CN104280821B - 一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅(aawg) - Google Patents
一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅(aawg) Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅(AAWG)，包括基座、AWG芯片、第一驱动器(110)；所述第一驱动器(110)固定于所述基座移动端(201)和所述基座固定端(202)之间，所述芯片移动端(301)上端还设置有第二驱动器(120)；所述第一驱动器(110)对AWG芯片的波长温度特性进行线性欠补偿或线性过补偿；所述第二驱动器(120)在一个温度区间上对AWG芯片的波长温度特性进行线性补偿；在所述温度区间上，所述第二驱动器(120)的线性补偿与所述第一驱动器(110)的线性欠补偿相叠加或者与所述第一驱动器(110)的线性过补偿相抵消；本发明装置可达到‑40至80度的温度范围内波长偏移小于±30pm的性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵列波导光栅，特别涉及一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅(AAWG),本发明属于光纤通信领域。
背景技术
通常AAWG采用温度补偿技术来保持波长的稳定，目前已有多种专利，如将芯片分成两部分，用金属温度补偿杆连接输入(或输出)部分，在温度补偿杆热胀冷缩的驱动下使输入(或输出)部分移动来补偿波长随温度的漂移。如图1所示，AWG芯片被分割成芯片移动端301和芯片固定端302两部分，分别固定在基座移动端201和基座固定端202上，第一驱动器110具有与基座移动端201和基座固定端202不同的热膨胀系数，温度变化时利用第一驱动器110的热胀冷缩驱动基座移动端201使固定在其上的AWG芯片移动端301相对于固定在基座固定端202上的芯片固定端302移动，引起中心波长偏移来抵消由阵列波导芯片温度变化引起的中心波长的偏移。
这种补偿方法是对AWG芯片波长的温度特性进行一次线性补偿。但实际的二氧化硅AWG芯片波长随温度的变化并不是线性的，是一个一次项和二次项的叠加，如公式：
Δλ＝A(nT)·ΔT+B(nS,nD)·ΔT2
其中，Δλ为波长变化，A(nT)表示热光效应函数，B(nS,nD)表示压光、色散效应函数，ΔT为温度变化。因此采用图1所示的这种补偿方法对AWG芯片波长的温度特性进行一次线性完全补偿后，AWG芯片的温度-波长特性表现为如图2所示二次抛物曲线，在0-40度温度范围内波长变化较小，但是在低温和高温区域波长随温度变化剧烈，在-40度到80度的温度范围内，波长随温度变化可达到60pm，因而图1所示的这种补偿方法不能适应于更宽温度范围的使用。
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，提供一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，通过采用两个驱动器来驱动AWG芯片的移动端移动，使用两个驱动器在不同温度段进行补偿，使得-40至80度的温度范围内波长偏移小于30pm。
本发明采用的技术方案是：
一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，包括基座、AWG芯片、第一驱动器；所述基座分割为基座移动端和基座固定端，所述AWG芯片分割为芯片移动端和芯片固定端，所述第一驱动器固定于所述基座移动端和所述基座固定端之间，第一驱动器采用热膨胀系数大于基座的材料，所述芯片移动端上端还设置有第二驱动器；所述第一驱动器对AWG芯片的波长温度特性进行线性欠补偿或线性过补偿；所述第二驱动器在一个温度区间上对AWG芯片的波长温度特性进行线性补偿；在所述温度区间上，所述第二驱动器的线性补偿与所述第一驱动器的线性欠补偿相叠加或者与所述第一驱动器的线性过补偿相抵消。
AWG芯片的波长温度特性在所述第一驱动器和第二驱动器的补偿作用下，在-40度到80度的温度范围内，波长随温度变化小于30pm。
所述芯片移动端上端还设置有弹性器，所述第二驱动器同所述弹性器相邻设置并能够推动所述弹性器发生弹性形变；所述弹性器由弹性块及设置其两端的第一固定块、第二固定块组成，第一固定块粘接固定于芯片移动端上，第二固定块粘接固定于基座移动端上，第二固定块和弹性块采用与基座移动端膨胀系数接近的材料，第一固定块采用与AWG芯片膨胀系数接近的材料；第二驱动器采用的材料膨胀系数大于基座移动端；第二驱动器一端直接或间接与基座移动端固定使其随基座移动端运动，第二驱动器另一端则与弹性器的第一固定块无缝贴合设置。
