CN101840030B - 基于曲线形阵列波导光栅的无热awg制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，步骤如下：采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波导组成曲线形AWG芯片；将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上；进行与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的耦合调试并固化；分割第一AWG芯片和第二AWG芯片两部分；将第二AWG芯片与基板粘固；使第一AWG芯片与第二AWG芯片沿分割线的方向平行设置；调节曲线形AWG芯片的中心波长为ITUT波长，将补偿杆分别固化在第一AWG芯片和基板上；将制作的无热AWG从夹具上取下制作完成。采用本发明方法制作的温度补偿结构，能够克服芯片形变带来的光学性能变化，提高器件的性能稳定性；结构简单，操作方便，适合工业生产。

Description

基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法

技术领域

本发明涉及一种无热AWG制作方法。特别是涉及一种能够减少芯片形变造成的光学指标变化，提高波长稳定性，且无需外接电源的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法。 

背景技术

阵列波导光栅(AWG)是基于平面光波导集成技术的重要光器件。随着市场需求的变化和技术的进步，AWG已开始从加热型向无热型过渡，即AWG工作时无须对其加热，称为无热AWG(AAWG)。AAWG省去复杂的温度控制电路和加热器，降低了成本而且器件的稳定性增强，属于纯无源器件；节省了通信系统的能耗，应用范围更广。 

目前，AAWG的需求迅速增长，一是WDM无源光网络(WDM-PON)的快速发展，WDM-PON系统要求在室外-30℃到70℃的温度范围内都可以正常运行，而TFF的温漂大，不符合室外WDM-PON系统的应用要求，所以系统可能会使用大量的无热AWG以提供超过百兆的光纤到户业务。第二个原因是在城域网中可重构光分插复用器(ROADM)和可变光衰减复用器(VMUX)得到了迅速发展，在这两个器件中，电功率消耗带来的热量会引起隔离带降低等问题，也要求必须使用AAWG。因此开发无需加热的波长不随温度变化的AAWG显得非常必要。为此，人们提出了许多AAWG的方案，可以归纳为波导移动型、波导嵌入热光系数相反材料型和应力板粘贴型等。 

基于波导移动型的AAWG现有技术所有方案主体结构为：采用图1的方形AWG芯片。将方形AWG芯片分割成两部分，主体部分固定在基板上，移动部分通过补偿杆的热胀冷缩在基板的平面上进行移动，实现波长不敏感的目的。 

相对图1所示的方形AWG芯片，在相同面积的硅片可以制作更多曲线形AWG芯片，将大大降低成本。为了降低器件的成本，本发明中采用图2所示的曲线形AWG芯片。 

但是曲线芯片比方形芯片更加敏感，其原因如下： 

根据AWG芯片的工作原理。AWG的中心波长满足： 

mλ＝ΔL×n 

其中，m是整数，λ是中心波长，n是波导内的折射率，ΔL是相邻波导之间的长度差。式中，n、ΔL都是由AWG器件本身的特性所决定的。当芯片由原来的方形变成曲线形，轻微受力后外型极易发生形变，从而导致ΔL发生明显变化，并引起λ变化，即器件的中心波长发生变化。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用曲线形阵列波导光栅芯片，通过将该芯片粘接在夹层上，从而克服该芯片在无热AWG制作过程中带来的形变，提高其光学性能指标、特别是中心波长的稳定性，且无需外接电源的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，包括如下的制作步骤： 

1)采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波导组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片，其中，N＝1，2，3……； 

2)采用夹具及粘接胶，将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上； 

3)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列和输出光纤阵列固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的耦合调试后，进行紫外胶固化； 

4)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片连同夹层一起沿分割线分割为第一AWG芯片和第二AWG芯片两部分； 

5)将第二AWG芯片与基板粘接固定在一起； 

6)利用夹具将第一AWG芯片放置在基板上，使第一AWG芯片与第二AWG芯片沿分割线的方向平行设置； 

7)将补偿杆放置在第一AWG芯片和基板上，调节曲线形AWG芯片的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆分别固化在第一AWG芯片和基板上； 

