CN1289928C - 用于集成光路的机械射束控制 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有机械射束控制的光路。机械射束控制可以减小例如阵列波导管的光路的热敏度。同时公开了用于制造采用机械射束控制的集成光路的方法。

Description

用于集成光路的机械射束控制
技术领域
本发明涉及集成光路的技术，更具体地，涉及用于集成光路的机械射束控制的装置和方法。
背景技术
集成光路(OICs)有很多形式，例如1×N分光器、光开关、波分复用器(WDMs)、分用器、光分插复用器(OADM)，等等。这些集成光路用在构造光纤网络(optical network)中，在其中光信号在光学装置间传输，以传送数据和其它信息。例如，电信网络和数据通信网络经由电气化导线使用电信号传输来进行的传统信号交换正在被传输光学(例如，光)信号的光纤和电路代替。这些光学信号可以通过调制技术携带数据或其它信息，来通过光纤网络传输这种信息。光路允许光学信号的分支、接合、交换、分离、复用和分用，在光学和电气介质之间没有中间转换。
这些光路包括具有在平面基板上的光波导管的平面光波电路(PLC)，它可以用来将光学信号从许多输入光纤的一个发送到数个输出光纤或光路的任何一个。与利用半导体工业的典型制造技术的光纤元件相比，PLC能够得到更高的密度、更大的产量和更多样的功能。例如，PLC包括在硅基板板上使用光刻处理形成的被称作波导管的光程，其中，波导管由可透射的介质制成，这些介质包括铌酸锂(LiNbO3)或其它无机晶体、硅土、玻璃、热光聚合体、电光聚合体，以及半导体，例如磷化铟，其比芯片基板或外包覆层具有更高的折射率，以沿着光程引导光。通过使用先进的光刻和其它处理，PLC的构造使得可以在一个单光学芯片中集成多种元件和功能。
PLC和OIC的一个重要应用通常包括波分复用(WDM)，其包括密集波分复用(DWDM)。DWDM允许不同波长的光学信号，每个携带各自的信息，经由光纤网路中的单光学信道或光纤传送。例如，早期系统提供四个以400GHz分开的不同的波长，其中，每个波长以每秒2.5G比特传输数据。当前的复用光学系统在每个光纤上使用的波长可多达160个。
为了在这样的网络中提供高级的复用和分用(例如，DWDM)以及其它功能，已经以PLC的形式开发了阵列波导光栅(AWG)。现有AWG可以提供多达80个通道的或间隔接近到50GHz的波长的复用或分用。如图1所示，传统的分用AWG2包括基底4，例如硅基板，其具有一个单输入端口6和多个输出端口8。多波长的光在输入端口6接收(例如，来自网络中的一个光纤，没有显示)，并经由基板基底4上的输入光程或波导管12提供给输入透镜10。
输入透镜10将多波长光线传送到波导管14的阵列中，其中，波导管14有时称为阵列波导光栅臂(arrayed-waveguide grating arms)。每个波导管或臂14具有从输入透镜10到输出透镜16的不同的光程长度，导致基于波长在透镜16的输入处的不同相位倾斜(phase tilt)。该相位倾斜依次影响光线如何通过相长相干在输出透镜16中重组。这样，透镜16在输出端口8经由各输出波导管18提供不同的波长，由此，AWG2可以用于将输入端口6的光信号在输出端口8分用为两个或多个分离的信号。可选择地，AWG2可以用来将来自端口8的光信号在端口6复用为具有两个或更多波长成份的复用信号。
如图1所示的常规AWG2集成光路的一个问题是对温度敏感。由于波导材料通常具有对温度依从的折射系数，复用/分用器的通道波长随温度变化而变化。该变化在基于硅土的设备中典型地为0.01nm/℃，在基于InP的设备中为0.1nm/℃。该波长变化可以造成使用AWG2的通信系统中信号的丢失和/或串扰。由于通信系统被日益设计具有更小的通道间隔，一个小的对温度依从的波长变化都可能对系统的性能有重大影响。目前，AWG必须对装置操作的温度进行有源稳定以便正常工作。该稳定性通常是由附加电阻加热器、温度传感器、起作用的电子设备，和一些情况下的热电冷却器得到。即使AWG为无源滤波器，目前它也需要有效的电子设备和几个瓦特的功率来有效地操作。
因此，对于诸如AWG的集成光路的温度敏感性，需要提供更好的方法，以避免或减小常规集成光路相关的不良性能，并减少温度的有源稳定和其相关的成本。
发明内容
为了提供对本发明的一些方面的基本理解，以下是本发明的简略概要。该概要不是本发明的详细全貌。它既不是为了说明本发明的关键或重要要素，也不是为了描述本发明的范围。该概要的唯一目的是以简化的形式给出本发明的一些概念，作为下文将给出的更详细说明的前序。
