CN101419313B - 基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，是在普通硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片上，沿输入平板波导上的切割线或输出平板波导上的切割线将阵列波导光栅芯片分割成第一部分和第二部分；将温度补偿杆横跨放置在阵列波导光栅芯片切割线处，并同阵列波导光栅芯片的第一部分和第二部分的表面固定，通过温度补偿杆的热胀冷缩带动第一部分和第二部分产生相对移动，从而补偿由温度引起的波长漂移，制作出无热阵列波导光栅。本发明没有基板。第一部分a和第二部分b是放在六维精密微调架上进行六个方向完全自由调整；降低了器件成本；最大限度地简化了工艺步骤，使得器件制作简单易行；最大限度地降低器件性能恶化；稳定性强。

Description

基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及一种温度不敏感阵列波导光栅。特别是涉及一种利用温度补偿杆的热胀冷缩带动阵列波导栅芯片的a、b两部分产生相对移动，从而补偿由温度引起的波长漂移的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法。

背景技术

由于IP数据业务的不断增长和各种宽带接入业务的涌现带来了对带宽的无限需求，密集波分复用(DWDM)技术得到了蓬勃发展。复用器和解复用器是DWDM系统中的关键器件，目前已有多种结构的器件能实现波分复用功能，如薄膜干涉滤光片、声光滤波器、光纤光栅、阵列波导光栅(AWG)等。最近几年发展的阵列波导光栅具有尺寸小、易于集成、通道间距窄、性能稳定等优点，促进了波分复用型无源光网络(WDM-PON)的发展。但由于普通AWG是利用硅基二氧化硅技术制作的，二氧化硅的折射率随温度的变化而改变，波导的尺寸也会随温度的变化而改变，从而导致AWG的各个通道的波长随温度而变化，通常情况下，该类器件的中心波长的温度变化为0.011nm/℃，但通信系统要求AWG的各个输出通道光信号的波长和国际电信联盟(ITU-T)规定的波长严格一致。为了解决AWG器件的温度敏感性，目前市场上普遍采用加热器或Pilter冷却器进行温度控制，采用温控电路使得AWG处于恒温环境下，这样中心波长就不会漂移。但它会对AWG本身的稳定性有不良影响、增加器件及系统的复杂性及运营成本。因此解决AWG的温度敏感性问题，省略温控电路，消除附加费用已经势在必行；并且，在WDM-PON中使用的复用/解复用器是不使用电功率的，这样使用电流、带温控电路的AWG是不能满足要求的，从而只能使用无热AWG。另外，可重构光分插复用器(ROADM)和可变光衰减复用器(VMUX)在城域网中得到了广泛使用，在这两个器件中使用无须辅助电路的无热AWG就很容易地解决了热量及电功率消耗等关键问题，从而给系统开发以更大的设计自由度。所有这些显示出设计无热AWG具有异常重要的意义，为此，人们提出了许多无热AWG的方案，按照其特征分，可以归纳为以下几类：

1、波导移动型(包括移动输入波导、输出波导、输入平板波导和输出平板波导)

通过切开的两部分之间的相对位置改变(这个位置的改变是通过一个热伸缩材料实现的)来补偿普通AWG中心波长随温度的变化。

2、波导嵌入填充物型

在AWG波导中嵌入折射率温度系数与二氧化硅折射率温度系数不同的材料进行补偿。目前使用最多的是POLYMER材料，它具有大的负热光系数，硅片(二氧化硅)的热光系数为正，如果在AWG的局部区域嵌入POLYMER材料代替二氧化硅材料，那么POLYMER的负热光系数就会补偿或抵消二氧化硅的正热光系数，最终使构成AWG材料的综合热光系数为零，从而实现AWG通道波长与温度无关。如在阵列波导上开三角形的槽或者在平板波导上开月亮形的槽，填充POLYMER材料。

3、无热波导型(包括全聚合物型波导结构和混合型波导结构)

全聚合物型波导结构是利用聚合物的负热光系数同硅/二氧化硅波导长度的变化对波长的影响相抵消；对混合型波导结构而言，波导上包层制成POLYMER材料，或改变二氧化硅的掺杂，并通过适当的选择波导截面尺寸，或者在波导上加过渡层的办法。这种混合波导结构的折射率温度系数不能通过解析的方法求得，只能应用数值方法求得，通过精确设计能使波导的光程不受外界温度影响。

