CN109683238B - 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法 - Google Patents

一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109683238B
CN109683238B CN201710968665.5A CN201710968665A CN109683238B CN 109683238 B CN109683238 B CN 109683238B CN 201710968665 A CN201710968665 A CN 201710968665A CN 109683238 B CN109683238 B CN 109683238B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
heating
arrayed waveguide
heating element
arrayed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710968665.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109683238A (zh
Inventor
李冰
严亭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd filed Critical Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd
Priority to CN201710968665.5A priority Critical patent/CN109683238B/zh
Publication of CN109683238A publication Critical patent/CN109683238A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109683238B publication Critical patent/CN109683238B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12026—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by means for reducing the temperature dependence

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种非均匀温度补偿的阵列波导结构，包括阵列波导；加热区，所述加热区与所述阵列波导的部分区域相邻并对所述部分区域进行加热，其中所述阵列波导中各波导的等效加热长度随波导长度的增加而增加。通过该结构能够补偿环境温度变化引起的光程差变化，同时与均匀温度补偿方法相比，本发明温度补偿方法所需的功耗较小。

Description

一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法。
背景技术
阵列波导光栅是一种波分复用/解复用技术，阵列波导光栅的阵列波导区由一系列长度差相同的波导组成，若相邻波导的长度差为△L，则相邻波导之间的光程差为n△L，其中n为波导的有效折射率。相邻波导的长度大小关系描述为：若第一根波导长度为L0，则与第一根波导相邻的第二根波导长度为L0+△L，与第二根波导相邻的第三根波导长度为L0+2△L，……，依次类推，第k根波导的长度为L0+(k-1)△L，其中k为正整数。
理想情况下，相邻波导间的光程差是一个理想的设计值。但当环境温度变化时，波导材料的折射率会相应发生变化，引起相邻波导间光程差偏离设计值，这会导致阵列波导光栅的通带偏移，这是不想看到的。为了避免环境温度变化引起光程差偏离设计值，就必须在环境温度变化时，通过某种方法将光程差补偿至原先的设计值。
常见的补偿方法是温控，即无论环境温度如何变化，通过加热或制冷方式使器件实际工作温度始终保持在理想温度值，排除了环境温度变化对光程差的影响。具体的温控措施有多种，理论上有加热法、制冷法，或者加热和制冷的组合使用。具体使用加热法还是制冷法取决于环境温度与理想温度之间的相对关系。
加热法由于方法简单易实现而被广泛采用。采用这种温控方法的具体设计思路是：在阵列波导光栅设计时，以不低于工作温度范围上限的某个温度作为器件的理想工作温度进行设计，当环境温度低于器件设计工作温度时，通过加热使器件的实际温度仍然保持在设计工作温度。
现有技术的温控方法是通过使阵列波导光栅的工作温度保持在设计温度，来达到使其相邻波导光程差保持在设计值的目的。现有技术中，加热法进行温控都是均匀加热，即对阵列波导光栅整个器件进行全面加热，虽然能够达到光程差补偿的目的，但温控单元的功耗较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种非均匀温度补偿的阵列波导结构，包括：阵列波导；加热区，所述加热区与所述阵列波导的部分区域相邻并对所述部分区域进行加热，其中所述阵列波导中各波导的等效加热长度随波导的长度增加而增加。
在本发明的一个实施例中，阵列波导中相邻波导的等效加热长度之差为所述相邻波导长度之差的M倍，M是大于1的常数。
在本发明的一个实施例中，加热区在所述阵列波导所在平面的上方和/或下方。