所述第二驱动器包括有呈直线设置的驱动块和第三固定块，所述第二驱动器和弹性器与AWG芯片分割边界平行，第三固定块直接固定于基座移动端上，驱动块与第一固定块无缝贴合设置。
所述第二驱动器包括驱动块和第三固定块，驱动块为“L”形，驱动块与第三固定块设置于弹性器的顶部，第三固定块通过第二固定块间接固定于基座移动端上可随基座移动端运动，驱动块“L”形内侧端与第一固定块无缝贴合。
所述第二驱动器包括驱动块和第三固定块，驱动块为“L”形，驱动块一侧与第三固定块连接，驱动块与第三固定块设置于弹性器的下侧或上侧，第三固定块直接固定于基座移动端上并随基座移动端运动，驱动块“L”形内侧端与第一固定块无缝贴合
所述芯片移动端、芯片固定端与基座之间采用高柔性粘接剂固定连接，该高柔性粘接剂的延展性>100％。
所述芯片移动端和芯片固定端之间的缝隙小于50μm。
所述弹性器的弹性块采用两侧受力时可产生微小形变而使弹性块总长度发生微小变化，外力消除时长度可恢复的弹性区。
所述弹性块的块结构两侧相对设置有未贯通槽形成的弹性区。
所述弹性块设置有空菱形或X形状的弹性区。
本发明具有如下优点：
1、本发明通过两个驱动器来驱动AWG芯片的移动端移动，可以分别调整两个驱动器的补偿系数并相互配合，使用两个驱动器在不同温度段进行补偿，达到-40至80度的温度范围内波长偏移小于30pm的性能指标；
2、本发明装置不会造成芯片其它性能指标的恶化；
3、本发明装置结构简单，易于实施，适合工业批量生产。
附图说明
图1是现有技术中AWG线性补偿原理结构图；
图2是现有技术中AWG线性补偿后的温度-波长特性图；
图3是本发明受双驱动移动温度分段补偿原理结构图；
图4是本发明AWG芯片移动端芯片固定端粘接的示意图；
图5是本发明温度补偿两种方式的温度-波长特性图；
图6是本发明弹性器的结构示意图；
图7是本发明弹性器及位置示意图；
图8是本发明弹性器弹性块的第二种实施例结构示意图；
图9是本发明弹性器弹性块的第三种实施例结构示意图；
图10是本发明温度补偿一种方式的温度-波长特性图；
图11是本发明温度补偿另一种方式的温度-波长特性图；
图12是本发明驱动器及结构示意图；
图13是本发明一种补偿方式实施例结构示意图；
图14是本发明一种补偿方式实施例的低温状态示意图；
图15是本发明一种补偿方式实施例的高温状态示意图；
图16是本发明第二种补偿方式第一种实施例结构示意图；
图17是本发明第二种补偿方式第二种实施例结构示意图；
图18是本发明第二种补偿方式第三种实施例结构示意图；
图19是本发明第二种补偿方式实施例的高温状态示意图；
图20是本发明第二种补偿方式实施例的低温状态示意图；
其中：
110、第一驱动器； 201、基座移动端；
202、基座固定端； 301、芯片移动端；
302、芯片固定端； 401、高柔性粘接剂；
120、第二驱动器； 130、器弹性器；
121、第三固定块； 122、第一固定块；
123、驱动块； 124、弹性块；
125、第二固定块；
aD、第一种补偿方式第一驱动器欠补偿的低温补偿曲线；
bG、第一种补偿方式高温合成补偿曲线；
aG、第二种补偿方式第一驱动器过补偿的高温补偿曲线；
bD、第二种补偿方式低温合成补偿曲线；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，以下将结合具体实例及附图对发明的实施方式进行详细的说明。
如图3所示，本发明装置包括第一驱动器110、第二驱动器120、弹性器130、基座、AWG芯片，基座包括基座移动端201和基座固定端202两部分,AWG芯片包括芯片移动端301和芯片固定端302。
第二驱动器120同弹性器130相邻设置，可推动弹性器130发生弹性形变。如图3所示，第二驱动器120与弹性器130平行处于一条直线上或平行并排放置，并且与AWG芯片的分割边界平行。本发明中也可采用其它方式，使第二驱动器120与弹性器130处于同一面内或者或处于两个相互平行的面内，第二驱动器120与弹性器130所处的一个或两个面与AWG芯片的分割边界所处的面平行，上述面可以是平面或曲面。
如图4所示，AWG芯片的芯片移动端301和芯片固定端302分别粘接于基座移动端201和基座固定端202上。所述AWG芯片的芯片移动端301和芯片固定端302与基座移动端201和基座固定端202的固定方式是：采用高柔性粘接剂401连接，连接部位可以是AWG芯片与基座的底部或者边缘或者局部，高柔性粘接剂401具有低硬度，高延展性，延展性>100％，采用高柔性粘接剂401的目的是使芯片移动端301在受到第二驱动器120驱动时可以相对于基座移动端201自由移动但不脱离基座。
