CN113703092A - 一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器。它包括输入耦合光纤阵列、输入波导、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区、输出波导、输出耦合光纤阵列和温度补偿装置；平场型阵列波导光栅路由器包括平输入场型和平聚焦场型，基于像差理论进行设计；温度补偿装置置于平场型平板波导端的输入或输出波导上，根据温度变化反馈，通过无源或有源的方式使输入或输出波导沿输入或输出面直线移动，以补偿温度的影响，从而实现温度不敏感特性。本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器能够保持良好的线性色散和聚焦效果，而且控制灵活方便，在大规模可重构波分复用系统中具有很高的应用前景。

Description

一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器

技术领域

本发明涉及光通信技术领域的一种波导光栅路由器结构，特别是涉及了一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器。

背景技术

N×N阵列波导光栅路由器(AWGR)能够同时实现N×N路信号完全无阻塞连接，具有集成度高、传输容量大、体积小、插入损耗小和成本低等优势，成为光互连网络系统中的关键元器件之一。

而用于制作AWGR的大多数光电子材料均有一定的热光效应，这会导致波导的折射率会随着温度的变化而变化，从而引起各通道的中心波长偏移。这种偏移会引起较大的串扰和较高的损耗，恶化AWGR的性能。

近年来，为了实现器件的温度不敏感特性，业内人士也提出了很多的方案。如通过掺杂等技术手段或者使用polymer等温度补偿材料制作温度不敏感波导。这种方法对工艺容差要求较高，成品率低。还有在AWGR的阵列波导中或平板波导区中插入负热光系数的补偿介质来补偿光程差的变化，但这种方法会增加额外的插入损耗，而且设计制作难度较大。

一种比较容易实现的方案是基于平场型的集成波分复用器件，借助温度补偿装置，实现温度不敏感的特性，如国家发明专利(公开号：CN1404253A)。该装置通过位置偏移补偿装置来实现。将位置偏移补偿装置置于芯片的输出端，通过有源和无源的方式控制输出波导的位置，从而补偿由于温度变化引起通道中心波长的偏移。这种方法比较简便，而且易于实现。有源的方式可以采用微型马达，PZT电致伸缩材料，静电抓爬式制动器和蠕动马达等微位移执行机构，利用数字信号技术控制输出波导的位置；而无源的方式则不需要电信号控制，利用特定材料(金属，合金或塑料等)的热膨胀效应，在环境温度变化时产生一定的伸缩量控制输出波导的位置，使得器件的中心波长保持不变。

不过，波分复用器或解复用器是Nx1或1xN器件，温度补偿装置可以安装在单个波导的输入或输出端，针对(解)复用器中某一个特定信道波长进行消像差，该方法改善器件总体像差的能力有限，尤其是在大规模的集成型波长路由器件中。而AWGR一般有三个参量，最多可允许三个信道波长同时消像差。而且AWGR是NxN器件，在输入和输出端都有很多根波导，当温度补偿的机械结构运动时，在色散得到补偿的同时，还会在聚焦方向引起偏移。

发明内容

针对背景技术的不足以及基于现有的技术手段，本发明提供了一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，解决了阵列波导光栅路由器由于环境温度变化引起中心波长偏移的问题。

本发明所采用的技术方案是：

如图3所示，包括依次连接的输入耦合光纤阵列、阵列波导光栅路由器和输出耦合光纤阵列，阵列波导光栅路由器包括从输入耦合光纤阵列到输出耦合光纤阵列依次连接的输入波导区、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和输出波导区，输入波导区是由多根输入波导构成，输出波导区是由多根输出波导构成；输入波导和输出波导数目均为N，与阵列波导光栅路由器内的通道数目相同。

如图1、图2所示，输入平板波导区或者输出平板波导区中选择其一设置为平场型结构并作为平场型平板波导区，平场型平板波导区在靠近阵列波导区一侧的端面设置为平场型结构，且与该端面相连接的输入波导区的各输入波导或者输出波导的各输出波导的端面设置处于同一个平面，作为切割面，使得阵列波导光栅路由器形成了平场型阵列波导光栅路由器，进而用于连接到输入平板波导区或者输出平板波导区，这样可以将芯片的切割面移动到切割面处。并且在与平场型平板波导区所连接的阵列波导区的各条阵列波导中心的排布不再设置为均匀分布。