本发明提供用于机械射束控制的集成光路装置和方法，它减轻和/或克服传统集成光路和其他设备相关的缺点。本发明进一步包括制造OIC和在OIC中利用机械射束控制减轻温度敏感性的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种集成光路，其包括在基板上具有波导管的第一区域，其具有第一热膨胀系数；在基板上具有波导管的第二区域，其具有第二热膨胀系数，且其与第一区域机械地隔开，以允许第一区域和第二区域相对于彼此转动；光学上连接第一区域波导管和第二区域波导管的透镜；以及位于第一区域和第二区域之间的膨胀块，其具有第三热膨胀系数，所述膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使第一区域相对于第二区域转动；其中第三热膨胀系数不同于第一热膨胀系数，同时第三热膨胀系数不同于第二热膨胀系数。这样，由依从波导温度的折射系数带来的波长变化可以被减轻。
根据本发明的另一方面，提供有一个光路(例如，AWG或PLC)，其包括：具有一个波导管的输入区域；具有一个波导管的光栅区域，其与输入区域机械地隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；光学上连接输入区域波导管和光栅区域波导管的输入透镜；具有一个波导管的输出区域，其与光栅区域机械地隔开，以允许输出区域和光栅区域相对于彼此转动；光学上连接光栅区域波导管和输出区域波导管的输出透镜；位于输入区域和光栅区域之间的第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动；以及位于输出区域和光栅区域之间的第二膨胀块，所述第二膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输出区域相对于光栅区域转动。这样，由依从波导温度的折射系数带来的波长变化可以被减轻。
本发明的另一方面为制造集成光路提供一种方法。该方法包括提供一个基底，其在输入区域中具有至少一个波导管和在光栅区域中具有至少一个波导管；在输入区域和光栅区域之间提供输入透镜；从光栅区域涡型切割(scroll-diced)输入区域，以便机械地将光栅区域从输入区域隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；以及在输入区域和光栅区域之间提供第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动。
可选择地，基底可以进一步包括一个输出区域。形成一个输出透镜将光栅区域的至少一个波导管和输出区域的至少一个波导管相连接。输出区域和光栅区域则围绕输出透镜被涡型切割。然后，第二膨胀块位于输出区域和光栅区域之间。
另外，本发明还提供了一种制造集成光路的方法，包括：提供一个基底，其在输入区域中具有至少一个波导管和在光栅区域中具有至少一个波导管；在输入区域和光栅区域之间提供一个输入透镜；通过基底的压花蚀刻从输入透镜外的光栅区域分离输入区域，以便机械地将光栅区域从输入区域隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；以及在输入区域和光栅区域之间提供第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动。
为了前述和相关目标的完成，在此接合下述说明和附图来描述本发明说明的的一些方面。不过，这些方面只指示了应用本发明原则的几种方式，本发明应该包括所有这些方面及其等同物。结合附图通过下面本发明的详细说明，本发明的其它优点和创新特点将变得很明了。
附图说明
图1是传统的阵列波导光栅(AWG)复用器/分用器装置的示意性俯视平面图；
图2是根据本发明的一个方面的集成光路实例的示意性俯视平面图；
图3是一个透镜实例的横截面图；
图4是图2的集成光路实例的示意性俯视平面图，其中膨胀块处在膨胀状态；
图5是图4的集成光路实例的示意性俯视平面图，其中膨胀块处在收缩状态；
图6根据本发明的一个方面的另一个集成光路实例的示意性俯视平面图。
具体实施方式
本发明的不同方面将参考附图说明，在所有附图中使用相同参考数字指示相同的部件。本发明通过使用机械射束控制，使得集成光路的温度敏感性减小。
图2中说明了本发明的一种示例性实施方案，其中，集成光路(OIC)200包括例如硅基板的基底204，其以任何合适的方式形成了第一区域210和第二区域220。例如，可以采用涡型切割(例如，使用喷水器、激光硅片刀具和/或线锯)机械地分离第一区域210和第二区域220，留下一个通过透镜230的单片连接。OIC 200进一步包括一个或多个第一区域波导管250、一个或多个第二区域波导管260、透镜230和膨胀块240。可选择地，OIC200可以包括一个输入端口206和一个或多个输出端口208。
