專利名稱：：一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(awg)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種光通信波分復用解復用及固定路由交換領域中的陣列波導光柵，尤其涉及一種溫度不敏感反射式陣列波導光柵器件。
背景技術：
：見圖1折疊式陣列波導光柵[1][2]，1為反射面，2為陣列光柵，3為輸入輸出自由空間耦合器，4為輸入輸出波導，以4中任一波導為輸入波導，仍根據(jù)中心波長設計，光柵區(qū)相鄰波導光程差為ΔL=mλc2nc,]]>波長為λc的光波從輸入波導在3中衍射耦合進2，經(jīng)1反射后經(jīng)2進入3時，光柵區(qū)各相鄰波導中光波光程差為2ΔL=mλcnc,]]>其中m為光柵級數(shù)，nc為波導有效折射率，因此光柵區(qū)各波導中的光相干相長，并耦合進相應輸出波導。其它波長的光由于波長不一樣，因此光程差不一樣，因此聚焦耦合進不同的輸出波導。這樣，該器件就可以實現(xiàn)多波長光的復用解復用。該器件的缺點在于還存在溫度敏感性，需要采取溫控措施，使得器件成本比較高，且可靠性得不到很好的保證，同時對光程差誤差非常敏感。見圖2折射率溫度特性相反材料作溫度補償AWG技術[3][4]，傳統(tǒng)AWG有輸入波導11、輸入自由耦合區(qū)13、光柵區(qū)14、輸出自由耦合區(qū)15、輸出波導16組成，在13中有與主要波導材料相反的折射率溫度系數(shù)的溫度補償物質，當溫度變化時，保證總的光程差保持不變，根據(jù)光柵方程，各波長的輸出光聚焦位置保持不變，因而使得AWG具有溫度不敏感的特點。這種方案與在光柵區(qū)波導開槽相比，后者開槽制作誤差對相位誤差影響很大，因此制作較高，前者折射率補償材料處于自由耦合區(qū)，開槽誤差對各波長的相位誤差影響不大，因此制作要求較低。為了進一步減少制作誤差帶來的中心波長漂移，傳統(tǒng)的AWG一般設計成平頂型。同樣，圖2中輸入波導設計成Y分支，使得輸入光經(jīng)Y分支耦合進自由耦合區(qū)13，獲得頂部較平的光譜。溫度不敏感波導[5]理論上比較成熟。相對溫度不敏感條件理論如下設兩點A、B間光波導幾何長度為L，由有效折射率分別為n1、n2兩段波導構成，長度分別為和則AB間光程為SΛ=n1LΛ+n2(L-LΛ)]]>兩邊對溫度求導dSΛdt=dn1dtLΛ+n1dLΛdt+dn2dt(L-LΛ)+n2d(L-LΛ)dt]]>若n2＝1為空氣，上時變?yōu)?LΛdSΛdt=dn1dt+n11LΛdLΛdt=dn1dt+n1α]]>其中α=1LΛdLΛdt]]>為熱膨脹系數(shù)，由于波導很薄，可以認為它是基底的熱膨脹系數(shù)。若dSΛdt=0,]]>即1LΛdSΛdt=dn1dt+n1α=0,]]>則AB間光程在溫度變化時可以保持不變。絕對溫度不敏感條件理論如下設兩點A、B間光波導幾何長度為L，由有效折射率為n的同一波導構成，其光程表示為S＝nL，兩邊對溫度求導1LdSdt=dndt+n1LdLdt=dndt+nα,]]>α=1LdLdt]]>為熱膨脹系數(shù)，由于波導很薄，可以認為它是基底的熱膨脹系數(shù)。