切割面处设有温度补偿装置，且在平场型平板波导区与自身所连接的输入波导区或者输出波导区之间设置温度补偿装置，温度补偿装置随着温度的变化沿着切割面移动，即的输入侧或者输出侧中选择其一位置，输入波导区和输入平板波导区之间，或者输出平板波导区和输出波导区之间中选择其一一侧位置设置温度补偿装置，且在所在一侧位置的平板波导区设置为平场型结构，使得进一步形成温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器。

本发明的温度补偿装置以及与其连接的输入或输出波导与平场型阵列波导光栅路由器芯片相分离，即温度补偿装置属于平场型阵列波导光栅路由器芯片的外围设计，温度补偿控制机制灵活方便。

所述的平场型阵列波导光栅路由器中，作为平场型平板波导区的输入平板波导区或者输出平板波导区在靠近阵列波导区一侧的端面设置保持为标准罗兰圆结构，具体实施可以将与该端面连接的阵列波导区中的各输入端口或输出端口仍设置位于罗兰圆上或者共聚焦型结构。

以输入平板波导区作为平场型平板波导区如图2所示，输出平板波导区作为平场型平板波导区如图1所示。

所述的平场型阵列波导光栅路由器的平场型结构分为平输入场型和平聚焦场型：

所述的平输入场型指与平场型平板波导区相连接的各输入波导的端面或者各输出波导的端面处于同一个平面，而不作为平场型平板波导区的另一侧的输入平板波导区或者输出平板波导区仍然为传统罗兰圆结构；

所述的平聚焦场型指与平场型平板波导区相连接的各输入波导或者各输出波导的输出信号聚焦在同一平面处，而不作为平场型平板波导区的另一侧的输入平板波导区或者输出平板波导区仍然为传统罗兰圆结构。

与平场型平板波导区相连的阵列波导区中的各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置排列由两点法确定，各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置不再均匀分布在平场型平板波导区端面上，且每相邻两条阵列波导中心间具有相同的长度差。

与平场型平板波导区相连的阵列波导区中的各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置排列由三点法确定，各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置不再均匀分布在平场型平板波导区端面上，且每相邻两条阵列波导中心间不再具有固定的长度差。

根据环境温度的变化，通过温度补偿装置带动与平场型平板波导区所连接的输入波导区中的各条输入波导或者输出波导中的各条输出波导沿垂直于波导延伸方向的切割面同步平移，进而调整改变受环境温度影响后平场型阵列波导光栅路由器中的平场型平板波导区与输入波导区或者输出波导的连接和位置关系，以补偿温度的影响，从而实现温度不敏感特性。使得与平场型平板波导区相连的各条输入波导接受到的输入光信号受环境温度影响前后不变，各条输出波导发出到的输入光信号受环境温度影响前后不变

如图10所示，所述的温度补偿装置，在平场型阵列波导光栅路由器中置于平面处，一侧连接输入波导或输出波导，另一侧连接输入平板波导区或者输出平板波导区；温度补偿装置主要由固定部件、伸缩杆和对准基板组成，固定部件保持固定，伸缩杆一端固定于固定部件上，伸缩杆另一端固定连接对准基板，输入波导或输出波导的端部均固定于对准基板上，置于切割面处，且各条输入波导或输出波导的端面通过对准基板表面的平面对齐设置为平场型结构。

所述的伸缩杆采用受温度变化变形的材料，具体是受温度沿切割面长或者缩回的材料。伸缩杆的单位温度变化引起的伸缩量受其材料本身的热膨胀系数和其长度有关。根据环境温度的变化，通过温度补偿装置带动与平场型平板波导区所连接的各条输入波导或者输出波导沿垂直于波导延伸方向的切割面同步平移，使得与平场型平板波导区相连的各条输入波导或者输出波导与输入或聚焦输出信号的相对位置能够匹配。

所述的温度补偿装置根据芯片温度变化反馈发生变形，通过无源(或有源)的方式进而带动使输入波导或输出波导沿切割面平移移动，以补偿温度影响带来的偏移，从而实现温度不敏感特性。

