一種溫度不敏感陣列波導光柵的製作方法

2023-11-02 06:14:57

專利名稱：一種溫度不敏感陣列波導光柵的製作方法
技術領域：
本發明涉及光通信技術領域，特別是一種溫度不敏感陣列波導光柵。
背景技術：
陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG)是一種用來合成和分離不同波長的光子器件，它能夠從輸入埠有選擇性地通過特定波長的光到輸出埠。當用來通過從幾個入口和/或到幾個出口的不同波長光波時，AWG起到波長復用和/或解復用器的作用，用來合成和/或分解不同波長的光能量。與傳統的光復用/解復用器件相比，AWG有著很多優勢，如擴展性好，損耗小，穩定性高等。在成本不斷下降的驅動下，很多設備應用商開始考慮使用它來代替傳統器件，並已經開始逐步投入商用。儘管如此，AWG也存在著很多問題需要進一步解決。實際應用中，AWG必須能在一個相當寬的溫度範圍內有效的工作。外界溫度的變化會導致熱膨脹和折射率的變化，從而使得陣列波導的光程發生變化。陣列中不同的波導有著不同的長度，不同波導的光程以不同的數量變化，就會引起AWG的中心波長發生漂移，影響其工作，這很大程度地限制了 AWG的廣泛應用，因此，市場對溫度不敏感AWG的需求日益快速增加。目前比較常見的解決辦法是引入控溫裝置和外部電路進行恆定溫度控制。但是這樣就會引入電源及其他有源設備，一方面增加了成本和系統的複雜性，另一方面，對於純光學器件組(比如PON等)是無法容忍的。因此，需要從陣列波導光柵器件本身出發研製出溫度不敏感的器件。比如，通過移動輸出波導的方案、引入負溫度係數的包層材料的方案、通過應力改變折射率的方案等。2009年，NTT公司報導了折射率差I. 5%,40通道、通道 間隔IOOGHz的矽基二氧化矽AWG，研究人員在陣列波導中插入了一種介質，實現了一階溫度補償，在-5-65°C範圍內，波長漂移達到30pm，插入損耗I. 3-1. 9dB,串擾_32dB，附加損耗
O.2dB。但是，這種結構只實現了一階溫度補償，結構也不是完全的對稱，光波通過介質是以掠角出射，因此會引入大的散射損耗，另外，介質插入到直的陣列波導中也會導致陣列波導光柵器件的尺寸增大。

發明內容
本發明的目的是提供一種溫度不敏感陣列波導光柵，實現至少二階溫度補償，通過優化結構設計，實現結構對稱，以獲得更小的散射損耗和更小的陣列波導光柵器件尺寸。為了實現上述目的，本發明提出了一種溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，該光柵包括依次連接的輸入波導區I、輸入平板波導區2、陣列波導區3、輸出平板波導區4和輸出波導區5,其中所述輸入波導區I用於將光波輸入到所述輸入平板波導區2 ；所述輸入平板波導區2用於將所述輸入波導區I傳播過來的光波耦合進入所述陣列波導區3的每一條陣列波導7中；所述陣列波導區3包括多條陣列波導7，用於在不同陣列波導7中傳播的光波之間引入相位差，所述若干條陣列波導7中嵌入至少兩種溫度補償介質6以實現至少二階溫度補償；所述輸出平板波導區4用於對所述陣列波導區3傳播過來的不同相位的光波進行幹涉置加；所述輸出波導區5用於輸出所述輸出平板波導區4傳播過來的不同波長的光波。優選地，每一條陣列波導7包括依次連接的第一錐形波導8、第一直波導9、第一彎曲波導10、第二直波導11、第二錐形波導12、用於嵌入至少兩種溫度補償介質6以實現至少二階溫度補償的寬波導13、第三錐形波導14、第三直波導15，第二彎曲波導16、第四直波導17及第四錐形波導18，其中所述第一錐形波導8與所述輸入平板波導區2相連，用於減小所述輸入平板波導區2和所述陣列波導區3之間光波的耦合損耗；所述第一直波導9、所述第一彎曲波導10和所述第二直波導11均用於傳播光波；所述第二錐形波導12用於在所述第二直波導11和所述寬波導13之間形成寬度上的過渡以減小損耗；所述寬波導13用於嵌入至少兩種溫度補償介質6 ;所述第三錐形波導14用於在所述第三直波導15和 所述寬波導13之間形成寬度上的過渡以減小損耗；所述第三直波導15、所述第二彎曲波導16和所述第四直波導17用於傳播光波；所述第四錐形波導18與所述輸出平板波導區4相連，用於減小所述陣列波導區3和所述輸出平板波導區4之間光波的耦合損耗。優選地，所述寬波導13上製作有填充槽20以放置所述溫度補償介質6。優選地，採用旋塗或者浸潰的方式將所述溫度補償介質6嵌入到所述填充槽20中。優選地，採用熱固化或者光固化的方式將所述溫度補償介質6固定於所述填充槽20中。優選地，所述溫度補償介質6的第η階溫度係數與其要補償的陣列波導7的芯層19的第η階溫度係數相反，且所述溫度補償介質6的第η階溫度係數絕對值大於其要補償的所述芯層19的第η階溫度係數絕對值至少數十倍，其中，η為正整數。優選地，各條陣列波導7的寬波導13呈同心圓結構設置，嵌入的各溫度補償介質6分別與各條寬波導13垂直。優選地，所述寬波導13的圓弧彎曲半徑R由該寬波導13的最小彎曲損耗Bloss決定Bloss = C1^exp (-a^R),其中，a1; C1為正實數；所述寬波導13的彎曲張角A由所述溫度補償介質6在該寬波導13上沿光傳播方向上的長度d決定A = c2*d，其中，C2為正實數。優選地，各條寬波導13之間呈等間距排列，相鄰寬波導13的間距滿足下式所示的解耦合條件CT = IogP0, P = (0.5[/ {0.5[(E* X H2 + E2 XH；)dS]}2 / {/(E1 X Hi)dS f (E2 X H^)dS}，U:中，E1'E2、氏、H2 分別為兩相鄰寬波導 13