4、压光效应型

利用压力对材料光折射率的影响，张应力使折射率变小，压应力使折射率变大。通过设计，使压力带来的折射率的变化抵消或补偿硅基二氧化硅材料热光系数带来的折射率变化，从而稳定了AWG各个通道的波长。如应力板法。

5、其它

实现AWG的无热特性，还有其它的一些方案，也仅限于少量文献报道，这些方法因实用性较差，这里不叙述。

基于平板波导移动的现有技术如图1、2所示，以下专利Patent No.：US 6470119 B1，Patent No.：US 6798948 B2，Patent No.：US 6865323 B2，Patent No.：US 6961498 B2，Patent No.：US 6563986 B2，Patent No.：US 6735364 B2，Patent No.：US 8626332 B2，Patent No.：US 6954566 B2，Patent No.：US 6975793 B2，Patent No.：US 6668116 B2，Patent No.：US 6668117 B2，Patent No.：US 6490395 B1，WO 2006/073229 A1，CN1302131A，CN1392961A为基于平板波导移动的无热阵列波导光栅方案，其方案特点具体归纳如下：1)相对移动的部分a与部分b的下面都有一基板11，基板11有较大的尺寸，大大增加了器件的成本及器件大小。2)要么a部分与b部分在切割开后保持切开前的状态，没有进行耦合调整，但是保持切开前的状态有极大的难度，特别是高度方向上亚微米的变化就能导致光谱的极大恶化；要么a部分与b部分在切割开后重新进行光学耦合对准，但是由于基板11的存在大大限制了重新耦合的自由度，并且对基板11与a部分和b部分的接触面的光滑平整度、洁净度有极高的要求。由于对制作工艺容差的要求较高，导致成品率较低，器件成本较高，不利于规模化生产。3)为了增加器件的稳定性，a部分与基板11是通过某种具有弹性结构夹具的夹持来实现可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够不使用基板，大大提高了耦合自由度，提高了成品率，简化了工艺步骤的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，具体包括有如下步骤：

1)在具有输入平板波导和输出平板波导的阵列波导光栅芯片上，将输入光纤阵列、输出光纤阵列同阵列波导光栅芯片进行对准，使阵列波导光栅芯片和输入光纤阵列、输出光纤阵列稳定可靠地耦合对准起来；

2)沿切割线将阵列波导光栅芯片切割成第一部分和第二部分；

3)将第一部分和第二部分进行耦合对准，在第一部分和第二部分之间的间隙内点上匹配液，接上测试系统在线测试各项性能指标；

4)沿阵列波导光栅芯片的第一部分和第二部分的连接线上设置温度补偿杆，在第一部分和第二部分的下面不设置基板，使温度补偿杆的宽度横跨切割线，即将温度补偿杆的第一、第二玻璃挡板的左侧部设置在第一部分上，将温度补偿杆的第一、第二玻璃挡板的右侧部设置在第二部分上，并在第一玻璃挡板的左侧部与第一部分接触处和第二玻璃挡板的右侧部与第二部分接触处点加粘胶，在第一玻璃挡板的右侧部与第二部分接触处和第二玻璃挡板的左侧部与第一部分接触处不加粘胶，然后又在测试系统上在线测试各项性能指标；

5)待各项性能指标测试合格后，固化温度补偿杆；

6)在温度补偿杆两端各粘接有一个稳定固件，所述稳定固件两端的连接块分别对应与第一部分、第二部分或与第二部分、第一部分也牢固地粘接在一起。

第4)步骤和第6)步骤所述粘接用的粘胶为UV胶或热固化胶。

所述的阵列波导光栅芯片切割后形成的第一部分、第二部分是装在六维微调架上进行光学耦合。

所述的稳定固件包括有：采用具有挠性形变的刚性材料构成的本体和分别粘接在本体两端的由玻璃构成的连接块。

所述的稳定固件包括有：采用刚性材料制作的本体和位于本体两端且与本体一体形成的连接块。

所述的刚性材料包括有金属、合金、聚合物。

所述的切割线位于输入平板波导或输出平板波导的任意位置，切割线与平板波导轴线的夹角为任意角度。

本发明的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法具有如下特点：

1)没有基板。第一部分a和第二部分b是放在六维精密微调架上进行六个方向完全自由调整；降低了器件成本；减小了器件尺寸，整个器件可同AWG芯片相比拟，封装后的尺寸可以做到55×35×8mm；最大限度地简化了工艺步骤，使得器件制作简单易行；