由此，本发明通过选择不同热膨胀系数的伸缩杆材料和长度以及设置与平场型平板波导区所连接的阵列波导区的各条阵列波导中心的排布，实现了针对平场型阵列波导光栅路由器的温度偏移补偿的设置和控制。

所述平场型阵列波导光栅路由器的自由光谱范围FSR的计算公式如下：

FSR＝(λ_cN_w)/(mN_g)＝Δλ·N

其中，λ_c表示为平场型阵列波导光栅路由器中的中心输入波导至中心输出波导的信道波长，m为衍射级次，N_w与N_g分别为阵列波导的等效折射率和群折射率，Δλ为信道间隔，N表示输入/输出波导数。

所述平场型阵列波导光栅路由器适用于基于二氧化硅、氮化硅、绝缘体上硅和磷化铟等材料平台的设计制作。

本发明在标准罗兰圆型阵列波导光栅路由器的基础上，保持输入平板波导区或者输出平板波导区其一仍为标准罗兰圆型，将与另一平板波导区中相连的输出或输入端面设置为平面(即切割面)，分别对应于平聚焦场型和平输入场型阵列波导光栅路由器。并将切割面处所连接的输入波导或者输出波导置于温度补偿装置中。

本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器能够保持良好的线性色散和聚焦效果，而且控制灵活方便，在大规模可重构波分复用系统中具有很高的应用前景。

本发明的有益效果是：

本发明在不增加额外损耗，不降低器件串扰，不引入额外的温度补偿介质和不增加工艺制作难度的基础上，利用像差理论，设计了温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器。

本发明采用的两点法和三点法，减小了所述平场型阵列波导光栅路由器各通道的像差，使器件能够保持良好的线性色散和聚焦效果，从而改善和保障了器件的性能。

本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器将温度补偿控制装置与平场型阵列波导光栅路由器芯片分开设计，补偿机制灵活方便，在大规模可重构波分复用系统中具有很高的应用前景。

附图说明

图1为本发明温度不敏感的平输入场型阵列波导光栅路由器的装置示意图；

图2为本发明温度不敏感的平聚焦场型阵列波导光栅路由器的装置示意图；

图3为标准罗兰圆型阵列波导光栅路由器的设计版图；

图4为平聚焦场型阵列波导光栅路由器的结构示意图；

图5是本发明基于两点法和三点法设计的阵列波导在平板波导区的位置分布示意图；

图6是表示本发明在中心输入波导下的像差曲线图；

图7是本发明基于三点法和标准罗兰圆设计的阵列波导的相对长度差的变化曲线对比图；

图8是基于两点法设计时，在中心输入波导CH#8和边缘输入波导CH#16入射下的传输谱；

图9是基于三点法设计时，在中心输入波导CH#8和边缘输入波导CH#16入射下的传输谱。

图10为采用无源方式的温度补偿装置图。

图中:输入耦合光纤阵列1，平场型阵列波导光栅路由器110，输出耦合光纤阵列7，输入波导2，输入平板波导区3，阵列波导区4，输出平板波导区5，输出波导6，切割面103，入口阵列波导101，出口阵列波导102，温度补偿装置111，固定部件112、伸缩杆113和对准基板114。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

通常波导的折射率会随着温度的变化而变化，这将影响AWGR原中心波长的聚焦位置，具体可从的光栅衍射方程来解释：

N_sd_a(sinθ_i+sinθ_o)+N_wΔL＝mλ

其中，N_s和N_w分别为平板波导区和阵列波导的等效折射率，d_a为相邻阵列波导在平板波导区的间隔，θ_i和θ_o是信号在输入平板波导区和输出平板波导区的衍射角，ΔL是相邻阵列波导的长度差。m为衍射级次，λ是真空信道波长。

对光栅衍射方程进行微分，可得在θ_i＝θ_o＝0附近，聚焦(或衍射)位置随波长的变化率为：dx/dλ＝RΔLN_g/(N_sd_aλ_c)，其中x表示信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置。R表示平板波导区的长度，λ_c是中心输入波导到中心输出波导对应的中心波长。当θ_i＝θ_o＝0时，对应于中心波长λ_c，其衍射方程简化为N_w0ΔL＝mλ_c，其中N_w0为阵列波导在中心波长λ_c处的等效折射率。两边微分可得色散系数为：dλ/dN_w0＝λ_c/N_w0。

