阵列波导光栅（AWG）：原理与应用

“阵列波导光栅及其应用-Arrayed waveguide grating and its applications-李万芬、杨进玺、宋冬雷、段凤旗” 阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称AWG）是一种在光纤通信系统中广泛使用的光谱器件，主要用于波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和解复用（Demultiplexing）操作。在多通道通信中，当需要处理的信道数量超过16个时，传统的三端口介质膜滤波器（TFF）由于损耗问题不再适用，这时阵列波导光栅因其高效和低损耗的特性成为主流选择。 阵列波导光栅的工作原理基于平面光路技术，主要由五个关键组成部分构成：输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器以及输出波导阵列。输入波导将多通道光信号导入，通过输入星形耦合器将光均匀分配到各个阵列波导中。这些阵列波导的长度按照特定的步长ΔL逐渐增加，使得不同波长的光在波导中的传播时间不同，从而导致它们在输出端的相位差异。输出星形耦合器则将这些带有相位差的光信号重新组合，根据光的干涉原理，不同波长的光会被导向不同的输出波导，实现波长分离。 阵列波导的设计灵感来源于凹面光栅，但与之不同的是，它在相邻光栅单元间引入了光程差naΔL。这使得阵列波导不仅具有衍射效应，还能控制光的聚焦位置，将特定波长的光引导至预设的输出波导。罗兰圆的概念在这里起到了关键作用，它的直径等于凹面光栅的曲率半径，确保在该圆上的光经过衍射后仍然能聚焦在同一圆上，不同衍射级次对应不同的衍射角和波长。 在AWG的实际应用中，不同波长的光被精确地解复用到不同的输出通道，而次要衍射级次的光功率较低，可能会被损耗掉或不被接收。这种器件的高精度和可调性使其在光纤通信、光传感、光谱分析等领域有着广泛的应用，例如用于数据中心的高速光互连、光网络的波长选择开关以及光学测试设备等。 阵列波导光栅是一种利用光的干涉和衍射原理实现光波长选择的技术，通过精确控制光程差来分离不同波长的光信号，是现代光纤通信系统中的重要组件。其设计和制造技术的进步不断推动着光通信技术的发展，提高了系统的容量和效率。