在本发明的一个实施例中，加热区是连续区域或多块分立的区域。
在本发明的一个实施例中，加热区的形状是类扇形或类梯形。
在本发明的一个实施例中，加热区包括多个加热元件，通过调整所述加热元件的形状、功率和/或位置对所述阵列波导中的各根波导的等效加热长度进行调整。
在本发明的一个实施例中，加热区包括衬底和设置在所述衬底中的热源，所述衬底由轻掺杂的多晶硅材料构成，所述热源由设置在所述多晶硅材料中的重掺杂区构成，在所述热源上部具有电极。
在本发明的一个实施例中，热源包括正极热源和/或负极热源。
在本发明的一个实施例中，阵列波导结构还包括阻热结构，所述阻热结构设置在所述加热区外侧。
在本发明的一个实施例中，阵列波导结构还包括阻热平台，所述阵列波导安装在所述阻热平台上。
在本发明的一个实施例中，阻热平台具有挖空区，以便减小所述阻热平台与所述阵列波导的接触面积。
在本发明的一个实施例中，阵列波导结构还包括真空封装外壳，所述阵列波导和加热区真空密封在所述真空封装外壳中。
在本发明的一个实施例中，阵列波导结构还包括设置在波导层与加热层之间的绝缘层。
根据本发明的另一个实施例，提供一种确定阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构的方法，包括：a)通过光学仿真获取阵列波导光栅相邻波导光程差偏离设计值的容许阈值T；b)设定预期的非均匀补偿倍率Me值；c)获取阵列波导光栅中所有组成部件的材料和热力学参数，并设定初始的加热元件的结构和功率等性能参数，在热仿真软件中建立所述组成部件的热仿真模型；d)获取阵列波导光栅的尺寸、波导材料折射率的温度系数、相邻波导长度差△L、阵列波导光栅的理想工作温度、阵列波导光栅工作的环境温度下限，并设定阵列波导光栅上各点实际加热温度的初始值，建立计算阵列波导光栅中所有相邻波导光程差和所有相邻波导等效加热长度li的数学模型，其中i为从0至k的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量；e)设定或修改阵列波导光栅的加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度，代入步骤c)所述的热仿真模型，计算得出阵列波导光栅所有波导任意位置的温度上升值；f)将步骤e)获得的阵列波导光栅温度上升值代入步骤d)所述的数学模型，计算得出阵列波导光栅在该种温度补偿条件下所有相邻波导的光程差，和所有波导的等效加热长度li；g)判断各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi＝(li+1-li)/△L与Me的偏差值是否大于设定误差D，其中i为从1至k-1的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量；h)如果各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|大于设定误差D，则返回步骤e)，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度；i)如果各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|小于或等于设定误差D，则将步骤f)获得的所有相邻波导的光程差与光程差设计值相减，得出所有相邻波导光程差的误差，判断各个相邻波导光程差误差是否大于阈值T；j)如果所有相邻波导光程差误差小于或等于阈值T，则计算所有相邻波导非均匀温度补偿倍率，输出当前温度补偿结构设计，并计算该温度补偿条件下所有相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi的平均值，以该平均值作为阵列波导光栅实际的非均匀温度补偿倍率M；k)如果存在任意一对相邻波导光程差误差大于阈值T，则返回步骤e)，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度。
在本发明的另一个实施例中，阵列波导光栅的组成部件还包括波导层与加热层之间的绝缘层、阻热结构、阻热平台、封装外壳、空气、真空。
在本发明的另一个实施例中，阵列波导光栅的组成部件的材料和热力学参数包括物理状态、密度、比热容、热导率、热辐射系数，其中物理状态指固态或气态。
在本发明的另一个实施例中，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度包括：判断第i+1根波导与第i根波导的光程差是否大于光程差的设计值，如果第i+1根波导与第i根波导的光程差大于光程差的设计值，则进行以下修改中的至少一项：缩小第i+1根波导的加热长度；增大第i根波导的加热长度；减小第i+1根波导加热元件的加热功率；增大第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其远离第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其靠近第i根波导；降低第i+1根波导的加热元件密度；增加第i根波导的加热元件密度；如果第i+1根波导与第i根波导的光程差小于光程差的设计值，则进行以下修改中的至少一项：增大第i+1根波导的加热长度；缩小第i根波导的加热长度；增大第i+1根波导加热元件的加热功率；减小第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其靠近第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其远离第i根波导；增加第i+1根波导的加热元件密度；降低第i根波导的加热元件密度。
