CN107505675B - 一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅及方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅及方法。该阵列波导光栅包括：输入波导，输入平板区，阵列波导，输出平板区，输出波导；在平板区具有一段带有周期分段式波导区域。光在周期分段式波导区域传播时，光波的模斑尺寸由小变大，再变小，因此，本发明在平板区上的周期分段式波导区域切缝，切缝产生的附加光损耗低，可以降低对切缝缝宽的要求，降低切缝的工艺难度，提高切缝成品率。

Description

一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅及方法

技术领域

本发明涉及一种光栅及方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅及方法。

背景技术

光器件小型化低成本是行业发展的趋势。商用化的平面光波导(PLC)技术工艺平台的材料折射率对比度不断提高，从0.45％提高到0.75％，再提高到目前的1.5-2％，波导对光波的约束能力变强了，单模波导的截面尺寸变小了，并且最小弯曲半径不断减小，因此器件的尺寸也不断减小。

然而，折射率对比度的提高导致光波导中的模场变小，当光从波导进入另一种介质中传输时，光模场的发散角会更大。那么，对PLC芯片进行再加工时，比如切缝时，光从缝隙中穿过时会产生更大的光功率的损耗。

阵列波导光栅(AWG)是常见的波分复用器件，作为光纤扩容最常见的方式之一，被广泛应用于通信网络中。AWG主要由输入波导、输入平板区、阵列波导、输出平板区和输出波导五部分组成。作为滤波器件，AWG的中心波长由光所经过的路径的光程差所决定。光程等于有效折射率与光学路径长度之间的乘积。基于PLC工艺的二氧化硅AWG，其材料的折射率会随着环境温度的改变而改变；另一方面，由于硅衬底的材料具有材料热膨胀特性，光学路径长度会随环境温度的变化而改变。因此，AWG的中心波长会随着环境温度的变化而发生漂移。

为了使AWG的中心波长对温度不敏感，其中的一种方法是将AWG的输入平板区切断，采用机械结构将具有一定热膨胀系数的金属杆与输入端相连，将金属杆的热膨胀转化为AWG输入端的移动，引起AWG中心波长的变化。该变化与AWG本身材料特性导致的中心波长随环境温度的变化正好相反，从而对中心波长进行温度补偿。

由于输入平板区被切断，在波导中受到约束的光将会经过一段没有光学约束的切缝区域，再进入到有光学约束的波导中继续传播。这段没有光学约束的切缝区域会对波导中传输的光功率产生一定的附加光损耗。从光学模拟的角度来看，当PLC工艺的折射率对比度为0.75％时，宽度为37微米的切缝区域会产生0.5dB的传输损耗；当PLC工艺的折射率对比度为1.5％时，为了使切缝区域的传输损耗不超过0.5dB，要求切缝的宽度不超过20微米。然而，在0.675毫米厚的PLC硅片上切出20微米宽的缝，相对切出37微米的缝宽，对切缝刀片的厚度和切缝工艺的稳定度提出了更高的要求。如果切缝的行程长度还比较长，为了能将硅片切透，并且还不能在切割面产生崩边，要求控制好切缝深度，并且切片机的工作环境必须稳定。如果切片环境或者切缝深度控制不好，切缝工艺的附加损耗会增大；如果切缝过程中产生了崩边，将直接影响到整个阵列波导光栅器件的光谱特性，导致器件的失效。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的切缝附加光损耗大，对切缝工艺要求较高的技术问题，提供了一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅及方法。该光栅及方法在周期分段式波导区域中间进行切缝时，切缝附加光损耗小，降低了对切缝缝宽的要求。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，光栅的平板区域上设置有周期分段式波导区域，并且沿光传播方向上的至少一个光场限制方向上，所述分段式波导区域具有光场发射角小于两边区域的中间部；所述平板区域在所述中间部被切割成两个子部。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，所述的周期分段式波导在一个周期单元内包含高折射率材料区域和低折射率材料区域。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，周期分段式波导由高折射率波导与低折射率波导交替组成；所述高折射率波导为直线型高折射率波导、曲线型高折射率波导、稀释型高折射率波导中的一种或多种；所述低折射率波导为直线型低折射率波导、曲线型低折射率波导、稀释型低折射率波导中的一种或多种。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，所述切缝处涂有对传播光具有高透射率的光学匹配液。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，所述光学匹配液具有弹性和/或高折射率。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，所述光栅包括依次连接的输入波导、输入平板区、阵列波导区，输出平板区、输出波导，所述周期分段式波导区域位于所述输入平板区和/或输出平板区。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，所述平板区域被切割成的两个子部分别位于不同的底板区域，所述底板至少部分由低热膨胀系数的基材构成。