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。 

所述的夹层是多边形，尺寸大于曲线形AWG芯片的包络线。 

所述的夹层的两端面与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的端面平行。 

所述的夹层材质的膨胀系数的范围为2-6×10^-6/℃。 

所述的夹层的总平整度在2-15um，翘曲度在20-50um。 

步骤2所述的将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上采用的粘接胶的硬度在50-80邵氏硬度A之间，芯片和夹层之间粘接胶厚度为20-500um。 

步骤2所述的将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上的固化条件为：首先85度下10-120分钟，然后120度下20-180分钟。 

步骤4所述的曲线形AWG芯片分割线的位置是在输入平板波导，或输出平板波导上的任一位置。 

所述分割线的方向与输入平板波导的光轴准直线方向之间的夹角为锐角，范围为8°±1°。 

步骤5所述的将第二AWG芯片与基板粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固化胶或紫外胶，第二AWG芯片与基板之间的粘接胶厚度小于1um。 

所述的基板总平整度为2-15um，翘曲度为20-50um。 

所述的基板的表面开槽，槽的方向与曲线形AWG芯片的分割线方向平行。 

所述的第二AWG芯片与基板的粘接区域是避开阵列波导的所有区域。 

本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，还可以是包括如下的制作步骤： 

1)采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波导组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片，其中，N＝1，2，3……； 

2)采用夹具及粘接胶，将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上； 

3)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片连同夹层一起沿分割线分割为第一AWG芯片和第二AWG芯片两部分； 

4)将第二AWG芯片与基板粘接固定在一起； 

5)利用夹具将第一AWG芯片放置在基板上，使第一AWG芯片与第二AWG芯片沿分割线的方向平行设置； 

6)将固定在基板上的第二AWG芯片与放置在基板上的第一AWG芯片沿分割线的方向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列和输出光纤阵列固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的耦合调试后，进行紫外胶固化； 

7)将补偿杆放置在第一AWG芯片和基板上，调节曲线形AWG芯片的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆分别固化在第一AWG芯片和基板上； 

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。 

采用本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法制作的基于曲线形阵列波导光栅的温度补偿结构，能够克服芯片形变带来的光学性能变化，提高器件的性能稳定性；结构简单，操作方便，适合工业生产。 

附图说明

图1是方形AWG芯片结构示意图； 

图2是本发明所采用的曲线形AWG芯片结构示意图； 

图3是本发明所采用的夹层的结构图 

其中的图(a)、图(b)、图(c)、图(d)是不同形状夹层的示意图； 

图4是带有粘接胶的夹层顶视图； 

图5是带有尾纤的曲线形AWG芯片与夹层粘接后的结构示意图； 

图6是图5切缝后的结构示意图； 

图7是基板的结构示意图； 

图8带有基板的曲线形AWG芯片的结构示意图； 

图9是制作完成的AAWG结构示意图。 

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：曲线形AWG芯片 

7：夹层            8：粘接胶 

9：输入光纤阵列    10：输出光纤阵列 

11：分割线         12：光轴准直线 

13：基板           14：粘接区域 

15：补偿杆 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法做出详细说明。 

本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，包括如下的制作步骤： 

1)采用至少一个输入波导1、输入平板波导2、阵列波导3、输出平板波导4和N个输出波导5组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片6； 

2)采用一个夹层7，所述的夹层7的结构如图3所示，可以是方形，多边形等各种图形。因为曲线形AWG芯片6轻微受力后外型极易发生形变，造成曲线形AWG芯片6性能参数发生变化，而阵列波导3部分的形变对性能参数的影响更大。为了降低曲线形AWG芯片6的形变、特别阵列波导3部分的形变对性能参数的影响，如图3所示的夹层7的尺寸必须大于曲线形AWG芯片6的包络线，能够提供足够的支撑。为了利用生产，夹层7的两端面需要与曲线形AWG芯片6的输入波导1和输出波导5的端面平行。 

为了降低曲线形AWG芯片6形变，所述的夹层材质的膨胀系数与曲线形AWG芯片的相近，所述的夹层7材质的膨胀系数的范围为2-6×10^-6/℃；为了降低曲线形AWG芯片6形变，所述的夹层7的总平整度在2-15um，典型值为10um；翘曲度在20-50um，典型值在30um。 

