CN102354028A - 一种无热阵列波导光栅波分复用器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无热阵列波导光栅波分复用器及其制造方法，该无热阵列波导光栅波分复用器，包括有温度补偿杆、基片、阵列波导光栅芯片，所述温度补偿杆上间隔设置有两个粘接区，第一粘接区上固定有第一基片，第二粘接区上固定有第二基片，固定后的第一基片和第二基片的相近边缘之间存有间隙；所述的阵列波导光栅芯片由分割而成且具有相同分割切断面的第一芯片和第二芯片所构成，第一芯片包含有输入波导和部分输入平板波导，第二芯片包含有阵列波导光栅芯片的其它部分；第一芯片对应地固定在第一基片上，第二芯片对应地固定在第二基片上；第二芯片上的输入平板波导的上表面和第二基片的上表面或者第二芯片上的输出平板波导上表面设置有固定片。本发明采用的温度补偿装置不易发生弹性形变，不易受外力作用导致AWG指标发生变化。

Description

一种无热阵列波导光栅波分复用器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种无热阵列波导光栅波分复用器（简称无热AWG）及其制造方法，本发明属于光通信领域。

背景技术

随着光传输研究的发展，波分复用技术已经成为一种增大通信信息容量的有效手段。所谓波分复用是指将多个不同波长的光合到同一根波导或光纤中传输，解复用是将同一根波导或光纤中的不同波长的光按照波长分别分到不同波导或光纤中的技术。实现波分复用技术的关键部分是波分复用器。阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称AWG）型密集波分复用/解复用（DWDM）器件具有信道间隔小、易于同其它器件集成、体积小、性能稳定、易于批量生产、以及成本低的特点而得到了快速的发展。

由于制作AWG的材料折射率以及波导的长度会随着环境的温度的变化而发生变化，从而导致AWG的输出光谱的中心波长随环境温度的变化而变化：在AWG工作的环境温度范围内，一般是-5~65 ℃之间，AWG的输出光谱的中心波长与环境温度的关系基本呈线性关系。对于现在常用的硅基二氧化硅材料制作的AWG而言，当环境温度每升高1 ℃，AWG的输出光谱的中心波长将向长波方向漂移约0.0114 nm。对于100 GHz频率间隔，即0.8 nm波长间隔或者更窄的频率间隔的DWDM系统而言，这种AWG是不实用的。为此需要采用合适的手段将AWG输出光谱的中心波长稳定在DWDM系统需要的波长上。为了实现这个目的，目前有两类方法：1、用加热器将AWG芯片温度控制在一个超过最大使用环境温度的温度上，且同时使得AWG光谱的中心波长为DWDM系统指定的波长—称为有热AWG；2、无需采用任何电的、热的控制系统，靠自身的材料结构或机械结构实现AWG光谱中心波长不随环境温度变化的目的—称为无热AWG。有热AWG的特点是结构简单，使用成熟的加热器以及温度控制电路就可以稳定AWG光谱中心波长，但是需要供电，增加了系统的功耗并需要系统专门为之预留供电接口与电参数监控接口，降低了系统设计灵活性；而无热AWG则不需要供电，但是一般结构复杂，目前商用普及率低于有热AWG，但是随着技术的发展，无热AWG的需求正越来越大。

在目前的各种无热AWG方案中，通过切开的AWG芯片两部分之间的相对位置改变来补偿普通AWG中心波长随温度的变化的方案研究最受关注，这个位置的改变是通过一个热伸缩材料实现的，这类方案可以直接使用现有的AWG芯片制作技术制作芯片，而且可以很容易地实现光谱中心波长的调整，并可以容易地实现高斯或平坦型光谱，且制作工艺相对简单。但是目前的各种方案均存在如下问题：1）由补偿杆连接的AWG芯片的一部分大多处于悬空状态，易于发生弹性形变，易受外部的振动、冲击等影响；2）封装好的AWG器件在经过生产过程中的高温烘烤、高低温循环后，甚至刚刚封装完之后，总有一些器件的机械性能会发生变化，从而导致AWG中心波长发生变化，当这些变化超过一定水平时，这些器件就只能报废而无法返修，导致材料浪费。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的问题和不足，提供一种能够保持工作波长稳定的无热阵列波导光栅波分复用器及其制作方法。

本发明采用的技术方案是：

一种无热阵列波导光栅波分复用器，包括有温度补偿杆、基片、阵列波导光栅芯片，所述温度补偿杆上间隔设置有两个粘接区，第一粘接区上固定有第一基片，第二粘接区上固定有第二基片，固定后的第一基片和第二基片的相近边缘之间存有间隙；所述的阵列波导光栅芯片由分割而成且具有相同分割切断面的第一芯片和第二芯片所构成，第一芯片包含有输入波导和部分输入平板波导，第二芯片包含有阵列波导光栅芯片的其它部分；第一芯片对应地固定在第一基片上，第二芯片对应地固定在第二基片上。