假设波导的等效折射率随温度变化的导数C为常数，即dN_w/dT＝C，则可推导出信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦中心位置随温度的变化率dx/dT为：

dx/dT＝(dx/dλ)*(dλ/dN_w)*dN_w/dT＝RΔLN_g/(N_sd_aN_w0)*C

其中，N_g为阵列波导的群折射率，T表示环境温度。

由此可知，AWGR信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置变化随环境温度的变化率与波导的等效折射率对温度的导数成线性关系。

以二氧化硅波导为例，其等效折射率随温度变化的导数C通常为8～10x10^-6/K，此处取C＝10^-5/K，参照下文表1基于二氧化硅AWGR的设计参数，得到信号聚焦输出的中心位置随温度变化的系数为dx/dT＝0.23um/K。。

即是说，环境温度每变化1K，则该基于二氧化硅的AWGR的信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置平移0.23um。如果将与平板波导区相连的输出波导端面(或输入波导端面)设计成一个平面，作为平场型阵列波导光栅路由器AWGR，而输出波导(或输入波导)在某种装置的驱动下沿这个平面随温度变化同步平移(如上例，每变化1°的温差，平移0.23um)，则原信道波长将会从原输出波导正常输出，从而弥补AWGR由于温度变化带来的波长漂移，便解决了阵列波导光栅路由器由于环境温度变化引起中心波长偏移的问题。

以下通过一个具体案例对本发明关于平场型阵列波导光栅路由器的设计作进一步说明。

为了方便说明，这里基于二氧化硅(SiO₂)材料平台，以平聚焦场型阵列波导光栅路由器为例说明设计方法。平输入场型阵列波导光栅路由器是一种与之完全对称的结构，可以采用相同的设计方法。该方法同样适用于氮化硅、绝缘体上硅和磷化铟等材料平台的设计制作。

首先基于硅基二氧化硅材料平台，设计并优化16×16标准罗兰圆型AWGR的结构参数，其中表1列出了具体的设计参量。

表1 16×16标准罗兰圆型AWGR的主要设计参数

依据表1中的主要参数，设计16×16标准罗兰圆型AWGR的版图形貌如图3所示。标准罗兰圆型AWGR都是基于罗兰圆结构进行设计，所有的输入波导端口和聚焦输出波导端口都位于罗兰小圆弧上，且入口阵列波导101和出口阵列波导102处的各条阵列波导中心的位置等间隔地排列在罗兰大圆弧上，且相邻阵列波导的长度差为常数，具有完全轴对称性。这种罗兰圆型结构被证明能够满足二阶成像条件，从消除全波段像差的角度来说，罗兰圆结构是最优的结构之一。

本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，将与输入平板波导区3或者输出平板波导区5其一相连的输入波导或输出波导端面设置为平面，作为平场型阵列波导光栅路由器110的切割面103，将切割面103所在的平板波导区作为平场型平板波导区。当输入波导端口或聚焦输出波导端口不在罗兰小圆弧上，而是位于同一个平面上时，如图1-图2和图4所示，势必会影响AWGR的成像条件。

为了减小平场型AWGR各信道的像差，提高器件整体的性能，本发明只将输入平板波导区或输出平板波导区其中一侧设计为平场型平板波导区。并且基于像差理论，采用Stigmatic Points设计方法，通过适当调整入口阵列波导(101)或出口阵列波导102上相邻阵列波导之间的间距，位置以及相邻阵列波导的长度差，对几个关键信道波长完全消像差。考虑到最多调整的参量只有三个，所以最多只能消除三个信道波长的像差。

如图4所示，平聚焦场型阵列波导光栅路由器包括输入波导2，输入平板波导区3，阵列波导区4和输出平板波导区5。光信号从输入波导2入射至输入平板波导区3，基于基尔霍夫衍射，发散至入口阵列波导101，然后经阵列波导区4中不同长度的阵列波导传输，到达出口阵列波导102位置，最后不同波长的光信号将由于干涉而聚焦在同一输出平面103的不同位置处。