如图5所示，所述第一驱动器的特征是：无论第一驱动器采用的具体结构如何，第一驱动器的补偿并非是一次线性完全补偿，而是一次线性欠补偿或过补偿。
如图6所示，弹性器130包括有第一固定块122、第二固定块125和弹性块124，第一固定块122和第二固定块125分别设置于弹性块124的两端，弹性块124在块结构两侧相对设置有未贯通槽,两槽之间形成弹性区，弹性块124两端与第一固定块122和第二固定块125以粘接方式进行连接。
如图7所示，第一固定块122与第二固定块125分别固定于芯片移动端301和基座移动端201上。第二固定块125和弹性块124采用与基座同种材料或与基座热膨胀系数接近的其它材料，第一固定块122的材料采用与AWG芯片热膨胀系数接近的材料，包括但不限于金属或玻璃、硅等。弹性块124两槽之间的弹性区是具备弹性的结构，两端在受到压力/拉力时长度可以发生微小的改变，而在外力消除时可以恢复原有长度和状态。
如图8、图9所示为弹性块的另外两种实施例，弹性块124为具有中空菱形或X形状的弹性区，当两侧受外力时可产生微小形变而使弹性块124总长度发生微小变化，外力消除时长度可以恢复。
所述第二驱动器120的特征是：如图10所示，第一种方式：当第一驱动器为欠补偿时(补偿曲线为图10中aD段)，第二驱动器可在高温时推动AWG芯片移动端301移动做补偿，高温时第二驱动器驱动的方向与第一驱动器的驱动方向一致，使两个驱动器的高温合成补偿的补偿系数大于第一驱动器低温补偿系数，使得高温时为过补偿(补偿曲线为图10中bG段)，在低温时第二驱动器不起作用。在第一驱动器110和第二驱动器120的共同作用下，补偿后的AWG芯片波长的温度特性为图10中的aD段和bG段，使得在-40度到80度的温度范围内，波长随温度变化远小于图1所示的补偿方法。
或如图11所示，第二种方式：当第一驱动器是过补偿时(补偿曲线为图11中aG段)，第二驱动器在低温时可推动AWG芯片移动端301移动而做补偿，低温时第二驱动器驱动的方向与第一驱动器的驱动方向相反，使两个驱动的合成补偿的低温补偿系数小于第一驱动器高温补偿系数，使得低温时为欠补偿(补偿曲线为图11中bD段)，在高温时第二驱动器不起作用。
如图12所示，第二驱动器包括驱动块123和第三固定块121两部分，驱动块123一侧与第三固定块121连接，第三固定块121底部粘接固定于基座移动端201上的位置能使驱动块123另一端与弹性器130的第一固定块122无缝贴合。第三固定块121是与基座热膨胀系数接近的材料，包括但不限于金属或玻璃、硅等材料，驱动块123的膨胀系数大于基座的膨胀系数，其材料包括但不限于金属、玻璃、硅、塑料等。
下面给出图10、图11两种补偿方式的具体实施例：
如图10所示的第一种补偿方式的一种具体实施例如图13所示，弹性器包括弹性块124、第一固定块122、第二固定块125。第二驱动器包括驱动块123和第三固定块121，驱动块123和第三固定块121成直线放置，并与AWG芯片的分割边界平行，弹性块124两端与第一固定块122和第二固定块125通过粘接方式进行连接。第一固定块122固定于芯片移动端301上，芯片移动端301通过高柔性粘接剂401固定于基座移动端201上，第二固定块125直接固定于基座移动端201上；驱动块123的一端与第三固定块121连接，第三固定块121固定于基座移动端201上并随之运动，且驱动块123的另一端与弹性器的第一固定块122无缝贴合。
本实施例中，如图14所示，第一驱动器110低温对基座移动端201的驱动方向如箭头所示，为低温欠补偿，补偿曲线如图10所示aD段，为10pm/℃(完全补偿系数为11pm/℃)。当温度由常温降低时，由于驱动块123的膨胀系数大于基座，驱动块123相同长度收缩量较基座的收缩长度大，因而驱动块123与第一固定块122分离，第二驱动器对第一固定块122没有施加力的作用，芯片移动端301的位置移动由第一驱动器110的位置移动决定，总的补偿为第一驱动器的补偿结果补偿曲线如图10所示aD段；补偿系数为10pm/℃(完全补偿系数为11pm/℃)。