所述第二芯片上的分割切断面与温度补偿杆的长度方向平行，第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面相互平行且两个分割切断面之间填充有匹配胶。

所述温度补偿杆为两根或两根以上且相互平行设置的温度补偿杆组合而成，第一基片固定在组合后的温度补偿杆一端的第一粘接组合区上，第二基片则固定在组合后的温度补偿杆另一端的第二粘接组合区上。

第二芯片上的输入平板波导的上表面和第二基片的上表面或者第二芯片上的输出平板波导上表面设置有固定片。

所述的第一芯片和第二芯片通过固化胶对应固定在第一基片和第二基片上。

所述温度补偿杆上的粘结区与非粘接区相交区域设置有隔离槽。

所述温度补偿杆上与第一芯片和第二芯片的连接面，为一层或数层膨胀系数介于温度补偿杆与基片之间的材料。

所述阵列波导光栅芯片输出光纤阵列上的带状光纤由硅橡胶固定在第二基片上。

所述无热阵列波导光栅波分复用器的制备方法，其特征在于包括有下述制作步骤：

步骤1：在温度补偿杆上间隔设置的第一粘接区和第二粘接区分别涂上固化胶后，将第一基片和第二基片对应粘接到第一粘接区和第二粘接区上并将固化胶固化；

步骤2：在第二芯片上位于输出波导附近的边缘涂上固化胶，将第二芯片紧贴到第二基片上，并使第二芯片上的分割切断面与温度补偿杆长度方向平行；

步骤3：将第一芯片紧贴到第一基片上，并使第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面相互平行；

步骤4：在第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面之间的间隙中填充匹配胶后，沿着平行于第二芯片上的分割切断面的方向施力以微调第一芯片相对第二芯片的位置，以使阵列波导光栅芯片的中心波长符合产品指标要求；

步骤5：用固定片将第一芯片紧固到第一基片上；

步骤6：对第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面之间的间隙中填充的匹配胶进行固化。

本发明的基本原理是：在一条或多条线膨胀系数较大的材料上，例如铝合金、铜等金属材料，这种材料在本专利中称为温度补偿杆，贴两片表面平整的线膨胀系数与AWG芯片线膨胀系数接近的材料的基片，将切成两块的曲线切割的AWG芯片分别贴在这些基片上，利用温度补偿杆的热胀冷缩导致的AWG芯片各个部分之间的相对运动来实现AWG中心波长不随环境温度的变化而变化。当器件封装后完成高温烘烤以及高低温循环之后测试其中心波长，如果偏离产品技术指标要求，则在AWG芯片的其中一块含阵列波导的芯片上施加一个平行于切断面的力，利用曲线切割AWG芯片的形变导致的AWG中心波长的漂移特性将AWG中心波长调整到产品指标要求的范围内，并在该芯片切断面附近表面上贴一块固定片，该固定片的另外一边固定到贴该芯片的基板上，这样可以将因封装、高温、循环等因素导致的波长漂移修正到预期值。