本发明公开的非均匀温度补偿结构和方法，并不需要将阵列波导光栅工作温度始终保持在设计温度，也可达到使阵列波导光栅相邻波导的光程差保持在设计值的目的。通过本发明公开的方法和结构能够补偿相同大小的光程差，同时本发明温控方法所需的功耗较小。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的非均匀局部温度补偿的阵列波导光栅结构100的示意图。
图2示出根据本发明的一个实施例的优化特定阵列波导光栅的加热区的过程的流程图。
图3示出根据本发明的一个实施例的修改加热区的形状、加热元件功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度的流程图。
图4是本发明的一个实施例的非均匀加热区内热源分布示意图。
图5示出根据本发明的一个实施例的硅基阵列波导光栅的片上集成热源结构图。
图6示出根据本发明的一个实施例的片上集成非均匀温度补偿结构的阵列波导光栅芯片侧面结构示意图。
图7示出根据本发明的一个实施例的低功耗的阵列波导光栅芯片701阻热封装结构的横截面示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
现有技术中对阵列波导光栅进行温度补偿的方法，通常对阵列波导光栅整个器件进行全面加热或制冷，虽然能够达到光程差补偿的目的，但温控单元的功耗较大。然而，值得注意的是，温控的目的并非是无论环境温度怎么变化，都使阵列波导光栅的工作温度保持在理想的设计温度，而是使阵列波导光栅相邻波导的光程差保持在设计值。基于这一目的，本发明提供一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿方法与结构，通过该方法和结构能够补偿相同大小的光程差，同时本发明温控方法所需的功耗较小。
本发明公开的非均匀温度补偿方法，并不需要将阵列波导光栅工作温度始终保持在设计温度，也可达到使阵列波导光栅相邻波导的光程差保持在设计值的目的。
图1示出根据本发明的一个实施例的非均匀局部温度补偿的阵列波导光栅结构100的示意图。如图1所示，阵列波导光栅100包括阵列波导110和加热区120。“非均匀”指的是对阵列波导110中的每根波导的等效加热长度不同，相邻波导的等效加热长度之差为相邻波导长度之差的M倍(M大于1)。“局部”指对阵列波导的一部分进行加热，即加热区未完全覆盖阵列波导。阵列波导光栅100可以是硅基阵列波导光栅AWG、SiO2材料的阵列波导光栅AWG或其它材料的阵列波导光栅AWG。
假定阵列波导光栅100的相邻波导长度差为△L，则相邻波导之间的光程差为n*△L，其中n为波导的折射率。令波导折射率的温度系数为dndT，波导折射率的温度系数为温度每变化一度时折射率的改变量，若环境温度变化△T，则相邻波导之间光程差的变化量为dndT*△T△L。因此，温度补偿就是使相邻波导的光程差逆向变化dndT*△T△L，抵消环境温度变化引起的光程差变化量。
在本发明的一个实施例中，可将阵列波导光栅器件的理想工作温度按工作温度范围的上限温度或以上进行设计，当环境温度低于理想工作温度△T时，只需对该加热区加热△T/M即可补偿环境温度变化导致的阵列波导光程差漂移。
例如，在阵列波导区所在平面的上方和/或下方构造一个类扇形的局部加热区，通过对局部加热区仿真设计，使阵列波导区内的各个波导在局部加热区内的等效长度各不相同，并且相邻波导在等效加热长度相差M△L，其中M大于1。等效加热长度指的是一种理想化情况，即在该长度范围内波导受热并均匀升温，而在该长度范围外波导仍保持环境温度。此时，为了补偿环境温度变化△T所引起的光程差变化量dndT*△T△L，只需使加热区的平均加热△T/M温度即可，即，局部加热产生的相邻波导的光程差变化为dndT*(△T/M)*M△L＝dndT*△T△L。而现有技术中，均需对器件整体加热，且整体器件的加热温升为△T。
实现同等光程差变化的温度补偿，本发明技术方案所需加热的区域较小，且加热温升幅度较小，因此其功耗较低。
可以推测，若M越大，则所需加热温升越小，功耗越低。但受限于阵列波导区尺寸限制，一般M无法设计太大。例如，假设阵列波导光栅100包含k根波导，第一根波导长度为L0，则与第一根波导相邻的第二根波导长度为L0+△L，与第二根波导相邻的第三根波导长度为L0+2△L，……，依次类推，第k根波导的长度为L0+(k-1)△L，其中k为正整数；第一根波导的等效加热长度为l0，则与第一根波导相邻的第二根波导的等效加热长度为l0+M△L，与第二根波导相邻的第三根波导的等效加热长度为l0+2M△L，……，依次类推，第k根波导的等效加热长度为l0+(k-1)M△L。第k根波导的等效加热长度l0+(k-1)M△L应小于第k根波导的长度L0+(k-1)△L，即，
l0+(k-1)M△L<L0+(k-1)△L [1]
由此可以计算出:
M<1+(L0-l0)/(k-1)△L [2]
在公式[2]中，对于特定的阵列波导光栅，第一根波导长度L0、相邻波导长度差为△L、波导总根数k均为确定的值，因此通过合理设定第一根波导的等效加热长度为l0，能够有效扩大M可使用的最大值。在极限情况下，设第一根波导的等效加热长度l0为0，则由公式[2]，可得到M<1+L0/(k-1)△L。
