（光学专业论文）阵列波导光栅及其折射率传感器的研究.pdf

其折射率传感器的研究 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 摘要 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 专业：光学 姓名：王有斌 导师：黄旭光 作为密集波分复用( d w d m ) 光通讯网络中的关键器件，阵列波导光栅( a w g ) 由于其具有波长间隔小、信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰低、信号畸变 小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点，被用作波复用解复用、 光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长监测等。这些优良的性能使a w g 波分复用器从种类繁多的同类器件中脱颖而出，且后来居上，有取代其他同类器 件的趋势。a w g 器件的研究和制作相应地得到了迅速的发展，引起国内外许多 研究者浓厚的兴趣并受到广泛的重视，已经成为热门的研究课题和新一代波分复 用产品丌发和应用的热点。 本论文主要对阵列波导光栅进行理论分析和结构设计，具体工作如下： 1 ，论文介绍了阵列波导光栅的工作原理。分析了信号光在阵列波导光栅里 的传输过程，得到了光波分别在阵列波导与输入、输出平板波导的界面，输出平 板波导焦平面上的光场分布，以及信道输出响应的解析式。分析和讨论了阵列波 导光栅各信道的输出响应并计算出各项性能指标，通过频谱分析可以较快地扫描 出一组合适的结构参量，设计出具有良好性能的a w g 。结果表明用解析方法比 商用光束传输软件( b p m ) 模拟要快得多，从而缩短了对a w g 的优化设计周期。 2 ，由于相邻阵列波导的基模场在波导外有一定的交叠，积分区间长度取得 过大，交叠区域的能量会被重复计算。本文用积分计算输入平板波导与每一阵列 波导之间的光场耦合系数时，通过推导，引入一个因子，从而避免了光场耦合能 量的重复计算，符合其实际的物理过程。 3 ，本文设计和研究了基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器。该传感器 利用阵列波导光栅的阵列波导区域对相位差敏感的特性，通过在阵列波导区域挖 槽来测量通过沟槽的液体的折射率变化。由于阵列波导之间的相位差变化会导致 i i i 曰嘲曙 k 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究q 迨； 输出波导的输入面的最大光强位置的变化，所以通过入射窄带光源并计算其中两 个输出波导的功率比的变化，就可以得到实时的折射率变化。利用傅罩叶光学和 光波动理论的方法建立数学模型，经过综合考虑各种因素，设计了合理的参数。 最后通过拟合得到折射率变化和光功率比的解析式。这种方法能够有效地消除仪 器的不稳定性、内部损耗和环境影响带来的测量误差，提高测量精度。 4 ，本文对一种新型结构的阵列波导光栅( a w g ) 进行分析，该阵列波导光 栅具有非弯曲的阵列波导，使用两个渐变的折射率平板波导( g i s l a b ) 分别作为 阵列波导光栅的输入与输出。该器件在制备粗波分复用器件( c w d m ) 时可有 效减小器件尺寸。本文利用傅罩叶光学和波动光学理论建立数学模型，设计了非 对称结构的a w g ，其背景噪音比对称结构的a w g 降低了2 0 d b ，并可提高频谱 宽度。最后利用反射镜和阵列波导光栅的路由特性设计了反射式阵列波导光栅， 进一步减小了器件的尺寸。 关键词：傅罩叶光学；阵列波导光栅；传感器；折射率；粗波分复用；非对称 i v 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 a b s t r a c t r e f r a c t i v e i n d e xs e n s o r m a j o r ：o p t i c s n a m e ：y o u b i nw a n g s u p e r v i s o r ：x u g u a n gh u a n g a na r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) i so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n g ( w d m ) n e t w o r ks y s t e m i th a sb e e nw i d e l yu s e da s w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) ， o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ( o x c ) w a v e l e n g t hr o u t e r , w a v e l e n g t hm o n i t o ra n ds oo n ，b e c a u s e 0 fi t ss m a l lw a v e l e n g t hi n t e r v a l ，h u g en u m b e ro fp a g i n gc h a n n e l s ，s m o o t ho u t p u ts p e c t r u m 。 