2)第一部分a和第二部分b是放在六维精密微调架上进行光学耦合。放在六维精密微调架上耦合时六个方向都能调整，纵向高度差用微调架是比较容易得到保证的，能最大限度地降低器件性能恶化。用微调架重新耦合的器件具有完美的性能指标，同原始AWG芯片相比(以所测40通道中最坏情况为准)：插损变大0.2dB，ripple变大0.05dB，PDL有较小的减小趋势，光谱形状的变化不大，BW@0.5dB减小20pm，BW@1dB减小10pm，BW@3dB减小10pm，BW@20dB减小30-40pm，串扰恶化2dB。用目前普通商用AWG芯片制作的无热AWG模块具有同目前商用有热AWG模块相比拟的性能指标，完全能满足市场的要求。

3)带有稳定固件。采用将稳定固件10两端的玻璃块9.1、9.2分别与第一部分a、第二部分b(第二部分b、第一部分a)牢固地粘接在一起，因为稳定固件高度方向上非常稳定，从而第一部分a、第二部分b通过稳定固件牢固地连接成一个整体，这样就完全地解决了稳定性问题。

附图说明

图1、图2是现有技术的平板波导移动结构示意图；

图3是普通AWG芯片的结构示意图；

图4是切割后AWG芯片的b部分；

图5是切割后AWG芯片的a部分；

图6是波长补偿杆与AWG芯片的a、b两部分相粘后的结构示意图；

图7是在温度补偿杆两侧、a部分、b部分两边粘上稳定固件后的结构示意图；

图8是本发明所用的温度补偿杆结构示意图；

图9是本发明所用的稳定固件结构示意图。

其中：

1-输入波导；2-输入平板波导；3-阵列波导；4-输出平板波导；5-输出波导；6-温度补偿杆；7-金属部分；7.1-第一玻璃挡板；7.2-第二玻璃挡板；8-凹槽；7.1.1、7.2.1-右侧部；7.1.2、7.2.2-左侧部；9-本体；9.1、9.2-连接块；10-稳定固件；L-本体9的长度方向；W-本体9的厚度方向；H-本体9的高度方向；11-基板；a-第一部分；b-第二部分；C-切割线；θ-切割线与平板波导轴线的夹角。

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法做出详细说明。

本发明的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，是在采用平面光波导技术制作的普通硅基二氧化硅阵列波导光栅(AWG)芯片上，沿输入平板波导2上的切割线C或输出平板波导4上的切割线C将AWG芯片分割成第一部分a和第二部分b，第一部分a包括输入波导1、输入平板波导2的一部分，第二部分b包括输入平板波导2的剩余部分、阵列波导3、输出平板波导4及输出波导5；将温度补偿杆6横跨放置在AWG芯片切割线C处，并同AWG芯片的第一部分a和第二部分b的表面固定，通过温度补偿杆6的热胀冷缩带动第一部分a和第二部分b产生相对移动，从而补偿由温度引起的波长漂移，制作出无热阵列波导光栅。

上述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，具体包括有如下步骤：

1)如图3所示，在具有输入平板波导2和输出平板波导4的阵列波导光栅(AWG)芯片上，将输入光纤阵列F、输出光纤阵列G同阵列波导光栅芯片进行对准，使阵列波导光栅芯片和输入光纤阵列F、输出光纤阵列G稳定可靠地耦合对准起来；

2)如图4、5所示，沿切割线C将阵列波导光栅(AWG)芯片切割成第一部分a和第二部分b，所述的切割线C位于输入平板波导2或输出平板波导4的任意位置，切割线C与平板波导轴线的夹角θ为任意角度；

3)将AWG芯片切割后形成的第一部分a和第二部分b是装在六维微调架上，进行光学耦合对准，在第一部分a和第二部分b之间的间隙内点上匹配液，调ITU-T波长，接上测试系统在线测试各项性能指标，包括插损、中心波长、带宽、偏振相关波长、偏振相关损耗、串扰等指标；