在确定阵列波导光栅100的加热区的过程中，使用等效加热长度的概念，在等效加热长度范围内波导受热并升温，而在等效加热长度范围外波导保持环境温度。对于某根波导而言，在受到加热时这根波导上不同位置的温升幅度是不等的，而这根波导受到加热引起的光程差变化是沿着这根波导的积分效果，若这根波导长度为Li，其中i为不大于总波导数的正整数，则这根波导受到加热时的光程差变化量△Si如下式：
Figure BDA0001436982490000081
式中△T(x)表示位置x处的温升幅度，dndT为该波导折射率的温度系数。
假设加热区的平均温升为△Tm，则这根波导由加热引起温升△Tm的等效长度，即等效加热长度为：
Figure BDA0001436982490000082
通过局部加热区结构设计，相邻波导的等效加热长度可以呈M△L倍数增长，其中M为大于1的系数，△L为相邻波导的物理长度差。
实际情况中，受热传导的影响，在对阵列波导的加热区120加热的同时，加热区120以外的阵列波导也会温度升高，这使得加热功率中的一部分效果其实相当于对器件进行整体性加热，这与现有技术的加热补偿的效果无异，而仅有一部分加热功率达到了非均匀加热的效果。但即使如此，本发明温度补偿方案也是能够起到降低功耗的作用的。
基于上文关于等效加热长度的论述，可知为了使相邻波导的光程差逆向变化dndT*△T△L，以抵消环境温度变化引起的光程差变化量，加热区需要实现相邻波导的等效加热长度相差M△L，因此阵列波导光栅的加热区形状不限于图1所示的类扇形形状。例如，加热区可以是类似梯形的形状，梯形的边可以不是直线。另外，加热区可以是一个连续的加热形状，也可以是多个分立的子加热区。本领域的技术人员应该意识到，凡是能够造成相邻波导的等效加热长度差是相邻阵列波导长度差的多倍的非均匀加热结构，都在本发明的保护范围内。加热区的形状和分布主要取决于以下几个方面：1.设计的M值、2.作为热源的加热元件的结构和功率等性能参数、3.加热区内加热元件的密度与位置、4.阵列波导光栅尺寸和热扩散情况等。
下面结合图2介绍，如何确定并优化特定阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构。图2示出根据本发明的一个实施例的优化特定阵列波导光栅的加热区的过程的流程图。
首先，在步骤210，通过光学仿真获取阵列波导光栅相邻波导光程差偏离设计值的容许阈值T。通过光学仿真能给出该阵列波导光栅能否工作的判决条件，与等效加热长度和设计的M△L之差无关，只要加热后各相邻波导的光程差接近设计值即可。也就是，与均匀加热、非均匀加热或几倍的非均匀加热无关，仅用于判断温度调节是否有效。
在步骤220，设定预期的非均匀补偿倍率Me值。
在步骤230，获取阵列波导光栅中所有组成部件的材料和热力学参数，并设定初始的加热元件的结构和功率等性能参数，在热仿真软件中建立组成部件的热仿真模型。阵列波导光栅芯片的组成部件包括波导层、加热区、波导层与加热层之间的绝缘层、阻热结构、阻热平台、封装外壳、空气、真空等器件。阵列波导光栅的组成部件的材料和热力学参数包括物理状态、密度、比热容、热导率、热辐射系数，其中物理状态指固态或气态。
在步骤240，获取阵列波导光栅的尺寸、波导材料折射率的温度系数、相邻波导长度差△L、阵列波导光栅的理想工作温度、阵列波导光栅工作的环境温度下限，并设定阵列波导光栅上各点实际加热温度的初始值，建立计算阵列波导光栅中所有相邻波导光程差和所有相邻波导等效加热长度li的数学模型，其中i为从0至k的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量。
在步骤250，设定或修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度，代入步230所述的热仿真模型，计算得出阵列波导光栅所有波导任意位置的温度上升值；
在步骤260，将步骤250获得的阵列波导光栅温度上升值代入步骤240所述的数学模型，计算得出阵列波导光栅在该种温度补偿条件下所有相邻波导的光程差，和所有波导的等效加热长度li；
在步骤270，初步判断各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi＝(li+1-li)/△L与Me的偏差值是否大于设定误差D，其中i为从1至k-1的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量；
如果Mi总体与预期Me值相差太大，即各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|大于设定误差D，则返回步骤250，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度；
如果Mi总体符合预期M值，即各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|小于或等于设定误差D，则在步骤280将步骤260获得的所有相邻波导的光程差与光程差设计值相减，得出所有相邻波导光程差的误差，判断各个相邻波导光程差误差是否大于阈值T。
如果所有相邻波导光程差误差小于或等于阈值T，则在步骤290计算所有相邻波导非均匀温度补偿倍率，输出当前温度补偿结构设计，并计算该温度补偿条件下所有相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi的平均值，以该平均值作为阵列波导光栅实际的非均匀温度补偿倍率M；