如图15所示，当温度由常温上升时，第一驱动器110的补偿方向如箭头所示，由于第二驱动器驱动块123膨胀系数大于基座，第二驱动器驱动块123在相同温升下的长度伸长量大于基座，因而第二驱动器驱动块123在与第一驱动器110补偿方向相同的方向上推动第一固定块122，由于芯片移动端301与基座的连接为高柔性连接，弹性块124受力产生形变而缩短，芯片移动端301受第一固定块122的带动相对于基座沿箭头高温补偿方向移动，同时基座受第一驱动器110驱动移动，两者移动方向一致，芯片移动端301的移动距离为受第一驱动器110驱动移动的距离加上受第二驱动器驱动块123驱动移动的距离，例如将第二驱动器驱动块123的补偿系数设计为2pm/℃，第一驱动器和第二驱动器总体的补偿曲线如图10所示bG段，补偿系数为12pm/℃(完全补偿系数为11pm/℃)。当温度由高温下降至常温时，芯片移动端301受弹性块124弹性力的作用始终与第二驱动器驱动块123贴合移动回复至原常温位置。
如图11所示的第二种补偿方式的一种具体实施例如图16所示，第二驱动器包括驱动块123和第三固定块121，驱动块123为“L”形，驱动块123与第三固定块121设置于弹性器的顶部，弹性器包括有第一固定块122、第二固定块125和弹性块124，驱动块123的一侧与第三固定块121连接，第三固定块121通过第二固定块125间接固定于基座移动端201上并随基座移动端201运动，驱动块123“L”形内侧端与弹性器的第一固定块122无缝贴合；如图17、图18所示为第二种补偿方式第二驱动器设置的另外两种形式，第二驱动器的驱动块123与第三固定块121设置于弹性器的下侧或上侧，弹性器包括有第一固定块122、第二固定块125、弹性块124，驱动块123的一侧与第三固定块121连接，第三固定块121直接固定于基座移动端201上并随基座移动端201运动，驱动块123“L”形内侧端与弹性器的第一固定块122无缝贴合。
本实施例中，如图19所示，第一驱动器110的高温补偿方向如箭头所示，补偿曲线如图11所示aG段；为过补偿系数12pm/℃(完全补偿系数为11pm/℃)。
当温度由常温升高时，由于驱动块123的膨胀系数大于基座，驱动块123膨胀长度较基座的膨胀长度大，因而驱动块123与第一固定块122分离，第二驱动器驱动块123对第一固定块122没有施加力的作用，芯片移动端301的位置移动由第一驱动器110的位置移动决定，总的补偿为第一驱动器的补偿结果，补偿曲线如图11所示段；补偿系数为12pm/℃(完全补偿系数为11pm/℃)。
如图20所示，当温度由常温降低时，第一驱动器110的补偿方向如箭头所示，由于第二驱动器驱动块123膨胀系数大于基座，第二驱动器的驱动块123的长度收缩量大于基座，因而第二驱动器的驱动块123拉动第一固定块122，芯片移动端301与基座的连接为高柔性连接，弹性块124受力产生形变缩短，芯片移动端301受第一固定块122的带动相对于基座沿箭头低温补偿方向移动，同时基座受第一驱动器110驱动移动，两者移动方向相反，芯片移动端301的移动距离为受第一驱动器110减第二驱动器123的驱动移动的距离，例如将第二驱动器驱动块123长度的补偿设计为2pm/℃，第一驱动器和第二驱动器总体的补偿系数为10pm/℃，如图11所示bD段(完全补偿系数为11pm/℃)。当温度由低温上升至常温时，芯片移动端301受弹性块124弹性力的作用始终与第二驱动器驱动块123贴合移动回复至原常温位置。
本发明提供的一种受双驱动可移动的温度分段补偿AAWG，采用两个驱动器分两个温度段进行补偿，可以使AAWG器件达到很宽的工作温度范围。本发明这种受双驱动移动的温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅(AAWG)，将对波长的温度补偿分为高温(20度至80度)和低温(-40度至20度)两个区域进行补偿，第一驱动器的特点是非完全补偿(欠补偿或过补偿)，当第一驱动器是欠补偿(或过补偿)时，在高温(或低温)区叠加一个第二驱动器的补偿，形成在高温区和低温区不同的温度补偿系数，能够实现AAWG在-40度至80度温度范围内波长偏移小于±30pm，因而可在更宽的温度范围内正常工作。
虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式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 (11)