l o wi n s e r t i o nl o s s ，l o wc r o s s t a l k 1 i t t l es i g n a ld i s t o r t i o n ，l o wb i te r r o rr a t e ，h i g h l ys t r u c t u r e d ， e a s yt oi n t e g r a t e ，s t a b l ep e r f o r m a n c e t h e s ee x c e l l e n tp r o p e r t i e sm a k ea w g s e ti t s e l fa p a r t f r o mv a r i o u sk i n d so fs i m i l a rd e v i c e s ，a n dd e v e l o pr a p i d l y i tt e n d st or e p l a c eo t h e rs i m i l a r d e v i c e s t h er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no fa w ga c c o r d i n g l yo b t a i n e dar a p i dd e v e l o p m e n t , a r o u s em a n yr e s e a r c h e r si n t e r e s ta n dw i d e s p r e a da t t e n t i o n i th a sb e e nap o p u l a rr e s e a r c ha n d ah o t s p o to f g e n e r a t i o na n da p p l i c a t i o n t h i sp a p e ra i m st ot h e o r e t i c a ls t u d ya n ds t r u c t u r ed e s i g no fa w g t h ew o r kd o n ei s p r e s e n t e da sf o l l o w ： 1 ，t h ep r i n c i p l eo fa r r a y e d - w a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) i sb r i e f l yd e s c r i b e d t h ef i e l d p r o p a g a t i n gt h r o u g ha na w gi sa n a l y z e d t h ee x p r e s s i o n sf o rs p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e p r o p a g a t i o nf i e l d a r eo b t a i n e da tt h ei n t e r f a c e sb e t w e e nw a v e g u i d e s ，w h i l ea na n a l y t i c e x p r e s s i o nf o re a c hc h a n n e lr e s p o n s eo fa na w gi sd e r i v e d t h ee f f e c to ft h eg e o m e t r y p a r a m e t e r sa n dt h ef a b r i c a t i o ne r r o r so na na w g sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ee x p r e s s i o nf o rc h a n n e l sr e s p o n s e ，t h eo u t p u ts p e g t r u mo ft h ea w gc a nb e o b t a i n e d ，a n ds o m ei m p o r t a n ts p e c i f i c a t i o n sf o ra w ga r ec a l c u l a t e d b ya n a l y z i n go u t p u t s p e c t r u mo fa na w ga n ds c a n n i n gg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，a na w gw i t hg o o dp e r f o r m a n c ei s v 固 t h ea n a l y t i ce x p r e s s i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e f r a c t i v e i n d e xo ft h ef l u i da n dt h e p o w e rr a t e h a sb e