优选的，上述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，底板是由硅片、铟钢板、高硼硅玻璃中的一种或多种构成。

一种减小阵列波导光栅切缝附加光损耗的方法，包括：

在光栅的平板区域上设置周期分段式波导区域，所述周期分段式波导区域沿光传播方向上的至少一个光场限制方向上，具有光场发射角小于两边区域的中间部；

在所述中间部将所述平板区域切割成两个子部。

优选的，上述的一种减小阵列波导光栅切缝附加光损耗的方法，包括：

所述的周期分段式波导在一个周期单元内包含高折射率材料区域和低折射率材料区域。

因此，本发明具有如下优点：在平板区上的周期分段式波导区域切缝时，切缝产生的附加光损耗低，可以降低对切缝缝宽的要求，降低切缝的工艺难度，提高切缝成品率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅的结构示意图

图2为本发明实施例提供的一种减小切缝附加光损耗的无热阵列波导光栅的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图2所示的阵列波导光栅上周期分段式波导的A-A’剖面的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的不同结构的切缝附加光损耗与切缝宽度之间的关系对比图；

图5为本发明实施例提供的一种周期分段式波导区域的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种周期分段式波导区域的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种周期分段式波导区域的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例公开了一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，如图1所示，包括至少一个输入波导11，至少一个输入平板区12，至少一个阵列波导区13，至少一个输出平板区14，和至少一个输出波导15。其中：

输入平板区12上有一段周期分段式波导区域121。

在另一种实施方式中，输出平板区14上有一段周期分段式波导区域。

在另一种实施方式中，输入平板区12和输出平板区14上有一段周期分段式波导区域。

光在周期分段式波导区域121传播时，在至少一个光场限制方向上，光场的发散角由大变小再变大，光波的模斑尺寸由小变大，再变小。

其中，如图2所示，一种减小切缝附加光损耗的无热阵列波导光栅包括：输入波导21、输入平板区22、阵列波导区23、输出平板区24、输出波导25，其中：

阵列波导光栅的输入平板区22上具有一段周期分段式波导区域221。

阵列波导光栅的输入平板区22沿切缝线222切断。

沿着切缝线222处，点有光学匹配液223；其中可选的，光学匹配液223对阵列波导光栅中传播的光具有高透射率；其中可选的，并且具有弹性；其中可选的，材料折射率较高，效果更佳。

输入波导和切断的输入平板区部分，粘接在第一底板27上；其中，底板是由低热膨胀系数的基材组成；其中可选的，底板是由硅片、或者铟钢板、或者高硼硅玻璃。

切断的输入平板区部分和阵列波导区23、输出平板区24、输出波导25，粘接在第二底板28上；其中，底板是由低热膨胀系数的基材组成；其中，底板是由硅片、或者铟钢板、或者高硼硅玻璃。

第一底板27和第二底板28由连接件26连接起来；其中，连接件26具有高热膨胀系数；其中，可选的连接件由铝杆、或者钢杆等材料组成。

图3为本发明实施例提供的图2所示的无热阵列波导光栅上输入平板区22的A-A’剖面的结构示意图。

周期分段式波导区域221由周期长度为P的波导结构组成，一个周期单元内包含高折射率材料区域221a和低折射率材料区域221b；其中221a的长度为P1,221b的长度为P2，P1+P2＝P，P1/P为占空比；在周期分段式波导区域221中，沿着光的传播方向上，占空比由大变小再变大。

