阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器是一种平面器件，兼具成像和色散特性。它由输入/输出（I/O）波导、波导阵列（也称为相控阵PA）以及两个星形耦合器也称为自由传播区（FPR）组成，如图1所示。

 某一输入波导（通常位于输入星形耦合器物面中心）将包含多个波长（λ₁ 到 λₙ）的光信号送入耦合器。进入耦合器后，光束不再受横向限制，因而发生扩散。波导阵列捕获这一发散光，并将其传输至输出星形耦合器的输入孔径。

阵列波导的长度被设计成：相邻波导之间的光程差 ΔL 等于解复用器中心波长 λ_c 的整数倍。对于该中心波长，各阵列波导中的光场到达输出耦合器输入孔径时具有相同的相位，从而在输出端精确重现输入耦合器输出孔径处的场分布。在输出星形耦合器中，这些光束发生相长干涉，并汇聚到焦线上唯一确定的焦点。因此，中心波长 λ_c 的输入光场从输入星形耦合器的物面被完整地映射到输出星形耦合器像面的中心。

图2(a) 将波长聚焦在焦线的不同位置包含四个解复用的波长

       (b) AWG光谱响应

当波长偏离中心波长（即变为 λ_c ± Δλ，例如 λ₁, λ₂, …）时，各阵列波导中的相位变化将沿通道方向（从下至上）呈线性增加。结果，在输出星形耦合器的输入孔径处，波前会产生轻微倾斜，导致光束聚焦到像面焦线上不同的位置（如图2所示）。通过在焦线上相应位置放置输出波导（也称为传输通道），即可将每个波长的光高效耦合进对应的输出通道。

现今市场上有多种阵列波导光栅AWG可供选择，其光学特性主要取决于所使用的波导材料的光学属性。AWGs可以在不同的材料平台上制造，例如：

从材料的角度来看，这些AWG可以分为两大类：低折射率差AWG和高折射率差AWG。

低折射率差AWG（基于SoS的波导设备）于1994年进入市场。大多数情况下，它们使用的是埋入式的矩形SiO2波导，通常截面为(6×6) μm²，核心（波导）与包层之间的折射率差较低，Δn∼0.011（此处，核心的折射率nc ∼1.456，包层的折射率ncl∼1.445，如图3(a)所示）。这个参数也常以百分比形式表示为Δn∼0.75%，即(nc−ncl)·100/nc。低折射率差AWG由于具有多个优势，至今仍占据着AWG市场的很大份额。

图3 (a) 和 (b)：二氧化硅覆硅（SoS）与绝缘体上硅（SOI）波导的典型横截面结构，标注了标准尺寸和折射率

(c) 和 (d)：上述两种波导与标准单模光纤（SMF）的模场尺寸对比

高折射率差波导的第二个缺点是：其导模有效折射率对波导纤芯的尺寸波动极为敏感。这种敏感性会在制造过程中引入随机相位误差，且随着阵列波导数量的增加而迅速累积。这些工艺缺陷会严重劣化 AWG 性能，显著增大信道间串扰（实测串扰通常大于15dB）。

此外，在硅纳米线波导中，由于侧壁粗糙度引起的光散射，其单位长度的散射损耗远高于传统低折射率差波导。为降低侧壁粗糙度、减小尺寸波动，SOI 纳米线 AWG 需要采用极高分辨率的微纳加工工艺，而这一要求至今仍是技术上的重大挑战。作为高/低折射率差 AWG 的一种折中方案，氮化硅（Si₃N₄）近年来受到关注。该平台具有中等折射率对比度，介于上述两类主流材料之间，兼具较好的集成能力和较低的传输损耗。

根据具体应用需求，AWG 还可按传输信道数、信道间隔（channel spacing）以及光谱响应特性进行分类。

在波分复用（WDM）系统中，用于传输信息的波长信道数通常为 2 的整数幂，因此 AWG 被设计为可分离 2 个波长（或 4、8、16、32、64个，依此类推）。此外，市面上也已有支持40信道和80信道的 AWG 器件。

图4波分复用（WDM）系统

WDM 系统中使用的波长通常集中在1550nm 附近——这是光纤损耗最低、传输性能最优的波段。相邻信道之间的波长间隔通常为0.8nm 的整数倍，该间隔对应于100GHz 的频率间隔（见图2），因此也被称为“100GHz 间隔”。

 其他常见的间隔包括 1.6nm（即 200GHz），或任何100GHz（0.8nm）的整数倍。采用100GHz 或更大间隔的系统被归类为WDM系统。然而，随着对传输容量需求的不断增长，人们希望在有限光谱范围内容纳更多波长，因此出现了更密集的信道配置：例如将标准间隔减半至 0.4nm（即50GHz），甚至缩减至四分之一，即0.2nm（25GHz）。这类采用窄间隔的系统被称为密集波分复用（DWDM）。

随着对更高容量的持续追求，未来有必要进一步提升AWG的信道数量，并持续缩小信道间隔，例如降至12.5GHz（≈0.1nm）、10GHz（≈0.08nm）甚至更小。