如果存在任意一对相邻波导光程差误差大于阈值T，则返回步骤250，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度。
图3示出根据本发明的一个实施例的修改加热区的形状、加热元件功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度的流程图。在步骤310，判断第i+1根波导与第i根波导的光程差是否大于光程差的设计值。
如果第i+1根波导与第i根波导的光程差大于光程差的设计值，则在步骤320进行以下修改中的至少一项：缩小第i+1根波导的加热长度；增大第i根波导的加热长度；减小第i+1根波导加热元件的加热功率；增大第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其远离第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其靠近第i根波导；降低第i+1根波导的加热元件密度；增加第i根波导的加热元件密度。
如果第i+1根波导与第i根波导的光程差小于光程差的设计值，则在步骤330进行以下修改中的至少一项：增大第i+1根波导的加热长度；缩小第i根波导的加热长度；增大第i+1根波导加热元件的加热功率；减小第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其靠近第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其远离第i根波导；增加第i+1根波导的加热元件密度；降低第i根波导的加热元件密度。
返回图2，通过步骤250至步骤280的若干次迭代，使得相邻波导之间的光程差与其设计值之间的误差向阈值T不断靠近，最终获得误差允许范围内，且非均匀温度补偿倍率M达到预期值附近。此时，获得加热区的形状和/或加热元件的密度。
在图2所示的流程中，当需要对阵列波导光栅芯片波导层、加热区、波导层与加热层之间的绝缘层、阻热结构、阻热平台、封装外壳、空气、真空等器件中所有组成部件的材料和热力学参数，包括物理状态、密度、比热容、热导率、热辐射系数中的一个或多个值进行调整时，可返回在步骤230，接下来进行步骤250至290，最终获得加热区的形状和/或加热元件的密度等参数。
图4是本发明的一个实施例的非均匀加热区内热源分布示意图。加热区400由多个较小的热源构成，热源作为阵列波导的加热元件可包括正电极热源410和负电极热源420，两者交错排布。正电极热源410和负电极热源420在掺杂条件、掺杂形状及尺寸等物理特征上可以相同，也可有差异，“正”、“负”仅表示该电极引出后与电源的正极或负极连接。构成热源的掺杂条件可以有多种变化，如掺杂工艺参数、掺杂区形状的变化等。通过微调加热区的形状、掺杂工艺参数、热源位置、热源功率等参数可以对各根波导的等效加热长度进行微调。在理想情况下，加热所致的所有相邻波导的光程差补偿量严格相等，即假如第i+1根与第i根由加热所致的光程差变化量为△Si，Si应均相等，其中i＝N-1，N为阵列波导数。但在实际情况下，由于加热区内温度分布的不均匀性，有的波导穿过热源正下方较多，有的波导穿过热源间隙较多，加热所致的相邻波导光程差补偿量不可能严格相等，在设计时一方面通过理论评估阵列波导光栅对相邻波导光程差误差的接受范围，另一方面通过微调热源分布、热源形状来使相邻波导的光程差补偿量尽量一致，使其达到理论可接受范围即可。
图5示出根据本发明的一个实施例的硅基阵列波导光栅的片上集成热源结构图。对于硅基阵列波导光栅芯片，加热区可以利用电阻加热实现，与阵列波导光栅集成于同一芯片上。加热区衬底由轻掺杂的多晶硅材料构成，热源由重掺杂区501构成，在其上部构造电极502引出。图5中给出的仅是一种热源示例，其中重掺杂区的形状、尺寸，以及重掺杂区之间的间距等都可以根据阵列波导光栅尺寸、温控精度等限制或要求进行调整。
要使本发明的技术方案的非均匀加热效果显著，就要降低加热时加热区120以外阵列波导处的温升幅度，或者增大加热区120内外的温差。为达到这种效果，根据热力学理论，有几个方案是有利的：
a)选择热导率较差的波导材料，例如按热导率从大到小排序，分别是硅基材料＞SiO2材料＞有机聚合物材料等，波导材料热导率越低，加热区120内外温差越大；
b)限制加热区的纵向热传导功率比例，增大横向热传导功率比例，此时加热区120内外(横向)上的温差会加大。为了限制纵向热传导功率，措施有：减薄芯片；使芯片下部悬空；抽真空；在加热区的外侧设置阻热结构等。
下文中，将结合附图详细描述根据本发明的优化实施例。
图6示出根据本发明的一个实施例的片上集成非均匀温度补偿结构的阵列波导光栅芯片侧面结构示意图。普通的阵列波导光栅芯片从下向上由衬底601、绝缘层602、波导层603及顶部覆盖层组成，在本发明的实施例中，非均匀温度补偿结构覆盖于芯片波导层603上部，两者之间由绝缘层604相隔。热源605在加热区606的顶部，加热区606两侧有阻热层607，该阻热层607使热源605生成的热流更多地传导至芯片波导层603。
图7示出根据本发明的一个实施例的低功耗的阵列波导光栅芯片701阻热封装结构的横截面示意图。为减小加热功耗，需尽量加大芯片加热区702与外界的隔热效果，即加大芯片加热区702与封装外壳703之间的热阻。图7中芯片701安装于一个阻热平台704之上，为了增大芯片701与封装外壳703之间的热阻，一方面应选择热导率尽量低的材料加工阻热平台704；另一方面，由于很少有封装材料的热导率比空气更低，可对阻热平台进行挖空处理，形成挖空区705，减小其与芯片701的接触面积；此外，也可对封装内部进行抽真空处理，进一步加大芯片701与外壳703之间的热阻。需要指出的是，图7仅示意性地示出加热区702的形状、尺寸和相对位置，并不具体限定加热区702的实际形状、尺寸及位置。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (16)

