波導(dǎo)光柵,波導(dǎo)光柵原理什么?

數(shù)組波導(dǎo)光柵屬于平面光路技術(shù)(Planar Light Circuit; PLC)的一種，因此在介紹數(shù)組波導(dǎo)光柵之前，需先談?wù)勂矫娌▽?dǎo)技術(shù)。

基于現(xiàn)有的光被動(dòng)組件都有勞力密集、低產(chǎn)能與低組裝良率等缺點(diǎn)，因而引發(fā)制造商投入以半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)被動(dòng)光組件的動(dòng)機(jī)，也因此發(fā)展出了平面光波導(dǎo)的技術(shù)。發(fā)展平面光波導(dǎo)技術(shù)的主要目的便是要將具有2個(gè)以上功能組件積體化到同一平臺(tái)(基板)上。其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力乃起因于WDM技術(shù)的成功，因?yàn)閃DM技術(shù)使得在單一傳輸在線增加頻寬變得可能。其主要概念為允許不同波長(zhǎng)之光訊號(hào)得以共存(coexist)于單一光纖上。當(dāng)不同的波長(zhǎng)聚合時(shí)，個(gè)別的訊號(hào)便結(jié)合起來(lái)(combined)或是多任務(wù)化(multiplexed)，而到了接收端時(shí)，訊號(hào)則需被分離開(kāi)來(lái)(separated)或進(jìn)行解多任務(wù)(demultiplexed)。示意圖如圖一所示。

圖一 WDM示意圖

平面光波導(dǎo)的技術(shù)是將光回路(optical circuitry)局限在芯片上面，藉由波導(dǎo)(waveguide)來(lái)限制光訊號(hào)在芯片表面上的路徑，其功能就好比光纖導(dǎo)引光訊號(hào)般。光波導(dǎo)的核心(core)比包覆層(cladding layer)有較高的折射率，因此便可以將信號(hào)局限在波導(dǎo)內(nèi)(全反射原理)。而在組件上之波導(dǎo)圖(waveguide pattern)就好比電路板上的電路圖，光路在此組件表面上便可以很容易地被導(dǎo)到不同的位置。

平面光波導(dǎo)技術(shù)于直線路徑的傳輸效果相當(dāng)好，但是，因?yàn)樵趹?yīng)用時(shí)需將路徑局限于小小的芯片上，因此便需要將路徑彎曲，而此彎曲的路徑便會(huì)受制于曲率半徑，而此曲率半徑乃由核心/披覆層的折射率差以及波導(dǎo)所能承受的最大訊號(hào)插入損失所控制。前者取決于核心/披覆層的材料和制程，后者為組件設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。此外，最小彎曲半徑可以在1公厘至10公厘的范圍，主要是依組件設(shè)計(jì)型態(tài)的不同而不同。

在平面光組件中，應(yīng)用于制作解多任務(wù)功能最普遍的例子，便是數(shù)組波導(dǎo)光柵(Array Waveguide Grating; AWG)，其主要設(shè)計(jì)依據(jù)為光的干涉原理(利用光波特性來(lái)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性干涉)。此類(lèi)型組件會(huì)將一入射訊號(hào)分裂成多個(gè)不相同的波導(dǎo)分支(waveguide branch)，如圖二所示，這些支流會(huì)被各不同曲率半徑的拱形路徑所引導(dǎo)，且各支流的長(zhǎng)度都必須相當(dāng)精確地設(shè)計(jì)成不等長(zhǎng)度。因此當(dāng)這謝光波抵達(dá)終點(diǎn)時(shí)，訊號(hào)會(huì)再次被匯集，但因?yàn)椴煌窂介L(zhǎng)度所造成的干涉態(tài)各不相同，以致于相差也各不相同，如此，借著利用干涉態(tài)不同的效應(yīng)便可用來(lái)分離不同光波長(zhǎng)的訊號(hào)。

圖二 AWG 分波圖

AWG分波原理簡(jiǎn)單說(shuō)明如下： 參考圖2-5

多個(gè)波長(zhǎng)由Input waveguide進(jìn)入input slab waveguide (star coupler)。

slab waveguide 將導(dǎo)入之多個(gè)波長(zhǎng)分別等能量比例地導(dǎo)入array waveguide grating中。

Array waveguide grating使得相鄰waveguide中之同一波長(zhǎng)訊號(hào)產(chǎn)生同一差距之光程差，造成每個(gè)相鄰波道之同一波長(zhǎng)訊號(hào)彼此在 array waveguide 之輸出端行程固定大小之相位差。

在output slab waveguide中，由于彼此不同相位差之光干涉原理，使得在array waveguide中不同波道之相同波長(zhǎng)之訊號(hào)由相同之 output waveguide輸出，進(jìn)而達(dá)到分波之目的。