根据对称性，在输入平板波导区和输出平板波导区建立如图4所示的直角坐标系YOZ和Y’O’Z’。其中，原点O和O’分别位于入口阵列波导101和出口阵列波导102中心(即阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导)位置处，作为坐标原点，Y或Y’轴和Z或Z’轴分别垂直和平行于入口阵列波导101或出口阵列波导102的法线。

定义光程函数为：

F(w，λ)＝N_s(|SP(w)|+|P′(w)D|)+N_wL(w)-mλG(w)

式中，F(w，λ)表示波长为λ的光信号在阵列波导区4中第w个阵列波导的光程函数，w是阵列波导区4中的阵列波导的编号，w＝1,2,…,N_wg，S和D分别为平场型阵列波导光栅路由器(110)的信号输入端口的位置和平场型阵列波导光栅路由器(110)的信号输出聚焦成像的位置，其中D在Z轴的坐标为常数。P(w)和P′(w)表示阵列波导w中心在输入/输出平板波导区的位置，L(w)是阵列波导w的长度，G(w)表示从P(w)到中心阵列波导(P(0,0))的阵列波导数，对于中心阵波导有G(w)＝0。P(0,0)是位于原点O处；N_w表示阵列波导的等效折射率。，N_s表示输入/输出平板波导区的等效折射率。λ表示真空信道波长。

定义像差(光程差)函数为如下表达式：

ΔF(w,λ)＝N_s(|SP(w)|-|SO|+|P′(w)D|-|DO′|)+N_w(L(w)-L(O))-mλG(w)

其中，ΔF(w,λ)表示波长为λ的光信号在阵列波导区4中第w个阵列波导和中心阵列波导的光程函数之差。O表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导在入口阵列波导101的位置，即YOZ坐标系的原点O处，O′表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导在出口阵列波导102的位置，即Y’OZ’坐标系的原点O’处。YOZ坐标系的Z轴沿波导延伸方向，Y轴沿入口阵列波导101的波导阵列排布方向。

其中对于标准罗兰圆型的AWGR，有L(w)＝(w-N_halfwg)×ΔL+L(O)，L(O)和N_halfwg分别表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导的长度和编号。

实施例1

本实例采用两点法(2stigmatic points)设计平场型阵列波导光栅路由器。

如图4所示，保持输入平板波导区的标准罗兰圆不变(即P(w)不变)，第一步给定初始输入波导的位置S，这里选取中心输入波导CH#8(可以不是中心输入波导)；然后选择需要消像差的两个波长λ1和λ2(本实例选取λ1＝1.5374μm和λ2＝1.5461μm)，假定λ1和λ2沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的D1和D2处，其中D1，D2在Z’轴的坐标相同(Z’＝R)。

由于两点法不改变阵列波导的长度(即L(w)保持不变)，对每一根阵列波导，相邻阵列波导中心间的光程差函数均应满足以下方程组：

其中，△F(w，λ₁)表示波长为λ₁的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₂)表示波长为λ₂的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；N_S1，N_S2分别表示输入/输出平板波导区在波长为λ₁和λ₂时的等效折射率，N_w1、N_w2分别表示阵列波导在波长为λ₁和λ₂时的等效折射率；D1、D2分别表示λ₁和λ₂沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的位置。λ₁和λ₂对应于两个不同的信道波长。

针对每一条阵列波，依次求解上述方程组，确定出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布P′(w)，注意不再是等间距的均匀分布，如图5(a)所示。由两点法确定的出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布与标准罗兰圆AWGR的出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布仅有略微的偏差。

接着在Z’＝R成像平面，R表示平板波导区的长度。确定其他信道波长λ_i的成像点D_i。D_i位置的选择，满足在所有阵列波导中最大绝对值像差取值最小。

然后假定以某一成像点Do(这里是中心成像点CH#8)作为输入点，反向传播，与确定成像点D_i的方法一样确定其他输入波导端面的位置，其中输入波导端面的位置均分布在原罗兰圆上。