如图4所示，在夹层7规定的区域内涂上粘接胶8，为了降低曲线形AWG芯片形变，要求粘接胶有一定的强度，但不能太大，高强度的粘接胶可能造成曲线形AWG芯片6的断裂，所述的曲线形AWG芯片6和夹层7之间粘接胶8的硬度在50-80邵氏硬度A之间。如图5所示，采用夹具将曲线形AWG芯片6粘贴并固化在夹层7上，为了保证曲线形AWG芯片6与夹层7之间的粘接强度和平整度，曲线形AWG芯片6和夹层7之间粘接胶8厚度为20-500um，为了保证制作的AAWG结构稳定性，必须保证粘接胶8的固化充分，所述的固化条件为：首先在85度下固化10-120分钟，然后在120度下固化20-180分钟。 

还可以，将曲线形AWG芯片6的背面涂上粘接胶8，如图2所示。然后将夹层7和曲线形AWG芯片6粘接在一起，并充分固化，如图5所示。 

3)将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列9和输出光纤阵列10固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG 芯片6的输入波导1和输出波导5的耦合调试后，进行紫外胶固化，固化后的粘贴有夹层的曲线形AWG芯片以下简称为带尾纤的AWG。 

4)如图6所示，将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6即带尾纤的AWG，沿分割线11分割为第一AWG芯片6a和第二AWG芯片6b两部分； 

所述的曲线形AWG芯片6分割线11的位置是在输入平板波导2，或输出平板波导4，上的任一位置。 

本实施例中，分割线11以位于输入Slab波导为例进行说明。如图6所示的分割线11方向与Slab的光轴准直线12方向之间的夹角a通常不做要求，夹角a为锐角，可以在0-90℃之间。在AAWG的制作中，通常补偿杆15的方向与分割线11方向平行，而AAWG的补偿效果与补偿杆15的长度直接相关。如果a等于零，所需的补偿杆15的长度最短为L0。a越大，所需的补偿杆15的长度越长L，且L＝L0/cos(a)。补偿杆的长度越长，杠杆作用越明显，AAWG的损耗随温度的变化越大。为了降低这种效应，而且可以有效降低回波损耗，所述夹角a的范围要求为8°±1°。 

5)将第二AWG芯片6b与基板13粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固化胶或紫外胶，第二AWG芯片6b与基板13之间的粘接胶厚度小于1um。 

所述的基板13的材质不限，通用的半导体材料厂商提供的硅片和玻璃板均可，所述的基板13总平整度为2-15um，典型值为10um；翘曲度为20-50um，典型值在30um。 

为了提高基板13总平整度和翘曲度的精度，如图7所示，将基板13的表面开槽，槽的方向与曲线形AWG芯片6的分割线11方向平行。 

为了减小基板13材质与第二AWG芯片6b的不同带来的局部应力对曲线形AWG芯片6性能的劣化，如图8所示，所述的第二AWG芯片6b与基板13的粘接区域14要求为小范围粘接区域，且粘接区域是避开阵列波导3的所有区域。 

6)利用夹具将第一AWG芯片6a放置在基板13上，使第一AWG芯片6a与第二AWG芯片6b沿分割线11的方向平行设置； 

7)如图9所示，将补偿杆15放置在第一AWG芯片6a和基板13上，调节曲线形AWG芯片6的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆15分别固化在第一AWG芯片6a和基板13上； 

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。 

本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法可以不限于上述的制作步骤的描述，在具体操作可以做适当调整，在完成制作上述步骤2后，制作步骤还可以做下面的调整。在上述步骤3中更改如下：将粘贴有夹层的曲线形AWG芯片沿分割线11分割为第一AWG芯片6a和第二AWG芯片6b两部分。其次的依次进行步骤为上述步骤5、步骤6；然后步骤是将固定在基板上的第二AWG芯片6b与放置在基板上的第一AWG芯片6a沿分割线方向平行后固定在芯片夹具上，输入光纤阵列9和输出光纤阵列10固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与输入和输出波导的耦合调试，进行紫外 胶固化。接下来步骤为上述步骤7、步骤8。具体包括如下的制作步骤： 

1)采用至少一个输入波导1、输入平板波导2、阵列波导3、输出平板波导4和N个输出波导5组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片6； 

2)采用夹具及粘接胶8，将曲线形AWG芯片6粘贴并固化在夹层7上； 

3)将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6沿分割线11分割为第一AWG芯片6a和第二AWG芯片6b两部分； 