的電場和磁場強度，CT為相鄰寬波導13之間的串擾，S為寬波導13的橫截面積，· *表不取共軛。優選地，同一條溫度補償介質6在不同寬波導13上的沿光傳播方向上的長度不相等，但在相鄰的寬波導13之間沿光波傳播方向上的長度差相等。優選地，所述芯層19和各溫度補償介質6在相鄰寬波導13上沿光傳播方向上的長度差由光柵方程來確定，所述光柵方程的微分形式為d (η。Δ L+ni Δ LJn2 Δ L2+......+ηΝΛ Ln) /dT = O，其中，ηι、n2......nN及n。分別表示第I到N個溫度補償介質6及陣列波導
7的芯層19的折射率，Λ Lp Λ L2......Λ Ln及Λ L分別表示第I到N個溫度補償介質6及
芯層19在相鄰寬波導13上沿光傳播方向上的長度差，溫度補償介質6的數目N > 2，T表示溫度。優選地，所述溫度補償介質6在寬波導13上沿光傳播方向上的最小長度dmin由光刻和刻蝕的最小精度來決定，最大長度dmax由嵌入溫度補償介質6所帶來的額外的損耗所允許的最大值來決定。優選地，所述溫度補償介質6在寬波導13上沿光傳播方向上的最小長度dmin、溫度補償介質6在寬波導13上沿光傳播方向上的最大長度Clmax、寬波導13的最小同心圓半徑Rmin、寬波導13的最大同心圓半徑Rmax、同一條溫度補償介質6在相鄰寬波導13之間沿光波
傳播方向上的長度差ALm、相鄰同心圓的半徑差之間滿足如下關係
權利要求
1.一種溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，該光柵包括依次連接的輸入波導區(I)、輸入平板波導區(2)、陣列波導區(3)、輸出平板波導區(4)和輸出波導區(5)，其中 所述輸入波導區(I)用於將光波輸入到所述輸入平板波導區(2); 所述輸入平板波導區(2)用於將所述輸入波導區(I)傳播過來的光波耦合進入所述陣列波導區(3)的每一條陣列波導(7)中； 所述陣列波導區(3)包括多條陣列波導(7)，用於在不同陣列波導(7)中傳播的光波之間引入相位差，所述若干條陣列波導(7)中嵌入至少兩種溫度補償介質￠)以實現至少二階溫度補償； 所述輸出平板波導區(4)用於對所述陣列波導區(3)傳播過來的不同相位的光波進行幹涉置加； 所述輸出波導區(5)用於輸出所述輸出平板波導區(4)傳播過來的不同波長的光波。
2.根據權利要求I所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，每一條陣列波導(7)包括依次連接的第一錐形波導(8)、第一直波導(9)、第一彎曲波導(10)、第二直波導(II)、第二錐形波導(12)、用於嵌入至少兩種溫度補償介質(6)以實現至少二階溫度補償的寬波導(13)、第三錐形波導(14)、第三直波導(15)，第二彎曲波導(16)、第四直波導(17)及第四錐形波導(18)，其中 所述第一錐形波導(8)與所述輸入平板波導區(2)相連，用於減小所述輸入平板波導區(2)和所述陣列波導區(3)之間光波的耦合損耗； 所述第一直波導(9)、所述第一彎曲波導(10)和所述第二直波導(11)均用於傳播光波； 所述第二錐形波導(12)用於在所述第二直波導(11)和所述寬波導(13)之間形成寬度上的過渡以減小損耗； 所述寬波導(13)用於嵌入至少兩種溫度補償介質(6)； 所述第三錐形波導(14)用於在所述第三直波導(15)和所述寬波導(13)之間形成寬度上的過渡以減小損耗； 所述第三直波導(15)、所述第二彎曲波導(16)和所述第四直波導(17)用於傳播光波； 所述第四錐形波導(18)與所述輸出平板波導區(4)相連，用於減小所述陣列波導區(3)和所述輸出平板波導區(4)之間光波的耦合損耗。
3.根據權利要求2所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述寬波導(13)上製作有填充槽(20)以放置所述溫度補償介質(6)。
4.根據權利要求3所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，採用旋塗或者浸潰的方式將所述溫度補償介質(6)嵌入到所述填充槽(20)中。
5.根據權利要求3所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，採用熱固化或者光固化的方式將所述溫度補償介質￠)固定於所述填充槽(20)中。