一种具体的实施方式中，周期分段式波导区域221由周期长度为P为11um，占空比由1变为3/11，占空比变化率为0.25/11；然后，中间有20个周期结构，占空比为3/11；接着，占空比由3/11变为1，占空比变化率为0.25/11。

在中间的占空比不变区域切缝。当光从所述带有切缝的周期分段式波导(PSW)区域通过时，会有一部分光能量散射损失掉。

光能量散射损耗与切缝缝宽之间的关系如图4所示；图4中1.5％PLC+PSW结构曲线对应的就是切缝缝宽与切缝附加光损耗之间的关系。

作为关系对比，图4中还展示了0.75％PLC工艺和1.5％PLC工艺下不带所述周期分段式波导结构的阵列波导光栅上切缝后，附加光损耗与缝宽之间的关系曲线。

对比三条曲线，可见PSW结构大大降低了切缝造成的附加光损耗。在1.5％PLC工艺下的，不带PSW结构的阵列波导光栅上切缝缝宽为20um时，附加光损耗为0.5dB；而在带PSW结构的阵列波导光栅上，使用40um的切缝就可达到0.5dB；这与0.75％PLC工艺下的不带PSW结构的阵列波导光栅上切40um的缝造成的附加光损耗相同。

因此，带周期分段式波导区域的阵列波导光栅结构，可以降低切缝造成的附加光损耗，降低对切缝缝宽的要求。有利于降低工艺要求，提高成品率。

如图5所示，在一种实施方式中，周期分段式波导区域22由直线型高折射率波导2211和直线型低折射率波导2221交替组成；

如图6所示，在另一种实施方式中，周期分段式波导区域22由曲线型高折射率波导2221和曲线型低折射率波导2222交替组成；

如图7所示，在另一种实施方式中，周期分段式波导区域22由稀释的高折射率波导2231和稀释的低折射率波导2232交替组成；

本发明的实施例提供的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，在平板区上的周期分段式波导区域切缝时，切缝产生的附加光损耗低，可以降低对切缝缝宽的要求，降低切缝的工艺难度，提高切缝成品率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，光栅的平板区域上设置有周期分段式波导区域，并且沿光传播方向上的至少一个光场限制方向上，所述分段式波导区域具有光场发射角小于两边区域的中间部；所述平板区域在所述中间部被切割成两个子部。

2.根据权利要求1所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，所述的周期分段式波导在一个周期单元内包含高折射率材料区域和低折射率材料区域。

3.根据权利要求1所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，所述切缝处涂有对传播光具有高透射率的光学匹配液。

4.根据权利要求3所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，所述光学匹配液具有弹性和/或高折射率。

5.根据权利要求1所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，所述光栅包括依次连接的输入波导、输入平板区、阵列波导区，输出平板区、输出波导，所述周期分段式波导区域位于所述输入平板区和/或输出平板区。

6.根据权利要求1所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，所述平板区域被切割成的两个子部分别位于不同的底板区域，所述底板至少部分由低热膨胀系数的基材构成。

7.根据权利要求6所述的一种减小切缝附加光损耗的阵列波导光栅，其特征在于，底板是由硅片、铟钢板、高硼硅玻璃中的一种或多种构成。

8.一种减小阵列波导光栅切缝附加光损耗的方法，其特征在于，包括：

在光栅的平板区域上设置周期分段式波导区域，所述周期分段式波导区域沿光传播方向上的至少一个光场限制方向上，具有光场发射角小于两边区域的中间部；

在所述中间部将所述平板区域切割成两个子部。

9.根据权利要求8所述的一种减小阵列波导光栅切缝附加光损耗的方法，其特征在于，包括：

所述的周期分段式波导在一个周期单元内包含高折射率材料区域和低折射率材料区域。