CN102692681A

CN102692681A - 具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅

Info

Publication number: CN102692681A
Application number: CN2012101875251A
Authority: CN
Inventors: 符建; 谷颖杰; 刘勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了一种具有阵列波导区可调反射镜的阵列波导光栅。具有阵列波导区可调的反射镜以调整中心波长等特性。通过提供阵列波导区的反射镜，构成一种结构紧凑的阵列波导光栅，输入输出波导在同一侧，只需要一个平板波导区和长度更短的阵列波导区。本发明通过调整反射镜与阵列波导区之间的倾角，可以达到改变中心波长的作用。通过对反射镜支架的设计可以实现对器件热效应的补偿，并且可以实现一定范围的中心波长调谐。通过反射镜前设置一个1/4波片，可实现入射光与反射光的模式转换，消除波导中由于长宽不等造成的模式色散。通过在1/4波片前设置一个柱形透镜可减少光经反射时的损耗。

Description

具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅

技术领域

本发明涉及一种具有阵列波导区可调反射镜的阵列波导光栅，具体地说，本发明涉及允许可调反射镜以调节中心波长的阵列波导区。

背景技术

阵列波导光栅（AWG）是一种色散光学器件，可用于对一组具有不同波长的光学远程通信信道进行多路复用和解复用。通常的AWG是一在硅或其它类似材料基底上形成的集成光波导器件。通常的AWG的波导包括一个或多个并列的输入波导，用于将混合多个波长信道λ₁到λ_n的多路复用信号传播到第一个平板波导区，平板波导区通常是一个星型耦合区或其它类似区域。平板波导区与阵列波导区相连，将输入信号分配给阵列波导区的多根波导，这些波导构成光栅。每一根波导都具有不同的光学长度，相邻波导的光学长度按照与中心波长有关的一恒定值增减，并且从光栅的一侧到另一侧的波导长度逐步递增。与阵列波导另一端相连的是另一个平板波导区，在第二平板波导区会出现由波导阵列光栅区引入的相对相位差所导致的干涉。波导光栅的色散使信号光的不同波长物理上分开，并且聚焦到第二平板波导区的输出平面上，并且将分开的波长耦合进与第二平板波导区相连的多个输出波导中。不同中心波长的输出信号对应于不同的输出波导位置，从而实现了将不同波长信号从空间分开的功能。利用光路互逆原理，阵列波导光栅既具有多波长光信号复用功能也具有多波长光信号解复用的功能。各个波长信道的中心波长和间隔取决于AWG波导的几何形状和形成光栅的阵列波导的有效折射率。

AWG的常规形式，其阵列波导及其相连的平板波导区在结构上左右对称，输入波导、输出波导分别处于器件的两侧。这种结构存在器件体积较大，器件封装复杂，输入光纤、输出光纤难以从同一侧引出等问题。本发明认为通过在阵列波导区中心对称线上引入一个反射装置，可以提供一种结构紧凑的AWG解决以上问题。

形成AWG的波导结构的材料通常采用SiO2或其它类似材料。由于这些材料的折射率随着温度的变化而变化，因此导致AWG的光传输中心波长随温度变化而漂移。例如，当温度在摄氏-5度到60度之间变化时，采用常规参数制造的AWG的中心波长漂移达到0.6nm以上，这对应用在密集波分复用系统中要求的AWG是绝对不能接受的。本发明认为能够消除温度对中心波长的影响对AWG的应用是至关重要的。

同时原有设计的输入、输出波导的位置是固定的，而生产过程所能控制的波导参数的精度不足以将中心波长设置在所需的容差范围内，这对AWG的生产和应用带来了极大的困难。本发明认为应该在AWG的内部提供一种可调的部分，以便提供调整的灵活性。

在专利CN02111289.4中提供了一种通过在阵列波导区中心对称线上引入一个反射装置解决了温度对信道中心波长的影响，及提供了一种紧凑的阵列波导光栅型的密集波分复用器/解复用器。但是这个设计没有解决因波导截面长宽不是严格的相等，会因为光应力而产生模式上的色散，在一定长度后会被放大的问题。而且光在反射区反射时由于波导出口光是以一定角度扩散出射的，在平面反射镜反射回波导时会有很大程度上的损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅。

