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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，而且標志著科學的真正進步。—愛因斯坦（A.Einstein）

       以陣列波導光柵為基礎(chǔ)的平面波導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)的輸入和輸出波導陣列之間插入一塊聚焦平板波導區(qū)，即在Si或InP平面波導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，輸入陣列波導法線方向直接指向輸出陣列波導的相位中心P點，而輸出波導法線方向直接指向輸入波導的相位中心Q點，其目的是為了確保當發(fā)射陣列的邊緣波導有出射光時，接收陣列的邊緣波導能夠接收到相同的功率。

圖4.2.1采用硅平面波導技術(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/輸出波導的位置滿足羅蘭圓和光柵圓規(guī)則，即輸入/輸出波導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的兩側(cè)，輸入波導端面法線方向指向右側(cè)光柵圓的圓心P點；輸出波導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/輸出波導的端部，并使中心輸入和輸出波導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、N個輸出波導、兩個在4.2.1節(jié)介紹的N×M平板波導星形耦合器以及一個有M個波導的平板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陣列輸入端中的每一個波導。由式（6.1.1b）可知，M陣列波導長度L用光在該波導中傳輸?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長度L表示的沿該波導傳輸?shù)墓獾念l率為

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

式中，k是傳播常數(shù)，k=2πn/λ，ΔL是相鄰波導間的光程差，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可以從波分復用信號中分解出每個波長的信號。