阵列波导光栅 — 分合波功能

上一期我们聊到光纤布拉格光栅与环行器或其他隔离组件配合，可以实现分合波功能。//光纤布拉格光栅是怎样的？//

今天我们来看看另一种普遍使用的分合波器件：阵列波导光栅，英文名：Arrayed Waveguide Grating，即 AWG 。

不过在说 AWG 前，我们先看一眼啥是平面光波导（PLC）技术。

波导，用于约束光波的媒介。为啥需要约束？目的是让光按有效地限制光波在指定方向或空间上传播，如光纤可以约束光在芯层内传播。光纤是种波导，圆型光波导。或者约束还有矩形波导，平板型波导等。

如下图是矩形波导，也叫条形波导。

与我们今天 AWG 相关的是平板型光波导，可由薄膜制成的，通常由至少三层不同折射率的薄膜材料构成，所以也叫薄膜波导。通常，波导层（core layer）的折射率要比上下包层（cladding layers）的折射率大。

当光束从一侧进入波导并在适当的角度下入射时，由于折射率的差异，光波会在核心层内部反复反射前进，而不会向侧面散射，从而实现了对光束的约束和定向传输。

利用PLC 技术就可以干很多事情了，可以制造成光栅、分路器，也可以用来做光开关。

我们的阵列波导光栅 AWG 则是第一个将 PLC 技术应用于商品化的元器件。

从结构上来，AWG 由输入光波导、平板波导、波导阵列、平板波导、输出波导组成。如下图：

AWG阵列波导光栅示意图看起来很复杂，其实它就是光的一种“分路器”。简单点来说它可以把不同颜色的光分开，就像我们用初中物理课上的三棱镜，可以把白光分成七种颜色一样。

回到AWG，它里面的这些波导单元犹如一个个长度定制的传输管道。当光信号在不同波导单元中传播时，利用光的衍射和干涉效应，实现我们所需的功能。

啥叫衍射？看下图，当光通过狭缝时，会发生衍射现象，即在狭缝两侧产生明暗相间的条纹。

干涉就不细说了，大家应该都知道“可怕”的杨氏双缝干涉实验，我的肤浅理解，它是两束光波在经过两条狭缝，各狭缝产生衍射，然后两条缝的衍射后的光波，因相位差产生干涉，导致条纹更加深或浅。如果是多条狭缝呢？

比如说将上图中的面板换成光栅：

对于AWG，就是这样的，实现色散展开，光在空间上发生分离。

我们来具体捋一捋AWG实现分波的过程：

光从进入阵列波导光栅（AWG）后的具体过程可以详细描述如下：

• 输入光波导

携带有多波长光信号的复合光束通过输入光波导进入到AWG中。输入光波导的作用是将输入的光信号均匀地引入到后续的光处理结构。

• 第一段平板波导

经过输入光波导后，光信号进入一段平板波导，此处的作用是对光信号进行初步的传播和分布，以确保后续进入波导阵列时的均匀性。

• 波导阵列

随后，光信号进入关键的波导阵列区域。波导阵列由一系列长度渐变的波导组成，其长度差异设计符合以下公式，以实现不同波长光信号的相位调节：

其中，I(x) 是光波通过波导长度差 L 后产生的相位差，n 是波导材料的折射率， λ 是光波的波长。不同的波长在不同长度的波导中积累特定的相位延迟，从而在离开阵列波导时具有不同的相位关系。

• 第二段平板波导

经过波导阵列的光信号再次进入另一个平板波导区域。这时，不同波长、带有特定相位差的光信号在平板波导中相遇并发生干涉。干涉效应导致特定波长的光在特定位置强度增强，形成干涉极大值，而在其他位置减弱或消失。干涉图案的强度分布可以使用干涉公式来理解：

这里的 I(x) 是在位置 x 的光强， I1 和 I2 分别是两束干涉光的强度，k 是波数，x 是空间位置，

是两束光的初始相位差。

如上面讲的，在AWG中，虽然并非简单的双缝干涉，但干涉原理依然适用，只是干涉发生在多个波导输出的光束之间。

• 输出波导

最后经过干涉效应分离的光信号，每个特定波长的光在特定位置强度最大，此时通过输出波导将这些分离好的光信号输出到各自的通道中。每个输出波导对应一个特定的波长范围。因此，不同波长的光信号被精确地分离并导向各自的输出端口。

上面描述的是AGW的分波功能，当光信号从相反的方向（反向）输入AWG时，由于AWG的物理结构特性（波导长度和相位关系）保持不变，这些波长的光信号会按照同样的相位和幅度关系在输出端合并，从而实现光信号的合波功能。