第一区域210和第二区域220通过透镜230连接。透镜230可以将光线从第一区域波导管250传送到第二区域波导管260。或者，透镜230可以将光线从第二区域波导管260会聚到第一区域波导管250。
参考图3，说明了沿着图2的OIC的线232-232取得的横截面图。透镜230的横截面的侧向尺寸L通常小于透镜230的标称宽度W。因此允许由于外力的而带来的挠曲(flexing)，例如来自下面进一步说明的膨胀块240的外力。在一种实施方式中，透镜230的横截面的侧向尺寸L为约10微米或更多以及约10000微米或更少。在另一个实施方式中，透镜230的横截面的侧向尺寸为约100微米或更多以及约5000微米或更少。而在第三种实施方式中，透镜230的横截面的侧向尺寸L为约500微米或更多以及约2000微米或更少。
返回参考图2，膨胀块240具有与第一区域210和第二区域220的热膨胀系数不同的热膨胀系数，同时其位于第一区域210和第二区域220之间。例如，膨胀块240可以用金属、诸如硅橡胶和/或任何其它合适的材料的交联聚合物制成。膨胀块240随温度变化膨胀和/或收缩，使得第一区域210和/或透镜230的至少一部分相对第二区域220移动。膨胀块240可以被固定在一个位置(例如，以运动学方式和/或用粘合剂)。
在一种实施方式中，膨胀块240响应装置正常操作范围(例如，在约-20℃到约+95℃)中温度的变化，使得第一区域相对第二区域220移动约0.5微米或更多以及约100微米或更少。在另一种实施方式中，膨胀块240使得第一区域210相对第二区域220移动约5微米或更多以及约50微米或更少。在第三种实施方式中，膨胀块240使得第一区域210相对第二区域220移动约10微米或更多与约25微米或更少。
例如，可以在输入端口206(例如，来自网络的光纤，没有显示)处接收多波长光，并经由第一区域波导管250传输，提供给透镜230。透镜230可以将多波长光处理(例如，传送)到第二区域波导管260(例如，阵列波导光栅臂)中。然后，第二区域波导管260可以将多波长光提供到输出端口208。
随着OIC 200的温度的增加，第一区域波导管250的折射系数和/或第二区域波导管260的折射系数会改变。为了补偿基于温度的折射系数的变化，膨胀块240会随着温度改变而膨胀，使得第一区域210和/或透镜230的至少一部分相对第二区域220按图4所示箭头来移动(例如，旋转)。相似地，当OIC 200的温度降低时，膨胀块240收缩，使得第一区域210和/或透镜230的至少一部分相对第二区域220按图5所示箭头来移动(例如，旋转)。应该相信的是，由温度变化导致的移动(旋转)对应或补偿温度变化诱导的波长变化，这种波长变化是由于依从温度的折射系数在第一区域和/或第二区域波导管250、260中产生的。同样，与依从波导温度的折射系数改变相联系的波长变化可以被减小。这样，可以减少使用OIC 200的通信系统中的信号损失和/或串扰。
转到图6，说明了本发明的另一个示例性实施方案，其中，集成光路(OIC)600包括一个诸如硅基板的基底604，其形成(例如，涡型切割)有输入区域610、光栅区域620和输出区域670。OIC 600进一步包括一个或多个输入波导管650、一个或多个光栅区域波导管660、一个或多个输出波导管694、一个输入透镜630、一个输出透镜680、第一膨胀块640以及第二膨胀块690。可选择地，OIC 600可以包括一个输出端口606和一个或多个输出端口608。
输入区域610和光栅区域620由输入透镜630连接；光栅区域620和输出区域670由输出透镜680来连接。输入透镜630和输出透镜680的横截面侧向尺寸通常小于OIC 600的标称宽度。因此，允许由于外力而带来的挠曲，例如，如下面进一步说明的，来自第一膨胀块640和/或第二膨胀块690带来的外力。在一种实施方式中，输入透镜630的横截面的侧向尺寸和输出透镜680的横截面的侧向尺寸相同。在另一种实施方式中，输入透镜630的横截面的侧向尺寸大于输出透镜680的横截面的侧向尺寸。在又一种实施方式中，输入透镜630横截面的侧向尺寸小于输出透镜680的横截面的侧向尺寸。
例如，可以在输入端口606(例如，来自一个网络中的光纤，没有显示)接收多波长光，并经由输入区域波导管650传输，提供到输入透镜630。输入透镜630将多波长光处理(例如，传送)到光栅区域波导管660(例如，阵列波导光栅臂)。