e no b t a i n e df r o mf i t t i n g t h em e t h o dc a ne l i m i n a t et h ei n s t a b i l i t ya n dt h e i n n e rl o s so ft h ei n s t r u m e n ta n dt h ee r r o rf r o mt h ee n v i r o n m e n tt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f r e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t 4 ，an o v e la r r a y e d - w a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) b a s e do nu n b e n tw a v e g u i d e si sa n a l y z e d t h e a r r a y e dw a v e g u i d e sa r er e p l a c e db yu n b e n tw a v e g u i d e sa n dt w og r a d e d i n d e xp l a n a r w a v e g u i d e s ( g i s l a b ) a r eu s e da si n p u ta n do u t p u tp l a n a rw a v e g u i d e s ，r e s p e c t i v e l y t h i s d e s i g nc a nd e c r e a s et h es i z eo ft h ec o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c w d m ) e f f e c t i v e l y am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea w g i se s t a b l i s h e db a s e do nt h et h e o r yo ff o u r i e r o p t i c sa n dw a v eo p t i c s ，w i t hr e a s o n a b l ep a r a m e t e r sc o n s i d e r i n ge v e r yf a c t o r t h en o v e l a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n gw i t ha s y m m e t r i cf o c a ll e n g t h so fg i s l a b si sd i s c u s s e d ，w h o s e b a c k g r o u n dn o i s ei sd e g r a d eb y2 0 d bw i t hr e s p e c tt ot h es y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ，a n dw h i c h w i l lw i d e ns p e c t r a lw i d t h f i n a l l y , t h em e t h o do fr e d u c i n gt h es i z ef u r t h e rw i t ha r e f l e c t o ra n d 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 t h ep r o p e r t yo ft h er o u t i n gi sd e - s i g n e d k e yw o r d sf o u r i e ro p t i c s ；a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g ；w a v e g u i d es e n s o r ；r e f r a c t i v e i n d e x ；c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；a s y m m e t r i c v i i 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 v i i i 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 目录i x 第一章绪论1 1 1 阵列波导光栅的意义1 1 2 阵列波导光栅的结构和原理2 1 3 本论文研究内容和创新点1 0 第二章阵列波导光栅的模拟以及优化1 2 2 1 输入波导光场的横向分布1 2 2 2 输入平板波导区光场分布1 3 2 3 阵列波导入口处光场的耦合1 4 2 4 阵列波导与输出平面波导界面上的总光场分布1 4 2 5 输出平板波导焦平面光场的空间分布1 5 2 6 耦合到输出波导中的光场能量1 6 2 7 去除重复计算与不去除的比较1 