1.一种非均匀温度补偿的阵列波导结构，包括：
阵列波导，所述阵列波导包括k根波导，第一根波导长度为L0，与第一根波导相邻的第二根波导长度为L0+ΔL，与第二根波导相邻的第三根波导长度为L0+2ΔL，……，依次类推，第k根波导的长度为L0+(k-1)ΔL；
加热区，所述加热区与所述阵列波导的部分区域相邻并对所述部分区域进行加热，其中所述阵列波导中各波导的等效加热长度随波导长度的增加而增加其中所述阵列波导中相邻波导的等效加热长度之差为所述相邻波导长度之差的M倍，M是大于1且小于1+(L0-10)/(k-1)ΔL的常数，其中10为第一根波导的等效加热长度，其中所述等效加热长度指的是在该长度范围内波导受热并均匀升温，而在该长度范围外波导仍保持环境温度。
2.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，所述加热区在所述阵列波导所在平面的上方和/或下方。
3.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，所述加热区是连续区域或多块分立的区域。
4.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，所述加热区的形状是类扇形或类梯形。
5.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，所述加热区包括多个加热元件，通过调整所述加热元件的形状、功率和/或位置对所述阵列波导中的各根波导的等效加热长度进行调整。
6.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，所述加热区包括衬底和设置在所述衬底中的热源，所述衬底由轻掺杂的多晶硅材料构成，所述热源由设置在所述多晶硅材料中的重掺杂区构成，在所述热源上部具有电极。
7.如权利要求6所述的阵列波导结构，其特征在于，所述热源包括正极热源和/或负极热源。
8.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，还包括阻热结构，所述阻热结构设置在所述加热区外侧。
9.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，还包括阻热平台，所述阵列波导安装在所述阻热平台上。
10.如权利要求9所述的阵列波导结构，其特征在于，所述阻热平台具有挖空区，以便减小所述阻热平台与所述阵列波导的接触面积。
11.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，还包括真空封装外壳，所述阵列波导和加热区真空密封在所述真空封装外壳中。
12.如权利要求1所述的阵列波导结构，其特征在于，还包括设置在波导层与加热层之间的绝缘层。
13.一种确定阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构的方法，包括：
a)通过光学仿真获取阵列波导光栅相邻波导光程差偏离设计值的容许阈值T；
b)设定预期的非均匀补偿倍率Me值；
c)获取阵列波导光栅中所有组成部件的材料和热力学参数，并设定初始的加热元件的结构和功率等性能参数，在热仿真软件中建立所述组成部件的热仿真模型；
d)获取阵列波导光栅的尺寸、波导材料折射率的温度系数、相邻波导长度差ΔL、阵列波导光栅的理想工作温度、阵列波导光栅工作的环境温度下限，并设定阵列波导光栅上各点实际加热温度的初始值，建立计算阵列波导光栅中所有相邻波导光程差和所有相邻波导等效加热长度li的数学模型，其中i为从0至k的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量，其中所述等效加热长度指的是在该长度范围内波导受热并均匀升温，而在该长度范围外波导仍保持环境温度；
e)设定或修改阵列波导光栅的加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度，代入步骤c)所述的热仿真模型，计算得出阵列波导光栅所有波导任意位置的温度上升值；
f)将步骤e)获得的阵列波导光栅温度上升值代入步骤d)所述的数学模型，计算得出阵列波导光栅在该种温度补偿条件下所有相邻波导的光程差，和所有波导的等效加热长度li；
g)判断各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi＝(li+1-li)/ΔL与Me的偏差值是否大于设定误差D，其中i为从1至k-1的整数，k为所述阵列波导光栅中波导的数量；
h)如果各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|大于设定误差D，则返回步骤e)，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度；
i)如果各相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi与预期的非均匀补偿倍率Me之差的绝对值|Mi-Me|小于或等于设定误差D，则将步骤f)获得的所有相邻波导的光程差与光程差设计值相减，得出所有相邻波导光程差的误差，判断各个相邻波导光程差误差是否大于阈值T；