每个光栅区域波导管660可以分别沿通常为曲线的不同光程从输入透镜630轴向延伸到第二输出透镜680，导致基于波长在第二输出透镜680的输入处的不同相位倾斜。该相位倾斜依次影响光线如何通过相长相干在第二输出透镜680中重组。这样，第二输出透镜680通过各个输出波导管694在输出端口608处提供了不同波长，由此，OIC 600可以用来将进入输入端口606的光信号在输出端口608处分成两个或更多分用的信号。
可选地，OIC 600可以用于将来自输出端口608的光信号在输入端口606处复用为具有两个或更多波长成份的复用信号。虽然在说明中，单一输入波导管650和四个输出波导管694分别与输入透镜630和输出透镜280相关，但是根据本发明可以使用任何数量的这样的输入和输出波导管650和694。此外，应该理解的是，任何适当数量的光栅波导管660可以用在OIC 600中。
当OIC 600的温度升高时，输入波导管650的折射系数、光栅区域波导管660的折射系数，和/或输出区域波导管694的折射系数会改变。为了补偿基于温度的折射系数的改变，第一膨胀块640膨胀，使得输入区域610和输入透镜630的至少一部分相对光栅区域620移动(例如，旋转)。同样地，第二膨胀块690膨胀，使得输出区域670和输出透镜680的至少一部分相对光栅区域620移动(例如，旋转)。在一种实施方式中，第一膨胀块640和第二膨胀块690由相同或相似的材料制成，因此具有基本相同的热膨胀特性。在另一种实施方式中，第一膨胀块640由具有比第二膨胀块690大的热膨胀系数的材料制成。然而，在又一个实施方式中，第一膨胀块640由具有比第二膨胀块690小的热膨胀系数的材料制成。
此外，当OIC 600的温度降低时，第一膨胀块640收缩，导致输入区域610和第一输入透镜630的至少一部分相对光栅区域620移动(例如，旋转)。同样地，当OIC 600的温度降低时，第二膨胀块690收缩，导致输出区域670和输出透镜680的至少一部分相对光栅区域620移动。以该方式，由依从波导温度的折射系数变化带来的波长变化被减小。
本发明的另一个方面提供用于制造一个集成光路的方法，其中，提供一个基底，其在输入区域至少具有一个波导管，同时在光栅区域至少具有一个波导管。在输入区域和光栅区域提供一个输入透镜，并且输入区域从光栅区域涡型切割。可选择地，输入区域可以通过基底的压花蚀刻(patterned etching)来从光栅区域(例如，输入透镜以外——不包括输入透镜)分离。第一个膨胀块提供于输入区域和光栅区域之间。
可选择的，基底可以进一步在输出区域包括至少一个波导管。输出透镜提供于光栅区域和输出区域之间，同时，输出区域从光栅区域涡型切割。可选择地，输出区域可以从光栅区域(例如，输出透镜以外——不包括输出透镜)通过基底的压花蚀刻来分离。第二膨胀块提供在输出区域和光栅区域之间。
本领域技术人员应该理解的是，虽然为了有效分离两个区域，本发明已经就涡型切割作了说明，但是任何合适分离区域的方法都可以在本领域的范围内使用，其中包括而不限于，激光切割和压花蚀刻。
虽然本发明就几个特定方案作了展示和说明，应该理解的是，通过对本说明书和附图的阅读和理解，对于本领域技术人员来说，还可以采用等同的变化和修改。特别地，关于上述部件(组件、装置、电路、系统，等等)执行的不各种功能，除非有其它指示，用来说明这些部件的术语(包括涉及到“工具(means)”)应当对应执行所述部件的特定功能的任何部件(例如，在功能上等同的部件)，即使其在结构上与公开的结构并不相同，因为公开的结构只是示例性地说明本发明的各个方面。在这点上，也应该认识到，本发明包括这样的系统和计算机可读介质，其具有计算机可执行的指令，用来实现本发明的各种方法的技术和/或过程。
此外，虽然已经根据几种方案的一种公开了本发明的特定特点，不过如果需要，对于某种特定应用，该特点也可以与其它方案的一种或更多其它特点和优点相结合。此外，就用于详细的说明书或权利要求中的术语“包括”、“包括”、“带有”、“具有”、“有”及其变体来说，这些术语类似于术语“包含”的方式，应该是包括性的。

Claims (20)

1.一种集成光路，其包括：
在基板上具有波导管的第一区域，其具有第一热膨胀系数；
在基板上具有波导管的第二区域，其具有第二热膨胀系数，且其与第一区域机械地隔开，以允许第一区域和第二区域相对于彼此转动；
光学上连接第一区域波导管和第二区域波导管的透镜；以及
位于第一区域和第二区域之间的膨胀块，其具有第三热膨胀系数，所述膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使第一区域相对于第二区域转动；
其中第三热膨胀系数不同于第一热膨胀系数，同时第三热膨胀系数不同于第二热膨胀系数。