7 第三章基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器研究1 9 3 1 高精度折射率传感器的结构与原理1 9 3 2 高精度折射率传感器的参数优化2 3 3 3 小结3 2 第四章新型阵列波导光栅的分析与优化3 3 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 4 1 新型阵列波导光栅的结构和理论分析3 3 4 2 非对称阵列波导光栅理论分析与方案选择3 6 4 3 反射式阵列波导光栅理论分析与方案选择3 9 4 4 结论4 2 第五章总结与展望4 3 参考文献4 5 致谢5 3 硕士期间所完成的论文5 5 x 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 第一章绪论 1 1 阵列波导光栅的意义 阵列波导光栅( a w g ) 波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件， 它不仅可以用作波复用、解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长 监测，而且具有波长间隔小、信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰低、信号 畸变小、误码率低、结构紧凑、利于集成、性能稳定等优点，在光通信网络中有 着广泛的应用。这些优良的性能使a w g 波分复用器从种类繁多的同类器件中脱 颖而出，且后来居上，有取代其他同类器件的趋势。因此，近年来这类器件已引 起国内外许多研究者浓厚的兴趣并受到广泛的重视，已成为热门的研究课题和新 一代波分复用产品开发和应用的热点。对阵列波导光栅的结构设计、优化加工、 材料选取( 已从硅基a w g 发展到i n p 基和聚合物基a w g ) 、制备方法和工艺精 度等方面进行了不懈的研究与创新。 早期的商用波分复用解复用器基于光纤技术和微光学技术，到9 0 年代初期， 则集中到阵列波导光栅上面。短短几年，这种器件就从实验室进入到了实用化阶 段。s m i tm k i l 】于1 9 8 8 年提出了阵列波导光栅解复用器的概念，v e l l e k o o p 和s m i t 报道了第一个工作于短波段的器件，t a k a h a s h i 等人报道了第一个工作于长波窗 口的器件。d r a g o n e t 2 】将阵列波导光栅的概念从1 n 推广到n x n 。一系列波长 间隔从1 5n n l 、8 条通道的波导光栅复用解复用器到0 2 n m ( 2 5g n z ) 、1 2 8 条通 道的波导光栅复用解复用器已经成功地研制出来。 目前，国际上已做出4 0 0 信道、波长间隔0 8 n m 、串扰低于3 0 d b 、温度依赖 性在0 8 5 范围内波长漂移小于0 0 6 n m 的实用化硅基a w g 器件。3 2 、6 4 及 1 2 8 信道满足实用化要求的器件已有销售。但是硅基a w g 器件存在的主要问题 是，高质量厚膜波导材料的生长比较困难，需要的设备复杂，造成器件价格一直 居高不下。因此，许多研究者开始研究硅基聚合物a w g 器件，这种器件具有价 格便宜、工艺简单、折射率调整容易等优点，使其在与无机材料a w g 器件的竞 争中处于有利的地位。目前在日本、美国、德国等一些发达国家都在积极开展聚 1 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 合物a w g 器件的研究工作，并已取得了许多重要的进展，一些主要性能指标正 逐渐达到无机a w g 器件的水平。但聚合物a w g 器件由于起步较晚，目前还没 有达到系统化、商业化、实用化和产品化。预计硅基聚合物a w g 器件研制成功 后经产业化过程，批量生产将具有可观的经济效益和广阔的市场前景。 1 2 阵列波导光栅的结构和原理 1 2 1a w g 的结构 a w g 器件就是利用了凹面光栅原理，实现对波长的复用和解复用，即分波 和合波功能。图卜1 给出了a w g 的结构示意图。这种w d m 器件采用两个沉积 与s i 衬底上的平面星形光栅耦合器构成，它是由输入输出矩形信道波导、两个 平板波导和矩形波导结构的阵列波导构成的。当多波长信号被耦合进某一输入波 导时，此信号将在第一个平面波导中发生衍射而耦合进阵列波导。阵列波导由很 多长度依次递增的路径构成，光经过不同的波导路径到达第二个平耦合波导时， 产生不同的相位延迟，在第二个耦合波导中相干叠加。这种阵列波导长度差所引 起的作用和光栅沟槽平面所起的作用相同，从而表现出光栅的功能和特性，这就 是a w g 名称的来源。 辕溅平凝渡浮 阵别波导 输入平援波 输入波导 图1 1 阵列波导光栅的结构 学 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 1 2 2阵列波导光栅的复用和解复用原理 阵列波导的两端以等间距d 排列在两个光栅圆周上，正对光栅圆心，中心阵 列波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。为减小平板波导和阵列波导间的耦合损 耗，阵列波导条数必须足够多，且端面做成喇叭口形状( 锥形波导) 以高效率地 收集所有的衍射光。