6.根據權利要求2所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述溫度補償介質(6)的第η階溫度係數與其要補償的陣列波導(7)的芯層(19)的第η階溫度係數相反，且所述溫度補償介質(6)的第η階溫度係數絕對值大於其要補償的所述芯層(19)的第η階溫度係數絕對值至少數十倍，其中，η為正整數。
7.根據權利要求2所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，各條陣列波導(7)的寬波導(13)呈同心圓結構設置，嵌入的各溫度補償介質(6)分別與各條寬波導(13)垂直。
8.根據權利要求7所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述寬波導(13)的圓弧彎曲半徑R由該寬波導(13)的最小彎曲損耗Bloss決定Bloss = C1^exp (-a^R)， 其中，a1; C1為正實數； 所述寬波導(13)的彎曲張角A由所述溫度補償介質(6)在該寬波導(13)上沿光傳播方向上的長度d決定A = c2*d, 其中，C2為正實數。
9.根據權利要求7所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，各條寬波導(13)之間呈等間距排列，相鄰寬波導(13)的間距滿足下式所示的解耦合條件CT = log『0， P = {0.5[J {O.sm X H2 + E2 X Hi)dS]}2 / (/(E1 x H*)dS/(E2 x H;)dS}， 其中，EpEyHpH2分別為兩相鄰寬波導(13)的電場和磁場強度，CT為相鄰寬波導(13)之間的串擾，S為寬波導(13)的橫截面積，·*表示取共軛。
10.根據權利要求7所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，同一條溫度補償介質(6)在不同寬波導(13)上的沿光傳播方向上的長度不相等，但在相鄰的寬波導(13)之間沿光波傳播方向上的長度差相等。
11.根據權利要求10所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述芯層(19)和各溫度補償介質(6)在相鄰寬波導(13)上沿光傳播方向上的長度差由光柵方程來確定，所述光柵方程的微分形式為 d (nc Δ L+rii Δ L^n2 Δ L2+......+ηΝ Δ Ln)/dT = O,其中，η」 η2......ηΝ 及 nc 分別表示第I到N個溫度補償介質(6)及陣列波導(7)的芯層(19)的折射率，AL1^AL2......Λ Ln及Λ L分別表示第I到N個溫度補償介質(6)及芯層(19)在相鄰寬波導(13)上沿光傳播方向上的長度差，溫度補償介質(6)的數目N彡2，T表示溫度。
12.根據權利要求7所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述溫度補償介質(6)在寬波導(13)上沿光傳播方向上的最小長度dmin由光刻和刻蝕的最小精度來決定，最大長度dmax由嵌入溫度補償介質(6)所帶來的額外的損耗所允許的最大值來決定。
13.根據權利要求7所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述溫度補償介質(6)在寬波導(13)上沿光傳播方向上的最小長度dmin、溫度補償介質(6)在寬波導(13)上沿光傳播方向上的最大長度dmax、寬波導(13)的最小同心圓半徑Rmin、寬波導(13)的最大同心圓半徑Rmax、同一條溫度補償介質(6)在相鄰寬波導(13)之間沿光波傳播方向上的長度差Λ Lun、相鄰同心圓的半徑差比之間滿足如下關係 ^min _ R ~ R /) mmmaxr Q
14.根據權利要求I所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述陣列波導區(3)中，相鄰陣列波導(7)之間的長度差AL'由陣列波導光柵中心波長λ的光柵方程來確定
15.根據權利要求I所述的溫度不敏感陣列波導光柵，其特徵在於，所述陣列波導光柵所使用的波導材料是矽基二氧化矽、絕緣體上矽、磷化銦、鈮酸鋰或者低損耗的聚合物其中之一 O
全文摘要
本發明公開了一種溫度不敏感陣列波導光柵，該陣列波導光柵包括依次連接的輸入波導區、輸入平板波導區、陣列波導區、輸出平板波導區和輸出波導區，所述陣列波導區中嵌入至少兩種溫度補償介質以實現至少二階溫度補償。通過本發明的上述技術方案，可以顯著地改善常規陣列波導光柵的溫度特性，實現陣列波導光柵的溫度不敏感化，同時由於本發明中的陣列波導採用同心圓結構設計，使得嵌入的溫度補償介質與陣列波導相對垂直分布，從而有效地減小了散射損耗，實現了輸入輸出對稱，併合理地減小了陣列波導光柵器件的整體尺寸。
文檔編號G02B6/12GK102902011SQ201210374340
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者張儷耀, 王玥, 吳遠大, 安俊明, 葛海泉 申請人:河南仕佳光子科技有限公司