具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅包括反射镜组件、集成波导芯片、基片、端口、输入光纤、输出光纤；在基片上固定有反射镜组件、集成波导芯片、端口；端口一端与集成波导芯片相连，端口另一端与输入光纤、输出光纤相连，反射镜组件包括相连接的反射镜装置、可调装置；所述集成波导芯片设有输入波导、平板波导区、阵列波导区、输出波导、芯片边沿端；输入波导至少为一个或多个与输出波导位于集成芯片的同一侧，输入波导一端和输出波导一端与平板波导区一端相连，输入波导另一端和输出波导另一端与端口一端相连；阵列波导区一端与平板波导区另一端相连，阵列波导区另一端与芯片边沿端相连；反射镜装置与芯片边沿端相邻；反射镜装置包括顺次相连的反射镜、1/4波片、柱形透镜；可调装置包括上支架、下支架。

所述的上支架、下支架由两种不同膨胀系数的材料构成。所述的阵列波导区的出口形状为V形。

本发明通过在阵列波导区中心对称线上引入一个反射装置，可以提供一种结构紧凑的AWG可解决常规AWG器件体积较大，器件封装复杂，输入光纤、输出光纤难以从同一侧引出等问题。

在阵列波导区可调反射装置之前设置一个1/4波片和一个柱形透镜。1/4波片可实现入射光与反射光的模式转换，补偿了由于波导截面长宽不是严格的相等而导致光应力不相等而产生模式上的色散。柱形透镜可实现反射光沿入射光原路返回，从而减少了反射过程中的损耗。

附图说明

图1是改进后带有反射装置的AWG的示意图；

图2是本发明实现补偿热效应的原理示意图；

图3是本发明可调谐AWG的实施例示意图；

图4是阵列波导区的波导出口形状的改进；

图5是反射装置的光路示意图；

图6是AWG的常规形式；

图中：反射镜组件1、集成波导芯片2、基片3、反射镜装置4、可调装置5、输入波导6、平板波导区7、阵列波导区8、输出波导9、芯片边沿端10、端口11、反射镜12、1/4波片13、柱形透镜14、上支架15、下支架16、输入光纤17、输出光纤18、V形19、电压可调机构20

具体实施方式

具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅包括反射镜组件1、集成波导芯片2、基片3、端口11、输入光纤17、输出光纤18；在基片3上固定有反射镜组件1、集成波导芯片2、端口11；端口11一端与集成波导芯片2相连，端口11另一端与输入光纤17、输出光纤18相连，反射镜组件1包括相连接的反射镜装置4、可调装置5；所述集成波导芯片2设有输入波导6、平板波导区7、阵列波导区8、输出波导9、芯片边沿端10；输入波导6至少为一个或多个与输出波导9位于集成芯片3的同一侧，输入波导6一端和输出波导9一端与平板波导区7一端相连，输入波导6另一端和输出波导9另一端与端口11一端相连；阵列波导区8一端与平板波导区7另一端相连，阵列波导区8另一端与芯片边沿端10相连；反射镜装置4与芯片边沿端10相邻；反射镜装置4包括顺次相连的反射镜12、1/4波片13、柱形透镜14；可调装置5包括上支架15、下支架16。

所述的上支架5-1、下支架5-2由两种不同膨胀系数的材料构成。所述的阵列波导区8的出口形状为V形19。

本发明通过在阵列波导区8引入一个可调的反射装置，可以提供一种结构紧凑的阵列波导光栅型的密集波分复用器/解复用器，其芯片制造、器件封装更为简单，能减少温度对中心波长的影响，并能实现中心波长可调谐的AWG。本发明同时提供了这一器件的制作方法。

将含有多个波长信道的光学信号传输进输入波导6，经过平板波导区7和阵列波导区8，信号光由波导从芯片边沿端10发射出来，再经过反射镜组件1反射，再次返回阵列波导区8，然后再次经过平板波导区7和输出波导9实现多波长信号的解复用。由AWG的光栅方程

