信道数多、串扰低等特点，可实现多方面功能：波分复用/解复用、波长路由及波长监测等，而且是光分插复用器(OADM)和光交叉互连器(OXC)等光纤网络中的功能模块的重要组成部分，因而AWG在光通信网络中得到了广泛应用。自从80年代末提出以来，各国研究人员对AWG的研究热情一直持续至今。本文主要开展基于新型阵列波导光栅的波分复用和接入网平面波导器件的理论研究，实验制作以及性能测试。
　　 除骨干网和城域网，光纤到户接入网也逐渐成为光通信的重要发展建设方向。光纤到户可向用户提供极丰富的带宽，是未来光纤通信系统解决“最后一公里”的最好方式之一，并将成为新一代宽带网络的标志。“十一五”规划明确提出：“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合”。采用单纤三向传输技术来实现这种综合业务的传输已经逐渐成为光纤到户技术发展的一个主流。用阵列波导光栅来实现单纤三重波分复用器(Triplexer)是一个具有很多优点的方法。ITU G．983标准规定了Triplexer的三个工作波长为1310nm，1490nm和1550nm。由于这三个波长的间距相差很大，工作光谱范围大，用普通的AWG设计方法不能达到理想的效果。本文提出了一种基于阵列波导光栅的单纤三向波分复用器的新型设计，利用衍射光栅的频谱周期性，使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次，并将第一波长映射到与第二、三波长形成几乎等间距信道的第四波长，从而减小了对光栅自由光谱范围的要求，同时使对应这三个工作信道的输入/输出波导几乎等间距，解决了传统设计方法导致的衍射级次小，器件尺寸大，制作困难等问题。本文首先介绍了AWG的频谱周期性特性，接着给出了cross—order型AWG的设计步骤以及AWG的结构布局设计，然后利用光束传播方法进行模拟，最后给出Triplexer的测试结果，实验结果和模拟结果基本吻合，验证了这项全新技术的可行性。
　　 作为密集波分复用(DWDM)主干网的核心器件，AWG的性能影响着整个系统的性能，而改善AWG性能则有利于网络系统性能的提高和成本的降低。在高速DWDM系统中，AWG的偏振敏感性，特别是偏振相关波长偏移(PDλ)指标，是一个关键问题。目前国内外已报导的偏振相关性消除技术主要有：半波片法、无双折射波导法、衍射级次匹配法、三角形补偿区法以及调整应力方法(掺硼和磷的二氧化硅波导上包层)。本文研究一种新颖的偏振补偿方法，这种方法结合了阵列波导光栅和蚀刻衍射光栅的双重工作原理，利用平板波导区域的双折射性质补偿了阵列波导区域的双折射性质，适用于多种波导材料和结构，并和一般的平面波导制作工艺完全兼容，无需额外器件，无需增加制作步骤，不需要增加器件尺寸，因此是一种很适合实用化的偏振补偿技术。本文给出偏振非敏感AWG设计过程和模拟结果。相较于其他AWG设计，提出了更具有普遍适应性，更灵活的AWG参数确定过程。设计步骤同时适用于普通AWG和偏振非敏感AWG。实验结果虽然没有得到完全偏振非敏感的AWG，不过成功实现AWG的偏振相关波长偏移(PD九)±0.2nm的改变，验证了我们提出的偏振相关性消除机制。
　　 最后，本文研究了集成光波导器件的制作工艺，包括波导薄膜生长、光刻、金属溅射、剥离、干法刻蚀等，得到了优化后比较合理的工艺条件，为成功实现上述两种基于平面光波导工艺的器件奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1引言

1.2阵列波导光栅

1.3光纤到户接入网和Triplexer

1.4本论文的章节安排

1.5本论文的主要创新点

2 光波导基本理论

2.1平板波导的本征方程

2.2条形波导的近似求解

2.3数值模拟方法

3 制作工艺研究

3.1波导材料和波导结构

3.2平面光波导制作工艺流程

3.3薄膜沉积工艺

3.4光刻工艺

3.5刻蚀工艺

4 基于阵列波导光栅的单纤三向波分复用器

4.1研究背景

4.2基于cross-order型AWG的Triplexer

4.3器件性能测试

4.4总结与讨论

5 新型集成化偏振非敏感阵列波导光栅

5.1研究背景

5.2新型偏振非敏感的AWG

5.3器件性能测试

5.4总结与讨论

6 总结与展望

参考文献

作者简介