输入和输出信道波导排列在罗兰圆周上，端口朝向中心阵列 波导。a w g 的解复用器的工作原理为：含有多个波长的复信号光经过中心输入 信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分 配，并耦合进入阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光 以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持 有相同的长度差l ，因而在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光 具有相同的相位差，对于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出 平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后 完成了波长分配，即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入， 则完成复用功能，原理相同。 1 2 3 光栅方程 下面从a w g 的光栅方程入手，来分析a w g 是如何把复用的光信号解复用 到不同的输出波导中。光栅方程是所有各种光栅器件的最根本的理论基础，光在 各种光栅器件中的传输都必须满足光栅方程。不同结构的光栅器件所满足的光栅 方程在形式上虽然可有不同，但是基本原理都是一样：光在光栅器件中传输时， 只有那些光程彼此相差波长的整数倍的光才能产生干涉或衍射而得到加强。 函 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 图1 2 推导光栅方程的不意图 如图卜2 所示，令聆。和_ 分别为平板波导和矩形波导的有效折射率。从某一 条输入信道波导的输出端面彳，出射的光经输入平板波导到达第k 条阵列波导的 输入端面岛，传输距离为，光程为以，然后经第k 条阵列波导到达其输出端 面，传输距离为第k 条阵列波导的长度厶，光程为心厶，然后再经输出平板波 导到达输出信道波导所在的输入端面，传输距离为，光程为臻巧，因此总的光 程为 瓯= + 砟厶+ 垠 ( 1 1 ) 类似地，从某一条输入信道波导地输入端面4 出射地光经输入平板波导到达第k + 1 条阵列波导的输入端面色+ 。，传输距离为厶+ l ，光程为馋厶+ ，然后经第k + 1 条阵列波导到达其输出端面，传输距离为第k + 1 条阵列波导的长度厶+ 。，光程 为厶+ 。，然后再经输出平板波导到达输出信道波导所在的输入端面，传输距离 为+ l ，光程为璩+ l ，因此总的光程为 正 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 咒+ l = 以+ l + p c 厶+ l + 恢巧+ l ， ( 1 2 ) 式( 1 - 1 ) 减去式( 1 - 2 ) ，并令峨= 瓯+ l 一瓯，= + ；一，址= 厶+ 。一厶， 形= 髭+ 。一巧，得到二者间的光程差s 为 甄= 玩厶+ n c a l + 力， ( 1 - 3 ) 在输入罗兰圆中，在a c a ，鼠和a c a , 鼠+ 中，应用余弦定理可分别得到 鬈= f 2 + p 2 2 f p , c o s t ) , ， 吭l = 厂2 + 一2 f p , c o s ( o 女+ 皖) ， 式( 1 - 5 ) 减去式( 1 - 4 ) 得到 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 肾p 2 朋 c o s ( o k 啦) - c 。s 包 叫和no k + 等h 等) ( 1 - 6 ) 由岳- 一鬈砥+ l k ) ( 1 k + l _ m2 心“n ( 包+ 等) s 吨o k s i n ( 等) = 万d ，式 ( 1 - 6 ) 可变为 上k ：p l d s i n o k “。 在c 4 辟中应用正弦定理由_ s i n 蠹2 _ s 1 n ，代入上式则可得到 七i 。移； 同理在输出罗兰圆中有 心= d s i n o , 雠= d s i n o o ， 式( 1 - 8 ) 、( 1 9 ) 代入式( 1 - 3 ) 中得到 ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 - 9 ) a s k = n , d s i n 9 + na l + n , d s i n o o ( 1 1 0 ) 根据光栅原理，只有当光程差峨等于波长的整数倍时光才能产生干涉或衍 射而得到加强，因此由式( 1 1 0 ) 得到从a w g 器件t b , x , 的光所满足的光栅方程 为 5 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 n f l s i n o j + h e a l + n , d s i n 臼o = m 2 ， ( 1 1 1 ) 式中，聊为衍射级数。通常情况下由于入射角p 和出射角o o 都很小，可作 s i n 9 ，s i no , ，9 ，的近似，因此光栅方程( 1 - 1 1 ) 可近似成为 胛。9 d + na l + 玎。