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       提出一個問題往往比解決一個更重要。因為解決問題也許僅是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒炆系募寄芏?，而提出新的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進步。—愛因斯坦（A.Einstein）

       以陣列波導(dǎo)光柵為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)集成電路在光纖通信器件和系統(tǒng)中占有極其重要的地位。

一、AWG星形耦合器

       AWG星形耦合器是一種集成光學(xué)結(jié)構(gòu)器件，它是在對稱扇形結(jié)構(gòu)的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即在Si或InP平面波導(dǎo)襯底上制成的自由空間耦合區(qū)，它的作用是把連接到任一輸入波導(dǎo)的單模光纖的輸入光功率輻射進入該區(qū)，均勻地分配到每個輸出端，讓輸出波導(dǎo)陣列有效地接收，如圖4.2.1所示。

       自由空間區(qū)的設(shè)計有兩種方法，一種是相位中心耦合法，如圖4.2.1a所示，輸入陣列波導(dǎo)法線方向直接指向輸出陣列波導(dǎo)的相位中心P點，而輸出波導(dǎo)法線方向直接指向輸入波導(dǎo)的相位中心Q點，其目的是為了確保當(dāng)發(fā)射陣列的邊緣波導(dǎo)有出射光時，接收陣列的邊緣波導(dǎo)能夠接收到相同的功率。

圖4.2.1采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦合器和相位中心結(jié)構(gòu)示意圖

a）相位中心多端星形耦合器外形圖b）光柵圓中心耦合區(qū)星形耦合器示意圖

       自由空間區(qū)的另一種設(shè)計方法是光柵圓中心耦合法，如圖4.2.1b所示，自由空間區(qū)兩邊的輸入/輸出波導(dǎo)的位置滿足羅蘭圓和光柵圓規(guī)則，即輸入/輸出波導(dǎo)的端口以等間距排列在半徑為R的光柵圓周上，并對稱地分布在聚焦平板波導(dǎo)的兩側(cè)，輸入波導(dǎo)端面法線方向指向右側(cè)光柵圓的圓心P點；輸出波導(dǎo)端面的法線方向指向左側(cè)光柵圓的圓心Q點。兩個光柵圓周的圓心Q和P在中心輸入/輸出波導(dǎo)的端部，并使中心輸入和輸出波導(dǎo)位于光柵圓與羅蘭圓的切點處。

       這種結(jié)構(gòu)的星形耦合器容易制造，適合構(gòu)成大規(guī)模的N×N星形耦合器（輸入/輸出均有N個端口）

二、AWG工作原理——多波長光經(jīng)不同路徑在終點干涉

       平板AWG器件由N個輸入波導(dǎo)、N個輸出波導(dǎo)、兩個在4.2.1節(jié)介紹的N×M平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個有M個波導(dǎo)的平板AWG組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。N×M平板波導(dǎo)星形耦合器中心耦合區(qū)如圖4.2.1所示。

        這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差ΔL，如圖4.2.2a所示。

圖4.2.2陣列波導(dǎo)光柵（AWG）

a）AWG構(gòu)成原理圖b）表示AWG頻譜特性傳輸函數(shù)

       AWG光柵工作原理是基于多個單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。輸入光從第一個星形耦合器輸入，該耦合器把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個波導(dǎo)。由式（6.1.1b）可知，M陣列波導(dǎo)長度L用光在該波導(dǎo)中傳輸?shù)陌氩ㄩLλ/2n的整數(shù)倍m（階數(shù)）表示，即

式中，n是波導(dǎo)的折射率，f=c/λ是光波頻率，c是自由空間光速。由此可以得到用波導(dǎo)長度L表示的沿該波導(dǎo)傳輸?shù)墓獾念l率為

        由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度互不相等，所以相鄰波導(dǎo)光程差引起的相位延遲也不等，由式（2.2.3）可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為

式中，k是傳播常數(shù)，k=2πn/λ，ΔL是相鄰波導(dǎo)間的光程差，通常為幾十微米。發(fā)生相長干涉時，Δφ=m（2π），由式（4.2.3a）可以得到

從式（4.2.3b）可知，輸出端口不同，光程差也不同，輸出光的波長也不同，所以AWG可以從波分復(fù)用信號中分解出每個波長的信號。