DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.007

阵列波导光栅与光纤的对准耦合研究

李继攀，郑煜，王丽军，吕文，段吉安

(中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：以2种不同截面尺寸的阵列波导光栅芯片(截面长×宽为6.0 μm×6.0 μm和4.5 μm×4.5 μm)与单模光纤的对准耦合为对象，基于光束传播法建立对准耦合仿真模型，分析输入端/输出端几何位置偏差对耦合损耗的影响规律，并进行实验验证，以指导AWG器件的耦合封装。研究结果表明：长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面光通道输入端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.77 μm，19 μm和0.57°，输出端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.77 μm，18.00 μm和0.49°；4.5 μm×4.5 μm截面光通道输入端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.69 μm，18.00 μm和0.57°，输出端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.68 μm，19.00 μm和0.71°；在耦合过程中，首先应考虑横向偏移误差和角度偏移，最后应考虑轴向间距误差。

关键词：阵列波导光栅；单模光纤；对准耦合；插入损耗；几何位置偏差

中图分类号：TN253             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)08-2010-06

Study on coupling of arrayed waveguide grating and fiber

LI Jipan, ZHENG Yu, WANG Lijun, L Wen, DUAN Jian

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The aligning and coupling of single-mode fiber(SMF) and arrayed waveguide grating(AWG) chip in two different cross-sectional dimensions (6.0 μm×6.0 μm and 4.5 μm×4.5 μm) were studied. Based on the beam propagation method(BPM),simulation model of the aligning and coupling was built to analyze the influence of alignment deviations of the inputs/outputs on the coupling loss. And the simulation was verified by experiment to guide the AWG component package. The results show that for the optical channel of 6.0 μm×6.0 μm cross section area, when the coupling loss is 0.15 dB in the inputs, the optical tolerances of the transverse dislocation, the axial gap and the angle deviation are 0.77 μm, 19 μm and 0.57°, respectively, however, in the outputs they are respectively 0.77 μm, 18.00 μm and 0.49°. For the optical channel of 4.5 μm×4.5 μm cross section area, when the coupling loss is 0.15 dB in inputs, the optical tolerances of the transverse dislocation, the axial gap and the angle deviation are 0.69 μm, 18.00 μm and 0.57°,respectively, however, in the outputs, they are respectively 0.68 μm, 19.00 μm and 0.71° in the coupling process, the transverse deviation and the angle deviation should be firstly considered, and finally the axial gap.

Key words: arrayed waveguide grating; single-mode fiber; aligning and coupling; insertion loss; alignment deviation

密集波分复用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)凭借超大容量、扩容简单、性能可靠等优点成为当今光纤网络通信的首选技术，而DWDM系统主要依赖于波分复用/解复用器。阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)复用/解复用器具有信道间隔小、插入损耗低且均匀性好、复用信道数多、易于与其他器件集成等特点^[1-3]，并且由于AWG是基于平面光波导技术光刻而成，制作简单且多通道数与低通道数的制作成本相当，适合大批量、自动化生产，因此，AWG器件发展极为迅速，在DWDM的应用中占据着十分重要的地位。在阵列波导光栅复用/解复用器对准耦合封装过程中，AWG芯片的输入端和输出端分别与光纤对准固结，这势必产生光功率损耗，包括光纤/芯片本身的传输损耗、光纤与波导间模场失配损耗、菲涅尔反射损耗和几何对准偏差损耗。其中，由自身结构产生的传输损耗和模场失配损耗可以通过优化设计和制作减少，菲涅尔反射损耗可以通过折射率匹配的固化胶减少。而对准偏差损耗是由于在实际对准过程中受人为因素和操作平台精度的影响，光纤纤芯和波导光通道难以对准而产生位置偏差，包括横向位错损耗、轴向间距损耗和角度偏移损耗。通常AWG芯片光通道截面长×宽为6.0 μm×6.0 μm和4.5 μm×4.5 μm，而单模光纤的纤芯直径为8~9 μm，器件封装时需要将多个如此小的波导通道与阵列光纤一一对准，任一通道的对准精度不足都会影响器件的光信号传输和转换，因此，光纤与波导能否高精度地对准成为获得最大耦合光功率的制约因素^[4]。目前，国外掌握AWG器件的主要设计和封装技术，国内则主要致力于AWG芯片的参数设计和优化^[5-7]，而对耦合封装过程的研究很少。为此，本文作者采用光束传播法(beam propagation method，BPM)，以截面长×宽为6.0 μm×6.0 μm和4.5 μm×4.5 μm的波导为分析对象，分别建立单通道波导与光纤输入端和输出端的耦合仿真模型，探讨几何对准偏差对耦合损耗的影响，并搭建对准耦合实验系统进行实验验证，以指导AWG复用/解复用器的封装研究。

