CN1512207A - 反射式温度不敏感阵列波导光栅器件 - Google Patents

Abstract

本发明一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，包括：输入输出波导、自由耦合区、光栅区阵列波导、反射镜；其特点是：光栅区阵列波导至少设置两段或两段以上，光栅区相邻的两阵列波导分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成；还包括：一楔形空气间隙区，它位于光栅区阵列波导和反射镜之间，用于调整器件的中心波长，保证器件成品率；其中，波导材料包括主要材料和温度补偿材料，主要材料为石英，用来构成输入输出波导、自由空间耦合区、光栅区部分阵列波导；温度补偿材料为高分子波导材料，构成光栅区阵列波导的另一部分；反射面前还可加入TE－TM转换薄膜片；由此既能保证聚焦条件，同时无温度敏感性，并且可减少甚至消除偏振相关损耗。

Description

反射式温度不敏感阵列波导光栅器件

技术领域

本发明涉及一种光通信波分复用解复用及固定路由交换领域中的阵列波导光栅，尤其涉及一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件。

背景技术

请参见图1所示，这是现有技术1×N阵列波导光栅(AWG)的原理图。阵列波导光栅由输入波导1、自由耦合区2、光栅区阵列波导3、自由耦合区4、输出波导5构成；其工作原理是：当多波长光耦合进输入波导1后，在自由耦合区2中衍射，耦合进光栅区阵列波导3(阵列波导之间不发生耦合，且各相邻波导间有固定的光程差)，然后各波长的光在自由耦合区4中干涉，相干相长，按波长长短聚焦耦合进输出波导5。可见，此时阵列波导光栅是一个解复用器。反过来，各波长的光耦合进对应的输入波导5，它们将在同一输出波导1输出，此时阵列波导光栅是复用器。可见，阵列波导光栅(AWG)具有对称性。

请参见图2所示，这是N×N阵列波导路由器(WGR)的原理图。当自由光谱范围为信道间隔的N倍，且阵列波导光栅有N个输入波导，N个输出波导，当光波频率比第N个输出波导的光多一个信道间隔，该光将在第1输出波导输出，此时称此阵列波导光栅为循环波长路由器(也叫阵列波导路由器)，图2以N＝4为例，该循环波长路由器有四个输入波导，四个输出波导，其它与普通阵列波导光栅相同，此时会有如下现象：含4个波长的光a1，a2，a3，a4从输入波导6输入，a1，a2，a3，a4分别解复用到输出波导13、12、11、10中；含4个波长的光b1，b2，b3，b4从输入波导7输入，b1，b2，b3，b4分别解复用到输出波导12、11、10、13中；含4个波长的光c1，c2，c3，c4从输入波导8输入，c1，c2，c3，c4分别解复用到输出波导11、10、13、12中；含4个波长的光d1，d2，d3，d4从输入波导9输入，d1，d2，d3，d4分别解复用到输出波导10、13、12、11中。可见，阵列波导路由器具有固定路。

请参见图3所示，这是使用折射率具有相反温度特性的波导材料作温度补偿的光栅结构示意图。当温度变化时，波导折射率会发生变化，光程差发生变化，非中心波长的光波聚焦位置偏离输出波导，使得阵列波导光栅不能正常工作。因此，无温度敏感性的阵列波导光栅是最终发展趋势，而使用相反温度特性波导材料作温度补偿是其中的一种方法。见图三，设光栅区阵列波导之间的光程差设计为ncΔL，设计参数 $\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{mn}}_c}{{\mathrm{\λ}}_0},$ 波导有效折射率为nc，然后在中间位置使用线切割的方法切除一段梯形沟槽(垂直于芯片看)，补上有效折射率为 波导材料14，14波导长度差为

阵列波导其余部分长度差为Δl，应有下式成立： $\mathrm{nc\ΔL}=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l},$ 即开槽后阵列波导之间光程差应该等于理论设计值ncΔL。对上式两边对温度求导： $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{d{\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}.$ 若