本发明的一种无热阵列波导光栅波分复用器及其制作方法具有如下优点：

1、采用本发明的温度补偿杆可以做得比较厚，且整个温度补偿杆不易发生弹性形变，故不易受外力作用导致AWG指标发生变化；

2、采用本发明方法，可以在封装后，当AWG中心波长发生变化时，对AWG的中心波长进行微调，从而使得其波长符合产品要求，提高成品率。

附图说明

图1、本发明第一种无热阵列波导光栅波分复用器结构示意图；

图2、本发明第二种无热阵列波导光栅波分复用器结构示意图；

图3、本发明的温度补偿杆结构示意图；

图4、本发明AWG中心波长变化与施加外力大小之间的关系；

图5、封装后器件的中心波长随环境温度的变化曲线。 

其中： 

201：第一温度补偿杆；         202：第一芯片；

203：第二芯片；               204：输入光纤阵列

205：输出光纤阵列             206：固定胶

208：带状光纤固定胶；         209：第一基片；       

210：第二基片；               212：固定片； 

213：第二温度补偿杆；         301：第一粘接区域；      

302：第二粘接区域；           304：隔离槽。

具体实施方式

图1是本发明的无热AWG的结构示意图，两块厚度相同、表面平整的第一基片209与第二基片210分别固定在温度补偿杆201上，第一基片209与第二基片210之间存有一个缝隙。第一基片209和第二基片210通常采用与AWG芯片膨胀系数相同或接近的材料。相对于硅基二氧化硅材料的AWG而言，基片的合适材料可以采用殷钢、硅片、氮化铝陶瓷、高硼硅玻璃等。第一基片209或第二基片210也可以采用线膨胀系数与AWG芯片不相同的材料，此时需要在AWG芯片粘接第一基片209、第二基片210时，芯片与基片之间可以选择合适硬度的固化胶，从而减小基片与AWG芯片之间的应力对器件的影响。将AWG芯片切成两个部分，即第一芯片202与第二芯片203，第一芯片202包含有输入波导以及输入平板波导的一部分，第二芯片203包含有AWG芯片的其它部分。第一芯片202用固定胶206固定在第一基片209表面上，而第二芯片203用固定胶206固定在第二基片210表面上，第二芯片203与第一基片209相接触的区域，只是直接接触但不固定。所述第一芯片202不能用胶固定到第二基片210上，而所述第二芯片203不能用胶固定到第一基片209上。第一芯片202与第二芯片203之间的切缝内填有折射率接近1.45的匹配较。212为固定片，其一端固定在第二芯片203上的输入平板波导表面，固定片212另外一段固定在第二基片210上或第二芯片203的输出平板波导表面。

其中温度补偿杆201的结构如图3所示：对于常用的AWG而言一般是硅基二氧化硅材料，本发明中温度补偿杆201采用线膨胀系数比AWG芯片大的材料，可以是铝合金、铜等。温度补偿杆201上的第一粘接区301、第二粘接区302两个区域内上胶，再将第一粘接区301、第二粘接区302分别与第一基片209、第二基片210粘结，胶可以是热固化胶或者紫外固化胶。温度补偿杆201上除去第一粘接区301、第二粘接区302的其它区域表面不涂胶，未涂胶区域不与第一基片209或第二基片210固定粘结。温度补偿杆201上未涂胶区域同第一粘接区301、第二粘接区302相交区域设置有隔离槽304，隔离槽304可以用于防止涂在第一粘接区301或第二粘接区302区域的胶流淌到温度补偿杆201上的未粘胶区域。

本发明的无热AWG的工作过程具体如下：当环境温度变化时，温度补偿杆201位于第一粘接区301与第二粘接区302之间的间隔长度会发生变化，从而导致固定在温度补偿杆201上的第一基片209与第二基片210的相对位置发生变化。当环境温度变高时，温度补偿杆201上的间隔未固定部分的长度膨胀变长，第一芯片202会由温度补偿杆201带动向远离第二基片210方向移动，而第二芯片203是固定在第二基片210上，相对第二基片210不动，这样会有一个导致AWG的波长向短波方向漂移的趋势。同时，温度升高时因AWG折射率变化以及波导长度的变化会导致AWG中心波长有往长波方向漂移的趋势。综上所述，AWG存在两种使AWG波长变化的原因，导致AWG中心波长随环境温度的变化而变化。温度补偿杆可以采用铝合金，当第一粘接区301与第二粘接区302之间的铝合金长度合适时，以上两种使AWG波长变化的原因导致AWG中心波长随环境温度的变化而变化的方向相反，但是其变化的绝对值一样，因此对整个AWG而言，就使得其中心波长不随温度变化，从而实现了无热AWG的功能。

无热AWG在封装过程中一般都要经过高温烘烤、或高低温循环以释放封装过程中的机械应力，使得封装结构稳定，在这个过程中一般会有一部分的AWG中心波长会发生变化，中心波长一般有几个到几十个皮米的变化。一般情况下如果这些变化使得AWG波长不符合产品指标要求，则这些产品将会被报废。当沿着平行于第二芯片203上输入平板波导的断面的方向施力时，AWG中心波长会发生变化，采用该方法可以对AWG器件的中心波长进行微调使得其达到合格水平，具体操作为：在第二芯片203上输入平板波导侧边沿着平行于切缝的方向施加一个力，当该力朝向基片210时，AWG中心波长会减小；当该力方向与之相反，AWG中心波长会增加。这是因为曲线型AWG在受到这两种方向力之后，其AWG芯片中的阵列波导部分会产生应变导致相邻阵列波导长度差发生变化，从而导致AWG中心波长发生变化。图4是该应用测试的AWG中心波长变化与施加外力大小之间的关系，当我们测试的力的方向为指向温度补偿杆方向的反方向，由图可示当外力每增加1牛顿时，AWG中心波长会平均增加35皮米。通常因封装引入的波长变化为几个到几十个皮米，所以只要几个牛顿的力就可以将AWG中心波长调整为产品需求的波长。