至此，基于两点法的平聚焦场型阵列波导光栅路由器的各参数均已确定。图6(a)给出了由中心输入波导CH#8输入时本实例的像差曲线，由两点法设计的平场型阵列波导光栅路由器的像差ΔF＜0.05λ，满足理想成像条件ΔF＜0.25λ。

实施例2

本实例采用三点法(3stigmatic points)设计平场型阵列波导光栅路由器。

三点法与实施例1两点法设计平场型阵列波导光栅路由器的方法相同，只是出口阵列波导中心101的位置P′(w)以及阵列波导区4的相对长度L(w)由3个无像差点λ₁、λ₂和λ₃共同确定，本实例选取λ₁＝1.5374μm、λ₂＝1.5421μm和λ₃＝1.5461μm。即依次联立以下三个方程进行求解P′(w)和L(w)的值。

其中，△F(w，λ₁)表示波长为λ₁的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₂)表示波长为λ₂的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₃)表示波长为λ₃的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；N_S1、N_S2、N_S3分别表示阵列波导在波长为λ₁、λ₂和λ₃时的等效折射率，N_w1、N_w2、N_w3分别表示阵列波导在波长为λ₁、λ₂和λ₃时的等效折射率。D₁、D₂、D₃分别表示λ₁和λ₂沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的位置，λ₁、λ₂和λ₃分别是三种不同的信道波长。

图5(b)和图7分别给出了本实例相比于标准罗兰圆型AWGR，出口阵列波导102中的各条阵列波导位置P′(w)的分布和阵列波导区4中阵列波导w相对于处于中心的一条阵列长度L(w)-L(O)。其中出口阵列波导102中的各条阵列波导的分布，相较于原标准罗兰圆型AWGR，最边缘的阵列波导相差80μm，而且也不再均匀的分布在出口阵列波导102上；阵列波导相对长度也不再是随阵列波导数(w)线性增加。

相比于两点法，由三点法设计的平场AWGR实现了更低的像差(3.1×10^-4/λ，约提高了2个数量级)，如图6(b)所示。

图8和图9分别给出了两点法和三点法设计的平场型阵列波导光栅关于中心输入波导CH#8和边缘输入波导CH#16的频谱仿真结果。表2列出了仿真结果中的主要性能参数。

表2本发明平场型AWGR与标准罗兰圆型AWGR的性能比较

从仿真结果来看，本发明基于两点法和三点法的平场型阵列波导光栅路由器均能够保持良好的线性色散和聚焦效果。三点法设计的平场AWGR损耗更低，3dB带宽更大，其性能更接近标准罗兰圆型AWGR。

需要说明的是，两点法在版图的布局上更为简单。同时，合理的选取初始输入波导的位置S以及与需消像差的波长λ，对进一步降低器件整体像差，提高其性能十分关键。

关于温度补偿装置，以无源的温度补偿机制为例。如图10所示，对准基板114固定好所有的输入(平输入场型2)或输出波导(平输出场型6)，紧贴着切割面103。固定部件112和本发明AWGR芯片110相对位置固定不动。固定部件112和对准基板114选择与AWGR芯片热膨胀系数相同或相似的材料，这样可以忽略其热胀冷缩对补偿位移的影响。

伸缩杆113采用特定材料，如金属，合金或塑料等，利用其热膨胀或热收缩效应，在环境温度变化时产生一定的伸缩量控制对准基板114在切割面103内平动，从而带动输入(平输入场型2)或输出(平输出场型6)波导沿输入或输出端面平动。如果伸缩杆113的伸缩量刚好能够匹配AWGR所需的位移，即伸缩杆113的伸缩系数η与AWGR中心位置随温度变化的系数dx/dT相等，则器件的中心波长便保持不变。

材料的伸缩系数η与其长度L和材料的热膨胀系数α有关，近似满足η＝αL。因此，伸缩杆113在设计上十分地灵活，既可以先选择特定的材料，再确定需要的长度，也可以先确定好长度，再选择特定的材料，实际应用时要综合考虑器件的尺寸和现有的材料。下表给出了常见材料的热膨胀系数：