4)将第二AWG芯片6b与基板13粘接固定在一起； 

5)利用夹具将第一AWG芯片6a放置在基板13上，使第一AWG芯片6a与第二AWG芯片6b沿分割线11的方向平行设置； 

6)将固定在基板13上的第二AWG芯片6b与放置在基板13上的第一AWG芯片6a沿分割线11的方向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列9和输出光纤阵列10固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片6的输入波导1和输出波导5的耦合调试后，进行紫外胶固化； 

7)将补偿杆15放置在第一AWG芯片6a和基板13上，调节曲线形AWG芯片6的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆15分别固化在第一AWG芯片6a和基板13上； 

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。 

Claims (14)

1.一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于：包括如下的制作步骤：

1)采用至少一个输入波导(1)、输入平板波导(2)、阵列波导(3)、输出平板波导(4)和N个输出波导(5)组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片(6)，其中，N＝1，2，3……；

2)采用夹具及粘接胶(8)，将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上；

3)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列(9)和输出光纤阵列(10)固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片(6)的输入波导(1)和输出波导(5)的耦合调试后，进行紫外胶固化；

4)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)连同夹层(7)一起沿分割线(11)分割为第一AWG芯片(6a)和第二AWG芯片(6b)两部分；

5)将第二AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起；

6)利用夹具将第一AWG芯片(6a)放置在基板(13)上，使第一AWG芯片(6a)与第二AWG芯片(6b)沿分割线(11)的方向平行设置；

7)将补偿杆(15)放置在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上，调节曲线形AWG芯片(6)的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆(15)分别固化在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上；

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。

2.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的夹层(7)是多边形，尺寸大于曲线形AWG芯片(6)的包络线。

3.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的夹层(7)的两端面与曲线形AWG芯片(6)的输入波导(1)和输出波导(5)的端面平行。

4.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的夹层(7)材质的膨胀系数的范围为2-6×10^-6/℃。

5.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的夹层(7)的总平整度在2-15um，翘曲度在20-50um。

6.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，步骤2所述的将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上采用的粘接胶(8)的硬度在50-80邵氏硬度A之间，芯片和夹层之间粘接胶厚度为20-500um。

7.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，步骤2所述的将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上的固化条件为：首先85度下10-120分钟，然后120度下20-180分钟。

8.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，步骤4所述的曲线形AWG芯片(6)分割线(11)的位置是在输入平板波导(2)，或输出平板波导(4)上的任一位置。

9.根据权利要求8所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述分割线(11)的方向与输入平板波导的光轴准直线(12)方向之间的夹角为锐角，范围为8°±1°。

10.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，步骤5所述的将第二AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固化胶或紫外胶，第二AWG芯片(6b)与基板(13)之间的粘接胶厚度小于1um。

11.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的基板(13)总平整度为2-15um，翘曲度为20-50um。

12.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的基板(13)的表面开槽，槽的方向与曲线形AW6芯片(6)的分割线(11)方向平行。

13.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，所述的第二AWG芯片(6b)与基板(13)的粘接区域是避开阵列波导的所有区域。

14.一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于：包括如下的制作步骤：

1)采用至少一个输入波导(1)、输入平板波导(2)、阵列波导(3)、输出平板波导(4)和N个输出波导(5)组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片(6)，其中，N＝1，2，3……；

2)采用夹具及粘接胶(8)，将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上；

3)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)连同夹层(7)一起沿分割线(11)分割为第一AWG芯片(6a)和第二AWG芯片(6b)两部分；

4)将第二AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起；

5)利用夹具将第一AWG芯片(6a)放置在基板(13)上，使第一AWG芯片(6a)与第二AWG芯片(6b)沿分割线(11)的方向平行设置；

6)将固定在基板(13)上的第二AWG芯片(6b)与放置在基板(13)上的第一AWG芯片(6a)沿分割线(11)的方向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列(9)和输出光纤阵列(10)固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片(6)的输入波导(1)和输出波导(5)的耦合调试后，进行紫外胶固化；

7)将补偿杆(15)放置在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上，调节曲线形AWG芯片(6)的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆(15)分别固化在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上；

8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。

Images