本发明可以采用施加合适方向与大小的力将AWG中心波长调整到需求的大小后，再使用固定片212一端固定到第二芯片203上的输入平板波导部分的上表面，另外一端固定到第二基片210上表面。将固定片212固定到第二芯片203和第二基片210上一般采用紫外胶或热固化胶。固定片212也可以一段固定在第二芯片203上输入平板波导表面，另外一边固定到第二芯片203输出平板波导上表面。

固定片212可以选择与AWG芯片线膨胀系数接近的任何材料，例如硅片、氮化铝、高硼硅玻璃片等。固定片也可以选择与AWG芯片线膨胀系数不同的材料。当采用的固定片与AWG芯片线膨胀系数不同时，可以在未贴固定片之前，检查AWG芯片是否过度补偿，如果发现补偿过度，可以选择具有一定长度的铝合金片作为固定片来弥补过度补偿，将补偿量控制到器件需要的水平。

固定片212的另外一个作用是加强AWG芯片的机械强度，防止AWG芯片沿垂直于基片表面方向上下振动。因此AWG封装过程中不论AWG的中心波长是否发生变化，也可以使用固定片212。

为了进一步理解本发明，这里介绍一个实施例说明无热AWG的制作过程。采用的温度补偿杆201的材料为铝合金6061-T6，其宽度为10毫米，厚5毫米，其中温度补偿杆201上的第一粘接区域301长为5.4毫米，第二粘接区302长6.2毫米。温度补偿杆上介于第一粘结区301、第二粘接区302之间的间隔长度为13.5毫米，温度补偿杆上包含三个宽1.5毫米的隔离槽。温度补偿杆上分布于第一粘接区域301和第二粘接区域302侧边的隔离槽304宽均为1.5毫米、深均为1毫米。AWG制作过程包括如下步骤：1、先在温度补偿杆201的第一粘接区301、第二粘接区303表面涂上热固化胶，然后在温度补偿杆201上贴上一块厚度为2毫米的表面抛光的高硼硅玻璃基片，然后将热固化胶固化。2、再使用切片机沿着并平行且靠近温度补偿杆201上第一粘接区301一侧的隔离槽304的方向，将高硼硅玻璃基片切成两个部分，即第一基片209与第二基片210，以上的操作可以保证第一基片209与第二基片210表面在同一个平面内。3、在第二芯片203输出波导附近的芯片边缘涂上紫外胶，该紫外胶也可以采用硬度为肖氏D95的环氧胶，然后将切断的AWG芯片的第二芯片203紧贴到第二基片210上，第二芯片203上输入平板波导的切断面需要与温度补偿杆长度的方向平行。4、将AWG的第一芯片202紧贴到第一基片209表面，并使得第一芯片202输入平板波导的断面与第二芯片203上输入平板波导的断面平行，在两个断面之间填充折射率约为1.45的匹配胶，该1.45的匹配胶具备1550 nm波长时的折射率。5、再将第一芯片202输入平板波导的断面与第二芯片203上输入平板波导的断面靠紧，沿着平行于第二芯片203上输入平板波导的断面的方向微调第一芯片202相对第二芯片203的位置。6、当AWG中心波长符合产品指标要求时，在第一芯片202靠紧输入波导部分的边缘涂上紫外胶，该紫外胶也是硬度为肖氏D95的环氧胶，用紫外固化将第一芯片202紧固到第一基片209表面，最后将第一芯片202和第二芯片203接合面中的匹配胶固化。上述实施例中的固定片212采用长15毫米、宽3毫米、厚1mm的高硼硅玻璃片，固定片212与第二芯片203或第二基片210之间的固定胶为紫外胶，该紫外胶采用硬度为肖氏D95的环氧胶。

为了增强第一基片209、第二基片210的稳定度，温度补偿杆可以采用多根组合而成，这些温度补偿杆具有相同的结构、大小、材料，这些温度补偿杆组合平行设置于基片下方与其固定。多个单体的温度补偿杆同方向一端的第一粘接区形成温度补偿杆组合的第一粘接组合区，多个单体的温度补偿杆同方向另一端的第二粘接区形成温度补偿杆组合的第二粘接组合体。第一基片209固定在组合后的温度补偿杆一端的第一粘接组合区上，第二基片210则固定在组合后的温度补偿杆另一端的第二粘接组合区上。如图2所示，采用相互平行放置的两块结构一样的温度补偿杆组合，即第一温度补偿杆201，第二温度补偿杆213，第一基片209固定在第一补偿杆201、第二温度补偿杆213的相同方向的一端上的第一粘接区301，第二基片210则固定在第一温度补偿杆201、第二温度补偿杆213的相同方向的另外一端上的第二粘接区302。