1  对准耦合理论分析

光纤的模场分布可近似为高斯函数分布，而矩形波导的模场分布可近似为厄米-高斯分布。光纤模场为圆形，波导芯片光通道出射处的模场是椭圆形，显然，当光纤与波导耦合时必然存在模场失配损耗^[8]。为实现光纤和波导的最佳耦合，在不考虑端面反射且两模场中心对准的条件下，光纤和波导的耦合效率η可由重叠积分^[9]得

            (1)

式中：A为光波导模场与光纤模场的重叠面积，如图1所示。

图1  光纤与光波导模场重叠示意图

Fig. 1  Schematic diagram of overlap of mode distribution between fiber and waveguide

此时，光纤和波导的耦合效率简化为

     (2)

式中：W_f为单模光纤模场半径；W_wX和W_wY分别为沿X和Y方向的模场半径。模场失配导致的耦合损耗L(η)为

    (3)

当光纤和波导模场相匹配时，耦合损耗近似为0 dB。所以，在不影响波导单模传输的条件下，应尽量使波导模场尺寸与光纤模场匹配以得到最佳耦合功率。

2  基于BPM理论建立耦合模型

光束传输法的基本思想是沿着光束在波导中的传播方向上取一小段步长，由给定已知的初始光场值和波导条件来解下一步长光场，再以该光场作为下一个步长的初始条件计算光场分布，依照此方法逐步循环到波导末尾，从而得到整段波导中光场的模拟分布情况^[10-11]。光纤与波导各通道的对准耦合原理和传输性质基本相同，因此，仅选取其中1个通道建立单模光纤与矩形波导(输入端和输出端)对准耦合的模型。

在单通道波导与1根光纤对接时存在5个对准自由度：横向(X/Y)位错、轴向(Z)间距和角度(α/β)偏移，如图2所示。而当波导芯片与阵列光纤对准时，则需要考虑沿Z轴的角度θ对光功率损耗的影响。单模光纤和矩形波导模场呈对称分布，且各通道对准耦合方式和光波传输特性基本一致，因此，选取单通道进行耦合分析。

图2  光纤与波导几何对准偏差示意图

Fig. 2  Schematic diagram of alignment deviation between fiber and waveguide

以图2建立单通道波导与光纤的几何对准耦合模型并得出耦合仿真值。设置仿真计算参数如下：光源波长λ=1.55 nm，波导与光纤的包层折射率都设为1.465 8，单模光纤为康宁SMF-28e(芯径D=8.3 μm)，纤芯与包层折射率差为0.36%，矩形波导截面长×宽为6.0 μm×6.0 μm和4.5 μm×4.5 μm，光通道与包层折射率差分别为0.75%和1.5%。在对准过程中光纤与波导间存在的间隙是折射率为1的空气层^[12]，封装后是匹配折射率的固化胶层，因此，在仿真时设定光纤与波导间距为10 μm的空气层。

3  仿真结果分析

3.1  横向位错

横向位错是指光纤与波导对准耦合时，无法完全对准而沿径向产生的偏移量。耦合模型沿X/Y轴向对称，因此，X/Y方向偏移量与耦合损耗关系图一致。

横向位错与耦合损耗的关系见图3。由图3可知：2种截面尺寸的光波导与光纤对准，输入端/输出端的耦合损耗都随着横向位错的增加而急剧增加，偏移越大，损耗上升越快。以0.15 dB耦合损耗为分析对象，光纤与长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面波导对准时模拟输入端的横向位错为0.775 8 μm，输出端的横向位错为0.771 6 μm；光纤与长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面波导对准时模拟输入端的横向位错为0.695 9 μm，输出端的横向位错为0.688 6 μm。相比而言，小截面尺寸波导特别是在波导与光纤对准的输出端，横向位错的光学容差要求更严格。

图3  横向位错与耦合损耗的关系

Fig. 3  Relations between transverse dislocation and coupling loss

3.2  轴向间距

在实际封装过程中，阵列光纤与波导间必定存在一定间隙，对准时轴向间距是由折射率为1的空气填充，封装时轴向间距是由折射率匹配的固化胶，通常为氟代环氧树脂或氟代丙烯酸脂，在紫外光照射下由液态转变为一定厚度的固化胶层。对准时轴向间距(空气层)与耦合损耗的关系如图4所示。

由图4可知：耦合损耗随着轴向间距的增加而增加。以0.15 dB的耦合损耗为分析对象，光纤与长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面波导对准时模拟输入端轴向间距为19.519 0 μm，输出端轴向间距为18.375 2 μm。光纤与长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面波导对准时模拟输入端的轴向间距为18.644 6 μm，输出端轴向间距为19.061 9 μm。在轴向间距为0 μm即完全对准的情况下，仍然存在耦合损耗，这是因为光波导与光纤模场不匹配。同时，根据衍射理论^[13](其中，f为远场衍射角，λ为光波波长)可知，直径为8.3 μm的单模光纤远场角为21.53°，长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面波导的远场角为29.94°，长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面波导的远场角为40.30°。再由可知光纤的接收角为14.33°，长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面波导的接收角为20.825°，长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面波导的接收角为21.88°。可见远场发散角都大于波导接收角，特别在波导与光纤对准的输出端大部分光信号耦合进入包层引起较大的耦合损耗。随着轴向间距增大，波导模场扩散严重致使耦合损耗增加速率加快。