眈d = m 2 ( 1 1 2 ) 1 2 4 角色散方程 当某一波长的信号光从中一t l , 输入信道波导入射时，入射角矽= 0 ，此时信号 光从第j 条输出信道波导出射，出射角为皖= j a o , , ，与波长有关，是波长旯的函 数，门、= 门( 彳) 、吃= 1 7 t ( 五) 。式( 1 - 1 2 ) 对波长旯求导数得 所以 冬址+ 亟皖d 帆d 盟碘 ( 卜1 3 ) d 九d 2 “ d 2 盟：旦k n z 3 zd n , 一碰亟i ( 1 1 4 ) d 2 n s n c dl md 2m d 兄j 由式( 1 1 2 ) 得到丝竺：五一n , o o d ，代入上式可得到 mm 篑= 翥卜一旯啬+ 等( 璩袅一心鲁) = 翥卜一五鲁+ 竿( 恢鲁一怫鲁) = 翥卜一a 鲁+ 等( 恢鲁一心舞) m 5 ， 通常情况下m y 很大，因此上式中括号中的最后一项可以忽略，上式近似为 生d 2 南卜五亟d 2 ) ( 1 - 1 6 ) 恢心dl 。 。 由此得到a w g 器件中的输出信道波导的角色散方程为 ( 1 1 7 ) 翥 = 丝以 6 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 式中，为阵列波导的群折射率，定义为 1d c 唿2 心一五万 为 ( 1 1 8 ) 令眈= o o ( a ) ，由角色散方程( 1 1 7 ) 则可得到相邻输出信道波导的角| 日j 距, a o ， 眈：孕五：旦舰( 1 - 1 9 )o d 五刀f 从上式可以看出，包与五呈线性关系，即从输入信道波导输入的等间距 的波长将从等问距排列的输入信道波导输出。 1 2 5f s r 设在输出平板波导中相邻的第m 和m + l 两个衍射峰的角间距为a o , ，j 这两 个衍射峰都满足式( 1 - 1 2 ) ，假设中心波长乃的信号光从某个输入信道波导输入， 入射角9 为定值，则对于第m 个衍射峰有 n f l , d + 门。缸+ 刀oc t = m 矗 ( 1 - 2 0 ) 同理，对于第m + 1 个衍射峰有 n 。o , d + n , a l + n s ( o o + 吃) d = ( 所+ 1 ) 矗 ( 1 - 2 1 ) 上面的两式相减可得 a 0 ：每 璩d ( 1 2 2 ) 在输出光谱的波长空间内，两个衍射峰之间的波长范围称为f s r ，定义为 f s r ：生兄 a o o 式( 1 1 9 ) 、( 1 2 2 ) 代入上式，得到f s r 为 f s r ：盟 聊唿 ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) 相同入射角的不同波长的信号光，可能从相同的端口输出，f s r 也就是这样 函 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 波长的间隔范围，所以f s r 决定了最大可能的信道波导数m 戤， 虬瓠= i n t ( 。f 圳s r ) 珈( 嚣 m 2 5 ， 当f s r = n a 2 时，可实现个波长的信号光n xn 的互连。 1 2 6 阵列波导光栅的波长分配原理 定义中心波长为九，并满足：吃z x l = 聊厶。当a w g 器件为对称结构时，输 入和输出信道的相邻波f b j e n ，那么凡是从中心输入波导输入到中心输出 波导输出的光波。当复信号光从第i 个端口输入时，第j 个端口输出的信号光的 波长应为 乃，= 凡+ ( f + j ) a 2 ( 1 - 2 6 ) 上式说明，对于对称结构的a w g 器件，凡是比厶长的波长从正数端口输出，比 气短的波长从负数端口输出。即当信号光从第i 个端口输入时，第j 个端口输出 的只能是波长为凡+ ( f + ) 五的信号光，称为波长分配原理。 1 2 7 基本功能 对称结构的a w g 器件具有四个基本功能：解复用、复用、路由和周期性。波 长复用解复用是a w g 最基本应用。在点对点通信传输系统中，a w g 可以作为发 射端的复用器、接收端的解复用器。目前0 8 n m 信道间隔的1 6 信道s f q 基a w g 复用解复用器已商品化。 1 2 8 阵列波导光栅的其他应用 有以下几点应用： w s ) 是光分组交换网络中的重要器件。0 w s 有两种结构形式： 成的0 w s ：可以构成波长选择开关，一种是获得期望波长的 8 函 孽 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究蟊过多 嗡p 选择开关，它集成了两个a w g 和光开关，另一种是2 2 波长选择开关，这是一种 双向波长选择开关，可以在两个传输线之间交换任意波长的光信号；二是a w 6 和光栅阵列组成的0 w s - 这种0 w s 采用单片或混合集成技术，它由两个a w g 和一 个光栅阵列( 0 g a ) 组成。 1 2 8 2 光插分复用器 光插分复用器( 0 a d m ) 的功能是由波长的路由器演化而来的，其作用是下载 ( d r o p ) 信道中通往本地的信号，同时上载( a d d ) 本地用户往另一节点用户的信号。 0 a d m 使用户可以方便地在节点处上载和下载信号，大大地提高网络的灵活性。 目前己制作出利用p l c 技术的0 a d m ，它由a w g 和双门热光开关组成。