为了减小温度补偿杆201与第一基片209或第二基片210之间线膨胀系数差异大而产生的应力，可以在温度补偿杆201与第一基片209之间的第一粘接区301，以及温度补偿杆201与第二基片210之间的第二粘接区302表面贴上一层或数层膨胀系数介于温度补偿杆与基片之间的材料。

为了保证AWG芯片不会受到带状光纤传递过来的外力影响，AWG输出光纤阵列205上的带状光纤可以用带状光纤固定胶208固定在第二基片210上，带状光纤固定胶一般采用硅橡胶。

采用本发明的技术方案，与产品所指定的波长相比较，实验测得的封装后器件的中心波长随环境温度的变化曲线如图5所示，用直线拟合图4所示的波长-温度曲线后直线的斜率，在-5~70 ℃温度范围内可以将波长稳定到-30~28皮米之间。波长温度系数为-0.00079纳米每摄氏度。而未经过补偿的AWG的波长温度系数约为0.0112纳米每摄氏度。

上述实施例还可以通过优化温度补偿杆201上第一粘接区301、第二粘接区302两个粘接区域之间的长度，获得更加良好的结果：当无热AWG的波长随环境温度升高而减小时，可以通过缩短温度补偿杆201上第一粘接区301、第二粘接区302两个面之间的间隔长度；当无热AWG的波长随环境温度降低而增大时，可以通过加长温度补偿杆201上第一粘接区301、第二粘接区302两个面之间的间隔长度的方法改善补偿效果。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种无热阵列波导光栅波分复用器，包括有温度补偿杆、基片、阵列波导光栅芯片，其特征在于：

所述温度补偿杆上间隔设置有两个粘接区，第一粘接区上固定有第一基片，第二粘接区上固定有第二基片，固定后的第一基片和第二基片的相近边缘之间存有间隙；

所述的阵列波导光栅芯片由分割而成且具有相同分割切断面的第一芯片和第二芯片所构成，第一芯片包含有输入波导和部分输入平板波导，第二芯片包含有阵列波导光栅芯片的其它部分；第一芯片对应地固定在第一基片上，第二芯片对应地固定在第二基片上。

2.如权利要求1所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述第二芯片上的分割切断面与温度补偿杆的长度方向平行，第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面相互平行且两个分割切断面之间填充有匹配胶。

3.如权利要求1或权利要求2所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述温度补偿杆为两根或两根以上且相互平行设置的温度补偿杆组合而成，第一基片（209）固定在组合后的温度补偿杆一端的第一粘接组合区上，第二基片（210）则固定在组合后的温度补偿杆另一端的第二粘接组合区上。

4.如权利要求1或权利要求2所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述第二芯片上的输入平板波导的上表面和第二基片的上表面或者第二芯片上的输出平板波导的上表面设置有固定片。

5.如权利要求1所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述的第一芯片和第二芯片通过固化胶对应固定在第一基片和第二基片上。

6.如权利要求1或权利要求2所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述温度补偿杆上的粘结区与非粘接区相交区域设置有隔离槽。

7.如权利要求4所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述温度补偿杆上与第一芯片和第二芯片的连接面，为一层或数层膨胀系数介于温度补偿杆与基片之间的材料。

8.如权利要求7所述的一种无热阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：

所述阵列波导光栅芯片输出光纤阵列上的带状光纤由硅橡胶固定在第二基片上。

9.一种如权利要求1所述无热阵列波导光栅波分复用器的制备方法，其特征在于包括有下述制作步骤：

步骤1：在温度补偿杆上间隔设置的第一粘接区和第二粘接区分别涂上固化胶后，将第一基片和第二基片对应粘接到第一粘接区和第二粘接区上并将固化胶固化；

步骤2：在第二芯片上位于输出波导附近的边缘涂上固化胶，将第二芯片紧贴到第二基片上，并使第二芯片上的分割切断面与温度补偿杆长度方向平行；

步骤3：将第一芯片紧贴到第一基片上，并使第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面相互平行；

步骤4：在第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面之间的间隙中填充匹配胶后，沿着平行于第二芯片上的分割切断面的方向施力以微调第一芯片相对第二芯片的位置，以使阵列波导光栅芯片的中心波长符合产品指标要求；

步骤5：用固定片将第一芯片紧固到第一基片上；

步骤6：对第一芯片上的分割切断面与第二芯片上的分割切断面之间的间隙中填充的匹配胶进行固化。

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