图4  轴向间距与耦合损耗的关系

Fig. 4  Relationship between axial gap and coupling loss

3.3  偏移角度

偏移角度是指对准时绕X轴与Y轴的角度偏差α和β，波导和光纤对准模型在X/Y方向对称，因此，偏移角度α和β对耦合损耗的影响也是一致的，如图5所示。

从图5可见：随着偏移角度增大，耦合损耗逐渐增大，并且α/β越大，大部分光信号无法耦合进入光通道而在包层中消耗以致损耗急剧增大。以0.15 dB耦合损耗为分析对象，光纤与长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面波导对准时模拟输入端的角度偏移为 0.572 8°，输出端的角度偏移为0.491 9°；光纤与长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面波导对准时模拟输入端的角度偏移为0.579 8°，输出端的角度偏移为0.710 3°。

综上所述，2种不同截面尺寸波导与光纤耦合的0.15 dB容差比较如表1所示。分析表1可知：2种不同截面尺寸波导的耦合损耗变化规律基本一致；随着偏移量增加，耦合损耗增加，且横向位错和偏移角度比轴向间距对耦合损耗光学容差小很多，因此，在对准过程中，横向和角度需要更高的对准精度和工艺要求。

图5  偏移角度与耦合损耗的关系

Fig. 5  Relationshop between angle deviation and coupling loss

表1  耦合损耗为0.15 dB时2种不同截面尺寸波导与光纤的耦合仿真结果比较

Table 1  Comparisons of coupled simulation results between two different cross-sectional dimension’s waveguides and fibers when coupling loss is 0.15 dB

4  对准耦合实验

仿真参数搭建光纤与波导芯片对准耦合实验系统如图6所示。据图6，验证2种截面尺寸波导与光纤耦合输入/输出端横向和轴向误差对光功率损耗的影响规律。实验采用日本KOHZU的6维手动调整平台，激光光源选用国产ASE宽带光源，光功率计是Newport公司2835-C型双通道光功率计，选用韩国HB公司出品的48通道硅基石英波导AWG芯片(截面长×宽为4.5 μm×4.5 μm)和国产商用的48通道单模光纤阵列。依据仿真，设定阵列光纤与波导芯片距离为10 μm。

实验结果如图7所示。将图7所示结果与4.5 μm×4.5 μm截面波导仿真结果比较可知：实验曲线与仿真曲线变化趋势一致，但因为实验所得插入损耗不仅是光纤与波导输入/输出耦合损耗，而且包括芯片和光纤自身的传输损耗等，因此，实验值大于仿真值。可见在几何位置偏差中，光功率损耗对横向位错十分敏感，特别是波导与光纤对准的输出端光学容差更小，对准精度要求更高，耗时更长，难度更大。

阵列光纤与AWG芯片完成对准固化封装后，使用Agilent公司的86142B型光谱仪测试器件各通道插入损耗，测试波长范围为1.520~1.570 μm，环境温度约为26 ℃。图8所示为24个通道的中心波长和实测插入损耗，相邻通道波长间隔为0.8 nm，最大插入损耗为-4.305 dB，低于目前AWG封装最大插入损耗-5 dB的行业标准。

图6  阵列波导光栅与光纤对准耦合实验系统

Fig. 6  Experimental system of AWG and fiber alignment coupling

图7  几何偏差与光功率损耗的关系

Fig. 7  Relationship between alignment deviation and optical power loss

图9  插入损耗光谱图

Fig. 9  Image of insertion loss spectrum

5  结论

1) 长×宽为6.0 μm×6.0 μm的截面光通道输入端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.77 μm，19 μm和0.57°，输出端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.77 μm，18.00 μm和0.49°。长×宽为4.5 μm×4.5 μm的截面光通道输入端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.69 μm，18.00 μm和0.57°，输出端横向位错、轴向间距和角度偏移的0.15 dB容差分别为0.68 μm，19.00 μm和0.71°。

2) 随着几何位错偏移量增加，光纤与波导光功率损耗增加。相比轴向间距，横向位错和偏移角度对耦合损耗的光学容差要小很多，对对准工艺和精度提出更高要求；封装完成的AWG器件，实测最大插入损耗为-4.305 dB。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-08-08；修回日期：2016-10-03

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51475479)；国家高新技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA040406)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ2010)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110162130004)；浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金资助项目(ZKF-201401)(Project(51475479) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012AA040406) supported by the National High-Tech R&D Program (863 Program) of China; Project(14JJ2010) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(20110162130004) supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education; Project(ZKF-201401) supported by the Open Project of Stage Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University)

通信作者：郑煜，博士，副教授，从事集成光子器件封装制造理论与技术研究；E-mail：zhengyu@csu.edu.cn