λ₀=n_effΔD/m

可知，AWG的中心波长λ₀由阵列波导的有效折射率n_eff，阵列波导区8相邻波导间长度差ΔD，以及光栅级数m决定。本发明提供了这样一种阵列波导光栅器件，它包括安装在同一基板3上的两个部分：

（1）集成波导芯片2，在硅或其它基底材料上通过沉积、光刻、刻蚀或者扩散等各种方法形成的阵列波导光栅集成光学芯片，该芯片包括：

——输入波导6，其作用是与外部光纤相连将光信号引入到平板波导区7；

——输出波导9，与输入波导6处于芯片的同一侧，其作用是将相分离的聚焦在平板波导区7的不同波长光信号引出到外接光纤上；

——平板波导区7，同时与输入波导6、输出波导9以及阵列波导8相连，其作用一方面将输入信号分配给阵列波导区8的多根波导，另一方面阵列波导区8反射回来的产生了相位差的光信号在这一波导区发生干涉，并将不同波长的信号聚焦在与输出波导9相连的平面上；

——阵列波导区8，其一端与平板波导区7相连，另一端为芯片的边缘，其相邻波导间长度差只有常规AWG阵列波导长度差的一半，其作用同样是使不同的波导中传播的信号光产生相位差，通过在平板波导区7发生干涉使不同波长的信号光物理上分开；

（2）反射镜组件1包括：

——反射镜装置4，此装置平行设置在与阵列波导区8相连的芯片边沿端10；

——可调装置5，与反射镜装置4相连，产生适当的转动量以达到调节中心波长的目的。

最佳的是，可以利用可调反射镜装置4与温度有关的调节量补偿集成器件的热效应；同时，由于输入、输出波导处于芯片的同一边，因此在器件封装时输入输出可以共用一个光纤阵列，熟悉本领域的技术人员知道这样能够为器件封装带来极大的方便。

为实现本发明的这些目的，我们给出这种阵列波导型密集波分复用器/解复用器的制造方法，其阵列波导区8相邻波导间长度差只有通常AWG阵列波导长度差的一半，并且阵列波导将信号光直接通过与其垂直的芯片边缘输出到芯片之外，为了达到更好的光学性能，可以对这一芯片边沿进行适当的光学处理，例如端面抛光、镀增透膜等。为了减少损耗，安置在与阵列波导区相连的芯片边缘端的可调反射镜要尽量靠近芯片，但须保留适当距离，使得反射镜能够适当倾斜以达到足够大的中心波长调节量。熟悉本领域的技术人员知道，为了得到这种AWG的更佳性能，需要对平板波导区7以及阵列波导区8的形状进行更合理的设计改变。

如图1所示，本发明中，集成波导芯片2包括一输入波导6，平板波导区7，阵列波导区8以及输出波导9。阵列波导区8的一端被切割为芯片边沿端10，为了降低损耗对这一端面进行抛光镀膜（增透膜）处理，形成光学端面，反射镜组件包括镜面镀层反射镜12以及1/4波片13、柱形透镜14；可调装置5包括上支架15、下支架16，分别由两种不同热膨胀系数材料构成。集成波导芯片2与反射镜组件1被固定在同一个基底3上。输入波导6、输出波导9可以共用一个光纤阵列进行封装。当反射镜装置4与芯片边沿端10之间的倾斜角度发生变化时阵列波导区9相邻波导之间的长度差随之变化，从而导致AWG的中心波长产生移动。当温度变化时，构成光波导的材料由于热光效应其折射率会发生变化，由前面的公式可知AWG的中心波长会发生漂移。而通过改变反射镜装置4与芯片边沿端10之间的倾斜角度，即改变阵列波导区相邻波导间长度差ΔD，可以补偿因温度变化导致的中心波长的漂移。