2.根据权利要求1的集成光路，其中第三热膨胀系数小于第一热膨胀系数和第二热膨胀系数。
3.根据权利要求1的集成光路，其中第三热膨胀系数大于第一热膨胀系数和第二热膨胀系数。
4.根据权利要求1的集成光路，其中，膨胀块使得第一区域相对第二区域转动0.5微米至100微米，以响应在-20℃到+95℃的范围中的温度偏移。
5.根据权利要求1的集成光路，其中，膨胀块使得第一区域相对第二区域转动5微米至50微米，以响应在-20℃到+95℃的范围中的温度偏移。
6.根据权利要求1的集成光路，其中，膨胀块使得第一区域相对第二区域转动10微米至25微米，以响应在-20℃到+95℃的范围中的温度偏移。
7.根据权利要求1的集成光路，其中透镜具有约10微米或更多和约10000微米或更少的侧向尺寸。
8.根据权利要求1的集成光路，其中膨胀块包括从金属类和交联聚合物中选择的至少一种。
9.一种集成光路，其包括：
具有一个波导管的输入区域；
具有一个波导管的光栅区域，其与输入区域机械地隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；
光学上连接输入区域波导管和光栅区域波导管的输入透镜；
具有一个波导管的输出区域，其与光栅区域机械地隔开，以允许输出区域和光栅区域相对于彼此转动；
光学上连接光栅区域波导管和输出区域波导管的输出透镜；
位于输入区域和光栅区域之间的第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动；以及
位于输出区域和光栅区域之间的第二膨胀块，所述第二膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输出区域相对于光栅区域转动。
10.根据权利要求9的集成光路，其中输入透镜的侧向尺寸基本与输出透镜的侧向尺寸相同。
11.根据权利要求9的集成光路，其中输入透镜的侧向尺寸小于输出透镜的侧向尺寸。
12.根据权利要求9的集成光路，其中第一膨胀块和第二膨胀块具有基本相似的热膨胀系数。
13.根据权利要求9的集成光路，其中第一膨胀块的热膨胀系数大于第二膨胀块的热膨胀系数。
14.根据权利要求9的集成光路，其中第一膨胀块的热膨胀系数小于第二膨胀块的热膨胀系数。
15.一种制造集成光路的方法，包括：
提供一个基底，其在输入区域中具有至少一个波导管和在光栅区域中具有至少一个波导管；
在输入区域和光栅区域之间提供输入透镜；
从光栅区域涡型切割输入区域，以便机械地将光栅区域从输入区域隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；以及
在输入区域和光栅区域之间提供第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动。
16.根据权利要求15的方法，提供基底的行为进一步包括：
在一个输出区域具有至少一个波导管的基底。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括：
在光栅区域和输出区域之间提供一个输出透镜；
从光栅区域涡型切割输出区域，以便机械地将光栅区域从输出区域隔开，以允许输出区域和光栅区域相对于彼此转动；
在输出区域和光栅区域之间提供第二个膨胀块，所述第二膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输出区域相对于光栅区域转动。
18.一种制造集成光路的方法，包括：
提供一个基底，其在输入区域中具有至少一个波导管和在光栅区域中具有至少一个波导管；
在输入区域和光栅区域之间提供一个输入透镜；
通过基底的压花蚀刻从输入透镜外的光栅区域分离输入区域，以便机械地将光栅区域从输入区域隔开，以允许输入区域和光栅区域相对于彼此转动；以及
在输入区域和光栅区域之间提供第一膨胀块，所述第一膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输入区域相对于光栅区域转动。
19.根据权利要求18的方法，提供基底的行为进一步包括：
在输出区域具有至少一个波导管的基底。
20.根据权利要求19的方法，进一步包括：
在光栅区域和输出区域之间提供输出透镜；
通过基底的压花蚀刻从输出透镜外的光栅区域分离输出区域，以便机械地将光栅区域从输出区域隔开，以允许输出区域和光栅区域相对于彼此转动；
在输出区域和光栅区域之间提供第二膨胀块，所述第二膨胀块的位置设置为可以响应温度的变化而使输出区域相对于光栅区域转动。
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