为零(光程差随温度变化为零)，即 $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}=0,$ 此时，该阵列波导光栅是温度不敏感的，要满足该要求， 与

必须符号相反。

请参见图4所示，这是反射式阵列光栅的结构示意图。利用阵列波导光栅的对称性，在对称轴处将传统阵列波导光栅一分为二，16为阵列光栅，17为输入输出自由空间耦合器，18为输入输出波导，以任一输出波导为输入波导，在对称轴处有反射面15，如此就构成与原阵列波导光栅等价的阵列波导光栅，但还存在温度敏感与偏振模色散等问题。

由上述各光栅的示意图可知，现有技术阵列波导光栅存在的问题是：光栅对温度敏感性太强，并且偏振模色散。

由此可见，目前普通的阵列波导光栅存在温度度敏感性，必须使用温控手段，这样使得器件成本较高，且可靠性难以保证；而无温度敏感性的阵列波导光栅中心波长不能调整，使得器件成品率很低，结果器件成本也很高。采用本发明，可以大大降低阵列波导光栅的成本，并且极大提高无温度敏感性阵列波导光栅的成成品率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高成品率的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，它能降低阵列波导光栅的温度敏感性与偏振模色散。

本发明的目的是这样实现的：

一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，包括：输入输出波导；与输入输出波导耦合的自由耦合区；与自由耦合区耦合的光栅区阵列波导；与光栅区阵列波导耦合的反射镜；其特点是：

所述的光栅区阵列波导至少设置两段或两段以上，光栅区相邻的两阵列波导分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成；

还包括：一楔形空气间隙区，该楔形空气间隙区位于光栅区阵列波导和反射镜之间，用于调整器件的中心波长，保证器件的成品率。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的光栅区阵列波导设置为两段，该两段光栅区阵列波导分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的波导材料包括主要材料和温度补偿材料；其中，主要材料为石英，用来构成输入输出波导、自由空间耦合区、光栅区部分阵列波导；温度补偿材料为高分子波导材料，构成光栅区阵列波导的另一部分。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的温度补偿材料可以是以下材料之一：高分子材料或硅或硅树脂。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的反射镜前设置转换膜，以利用光栅对称性减少偏振相关损耗。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的光栅器件无温度敏感性是根据

相干条件： $\mathrm{nc\ΔL}/2=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l}+\mathrm{\δ}$

光程差恒定条件： $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}/2=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}$

决定，其中，

nc为主要材料波导有效折射率；

ΔL为阵列波导光栅光程差 $(\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{mn}}_c}{{\mathrm{\λ}}_0});$

ncΔL为设计参数光栅区阵列波导之间的光程差；

为主要波导材料相邻阵列波导长度差，

Δl为补偿材料相邻阵列波导长度差

δ的值很小，δ≈0为楔形楔形空气间隙区对应于相邻阵列波导的光程差，用来调整中心波长。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的温度补偿材料构成的阵列波导为一系列同心圆，反射面在该系列同心圆半径方向上，反射面的法线与同心圆的切线成小于5度的角度，光栅区两种材料的交界面在该系列同心圆另一半径方向上，主要材料石英构成的平行阵列波导与系列同心圆半径方向垂直，主要材料构成的阵列波导可以是以下形式之一：直线或曲线或直线与曲线的组合。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的温度补偿材料在部分光栅区中形成前端为梯形后端为矩形的形状，其梯形部分可以跨越多根波导，使相邻波导产生一致的光程差。

在上述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件中，其中，所述的温度补偿材料即高分子波导材料可以采用激光锤打的方法修正高分子材料阵列波导的折射率以保证产品的成品率。

本发明，反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术光栅相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明由于在光栅区采用由两种折射率随温度变化相反的波导材料组成，从而满足相干条件与光程差温度不敏感条件，使光栅器件既能保证了聚焦条件，同时无温度敏感性；