j)如果所有相邻波导光程差误差小于或等于阈值T，则计算所有相邻波导非均匀温度补偿倍率，输出当前温度补偿结构设计，并计算该温度补偿条件下所有相邻波导的非均匀温度补偿倍率Mi的平均值，以该平均值作为阵列波导光栅实际的非均匀温度补偿倍率M；
k)如果存在任意一对相邻波导光程差误差大于阈值T，则返回步骤e)，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述阵列波导光栅的组成部件还包括波导层与加热层之间的绝缘层、阻热结构、阻热平台、封装外壳、空气、真空。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述阵列波导光栅的组成部件的材料和热力学参数包括物理状态、密度、比热容、热导率、热辐射系数，其中物理状态指固态或气态。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，修改加热区的形状、加热元件的功率、加热元件的位置和/或加热元件的密度包括：判断第i+1根波导与第i根波导的光程差是否大于光程差的设计值，
如果第i+1根波导与第i根波导的光程差大于光程差的设计值，则进行以下修改中的至少一项：缩小第i+1根波导的等效加热长度；增大第i根波导的等效加热长度；减小第i+1根波导加热元件的加热功率；增大第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其远离第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其靠近第i根波导；降低第i+1根波导的加热元件密度；增加第i根波导的加热元件密度；
如果第i+1根波导与第i根波导的光程差小于光程差的设计值，则进行以下修改中的至少一项：增大第i+1根波导的等效加热长度；缩小第i根波导的等效加热长度；增大第i+1根波导加热元件的加热功率；减小第i根波导加热元件的加热功率；调整部分加热元件位置使其靠近第i+1根波导；调整部分加热元件位置使其远离第i根波导；增加第i+1根波导的加热元件密度；降低第i根波导的加热元件密度。
CN201710968665.5A 2017-10-18 2017-10-18 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法 Active CN109683238B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710968665.5A CN109683238B (zh) 2017-10-18 2017-10-18 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710968665.5A CN109683238B (zh) 2017-10-18 2017-10-18 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109683238A CN109683238A (zh) 2019-04-26
CN109683238B true CN109683238B (zh) 2020-09-01

Family

ID=66183171

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710968665.5A Active CN109683238B (zh) 2017-10-18 2017-10-18 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109683238B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113481483B (zh) * 2021-07-12 2023-04-28 杭州科汀光学技术有限公司 一种用于阵列波导的镀膜方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001264709A (ja) * 2000-03-16 2001-09-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチ
JP2002328243A (ja) * 2002-03-25 2002-11-15 Toshiba Corp 集積化光合分波器
CN101021601A (zh) * 2006-12-05 2007-08-22 东南大学 基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列
JP4184931B2 (ja) * 2003-11-19 2008-11-19 日本電信電話株式会社 光波長合分波回路
CN101952752A (zh) * 2008-02-22 2011-01-19 Ntt电子股份有限公司 波导型光学设备
CN102902011A (zh) * 2012-09-29 2013-01-30 河南仕佳光子科技有限公司 一种温度不敏感阵列波导光栅

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3527431B2 (ja) * 1999-03-01 2004-05-17 日本電信電話株式会社 アレイ光導波路熱光学位相シフタ，アレイ光導波路格子波長可変フィルタおよびアレイ光導波路光スイッチ