4)如图6所示，沿阵列波导光栅(AWG)芯片的第一部分a和第二部分b的连接线上设置如图8所示的温度补偿杆6，在第一部分a和第二部分b的下面不设置基板，使温度补偿杆6的宽度横跨切割线C，即将温度补偿杆6的第一、第二玻璃挡板7.1、7.2的左侧部7.1.1、7.2.1(玻璃挡板下表面开凹槽后形成的部分)设置在第一部分a上，将温度补偿杆6的第一、第二玻璃挡板7.1、7.2的右侧部7.1.2、7.2.2(玻璃挡板下表面开凹槽后形成的部分)设置在第二部分b上，并在第一玻璃挡板7.1的左侧部7.1.1与第一部分a接触处和第二玻璃挡板7.2的右侧部7.2.2与第二部分b接触处点加粘胶，所述粘接用的粘胶为UV胶或热固化胶。在第一玻璃挡板7.1的右侧部7.1.2与第二部分b接触处和第二玻璃挡板7.2的左侧部7.2.1与第一部分a接触处不加粘胶，然后又在测试系统上在线测试各项性能指标，包括插损、中心波长、带宽、偏振相关波长、偏振相关损耗、串扰等指标；

所述的温度补偿杆6，如图8所示，是采用具有热胀冷缩性质的补偿杆7，在补偿杆7的两端粘接第一、第二玻璃挡板7.1、7.2，第一、第二玻璃挡板7.1、7.2下面均开有一个凹槽8，凹槽8将两端的第一、第二玻璃挡板7.1、7.2分别分成左侧部7.1.1、7.2.1和右侧部7.1.2、7.2.2，最后将第一、第二玻璃挡板7.1、7.2的下表面抛平，做成温度补偿杆6。所述的第一、第二玻璃挡板7.1、7.2的下表面中心处开有的凹槽8可以用于隔离固化胶，防止固化胶进入第一部分a与第二部分b的连接线中而粘住两部分。

5)待各项性能指标测试合格后，固化温度补偿杆6；

6)如图7所示，在温度补偿杆6两端各粘接有一个稳定固件10，所述稳定固件10两端的连接块9.1、9.2分别对应与第一部分a、第二部分b(或与第二部分b、第一部分a)也牢固地粘接在一起。所述粘接用的粘胶为UV胶或热固化胶或其它粘胶。

如图9所示，所述的稳定固件10包括有：采用具有挠性形变的刚性材料构成的本体9和分别粘接在本体9两端的由玻璃构成的连接块9.1、9.2，将玻璃连接块9.1、9.2的下表面抛平。本体9在尺寸上具有薄(W很小)、长(L很大)、高(H较大)的特点，从而具有在厚度方向上可以产生弹性形变，对温度补偿杆6的热胀冷缩产生很小的阻力，但在高度方向上非常稳定。例如，W取0.4mm，L取10mm，L取3mm。

所述的稳定固件10还可以是包括有：采用刚性材料制作的本体9和位于本体9两端且与本体9一体形成的连接块9.1、9.2。

所述的刚性材料包括一切纯金属(如铝、铜等)、合金(如铝合金、铜合金、钢铁等)、聚合物(如聚四氟乙烯等)。

稳定固件10的本体9和两端的连接块9.1、9.2形成U形结构，这种U形结构能防止固化胶沿着本体9下端进入第一部分a与第二部分b的连接线中而粘住两部分。

本发明的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法的温度补偿原理如下：

AWG的中心波长λ_c为：

其中n_eff为波导的有效折射率，ΔL为相邻阵列波导的长度差，m是衍射级次。对公式两边求导，得AWG中心波长的温度敏感性表示为：

其中

是衬底的线膨胀系数，因为一般情况下，衬底厚度比包层及芯层的厚度大得多，因此常用衬底的线膨胀系数。对于硅基二氧化硅波导而言，

，n_eff＝1.456，α_sub＝3.0×10^-6，在λ_c＝1550nm处，将相应的数值代入(2)式，得中心波长的温度漂移系数

为0.015nm/℃，但实际上由于制作工艺的偏差等原因，芯片的实际温度漂移系数

为0.011nm/℃。

根据AWG的线色散关系，得到位移和波长漂移的关系为：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{L_f\×\mathrm{\ΔL}}{n_s\×d\×{\mathrm{\λ}}_c}{n}_g---\left(3\right)$