此外，利 用波导光栅路由器和光纤光栅还可构成单纤双向自恢复w d m 环路网的双向插分 组件，组件内使用两个环行器把双向光纤链路转换为两个分离的单向传输线路， 该组件是实现单纤双向环路网的关键器件。 1 2 8 3 多波长光源 实现w d m 的关键是必须严格设定各信道的光波长，随着更加密集的d w d m 系 统的实施，对光源的波长稳定性要求越来越高，采用a w g 的多波长光源可以满足 这个要求。例如：由半导体锁模激光二极管和研q 基a w g 构成的等频间隔多波 长光源，采用a w g 的多波长环形光源等5 1 。 1 2 8 4 多波长接收机 w d m 网络系统不仅需要能够复用和解复用光信号，而且还需要把解复用的 光信号变成电信号。利用混合集成技术将光( 电) 检测器( p d ) 阵列直接组装在a w g 上是实现w d m 网络系统的小型高速多波长光电接收机有前途的技术。目前已演 示一种8 信道的多波长光( 电) 接收机，它由野q 基1 8 a w g 、8 个折射刻面的光 电二极管( r f p d ) 构成，由于r f p d 独特的光敏面结构而具有响应度高和对准容 限宽的优点。r f p d 是用a u s n 焊料倒焊在p l c 平台上。为了实现1 0 g b i t s 以 上的高速工作，必须将p d 电极与s i 衬底之间的寄生电容降至最低，通过采用 电互连的微凸焊点实现最小寄生电容。为保证这些微凸焊点能在焊接期间使芯片 0 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 处于同一衬底的最佳位置，可采用a u s n 薄膜焊图形和凸焊点的多芯片键合技 术。这种小型光电接收机具有0 6 a w 的响应度和1 6 g h z 的工作带宽，特别适用 于处理高比特率和波分复用信号的w d m 网络系统。 1 2 8 5 使用a w g 的色散补偿器 众所周知，通过光纤光栅( f g ) 或色散补偿光纤( d c f ) 可以补偿光纤的群速度 色散( g v d ) 和群速度色散斜率。尽管这两种器件可以补偿大的总色散，然而，f g 会使接收的光波形的群延迟波动产生严重恶化，而d c f 不可能同时补偿非零色散 位移光纤( x z d s f ) 和g v d 及g v d 斜率。此外，通过级联的m z i 色散均衡器也可实 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 了光场耦合能量的重复计算，符合其实际的物理过程。 第三章，设计和研究了基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器。该传感器 利用阵列波导光栅的阵列波导区域对相位差敏感的特性，通过在阵列波导区域挖 槽来测量通过沟槽的液体的折射率变化。由于阵列波导之间的相位差变化会导致 输出波导的输入面的最大光强位置的变化，所以通过入射窄带光源并计算其中两 个输出波导的功率比的变化，就可以得到实时的折射率变化。利用傅罩叶光学和 光波动理论的方法建立数学模型，经过综合考虑各种因素，设计了合理的参数。 最后通过拟合得到折射率变化和光功率比的解析式。这种方法能够有效地消除仪 器的不稳定性、内部损耗和环境影响带来的测量误差，提高测量精度。并提出了 减少由于沟槽宽度导致光发散的方法和反射式阵列波导光栅传感器。最后给出了 高精度阵列波导光栅传感器系统的设计结构。 第四章，分析了一种新型结构的阵列波导光栅，该阵列波导光栅由非弯曲的 阵列波导和两个渐变的折射率平板波导构成，相对于传统的阵列波导光栅具有一 定优势。本文利用傅罩叶光学和光波动理论的方法建立数学模型。讨论了两折射 率平板波导的非对称性对频谱响应的影响，表明选择合理的焦距长度可以提高器 件的频谱宽度并降低串扰。最后提出了一种反射式结构进一步减小a w g 尺寸， 并获得了相应的设计和计算结果。 第五章，对本论文的研究工作做了一个总结和展望，指出对高精度折射率传 感器同后商业化需要注意的一些问题。 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 第二章阵列波导光栅的模拟以及优化 2 1 输入波导光场的横向分布 当波导与衬底之间的折射率满足( 玛一甩：) 确 1 ( 其中，2 l 为波导层的折射率， 1 1 ，为衬底的折射率) 的条件时，麦克斯韦方程能从矢量方程简化为标量方程，根 据波导边界条件，可以得到条形波导的基模场横向分布的解析式1 1 】： ( 2 - 1 ) 模场在包层 量归一化因 ( 2 - 2 ) 在包层中呈 ( 2 - 3 ) ，y 由下式 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 ：堡二竺 ，z l 图2 1 为高斯近似与实际基模场横向分布的比较： ( 2 6 ) 图2 1 波导模场的空间横向分布( 实线为真实模场，虚线为高斯近似) 可见，高斯函数还是很好的近似了实际基模场的横向分布。 2 2 输入平板波导区光场分布 平板波导可当作一维自由空i 司，输入光束垂直于波导的方向受到限制，而宽 度方向视为光场自由发散，光在平板波导区是夫琅和费衍射嘲，其输出场易( x 2 ) 正好是输入场巨( _ ) 的空间傅立叶变换，所以输入平板波导输出光场为： 她) = 忑i 凇 一浮唧 一( 警) 2 ， p 7 ， 其中口= 凡r 璩为引入的归一化常数，r 、_ 分别为平板波导的长度和有效折射 率。 