JP3552159B2 (ja) * 1999-06-30 2004-08-11 日本電気株式会社 温度無依存アレイ導波路格子素子
DE69938132T2 (de) * 1999-09-28 2009-03-05 Corning Incorporated Athermischer Wellenleitergitter-Multiplexer (AWG) mit Polymersegment, sowie entsprechendes Herstellungsverfahren
GB2363536B (en) * 2000-06-16 2004-03-24 Ericsson Telefon Ab L M WDM signal monitoring
KR101232573B1 (ko) * 2005-12-29 2013-02-12 네오포토닉스 코포레이션 광학 컴포넌트의 열적 제어
JP2009020356A (ja) * 2007-07-12 2009-01-29 Nec Corp シリコン構造体
CN106526744A (zh) * 2015-09-12 2017-03-22 黄石永明环保科技有限公司 一种新型简易的有热型阵列波导光栅波分复用器封装方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001264709A (ja) * 2000-03-16 2001-09-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチ
JP2002328243A (ja) * 2002-03-25 2002-11-15 Toshiba Corp 集積化光合分波器
JP4184931B2 (ja) * 2003-11-19 2008-11-19 日本電信電話株式会社 光波長合分波回路
CN101021601A (zh) * 2006-12-05 2007-08-22 东南大学 基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列
CN101952752A (zh) * 2008-02-22 2011-01-19 Ntt电子股份有限公司 波导型光学设备
CN102902011A (zh) * 2012-09-29 2013-01-30 河南仕佳光子科技有限公司 一种温度不敏感阵列波导光栅

Also Published As

Publication number Publication date
CN109683238A (zh) 2019-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210087680A1 (en) Susceptor having cooling device
TWI520920B (zh) 用於玻璃片之局部加熱與變形的方法及設備
KR101572446B1 (ko) 전지셀 어셈블리 및 전지셀 어셈블리의 제조방법
CN109683238B (zh) 一种阵列波导光栅的非均匀温度补偿结构及方法
CN105185865A (zh) 太阳能电池的后加工设备
KR20120102720A (ko) 조절된 두께를 갖는 유리 시트 제조를 위한 방법 및 장치
BR102012018610A2 (pt) Método e dispositivo semicondutor
CN113485033A (zh) 光电装置
KR20170141714A (ko) 유리 시트의 두께를 제어하기 위한 방법 및 장치
US10365507B2 (en) Semiconductor optical integrated circuit
CN104496155B (zh) 浮法玻璃制造方法、浮法玻璃及其应用
US20190252162A1 (en) Semiconductor processing apparatus having improved temperature control
CN203983241U (zh) 带有加热器的基板支撑组件
KR20130102577A (ko) 기판 가열 장치
CN108700539B (zh) 用于气体传感器装置的cmos集成微型加热器
US20060120680A1 (en) Thermo-optical device
KR101455789B1 (ko) 기판처리장치의 서셉터 및 그를 가지는 기판처리장치
US7283303B2 (en) Conductive anti-reflection coating
CN106444093A (zh) 一种用于光波导降低应力的加热电极及其voa
JP5282910B2 (ja) 光位相シフタ
US20210249581A1 (en) Heat flow switching element
KR102557006B1 (ko) 세라믹 히터
KR20220016401A (ko) 히팅필름
KR102381360B1 (ko) 균일한 온도분포를 갖는 히터
Lee et al. A cooled deformable bimorph mirror for a high power laser

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant