马卫东，宋琼辉，杨涛
武汉邮电科学研究院-光迅科技，武汉，430074
摘要：本文从理论上分析了光纤和波导端面之间的耦合长度随光纤（波导）横截面尺寸之间的关系，并提出了一种新的AWG耦合封装方案，即先利用两个探测器监测通道功率值，快速对准AWG和光纤阵列，再利用光功率的双向监测来完成AWG和光纤阵列的最终对准；该方案克服了AWG芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的AWG模块当双向使用时可能出现插入损耗过大的问题。
关键词： 阵列波导光栅，光纤阵列，耦合封装，耦合距离
一 引言
光密集波分复用(DWDM)加光纤放大器(EDFA)的高速、大容量光纤传输系统已经成为包括中国在内的世界各国光纤网络建设的首选方案。作为建设大容量光传输网的最佳手段，DWDM技术已获得长足发展。目前，全球已敷设的DWDM系统已超过30000个，N×10Gbit/s的系统已广泛使用，N×40Gbit/s的系统技术已基本成熟。阵列波导光栅（AWG）型复用/解复用器是一种平面波导器件，是在单个芯片上制作的阵列波导光栅。AWG型DWDM器件的特点是信道间隔小、插入损耗小且均匀性好、复用信道数多、体积小、易于与其它器件集成等等。并且由于AWG是波导集成器件，易于批量、自动化生产，在成本上有一定的优势，所以在40或80个波长的DWDM系统的驱动下，AWG型DWDM器件推广的势头强劲[1]。
目前AWG芯片的制备工艺基本成熟，国外许多大公司都能提供商品化的AWG芯片，并且价格也不断下调，但AWG模块价格却保持较高的水平，原因是将AWG芯片和光纤阵列对准粘接在一起形成AWG模块的耦合封装工作难度很大。波导通道的横截面尺寸大约几个微米，将如此小的波导通道和芯径约9个微米的单模光纤精确对准，是非常困难的。另外，国内外对AWG芯片的研究文章非常之多，而对既重要又有难度的耦合封装工作的报道非常少。
目前对准AWG芯片和光纤阵列主要有手工对准和自动对准两种做法，它们依赖的硬件主要有六维精密（电动程控）微调架，光源和功率计等[2,3]。图1给出了目前典型的AWG耦合封装系统示意图，两个光纤阵列分别固定在六维精密微调架上，AWG芯片放在中间的支架上，左边为输入端，右边为输出端。首先光源的光进入左边输入端光纤阵列1，并将光电探测器下移到AWG芯片的右输出端，调节微调架1，通过监测光电探测器的读数来对准光纤阵列1和AWG的输入端，然后移走探测器；调节微调架2，通过监测光功率计的读数来对准AWG的输出端和光纤阵列2。目前这种对准方案存在耗时长，封装好的AWG模块做为双向器件使用时可能出现插入损耗过大的问题。
中英文对照：光纤--Fiber，阵列光纤---Fiber Array，AWG 芯片---AWG chip，六维微调架---Six-axes stage，光源---Source，光功率计---Power Meter，支架---Backstop，光电探测器---Photoelectric detector。
本文提出了一种新的AWG耦合封装方案，先利用两个探测器来监测AWG通道的功率值，快速对准AWG和光纤阵列，再利用光功率的双向监测来完成AWG和光纤阵列的最终对准；该方案克服了AWG芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的AWG模块当双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使AWG芯片的快速高质量耦合封装成为可能。
二 波导和光纤耦合的理论分析
关于光纤和波导耦合的理论有很多的报道，二者的耦合效率由光纤模场和波导模场之间的重叠积分确定[4]。光纤和波导之间的接续损耗主要由如下损耗构成：光纤和波导之间的横向位错损耗，纵向间距损耗，轴向角度倾斜损耗，模场匹配损耗，数值孔径差异损耗等。前三项损耗的大小取决与光纤和波导是否对得非常准，后两项损耗取决于光纤和波导的本身结构，与对准无关。本文重点考虑光纤和波导之间的纵向间距损耗问题，因为横向位错损耗和轴向角度倾斜损耗可通过精确调节微调架来减小到可接受的值，而纵向间距损耗需要考虑纵向间距取值范围的问题。
对照： 波导---Waveguide，近场光束---Near field beam.