2.本发明由于在器件芯片末端外加反射面，在反射面与芯片之间形成楔形空气间隙区，从而可以补偿因芯片制作引起的光程差误差，达到调谐中心波长、提高器件成品率的目的；

3.本发明由于在反射面前还可加入TE-TM转换薄膜片，这样利用往返对称性可以减少甚至消除偏振相关损耗。

附图说明

通过以下对本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术波导阵列光栅的原理图；

图2是现有技术阵列波导路由器的原理图；

图3是现有技术采用折射率具有相反温度特性的波导材料作温度补偿的光栅结构示意图；

图4是现有技术反射式波导阵列光栅的原理示意图；

图5是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第一实施例的结构示意图；

图6是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第二实施例的结构示意图；

图7是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第三实施例的结构示意图；

图8是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第四实施例的结构示意图；

具体实施方式

请参见图5所示，这是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第一实施例的结构示意图。在本实施例中，以四通道为例。其中，输入输出波导22、23、24、25；与输入输出波导耦合的自由耦合区20；与自由耦合区20耦合的光栅区阵列波导21，该光栅区阵列波导21的光程差为Δl；与光栅区阵列波导21耦合的反射镜28；采用折射率随温度变化与光栅区阵列波导21材料相反的波导材料做成平面光波芯片，它包括光栅区阵列波导27、楔形空气间隙区29与反射面28，并且光栅区阵列波导27光程差为 对应相邻阵列波导，楔形空气间隙区29光程差为δ，此时应满足下列相干条件的关系式：

$\mathrm{nc\ΔL}/2=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l}+\mathrm{\δ}$

其中，nc为波导有效折射率，

ΔL为阵列波导光栅光程差 $(\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{mn}}_c}{{\mathrm{\λ}}_0}),$

δ的值很小，主要用来补偿芯片制作误差，提高产品成品率。

由于空气折射率的温度系数可以忽略不计，因此若温度变化时满足光程差恒定条件的关系式 $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}/2=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{d{\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}=0$ 就可以实现阵列波导光栅温度不敏感的特点。

从折射率匹配角度讲，一般要求 $n_c={\hat{n}}_c.$ 满足上述两个方程，两个光栅区阵列波导21、27方法是很多的，可以是直线、曲线或直线与曲线组合。其工作过程如下：

含波长为a1，a2，a3，a4的光从波导22输入，在自由耦合区20内衍射并耦合进光栅区阵列波导21，然后耦合进由另一种波导材料构成的阵列波导27中，经起光程差补偿作用的楔形楔形空气间隙区29，然后被反射镜28反射，各通道的光原路返回，在自由耦合区20内干涉，由于满足方程 $\mathrm{nc\ΔL}/2=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l}+\mathrm{\δ},$ a1，a2，a3，a4分别解复用到输出波导25、24、23、22中：含4个波长的光b1，b2，b3，b4从输入波导23输入，b1，b2，b3，b4分别解复用到输出波导24、23、22、25中：含4个波长的光c1，c2，c3，c4从输入波导24输入，c1，c2，c3，c4分别解复用到输出波导23、22、25、24中：含4个波长的光d1，d2，d3，d4从输入波导25输入，d1，d2，d3，d4分别解复用到输出波导22、25、24、23中。可见，所有输出波导都同时充当输入波导时，该阵列波导光栅具有比常规的阵列波导路由器具有更好的路由器功能，同时，由于 $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{d{\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}=0,$ 该阵列波导光栅光栅区阵列波导光程差不随温度变化而变化，即没有温度敏感性。若只使用其中一个输出波导充当输入波导，则它就具有常规的阵列波导光栅所具有的复用解复用功能，并且无温度敏感性，体积小，可靠性高。如上所述，同一器件既可以作路由器，又可以作复用解复用器，同时解决了温度敏感性问题，大大降低器件成本，提高了器件可靠性。

传统阵列波导光栅设计中，光栅级数不可以做得很小，阵列波导设计有许多限制性因素，而采用本发明方案，阵列波导设计比较自由，不局限于弯曲波导，还可以设计为直波导，只要设计满足：

相干条件： $\mathrm{nc\ΔL}/2=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l}+\mathrm{\δ}$

光程差恒定条件： $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}/2=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}$

两个方程即可(其中Δl、 为变量)， $\mathrm{\ΔL}=m^{\frac{n_c}{{\mathrm{\λ}}_0}},$ δ≈0，因此可以将器件设计得更小，光栅级数可以很小，器件的分辨率将变得很高。

在反射面28前还可加入TE-TM转换薄膜片，这样利用往返对称性可以减少甚至消除偏振相关损耗。

请参见图6所示，这是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第二实施例的结构示意图。图中标号31为反射膜，32为楔形空气间隙区，33为高分子材料阵列波导，34为silica on silicone阵列波导，35自由耦合区，36为输入输出波导。

整个器件设计参数，nc＝1.457，ΔL＝63.04μm，阵列波导34主要设计参数为：nc＝1.457，其有效折射率随温度变化率为 $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}=1.1\×10-5(1/\mathrm{deg}),$ 而高分子材料阵列波导33的有效折射率为 ${\hat{n}}_c=1.502,$ 有效折射率随温度变化率为 $\frac{d{\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}=-1.1\×10-4(1/\mathrm{deg}),$ 解方程可得Δl＝29.42μm， $\mathrm{\Δ}\hat{l}=2.942$ μm，它们满足相干条件与光程差温度不敏感条件，因此保证了聚焦条件，同时无温度敏感性。

其工作过程如下：输入输出波导36中某一波导的输入光在自由耦合区35中衍射耦合进阵列波导34与高分子材料阵列波导33，经楔形空气间隙区32进行光程差补偿后被反射膜31反射回楔形空气间隙区32、高分子材料阵列波导33、阵列波导34，然后在自由耦合区35中干涉，聚焦耦合进输入输出波导36输出。这是复用解复用功能，若输入输出波导36的各波导均有光输入，则该器件充当了固定式路由器。为了保证产品成品率，可以采用激光锤打的方法修正高分子材料阵列波导33的折射率。

请参见图7所示，这是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第三实施例的结构示意图。图中，标号38为输入输出波导，39为自由空间耦合区，40为silica on silicone阵列波导，41为高分子材料阵列波导，42为楔形空气间隙区，43为反射面；在本实施例中，高分子材料阵列波导41在一系列同心圆上，圆心在阵列波导40和高分子材料阵列波导41交界面与反射面43的交线上。

本器件主要设计参数：ΔL＝63.04μm，nc＝1.457，40主要设计参数为：nc＝1.457，其有效折射率随温度变化率为 $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}=1.1\×10-5(1/\mathrm{deg}),$ 而41的有效折射率为 ${\hat{n}}_c=1.457,$ 有效折射率随温度变化率为 $\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}=-1.1\×10-4(1/\mathrm{dge}),$ 解方程可得Δl＝27.291μm， $\mathrm{\Δ}\hat{l}=2.729\mathrm{\μm},$ 它们满足相干条件与光程差温度不敏感条件，因此保证了聚焦条件，同时无温度敏感性。

其工作过程如下：输入输出波导38的输入光在自由空间耦合区39中衍射耦合进阵列波导40与高分子材料阵列波导41，经楔形空气间隙区42进行光程差补偿后被反射面43反射回楔形空气间隙区42、高分子材料阵列波导41、阵列波导40，然后在自由空间耦合区39中干涉，聚焦耦合进输入输出波导38输出。为了保证产品成品率，可以采用激光锤打的方法修正高分子材料阵列波导41的折射率。

由图6和图7即第二和第三两个实施例看出，只要满足相干条件与光程差温度不敏感条件，阵列波导设计的形式是多种多样的。

请参见图8所示，这是本发明反射式温度不敏感阵列波导光栅器件第四实施例的结构示意图。在本实施例中，设计数据与材料与上述实施例同，工作原理也相同，但本结构更易于生产并形成产品，且结构更紧凑，光学性能更好，更易于封装。图中，标号38为输入输出波导区，39为自由耦合区，它可以采用目前所有设计方法，40为光栅区，42为楔形楔形空气间隙区，43为反射面，45为阵列波导，在本实施例中阵列波导45为高分子温度漂移补偿材料，它将实施例二、三中的补偿波导分为若干段嵌入主要材料石英构成的光栅区波导中，目的在于阵列波导45的截面不需要做成芯包波导结构，简化工艺，同时能保证插损几乎不受影响。图8中本实施例阵列波导45由一系列前端为梯形，后端为矩形形状，这样保证光栅区相邻波导的本材料部分的光程差为 本实施例中阵列波导45也可以采用硅或硅树脂，以对红外光透明。为了保证产品成品率，根据需要可以调整楔形空气间隙区42，使其满足：

$\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}/2=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}$

即楔形空气间隙区的折射率不随温度变化而改变，因此n_空气楔Δl′可以用来保证调整中心波长，从而使无温控AWG成品率得到可靠的保证。

综上所述，本发明一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，能降低阵列波导光栅的温度敏感性与偏振模色散，提高器件的可靠性与成品率，并减小阵列波导光栅的体积，相应芯片与器件成本将大幅下降，因此极为实用。

Claims (9)

1.一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，包括：

输入输出波导；

与输入输出波导耦合的自由耦合区；

与自由耦合区耦合的光栅区阵列波导；

与光栅区阵列波导耦合的反射镜；

其特征在于：

所述的光栅区阵列波导至少设置两段或两段以上，光栅区相邻的两阵列波导分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成；

还包括：一楔形空气间隙区，该楔形空气间隙区位于光栅区阵列波导和反射镜之间，用于调整器件的中心波长，保证器件的成品率。

2.如权利要求1所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的光栅区阵列波导设置为两段，该两段光栅区阵列波导分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成；

3.如权利要求1或2所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的波导材料包括主要材料和温度补偿材料；其中，主要材料为石英，用来构成输入输出波导、自由空间耦合区、光栅区部分阵列波导；温度补偿材料为高分子波导材料，构成光栅区阵列波导的另一部分。

4.如权利要求3所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的温度补偿材料可以是以下材料之一：高分子材料或硅或硅树脂。

5.如权利要求1所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的反射镜前设置转换膜，以利用光栅对称性减少偏振相关损耗。

6.如权利要求1所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的光栅器件无温度敏感性是根据

相干条件： $\mathrm{nc\ΔL}/2=\mathrm{nc\Δl}+{\hat{n}}_c\mathrm{\Δ}\hat{l}+\mathrm{\δ}$

光程差恒定条件： $\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔL}/2=\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δl}+\frac{{d\hat{n}}_c}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}\hat{l}$

决定，其中，

nc为主要材料波导有效折射率；

ΔL为阵列波导光栅光程差 $(\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{mn}}_c}{{\mathrm{\λ}}_0});$

ncΔL为设计参数光栅区阵列波导之间的光程差；

为主要波导材料相邻阵列波导长度差，

Δl为补偿材料相邻阵列波导长度差

δ的值很小，δ≈0为楔形楔形空气间隙区对应于相邻阵列波导的光程差，用来调整中心波长。

7.如权利要求1所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的温度补偿材料构成的阵列波导为一系列同心圆，反射面在该系列同心圆半径方向上，反射面的法线与同心圆的切线成小于5度的角度，光栅区两种材料的交界面在该系列同心圆另一半径方向上，主要材料石英构成的平行阵列波导与系列同心圆半径方向垂直，主要材料构成的阵列波导可以是以下形式之一：直线或曲线或直线与曲线的组合。

8.如权利要求1或3所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的温度补偿材料在部分光栅区中形成前端为梯形后端为矩形的形状，其梯形部分可以跨越多根波导，使相邻波导产生一致的光程差。

9.如权利要求1或3所述的反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，其特征在于：所述的温度补偿材料即高分子波导材料可以采用激光锤打的方法修正高分子材料阵列波导的折射率以保证产品的成品率。

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