波導光柵,波導光柵原理什么?

數組波導光柵屬于平面光路技術(Planar Light Circuit; PLC)的一種，因此在介紹數組波導光柵之前，需先談談平面波導技術。

基于現有的光被動組件都有勞力密集、低產能與低組裝良率等缺點，因而引發制造商投入以半導體制造技術來開發被動光組件的動機，也因此發展出了平面光波導的技術。發展平面光波導技術的主要目的便是要將具有2個以上功能組件積體化到同一平臺(基板)上。其關鍵驅動力乃起因于WDM技術的成功，因為WDM技術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之光訊號得以共存(coexist)于單一光纖上。當不同的波長聚合時，個別的訊號便結合起來(combined)或是多任務化(multiplexed)，而到了接收端時，訊號則需被分離開來(separated)或進行解多任務(demultiplexed)。示意圖如圖一所示。

圖一 WDM示意圖

平面光波導的技術是將光回路(optical circuitry)局限在芯片上面，藉由波導(waveguide)來限制光訊號在芯片表面上的路徑，其功能就好比光纖導引光訊號般。光波導的核心(core)比包覆層(cladding layer)有較高的折射率，因此便可以將信號局限在波導內(全反射原理)。而在組件上之波導圖(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到不同的位置。

平面光波導技術于直線路徑的傳輸效果相當好，但是，因為在應用時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所能承受的最大訊號插入損失所控制。前者取決于核心/披覆層的材料和制程，后者為組件設計時的重要參數。此外，最小彎曲半徑可以在1公厘至10公厘的范圍，主要是依組件設計型態的不同而不同。

在平面光組件中，應用于制作解多任務功能最普遍的例子，便是數組波導光柵(Array Waveguide Grating; AWG)，其主要設計依據為光的干涉原理(利用光波特性來產生建設性和破壞性干涉)。此類型組件會將一入射訊號分裂成多個不相同的波導分支(waveguide branch)，如圖二所示，這些支流會被各不同曲率半徑的拱形路徑所引導，且各支流的長度都必須相當精確地設計成不等長度。因此當這謝光波抵達終點時，訊號會再次被匯集，但因為不同路徑長度所造成的干涉態各不相同，以致于相差也各不相同，如此，借著利用干涉態不同的效應便可用來分離不同光波長的訊號。

圖二 AWG 分波圖

AWG分波原理簡單說明如下： 參考圖2-5

多個波長由Input waveguide進入input slab waveguide (star coupler)。

slab waveguide 將導入之多個波長分別等能量比例地導入array waveguide grating中。

Array waveguide grating使得相鄰waveguide中之同一波長訊號產生同一差距之光程差，造成每個相鄰波道之同一波長訊號彼此在 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之訊號由相同之 output waveguide輸出，進而達到分波之目的。