如图2所示，本发明提供了一种通过调节集成波导芯片2与反射镜组件1之间倾斜角度的方法来补偿AWG器件由于温度变化而产生的中心波长漂移。反射镜组件1中的可调装置5由上支架5-1、下支架5-2构成，两个支架分别由两种不同热膨胀系数材料构成，当温度升高时，两支架会产生一定的长度差导致反射镜装置4与芯片边沿端10之间的倾角发生变化。相反，当温度降低时倾角会发生相反方向的变化。选择不同热膨胀系数的材料以及调整两支架之间的距离，可以改变倾角随温度的变化的关系，从而完全满足补偿器件温度变化导致中心波长漂移的需要。图2为了清楚地显示温度补偿的原理，放大了反射镜装置4与芯片边沿端10之间的倾角变化。实际应用中，补偿温度变化所需的倾角变化时非常小的，按照一般AWG的设计参数，中心波长1nm的调节量对应的倾角变化小于0.06°，因此这种调节不会带来器件插入损耗的变化。

对器件生产容差的补偿是基于同样的原理。由于生产的容差，信道的中心波长往往不能与输出波导9的中心波长相对准，这就产生了所谓的中心波长漂移，而且这种漂移会因器件而异。本发明提到集成波导芯片2与反射镜组件被固定在同一个基底12上，因此只需要在安装芯片2和反射镜组件时适当调节两者之间的倾斜角度就可以实现中心波长的对准。

如图3所示，反射镜组件1中的上支架5-1、下支架5-2上增加两个压电材料构成的电压可调机构20，当改变施加在压电材料上的电压时，两个支架的长短会在一定范围内改变，从而导致芯片3和反射镜组件之间角度发生改变，进而调节AWG的中心波长。为了实现较大范围的调节，可以对阵列波导区8与反射镜装置4相接的波导出口进行改进。

如图4所示，将阵列波导区8的波导出口形状改为V形19，可以减少中心波长在较大范围调节时器件插入损耗的变化量。

如图5所示，将柱形透镜14和1/4波片13置于反射镜12之前。阵列波导区8出光界面呈锥形出光，若只用平板反射的话，回使反射光只有一部分能够回到波导当中，大部分会反射到波导周围的区域，从而有很大损耗。利用柱形透镜14对光的折射作用可以将大部分光折射返回到阵列波导区6当中，从而减少了损耗。利用1/4波片13对光的不同偏正方向的调节作用经过两次后实现了TE模和TM模的相互转换，使得再次回到阵列波导区8后可以补偿第一次通过阵列波导区8时TE模和TM模的模式色散。

图6所示为当前常规AWG的结构，体积为本发明的两倍，输入端与输出端分别在两侧，器件体积较大，器件封装复杂，输入光纤、输出光纤难以从同一侧引出等。

本领域的技术人员将会清楚，可以对本发明的阵列波导光栅型密集波分复用器/解复用器进行各种改变和改进，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在包括不超出权力说明书范围的各种改变和改进以及它们的等同物。

Claims

1.一种具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅，其特征在于包括反射镜组件(1)、集成波导芯片（2）、基片（3）、端口（11）、输入光纤（17）、输出光纤（18）；在基片（3）上固定有反射镜组件（1）、集成波导芯片（2）、端口（11）；端口（11）一端与集成波导芯片（2）相连，端口（11）另一端与输入光纤（17）、输出光纤（18）相连，反射镜组件（1）包括相连接的反射镜装置（4）、可调装置（5）；所述集成波导芯片（2）设有输入波导（6）、平板波导区（7）、阵列波导区（8）、输出波导（9）、芯片边沿端（10）；输入波导（6）至少为一个或多个与输出波导（9）位于集成芯片（3）的同一侧，输入波导（6）一端和输出波导（9）一端与平板波导区（7）一端相连，输入波导（6）另一端和输出波导（9）另一端与端口（11）一端相连；阵列波导区（8）一端与平板波导区（7）另一端相连，阵列波导区（8）另一端与芯片边沿端（10）相连；反射镜装置（4）与芯片边沿端（10）相邻；反射镜装置（4）包括顺次相连的反射镜（12）、1/4波片（13）、柱形透镜（14）；可调装置（5）包括上支架（15）、下支架（16）。

2. 根据权利要求1所述的一种具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅，其特征在于所述的上支架（5-1）、下支架（5-2）由两种不同膨胀系数的材料构成。

3.根据权利要求1所述的一种具有温度偏振补偿的反射型阵列波导光栅，其特征在于所述的阵列波导区（8）的出口形状为V形（19）。