毕设设计-陈培阳15级

毕业设计（论文）题目：阵列波导光栅学院：测试与光电工程学院专业名称：电子科学与技术班级学号：110831学生姓名：陈培阳指导教师：吴华明二O一五年六月学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名：日期：导师签名：日期：阵列波导光栅学生姓名：陈培阳班级：110831指导老师：吴华明摘要：光波作为载频，在同一通道中传输不会相互干扰，为了充分挖掘和利用现有光通信网络的宽带优势，满足人们对各种大量信息量的需求，发展波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM）技术，对网络的发展具有十分重要的意义，在WDM和DWDM系统中，波长复用器/解复用器是重要器件，它的性能的好坏对光复用系统的传输质量起到关键性作用，在这样的背景下，阵列波导光栅（AWG）便产生了。目前国内外开发的DWDM技术主要有3种类型，它们分别基于阵列波导光栅和介质膜滤光片以及光纤光栅技术，阵列波导光栅（AWG）是本文的研究对象。AWG是一种平面波导器件，AWG具有集成度高、通道数目多、插入损耗小、制作成本低、高稳定性和可靠性、易于批量自动化生产等优点。本文首先介绍AWG的基本结构和工作原理，给出了基本物理量的表达式，分析了AWG的各项性能指标，并重点介绍了AWG光束传播方法(BPM)耦合算法的基本原理。借助基于RSoft软件，设计了1×4，1×8通道的阵列波导光栅，给出AWG的版图，设置参数，进行仿真，根据得出的图像和数据进行计算计算AWG的性能指标,同时还分析了参数的改变对AWG的影响。关键词:阵列波导光栅(AWG)；波分复用器；光束传播算法(BPM)；RSoft指导老师签名：ArrayedWaveguideGratingStudentname:ChenpeiyangClass:110831Supervisor:WuHuamingAbstract：Wavesasthecarrierfrequency,transmissionwillnotinterferewitheachotherinthesamechannelinordertofullyexploittheexistingbroadbandopticalcommunicationsnetworksadvantage,meetthedemandforallkindsoflargenumberofinformation,thedevelopmentofwavelengthdivisionmultiplexing(WDM)anddenseWavelengthDivisionMultiplexing(DWDM)technology,thedevelopmentofnetworksofgreatsignificance,WDMandDWDMsystemsinthewavelengthmultiplexer/demultiplexerisanimportantdevice,itsperformanceisgoodorbadfortheOMSsystemtransmissionqualityplayakeyroleinthiscontext,arrayedwaveguidegrating(AWG)arose.DWDMtechnologydevelopmentathomeandabroadaremainlythreetypes,whicharebasedonarrayedwaveguidegratingsanddielectricfilmfilterandafibergratingtechnology,arrayedwaveguidegrating(AWG)istheobjectofstudy.AWGisaplanarwaveguidedevices,AWGhighintegration,thenumberofmulti-channel,lowinsertionloss,lowproductioncost,highstabilityandreliability,easyadvantageofvolumeautomatedproduction.ThispaperdescribesthebasicstructureandworkingprincipleAWG,givesbasicphysicalexpression,analyzedtheperformanceofAWGandhighlightedthebasicprinciplesAWGbeampropagationmethod(BPM)couplingalgorithm.Withthesoftware-basedRSoftdesigned1×4,1×8-channelarraywaveguidegratingAWGgiventerritory,settingparameters,simulation,calculationandanalysisbasedondataderivedfromtheimageandAWG'sperformance,butalsoanalysischangetheparametersontheAWG.Keywords:arraywaveguidegrating(AWG);WDM;beampropagationalgorithm(BPM);RSoftSignatureofSupervisor:目录第一章：概述1.1波分复用简介自从进入20世纪90年代,随着网络技术的出现与成熟，人类社会对信息容量的要求与日俱增，因此，人们迫切需要能适应时代发展的网络传输技术。依赖光纤为主要载体的通信业务逐渐成为信息时代的主流，而光纤通信中的一个研究热点就是密度波分复用(DWDM)技术。