FTTH中應(yīng)用的一種衍射光柵的設(shè)計(jì)

胡昱

【摘要】 研究了在WDM中使用廣泛的平面波導(dǎo)衍射光柵，并且在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于全內(nèi)反射鏡陣列的透射型平面波導(dǎo)光柵。設(shè)計(jì)了光柵的結(jié)構(gòu)、分析了中心波長(zhǎng)的成像，非中心波長(zhǎng)的像差和光譜分布。

【關(guān)鍵詞】 FTTH 衍射光柵 全內(nèi)反射鏡陣列 像差 光譜

一、引言

衍射光柵作為實(shí)現(xiàn)WDM技術(shù)的核心器件而備受關(guān)注。不同波長(zhǎng)入射光由光纖導(dǎo)入輸入波導(dǎo)，再由衍射光柵將不同波長(zhǎng)的光分別聚焦到特定位置，由輸出波導(dǎo)導(dǎo)出，以實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。目前，WDM中常用的兩種衍射光柵分別是AWG（陣列波導(dǎo)光柵）和EDG（刻蝕衍射光柵）[1]。全內(nèi)反射鏡陣列光柵是AWG的一種，它具有像差低、制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，有很好的應(yīng)用潛力。

二、衍射光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在羅蘭圓上的光源發(fā)出一定頻率的光，被與羅蘭圓相切且半徑為2倍羅蘭圓半徑的圓弧反射，將仍然匯聚在羅蘭圓上?；诖嗽?，在羅蘭圓上光輸入位置I附近取點(diǎn)O作為給定波長(zhǎng)的輸出無(wú)像差點(diǎn)，由各槽面中心位置Pi（在2倍羅蘭圓半徑的圓上）確定的光程像差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，從而決定槽面中心的位置，有：

將參數(shù)帶入方程（2.3），可得每一個(gè)光柵齒面到第一個(gè)齒面的距離。可以看到，隨著齒面序數(shù)的增加，每一個(gè)光柵齒面到第一個(gè)面的距離并不是直線(xiàn)增加的，而是增加的帶有平緩的趨勢(shì)。并且，當(dāng)齒序數(shù)為100時(shí)所得到的值，可以代表光柵的總長(zhǎng)度，可以看出，光柵的總長(zhǎng)度大概為0.48毫米左右。

在確定了各個(gè)齒面的齒面中心點(diǎn)坐標(biāo)后，下面將確定各齒面的具體形狀。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，齒面形狀的確定應(yīng)該滿(mǎn)足以下兩個(gè)要求：1.位于下方的齒面不能遮擋進(jìn)入上方齒面的光線(xiàn)；2.齒面的斜邊不能對(duì)入射光線(xiàn)有影響。

三、非中心波長(zhǎng)最小像差點(diǎn)的確定

其中：P是光柵上每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高斯光束場(chǎng)強(qiáng)的振幅；∑P為所有光柵齒面上的高斯光束場(chǎng)強(qiáng)的振幅之和；ΔL為相對(duì)于空間中的任意一點(diǎn)，每一個(gè)齒面對(duì)于第50個(gè)齒（基準(zhǔn)齒面）的光程差；k為光柵齒面的齒序數(shù)；m為衍射級(jí)次；λ為非中心波長(zhǎng)，此處設(shè)為1550nm光波波長(zhǎng)；neff為介質(zhì)有效折射率；

假設(shè)一束高斯光束入射到光柵的第1個(gè)齒面，經(jīng)過(guò)反射后出射點(diǎn)為XP1；入射到光柵的第50個(gè)齒面，出射點(diǎn)為XP50，；入射到第100個(gè)齒面，出射點(diǎn)為XP100。連接這三個(gè)出射點(diǎn)，形成一塊掃描區(qū)域，對(duì)這個(gè)掃描區(qū)域的每一點(diǎn)計(jì)算出射光的像差，最終得到最小像差點(diǎn)的位置。對(duì)于1550nm非中心波長(zhǎng)的入射光，其最小像差點(diǎn)的坐標(biāo)為（0.0028，-8.0887e-006）。1490nm波長(zhǎng)的光在聚焦點(diǎn)處的光強(qiáng)更大，光譜更為尖銳，聚焦性更好。而1550nm光波在聚焦點(diǎn)處的聚焦性能比1490nm要差，但仍然可以在波分復(fù)用中利用。其他非中心波長(zhǎng)的最小像差點(diǎn)尋找方式和1550nm波長(zhǎng)類(lèi)似。

四、結(jié)束語(yǔ)

波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)在光通信中大規(guī)模使用。衍射光柵作為波分復(fù)用的核心部件之一，其性能影響著光傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量。在滿(mǎn)足信號(hào)質(zhì)量的傳輸需求外，它的制作成本也是一個(gè)重要的考慮因素。本文提供了一種衍射光柵結(jié)構(gòu)，既能滿(mǎn)足光傳輸需求，而且制作方式簡(jiǎn)單，成本低廉，有良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 盛鐘延，何賽靈，何建軍.刻蝕衍射光柵波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)與模擬. 光子學(xué)報(bào)， 2001， 30（5）：567～571

[2] 盛鐘延，何賽靈，何建軍. 刻蝕衍射光柵設(shè)計(jì)的一點(diǎn)法與兩點(diǎn)法. 光電子.激光， 2001， 12（7）：671～674