图2给出了波导模场辐射出端口的示意图。光波从宽度为α的条形波导的开口端辐射入自由空间，即使波导口外面已不是波导，但在距离Zc范围内，波仍然象有波导一样，受到一定的约束。光能是在Zc这个特征长度上辐射损耗掉的。从衍射理论可知[5]：
对于单模光纤而言， α约为9微米， λ取1.55微米，则Zc约为26微米。对于AWG芯片来讲，目前的发展趋势是在同一个硅片上做更多的AWG来降低成本，如日本的NTT在4英寸的硅片上做了26个AWG芯片，也即减小AWG芯片尺寸，这样就必须增加芯和包层之间的折射率差，从而要求波导的横截面尺寸比较小（一般为矩形），NTT的典型报道值为：芯层和包层折射率指数差为1.5%，芯尺寸为4.5´4.5微米[6]。根据公式（2），得到AWG波导的Zc(waveguide)约为6微米。
光纤和波导耦合时，设光纤和波导端面之间的耦合距离为Zl ，当光从光纤进入波导，则要求Zl小于Zc =26微米，因为在距离光纤端面Zl(fiber)以内的距离，从光纤里出来的高斯光束仍然能象在波导里面一样正常传播，高斯模场的模场半径基本保持不变，使光能量有效地耦合入波导；在距离光纤端面 以外的距离，光能量会迅速散开，使光纤和波导之间的耦合效率大大降低。同理，当光从波导耦合进入光纤时，要求Zl 小于Zc(waveguide)=6微米。可见，对于相同的光纤和波导，当光从光纤耦合进入波导时和光从波导耦合进入光纤时的耦合距离Zl是不同的。
考虑图1所示的AWG对准系统，为了减小端面反射损耗，波导器件和光纤阵列的端面都抛成了斜8度角的形状。从图中可以看出，当对准光纤阵列1和AWG芯片时，光纤阵列1需要在X和Y方向上进行大范围的频繁移动以便寻找最佳位置，为了防止光纤阵列和AWG芯片碰撞在一起而造成器件损伤，一开始就必须保证光纤和波导端面之间有较大的距离z ，一般而言 z~100微米。对准时按预先设定的步长来减小z 值，直到发现合适的 z值为止；每减小一次 z值，光纤阵列1就要重新在X和Y方向上寻找最佳位置，使光电探测器上的读数满足预定值。由于光纤阵列1和AWG芯片的耦合距离约为26微米，是个比较大的值，因此AWG芯片左端的对准时间T1比较小；AWG芯片的右端和光纤阵列2的耦合距离为6微米，相对较小，因此AWG芯片右端的对准需要更长的时间T2，我们的经验值是T2=5~10T1。
按上述过程封装好的AWG模块，光纤阵列1为AWG复用器的输入端，光纤阵列2为输出端。当这个模块用做解复用器时，光信号要从光纤阵列2进入，从光纤阵列1输出，而很可能光纤阵列1和AWG芯片之间的耦合距离大于6微米，从而造成过大的损耗。
三 实验和讨论
图3为我们提出的新的AWG芯片耦合封装系统示意图，和图1相比，增加了一个光电探测器；将图1中的光源和光功率计分别改为光源，光功率计和光开关模块，以便实现双向光传输和探测。首先是光从光纤阵列1进入，用光电探测器2探测，由于光纤阵列1和AWG之间的耦合距离较长，实现光纤阵列1和AWG左端的对准所用的时间T1’较小；沿 轴向左一维移开光纤阵列1，并记下移动距离，然后移动光电探测器1于AWG芯片左端，移走光电探测器2，使光从光纤阵列2进入AWG，调节微调架2对准光纤阵列2和AWG的右端，所用时间应该和T1’相当。移走光电探测器1，并恢复光纤阵列1的位置，切换光开关，由光功率计1监测光纤阵列1中的光功率，如果功率值非常小，说明光纤阵列1距AWG左端的距离大于6微米，只需小心沿一维 轴向右移动光纤阵列1即可，直到光功率计上获得满意的值为止。切换光开关，使光从光纤阵列1进入，从光纤阵列2出来并进入光功率计2，小心沿一维 轴向左移动光纤阵列2，使连接在光纤阵列2上的光功率计2的读数达到预定值为止，这时AWG芯片的右端和光纤阵列2的距离应小于6微米。由于是沿一维 轴向左（右）移动光纤阵列2（1），所以用的时间比较小，用T2’表示，一般而言T2’远小于T1’，故总时间约2 T1’。
中英文对照：光纤--Fiber，阵列光纤---Fiber Array，AWG 芯片---AWG chip，六维微调架---Six-axes stage，光源---Source，光功率计---Power Meter，支架---Backstop，光电探测器---Photoelectric detector, 光开关---optical switch.
从上面的分析可知，T1’~ T1，在图1所示的方法中，由于T2过大（5~10T1），所以和图3所示的方法相比耗时较大；从上面的分析可知，用图3所示的方法封装出的AWG器件，即可用做复用器，也可用做解复用器，而不会存在插入损耗过大的可能性。
对照：Nomalized loss(dB)---归一化损耗（分贝）, From fiber to waveguide---光从光纤进入波导, From waveguide to fiber---光从波导进入光纤, Coupling distance (micrometer)---耦合距离（微米）, Fig.4. Relation between the nomalized loss and the coupling distance
图4为光纤和AWG波导之间的归一化耦合损耗随两者之间耦合距离变化的实验关系曲线，图中的曲线C为光从光纤进入波导，曲线B为光从波导进入光纤（实验中所使用的精密微调架为美国NEWPORT公司的产品：M-561-TIL；光功率计为日本安立公司的产品：MT9810A；光源为武汉邮科院的产品：SOF35-B。）。从图中可以看出，耦合距离的变化从0增加到25微米时（在显微镜下观察，光纤和波导端面非常接近时设耦合距离为0），曲线C显示损耗变化在0.12分贝之内，大于25微米后，损耗增加很快；耦合距离的变化从0增加到5微米时，曲线B显示损耗几乎不变，大于5微米后，损耗增加很快；该实验结果和上述理论分析基本符合，对于曲线C在25微米内有0.12分贝损耗的变化可这样理解：微调架沿 轴移动时，很难保证严格沿 轴运动而不发生任何偏离，特别是移动的距离越长，这种偏离就越大，因此0.12分贝的损耗可能是这种偏离所造成。
四 结论
本文从理论上分析了光纤和波导端面之间的耦合长度随光纤（波导）横截面尺寸之间的关系，当光从光纤进入AWG波导时，耦合长度约为26微米，光从AWG波导进入光纤时，耦合长度约为6微米；提出了一种新的AWG耦合封装方案，即先利用两个探测器监测通道功率值，快速对准AWG和光纤阵列，再利用光功率的双向监测来完成AWG和光纤阵列的最终对准；该方案克服了AWG芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的AWG模块当双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使AWG芯片的快速高质量耦合封装成为可能。
摘自 光纤新闻网
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