1.一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，包括基座、AWG芯片、第一驱动器(110)、第二驱动器(120)、弹性器(130)；所述基座分割为基座移动端(201)和基座固定端(202)，所述AWG芯片分割为芯片移动端(301)和芯片固定端(302)，所述第一驱动器(110)固定于所述基座移动端(201)和所述基座固定端(202)之间，第一驱动器(110)采用热膨胀系数大于基座的材料，其特征在于：所述芯片移动端(301)上端还设置有第二驱动器(120)、弹性器(130)，弹性器(130)一端与芯片移动端(301)固定，另一端固定于基座移动端(201)上；第二驱动器(120)采用的材料膨胀系数大于基座移动端(201)，第二驱动器(120)一端直接或间接与基座移动端(201)固定使其随基座移动端(201)运动，第二驱动器(120)另一端则与弹性器(130)的一端无缝贴合设置；所述第二驱动器(120)同所述弹性器(130)相邻设置并能够推动所述弹性器(130)发生弹性形变；所述第一驱动器(110)对AWG芯片的波长温度特性进行线性欠补偿或线性过补偿，第二驱动器(120)在一个温度区间上对AWG芯片的波长温度特性进行线性补偿；在所述温度区间上，所述第二驱动器(120)的线性补偿与所述第一驱动器(110)的线性欠补偿相叠加或者与所述第一驱动器(110)的线性过补偿相抵消。
2.根据权利要求1所述的温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：AWG芯片的波长温度特性在所述第一驱动器(110)和第二驱动器(120)的补偿作用下，在-40度到80度的温度范围内，波长随温度变化小于30pm。
3.根据权利要求2所述的温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述弹性器(130)由弹性块(124)及设置其两端的第一固定块(122)、第二固定块(125)组成，第一固定块(122)粘接固定于芯片移动端(301)上，第二固定块(125)粘接固定于基座移动端(201)上，第二固定块(125)和弹性块(124)采用与基座移动端(201)膨胀系数接近的材料，第一固定块(122) 采用与AWG芯片膨胀系数接近的材料。
4.根据权利要求3所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述第二驱动器(120)包括有呈直线设置的驱动块(123)和第三固定块(121)，所述第二驱动器(120)和弹性器(130)与AWG芯片分割边界平行，第三固定块(121)直接固定于基座移动端(201)上，驱动块(123)与第一固定块(122)无缝贴合设置。
5.根据权利要求3所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述第二驱动器(120)包括驱动块(123)和第三固定块(121)，驱动块(123)为“L”形，驱动块(123)与第三固定块(121)设置于弹性器(130)的顶部，第三固定块(121)通过第二固定块(125)间接固定于基座移动端(201)上可随基座移动端运动，驱动块(123)“L”形内侧端与第一固定块(122)无缝贴合。
6.根据权利要求3所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述第二驱动器(120)包括驱动块(123)和第三固定块(121)，驱动块(123)为“L”形，驱动块(123)一侧与第三固定块(121)连接，驱动块(123)与第三固定块(121)设置于弹性器(130)的下侧或上侧，第三固定块(121)直接固定于基座移动端(201)上并随基座移动端运动，驱动块(123)“L”形内侧端与第一固定块(122)无缝贴合。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述芯片移动端(301)、芯片固定端(302)与基座之间采用高柔性粘接剂固定连接，该高柔性粘接剂的延展性>100％。
8.根据权利要求7所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述芯片移动端(301)和芯片固定端(302)之间的缝隙小于50μm。
9.根据权利要求3或4或5或6所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述弹性器(130)的弹性块(124)采用两侧受力时可产生微小形变而使弹性块总长度发生微小变化，外力消除时长度可恢复的弹性区。
10.根据权利要求9所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述弹性块(124)的块结构两侧相对设置有未贯通槽形成的弹性区。
11.根据权利要求9所述的一种温度分段补偿的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于：所述弹性块(124)设置有空菱形或X形状的弹性区。
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