波分复用技术，简单地说就是将每个目标用户分配一个波长，并将相应信息调制到该波长载波上，多个波长的信号光经过复用后在一根光纤上进行传输，复用信号到达目的地之后再进行解复用。对于一个WDM系统，有效的将多波长信号复用到一根光纤上进行传输，并在接收前将多个波长信号分开，是一个非常关键的步骤，这类功能器件被称为波分复用器/解复用器。在WDM系统中，复用/解复用器是关键性器件，AWG在这方面起到了重要的作用。图1.1为复用/解复用功能示意图，(a)中的复用器将多种不同波长的光波汇集到一个输出波导中，(b)中的解复用器将不同波长的光波分散到N个输出波导中。图1.1复用器和解复用器示意图1.2阵列波导光栅的发展与现状1988年Smith[1]最早提出了阵列波导光栅的概念,而Vellekoop和Smith[2]报道了第一个工作于短波段的AWG器件,Takahashi等[3]报道了第一个工作于长波窗口的AWG器件,Dragone[4]则将阵列波导光栅的概念从1×N推广到N×N。虽然AWG器件已经商用,但国外对AWG的研究热度仍非常高,近几年取得了很大的进展,目前研究重点主要集中在以下几个方面：多通道AWG的研制，新型偏振无关AWG研制，无热、偏振无关全聚合物AWG，AWG与其他器件的集成。硅基二氧化硅阵列波导光栅对环境温度敏感。当周围环境的温度发生变化时，波导长度和材料折射率就会改变，导致信道中心波长也发生变化。目前，此类AWG的应用需要采用温度控制器来稳定信道的输出波长。但温度控制器需要采用控制电路持续供电。一方面增加了成本和系统的复杂性;另一方而，限制了光学器件在系统集成方而的应用。有研究表明，通过在波导中嵌入补偿介质的技术方案可以制作出高性能的温度不敏感阵列波导光栅。2009年，NTT公司报道了折射率差1.5%、40信道、信道间隔100GHz的硅基二氧化硅AWG，研究人员在阵列波导中嵌入了一种硅树脂介质，实现了一阶温度补偿，在一5-65℃范围内，波长偏移小于30pm，插入损耗为1.3-1.9dB，串扰小于一32dB，附加损耗约为0.2dB[5]。随着光通信的快速发展，波分复用器的角色也越来越重要，在波分复用系统中应用最为广泛的复用/解复用器是基于薄膜滤波器的复用/解复用器和阵列波导光栅(AWG)光纤通信系统要求AWG的每个通道的光信号的波长和国际电信联盟(ITU)规定的波长一致利用硅基一氧化硅技术制作的AWG,由于一氧化硅的折射率和相邻的阵列波导的长度差都随温度的变化而改变，从而导致AWG各个输出通道的波长随温度变化而发生漂移然而在通信系统中允许的波长漂移范围与通信系统的信道间隔、传输比特速率有关系，一般要求为小于O.O5nm随着密集波分复用系统从长途主干线延伸到局域网的快速发展，开发出热小敏感的阵列波导光栅(TI-AWG)成为了一种必需。光集成的快速发展，这对光器件的要求也越来越高，光电子器件开始向纳米尺度，低功耗，和高集成度的力向转变对于AWG来说，为了适应于现代光纤通信发展的要求，也应该向纳米尺寸、低功耗、高集成度、低损耗、低串扰、以及与现有的电子工业的互补型金属氧化物半导体工艺发展相兼容的力向发展。AWG的两个主要研究方向：一是优化AWG性能，带通平坦，偏振不敏感，热不敏感，减少损耗、串扰等；另一个是拓展AWG功能，利用单片集成技术，构筑系统或网络所需要的功能模块，提高器件的集成度，朝着密集方向发展，即增加AWG的通道数和减少通道间隔。1.3AWG的主要应用AWG除了在（密集）波分复用系统里实现多个通道的合成或分波功能以外，还可以和其他器件集成，构成多功能的模块，如波长路由器、多信道光接收机、多波长接收器、多频激光器、波长选择性开关等[6]。1.波长路由器[7,8]波长路由器在无源光网络中有广泛的应用，是光纤通信系统中的基本结构。波长路由器有N个输入通道，N个输出通道，每个输入通道均可以携带N个不同波长的光信号，如图1.2所示。AWG将这些不同波长信号分配到不同的通道输出，所以达到波长路由功能。以AWG为基础的波长路由器首先由C.Dragone[9]提出，目前己有许多实用化的产品。图1.2波长路由器2.AWGPIC多信道光接收机：在WDM系统中，最重要的器件是直接能把波长信道分解出来的波长解复用接收机，如图1.3所示，它单片集成了AWGWGR波长解复用器和阵列PIN光电探测器，并且在PIN之后紧接着又集成了异质结双极晶体管((HBT)作为前置放大器。图1.4表示目前使用的PIC多信道光接收机[10],lOxlOGb/s的WDM光信号进入AWG解复用，AWG输出与波长有关的lOGb/s信号，进入PIN光电探测器阵列。该阵列可能是波导集成单向载流子探测器(UTC-PD)或波导探测器(WD-PD)或行波探测器((TW-PD)。图1.3WGR波长解复用阵列PIN光电探测接收机图1.4平而波导集成电路(PLC)多信道光接收机3.AWG多频激光器：AWG多频激光器PIC中间是波导光栅路由滤波器，右侧是阵列半导体光放大器(SOA)，左侧是一个功率放大SOA。芯片右侧镜而镀高反射率(HR)膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图1.5所示。图1.5AWG多频激光器PLC芯片结构示意图AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸，这有点像衍射光栅激光器的波长取决于LD有源条在衍射光栅腔体内的几何位置一样。因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时可重复性好[11]。4.波长选择开关[12,13]集成波长选择开关由AWG和光开关制作而成。其工作原理是光信号通过AWG解复用，再通过光开关选