其中L_f和n_s分别是平板波导的焦距和折射率，d是相邻阵列波导在输出平板波导上的间距，n_g是阵列波导的群折射率。因此，如图4所示，如果在输入或输出平板波导上任一位置以任意角度沿C线切开，通过温度补偿杆使切开两部分能随温度变化而产生相对移动，这样就可以补偿由于温度引起的波长漂移，从而得到无热AWG。

温度变化ΔT时，中心波长随温度的变化切开两部分的相对移动距离为Δx时，某一输出通道的中心波长随位移的变化

如果使Δλ_c＝Δλ_c ¹成立，则可得到完全的波长补偿。

设温度补偿杆的线膨胀系数为α，长度为L，则将上述相关公式代入Δλ_c＝Δλ_c ¹，可得到下列关系式：

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{dT}}\×\mathrm{\ΔT}=\frac{n_s\×d\×{\mathrm{\λ}}_c}{L_f\×\mathrm{\ΔL}\×n_g}\×\mathrm{\α}\×L\×\mathrm{\ΔT}$

由上式就可计算出所需的温度补偿杆长度L。

Claims (7)

1.一种基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，具体包括有如下步骤：

1)在具有输入平板波导(2)和输出平板波导(4)的阵列波导光栅芯片上，将输入光纤阵列(F)、输出光纤阵列(G)同阵列波导光栅芯片进行对准，使阵列波导光栅芯片和输入光纤阵列(F)、输出光纤阵列(G)稳定可靠地耦合对准起来；

2)沿切割线(C)将阵列波导光栅芯片切割成第一部分(a)和第二部分(b)；

3)将第一部分(a)和第二部分(b)进行耦合对准，在第一部分(a)和第二部分(b)之间的间隙内点上匹配液，接上测试系统在线测试各项性能指标；

4)沿阵列波导光栅芯片的第一部分(a)和第二部分(b)的连接线上设置温度补偿杆(6)，在第一部分(a)和第二部分(b)的下面不设置基板，使温度补偿杆(6)的宽度横跨切割线(C)，即将温度补偿杆(6)的第一、第二玻璃挡板(7.1、7.2)的左侧部(7.1.1、7.2.1)设置在第一部分(a)上，将温度补偿杆(6)的第一、第二玻璃挡板(7.1、7.2)的右侧部(7.1.2、7.2.2)设置在第二部分(b)上，并在第一玻璃挡板(7.1)的左侧部(7.1.1)与第一部分(a)接触处和第二玻璃挡板(7.2)的右侧部(7.2.2)与第二部分(b)接触处点加粘胶，在第一玻璃挡板(7.1)的右侧部(7.1.2)与第二部分(b)接触处和第二玻璃挡板(7.2)的左侧部(7.2.1)与第一部分(a)接触处不加粘胶，然后又在测试系统上在线测试各项性能指标；

5)待各项性能指标测试合格后，固化温度补偿杆(6)；

6)在温度补偿杆(6)两端各粘接有一个稳定固件(10)，所述稳定固件(10)两端的连接块(9.1、9.2)分别对应与第一部分(a)、第二部分(b)或与第二部分(b)、第一部分(a)也牢固地粘接在一起。

2.根据权利要求1所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，第4)步骤和第6)步骤所述粘接用的粘胶为UV胶或热固化胶。

3.根据权利要求1所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，所述的阵列波导光栅芯片切割后形成的第一部分(a)、第二部分(b)是装在六维微调架上进行光学耦合。

4.根据权利要求1所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，所述的稳定固件(10)包括有：采用具有挠性形变的刚性材料构成的本体(9)和分别粘接在本体(9)两端的由玻璃构成的连接块(9.1、9.2)。

5.根据权利要求1所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，所述的稳定固件(10)包括有：采用刚性材料制作的本体(9)和位于本体(9)两端且与本体(9)一体形成的连接块(9.1、9.2)。

6.根据权利要求4或5所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，所述的刚性材料包括有金属、合金、聚合物。

7.根据权利要求1所述的基于平板波导移动的无热阵列波导光栅的制作方法，其特征在于，所述的切割线(C)位于输入平板波导(2)或输出平板波导(4)的任意位置，切割线(C)与平板波导轴线的夹角(θ)为任意角度。

Images