表3常见材料的热膨胀系数

如上，基于二氧化硅波导的AWGR中心位置随温度变化的系数dx/dT＝0.23(um/K)。如果伸缩杆113选择铝材料，则所需的长度大概为9.7mm。

最后将平场型阵列波导光栅路由器的芯片110与温度补偿装置111，以及输入光纤阵列1和输出光纤阵列7组合封装在一起，即可完成本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器的整体设计，如图1和图2所示。

以上结合附图详细描述了本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器的实施方式。注意，以上实施案例是用来解释说明本发明的，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，包括依次连接的输入耦合光纤阵列(1)、阵列波导光栅路由器和输出耦合光纤阵列(7)，阵列波导光栅路由器包括从输入耦合光纤阵列(1)到输出耦合光纤阵列(7)依次连接的输入波导区、输入平板波导区、阵列波导区(4)、输出平板波导区(5)和输出波导区，其特征在于：输入平板波导区(3)或者输出平板波导区(5)中选择其一设置为平场型平板波导区，平场型平板波导区在靠近阵列波导区(4)一侧的端面(101)设置为平场型结构，且与该端面相连接的输入波导区的各输入波导或者输出波导(6)的各输出波导的端面设置处于同一个平面，作为切割面(103)，使得阵列波导光栅路由器形成了平场型阵列波导光栅路由器(110)；切割面(103)处设有温度补偿装置(111)，且在平场型平板波导区与自身所连接的输入波导区或者输出波导区之间设置温度补偿装置(111)，温度补偿装置(111)随着温度的变化沿着切割面移动，使得进一步形成温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器；并且在与平场型平板波导区所连接的阵列波导区(4)的各条阵列波导中心的排布不再设置为均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述的平场型阵列波导光栅路由器(110)中，作为平场型平板波导区的输入平板波导区(3)或者输出平板波导区(5)在靠近阵列波导区(4)一侧的端面(102)设置为罗兰圆结构。

3.根据权利要求2所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述的平场型阵列波导光栅路由器(110)的平场型结构分为平输入场型和平聚焦场型：

所述的平输入场型指输入平板波导区(3)为平场型平板波导区，与平场型平板波导区相连接的各输入波导的端面处于切割面(103)的同一平面；

所述的平聚焦场型指输出平板波导区(5)为平场型平板波导区，与平场型平板波导区相连接各输出波导的端面在切割面(103)的同一平面。

4.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：阵列波导区(4)中的各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置排列由两点法确定，各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置不再均匀分布在平场型平板波导区端面上，且每相邻两条阵列波导中心间具有相同的长度差。

5.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：阵列波导区(4)中的各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置排列由三点法确定，各条阵列波导中心连接到平场型平板波导区端面的位置不再均匀分布在平场型平板波导区端面上，且每相邻两条阵列波导中心间不再具有固定的长度差。

6.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：根据环境温度的变化，通过温度补偿装置(111)带动与平场型平板波导区所连接的输入波导区中的各条输入波导或者输出波导(6)中的各条输出波导沿垂直于波导延伸方向的切割面(103)同步平移，进而调整改变受环境温度影响后平场型阵列波导光栅路由器(110)中的平场型平板波导区与输入波导区或者输出波导(6)的连接和位置关系。

7.根据权利要求1或6所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述的温度补偿装置(111)，一侧固定连接输入波导(2)或输出波导(6)，另一侧连接输入平板波导区(3)或者输出平板波导区(5)；温度补偿装置(111)主要由固定部件(112)、伸缩杆(113)和对准基板(114)组成，固定部件(112)保持固定，伸缩杆(113)一端固定于固定部件(112)上，伸缩杆(113)另一端固定连接对准基板(114)，输入波导(2)或输出波导(6)的端部均固定于对准基板(114)上。

8.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述平场型阵列波导光栅路由器(110)的自由光谱范围FSR的计算公式如下：

FSR＝(λ_cN_w)/(mN_g)＝Δλ·N

其中，λ_c表示为平场型阵列波导光栅路由器中的中心输入波导至中心输出波导的信道波长，m为衍射级次，N_w与N_g分别为阵列波导的等效折射率和群折射率，Δλ为信道间隔，N表示输入/输出波导数。

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