基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调技术综述

基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点.相比传统解调方法,基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势,在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势.近年来,随着光子集成技术的发展,各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化.本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理,结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展,归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景,从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议,为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考.     

基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验.以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多...     

基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型研究

根据热量传递机理建立了智能服装中光纤布拉格光栅人体测温的热传递物理模型,对人体、空气层和服装之间的热传递进行了有限元建模和稳态热分析,确定了智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型,利用该数学模型对光纤布拉格光栅测量温度值进行了修正.在多点加权皮肤平均温度的基础上,提出了由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装...     

阵列波导光栅解调系统光电集成中Si纳米线AWG的设计

设计了一种阵列波导光栅解调集成系统中的8通道Si纳米线阵列波导光栅波分复用器。根据材料的折射率设计了单模波导截面尺寸,利用光束传播法对所设计阵列波导光栅进行了模拟。结果表明,器件尺寸为200μm×219μm,远小于目前技术较成熟的硅基SiO2的尺寸,光功率分布符合高斯分布,信道间隔为1.8nm,串扰小于-21dB。对小尺寸AWG的设计具有参考意义。     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

编码式光纤光栅传感阵列解调方案的论证

介绍了编码式光栅传感阵列的结构及其传感信号的特点。采用梳状结构对编码式光纤光栅传感阵列进行解调，利用被测光谱通过阵列波导光栅不同通道时输出的不同光强的比值确定被测光的波长。该文分别从理想状态和存在背景反射的状态论证了本文提出的方案的可行性，分析了噪声引起的误差。该系统不但适合于解调大容量的波长信息，而且在解调时不存在任何机械移动部分便可以快速、同时测量多个波长。     

基于阵列波导光栅的快速波长检测方法

针对现有波长检测技术的不足,提出一种采用阵列波导光栅（AWG）进行波长快速检测的方法,该方法利用AWG对波长信号进行空间分离,将波长信号转化为光场强度信号,利用传统的光场强度检测手段实现波长检测。给出了分析这种检测方法光学特性的数学模型,应用此模型,分析了AWG性能参数对波长检测性能的影响。分析表明：待检测的波长信号可以通过AWG相邻通道的功率比的对数值进行线性表达;减小AWG通道波长间隔或其半波全宽（3dB带宽）可以提高波长检测灵敏度;此方法对AWG的通道不平坦度不敏感;通过对AWG进行±0．1℃的温度控制,此方法可以达到±0．005nm的波长检测精度。     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题,微机以小于10min的周期报告出每通道0.6nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

一种温度不敏感型阵列波导光栅的研究

研究了的一种新型温度不敏感型阵列波导光栅(AWG)。该新型温度不敏感型阵列波导光栅的波导采用混合材料的波导结构，该混合材料波导通过在石英波导芯层上旋涂聚合物材料的上包层，达到改变波导温度特性的目的，使得阵列波导光栅的温度敏感性降低。通过理论分析和有限差分方法研究了其中两种结构：三层混合材料波导构成的阵列波导光栅和四层混合材料波导构成的阵列波导光栅，计算了该新型温度不敏感型阵列波导光栅的温度特性。结果表明，在一定的设计下，温度变化0～50℃时，这两种温度不敏感型阵列波导光栅的最大波长漂移量小于0．03nm，不到无温度控制时常规阵列波导光栅最大波长漂移量的4％。     

聚合物阵列波导光栅复用器关键技术的研究

介绍了阵列波导光栅(AWG)复用器的工作原理;运用光栅衍射理论和马卡提里近似法,对中心波长为1.55 μm,波长间隔为1.6 nm的聚合物AWG进行参量设计,通过数值模拟验证了设计的正确性.用甲基丙烯酸甲酯类聚合物对AWG的制备工艺进行了研究,用铝作掩模制作了聚合物光波导,测试结果表明在1.55 μm处波导实现单模传输.     

低插入损耗阵列波导光栅的设计

研究了阵列波导光栅的插入损耗.针对损耗来源,讨论了各项损耗的研究方法.分析了结构参量对损耗的影响,讨论了降低损耗的设计思路.对结构参量进行优化,设计了8通道200 GHz间隔的阵列波导光栅,中心通道插入损耗为1.37 dB,低于目前商用器件的1/2.对阵列波导光栅的设计具有一定的指导意义.     

O波段8通道硅基二氧化硅平坦化阵列波导光栅的设计及制备

设计并制作了一款应用于IEEE 200/400GbE标准802.3bs的阵列波导光栅.该阵列波导光栅使用2.0%的超高折射率差硅基二氧化硅材料,使得芯片尺寸及损耗较小.为了获得平坦化的接收光谱,将输出波导进行展宽,采用多模波导结构,激发若干个高阶模,数个模式叠加使得原本高斯状的光谱顶部产生平坦化,形成箱形接收光谱.设计的阵列波导光栅的中心波长为1 291.10nm,通道间隔为800GHz,芯片尺寸为11mm×4mm.经过等离子增强化学气相沉积和感应耦合等离子刻蚀工艺制备了芯片,测试结果表明最小的插入损耗为-3.3dB,相邻通道间串扰小于-20dB,单通道1dB带宽在2.12~3.06nm范围,实现了良好的解复用和平坦化效果,在实际光通信系统中有一定的实用价值.     