溫度不敏感條件1LdSdt=dndt+n1LdLdt=dndt+nα=0]]>溫度不敏感實現(xiàn)途徑有多種，設波導芯層、下包層、上包層折射率分別為n1＞n3≥n2，1LdSdt=dneqdt+n1LdLdt=dneqdt+neqαsub]]>=neqαsub+12neq{(n12-n22)VαcoredbdV]]>+[2b+(V+p(1+p)b+p)dbdV]n1dn1dt]]>+[p(1+p)b+p)dbdV]n2dn2dt]]>+[2(1-b)-(V+1b+p)dbdV]n3dn3dt}]]>其中V=k0dn12-n32,]]>p=n32-n22n12-n32,]]>b=neq2-n22n12-n32]]>由此看出，要實現(xiàn)波導無溫度敏感性，即1LdSdt=0,]]>必須使dn1dt,dn2dt,dn3dt]]>任一個為負，即采用折射率溫度系數(shù)為負的材料做波導的芯層或下包層或上包層。目前一般采用折射率溫度系數(shù)為負的材料做波導的上包層以獲得波導溫度不敏感特性[6][7]。溫度敏感性是影響陣列波導光柵可靠性的主要因素，偏振模色散也是一個較大問題，且芯片一旦設計好后由于中心波長調諧有限，中心波長一般不能跨波段調整，本發(fā)明將極大的降低陣列波導光柵的溫度敏感性、偏振模色散以及衍射損耗，大大提高器件的可靠性與成品率，并且中心波長可以在較大范圍內跨波段調整，同時本發(fā)明將顯著減小陣列波導光柵的體積，相應芯片與器件成本將大幅下降。與光柵區(qū)開槽填入折射率溫度補償物質相比，在光柵區(qū)填入波導折射率溫度補償材料，可以允許較大的制作誤差，并且可以獲得較小的衍射損耗，而采用波導上包層材料進行溫度補償，實現(xiàn)陣列波導光柵無溫度敏感性效果更佳。
發(fā)明內容對于折疊式陣列波導光柵，主要問題在于中心波長在芯片加工中很難控制，即使采用溫度控制，調節(jié)范圍也很有限，并且成本較高，可靠性也不好。本發(fā)明的目的在于提供一種高成品率的溫度不敏感折疊式陣列波導光柵器件，它能降低陣列波導光柵的溫度敏感性與偏振模色散。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一方面通過設置并調節(jié)反射鏡，連續(xù)地改變相鄰波導相位差，繼而改變器件的中心波長，中心波長調節(jié)好后將反射鏡固定，使得反射角度不隨溫度變化而變化，解決了中心波長的調節(jié)的問題；另一方面通過在自由耦合區(qū)設置折射率溫度補償波導區(qū)或通過波導上包層的折射率溫度補償材料實現(xiàn)折疊式陣列波導光柵無溫度敏感性。見圖3，為波導分段方案圖，23為輸入波導，24為輸出波導，22為自由耦合區(qū)，21為折射率溫度補償波導材料，20為光柵區(qū)，26為夾角較小的空氣楔，25為反射鏡。其工作原理如下當多波長的光由輸入波導23耦合進自由耦合區(qū)22后衍射，透過21，耦合進光柵區(qū)20，經(jīng)空氣楔26后被反射鏡25反射并沿原路返回自由耦合區(qū)22，相鄰陣列波導中相同波長的光具有恒定的相位差，因而在自由耦合區(qū)22中相干相長，分別耦合進相應的輸出波導。當溫度變化時，由于折射率溫度補償材料21的溫度特性與主要波導材料相反，經(jīng)合理設計，可以使得總的光程差不隨溫度變化而變化，因此根據(jù)光柵方程，各波長聚焦位置不隨溫度變化而變化，這樣的AWG表現(xiàn)出了溫度不敏感性。設主要波導材料構成的波導有效折射率為n1，溫度補償材料構成的波導有效折射率為n2，23處于中心對稱位置(也可以設計在邊緣位置)，設陣列波導間距d。