墨豳墨 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 渺 - - _ _ _ _ - _ _ i - ，_ _ 一一 2 3 阵列波导入口处光场的耦合 任意第n 根阵列波导的模场横向分布可以用归一化高斯函数很好的近似： 如砒辱唧i 一( 警 2 ， p 8 ， 是输入波导膜场半径。 胛：0 对应中心位置处的阵列波导，n 为正整数对应正半坐标轴上的波导，n 为负整数对应负半坐标轴上的波导，输入波导数p 和输出波导数q 用类似的规定， 为阵列波导模场半经。将输入平板波导的出射光场和阵列波导的基模场的乘 积进行积分，可得到第n 根阵列波导的光场耦合系数g ，但相邻阵列波导的基 模场在波导外有一定的交叠，为了避免光场耦合能量的重复计算，进行以下推导： l 易) = g 一。l g - i ) + gl 岛) + c + 。ig 。) + ( g 。le ：= c n 一。( g 。ig 。一，) + c j + g + 。( g g 。+ ，) g ( g 。i 邑一。) + g + g ( g 。lg 川) = g ( 1 + 2 ( g 。i g 川) ) g = 高= 赢跏吃) e 引x 胁 ：踹浮出华) 2 ， q 母 一1 + 2 ( 岛b ) v 口2 。l 口jl 其中 ， 以 为相邻输出波导 的间 距， ( 岛i g 川) = 岛一。出= 岛( x ：) g 。( x ：+ a o ) a x ： 和 eg 。( x 矽x = tg 。( x ：p x ：是常量，即g 与易( 而) 是线性关系。 2 4 阵列波导与输出平面波导界面上的总光场分布 阵列波导与输出平面波导界面上的总光场分布是： 1 4 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 e ，( x ，) = = c 。g 。，( x ，n d ) e x p ( - ，。，。) = 踹萍印 一( 华) 2k x 3 - n d 净p ( - j 2 万m 纠 ( 2 - 1 0 ) 设址是相邻阵列波导长度差，通常址的值等于阵列波导光栅中心波长的整数 倍，即： 上：丛， ( 2 11 ) ，7 式中m 为衍射级数，为阵列波导的有效折射率。对于第i v 根波导而言，光从入 口端传到出口端引入的相位为： 吒= 等帆l o + ，2 垅氐) ， ( 2 1 2 ) 1 2谚“2 _ 【刀。+ ，2 垅九j ，( 2 一 l , 其中，n 是最短的波导长度( = 0 ) 。 2 5 输出平板波导焦平面光场的空间分布 根据百玎面的分村r 口 知，光在平板波导区的输出光场正好是输入场的能量归 一化空间傅立叶变换，将式( 2 1 0 ) 进行傅立叶变换得到输出平板波导焦平面的光 场分布： 反( 确) = 下1f ( e 3 ( x 3 ) ) = 且铬孕4 7 22 ( ) 2 l + 2 ( g g o唧( - 等) 陋 。l一。) 、 口4 。“一i 口2 ，j 、1 。 p ( 川翮料x p - ( 警) 2 e x p ( 一歹挚) 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 2 6 耦合到输出波导中的光场能量 设任意第q 根输出波导模场横方向分布为： 引仆辱唧 弋警) 2 ， 仁 其中z ，c o , ，分别为相邻输出波导的间距和模场半径。由于各输出波导间距较远 而且彼此完全分立，波导模场几乎没有交叠，积分区问可取无穷，那么第q 根输 出波导的光场耦合系数为： ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 图2 2 a w g 的输出频谱相应( 实线为真实模场，虚线为高斯模场) 2 7 去除重复计算与不去除的比较 如上面的计算所示，为了避免重复计算，引入了赢因子来消除重 复计算的那一部分，如果不考虑这一部分，计算结果会变得不合理。 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 虚线没有考虑模场交叠) 已经超过了o d b ，所以是不 阵列波导光栅及其折射率传感器的研究 第三章基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器研 究 作为密集波分复用( d w d m ) 光通讯网络中的关键器件，阵列波导光栅( a w g ) 由于其多功能性、低损耗、低串扰、高可靠性、尺寸小、设计灵活而得到了广泛 应用，a w g 器件的研究和制作相应地得到了迅速的发展1 1 。2 1 。阵列波导光栅在传 感系统中也逐渐得到应用1 3 巧】，但很少有人将阵列波导光栅作为传感器件来使用， 其实由于它的阵列波导对相邻波导问的相位差的敏感性，可以将它制成具有高精 度的传感器。目前，测量折射率的方法有多种，其中比较有代表性的是布儒斯特 角法【6 ，7 1 、临界角法或阿贝折光例引、椭偏仪1 9 1 0 1 、干涉法【1 1 12 1 、最小偏向角法【1 3 - 1 4 】 及m 线波导测量法f 1 5 】、光波导马赫曾德尔( m z ) 干涉测量法f 1 6 17 1 、表面等离子 体共振的反射传感技术& 19 1 、光纤光栅检测法【2 0 2 、菲涅耳( f r e s n e l ) 反射【2 2 , 2 3 等方法与技术。但这些