低热应力热稳定曲线型阵列波导光栅复用器

相对方形阵列波导光栅波分复用器芯片而言,采用曲线切割的复用器芯片可以成倍地增加单个晶圆上的复用器产出率,但是曲线切割复用器的中心波长更加容易受到热应力的影响,该热应力是由于封装盒与耦合到复用器芯片上的带状光纤之间的线膨胀系数差异所引起的.本文实验分析了封装热应力对复用器中心波长的影响,结果表明,封装热应力与复用器中心波长之间的变化成线性关系.即使采用比较软的硅橡胶将复用器上的带状光纤固定到封装盒上,对于热稳定封装的曲线复用器而言,当环境温度在-20~65℃之间变化时,其中心波长也会有46 pm的变化.通过在热稳定复用器封装用的加热片上贴一片高硼硅玻璃,同时将带状光纤用硅橡胶固定到高硼硅玻璃上的方法,既保证了带状光纤相对封装盒固定,又减小了它们之间线膨胀系数不一致导致的热应力.实验结果表明,在-20到65 ℃温度范围内,这种复用器模块的中心波长高低温变化典型值小于5 pm,而且光纤所受的应力典型值小于0.029 MPa.     

聚合物费米型截面阵列波导光栅的优化设计

利用微扰理论给出“等效矩形波导法”,分析了费米型截面硅基聚合物阵列波导光栅的传输特性.模拟表明,波导的费米型截面将使阵列波导光栅的传输光谱产生漂移、并使串扰增大.为了消除光谱漂移、减小串扰、实现正常的解复用功能,对阵列波导光栅的结构参量进行了重新优化.结果表明,重新设计的费米型截面聚合物阵列波导光栅的光谱响应和串扰恢复到初始设计的聚合物矩形截面阵列波导光栅的水平.     

聚合物/二氧化硅混合型无热化阵列波导光栅参量的优化

研究一种新型无热化聚合物/二氧化硅混合波导组成的硅基二氧化硅阵列波导光栅.阵列波导光栅对温度的依赖性受波导物质的折射率和波导芯的尺寸影响.通过调节这些参量就可以减小温度对阵列波导光栅的影响.优化得到混合型阵列波导光栅在温度20~70℃范围内波谱漂移小于常规型 AWG结构的5%.     

阵列波导光栅平坦化的研究

阵列波导光栅的平坦化在实际应用中有很重要的意义.本文系统地研究了阵列波导光栅的平坦化.在输入波导、输出波导、阵列波导输入端与输出端上分别引入了指数型锥形波导.通过改变锥形波导的形状和尺寸来实现平坦化的优化.本文首先从理论上论述了引入指数型锥形波导的输出光谱特性,给出了结构参量的关系表达式,阐明了输入波导处的锥形波导是影响输出光谱平坦化的主要因素,阵列波导和输出波导处的锥形波导对输出光谱的平坦化有一定的影响.其次采用数值模拟的方法模拟了输出光谱,优化了结构参量,总结出了指数型锥形波导对平坦化影响的趋势和规律.模拟结果显示,输出光谱1 dB带宽大于通道间隔的50%,插入损耗从5.2 dB减小到了4.0 dB,串扰小于-30 dB.最后,本文给出了实验结果,插入损耗减小了0.87 dB,串扰减小了3.67 dB,1 dB带宽增加0.1 nm,增加了54.7%.实验结果表明引入指数型锥形波导提高了阵列波导光栅器件的光谱性能.     

Arrayed waveguide grating multiplexer with high thermal stability on silicon

In this paper, certain important parameters are optimized for a polymer/Si arrayed waveguide grating (AWG) multiplexer by using grating theory. A 32-channel multiplexer is designed and fabricated using newly synthesized fluorinated poly (ether ether ketone) with a high thermal stability. The measured wavelength channel spacing is 0.796 nm, and center wavelength and 3-dB bandwidth are 1548 nm and 0.3 nm, respectively.     

阵列波导光栅波分复用/解复用器光谱响应效率的理论模型

基于单模光波导的本征模场分布,瑞利－索末菲衍射积分公式和天线原理的互易定理,给出耦合器中两个非接触平面光波导耦合特性的描述.基此,根据等光程差不等振幅多光束干涉的光场叠加原理,推导出新颖的阵列波导光栅波分复用/解复用器的光谱响应效率的解析函数表达式,这些表达式可为快速精确分析阵列波导光栅波分复用/解复用器的特性提供理论基础.同时,介绍了一个计算阵列波导光栅波分复用/解复用器特性的例子,给出其光谱响应度和信号通道串扰.