折射率溫度補償區(qū)21引起各相鄰陣列波導中的光的光程差為n2Δl(sinβ+sinθ)陣列光柵區(qū)引起的光程差為n1ΔL，自由耦合區(qū)22中除了21，引起的光程差為n1d(sinβ+sinθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)，因此光柵方程(聚焦條件)為n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)+n2Δl(sinβ+sinθ)＝mλ，其中m為光柵常數(shù)，Δl為折射率溫度補償區(qū)21在自由耦合區(qū)對稱軸向相鄰陣列波導對應的光程差，n2與n1分別為折射率溫度補償區(qū)21與其它波導的有效折射率，β為平板波導中輸入光線與平板波導對稱軸線的夾角，θ為光柵區(qū)陣列波導輸出光線與平板波導對稱軸線的夾角。一般AWG芯片本身在制作過程中會有誤差，在22中開槽也會有誤差，由于溫度不敏感AWG不能用溫控來調整中心波長，因此該類AWG成品率不高。但是若采用本方案，可以通過調整反射鏡25調整楔形空氣26來改變光柵區(qū)相鄰陣列波導相位差，從而調整中心波長，保證了器件的成品率，可以將光柵方程表示為n1ΔL+n1d(sinβ+sinnθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)+n2Δl(sinβ+sinθ)+δ＝mλ，其中δ為調整反射鏡25后(空氣楔變化)附加給光柵區(qū)各相鄰陣列波導的光程差，一旦調整好后，它是常數(shù)，且δ≈0。這樣，就折疊式AWG實現(xiàn)了普通AWG的功能，并且實現(xiàn)了中心波長在較大范圍內調節(jié)，實現(xiàn)了本發(fā)明的第一個目的。所采用的兩種折射率溫度變化系數(shù)不同波導材料，ΔL與Δl隨溫度的變化忽略不計，將上式對溫度求導，有dn1dt[d(sinβ+sinθ)-Δl(sinβ+sinθ)+ΔL]+dn2dtΔl(sinβ+sinθ)=0,]]>如此可以保證光程差恒定。即使采用了這些措施，各中心波長在較大溫度范圍內還是有較小的漂移的，因此該AWG可以設計成平頂型以克服中心波長的漂移，其辦法是將輸入波導23設計成Y分支形，使得輸入光經(jīng)Y分支耦合進自由耦合區(qū)13，獲得頂部較平的光譜。通過以上措施可以設計出較好的溫度不敏感陣列波導光柵，即實現(xiàn)了本發(fā)明的第二個目的。實現(xiàn)第二個目的還可以采用圖4的波導上包層材料補償方案實現(xiàn)，波導上包層采用折射率溫度系數(shù)為負的材料，波導的下包層與芯層仍采用折射率溫度系數(shù)為正的波導材料構成。其光柵方程n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)+δ＝mλδ≈0，n1為波導的有效折射率。仍通過調節(jié)反射鏡25后(空氣楔變化)附加給光柵區(qū)各相鄰陣列波導的光程差實現(xiàn)中心波長的調節(jié)。對上式兩邊對溫度求導[ΔL+d(sinβ+sinθ)]dn1dt+n1[dΔLdt+dd(sinβ+sinθ)dt]=0]]>變形為dn1dt+n1[ΔL+d(sinβ+sinθ)ddt[ΔL+d(sinβ+sinθ)]=0]]>即dn1dt+n1α=0,]]>其中α=1[ΔL+d(sinβ+sinθ)]ddt[ΔL+d(sinβ+sinθ)]]]>為波導的熱膨脹系數(shù)，由于波導很薄，一般表現(xiàn)為基底的熱膨脹系數(shù)，一般為正數(shù)，因此要實現(xiàn)波導無溫度敏感性，必須dn1dt<0.]]>由
背景技術：
知，實現(xiàn)dn1dt<0]]>的方法有三種使芯層或上或下包層的波導材料具有負的折射率溫度系數(shù)。結合目前所具備的波導制作工藝，通過將波導上包層設計成負的折射率溫度系數(shù)，可以實現(xiàn)器件的無溫度敏感性。在反射面25前還可加入TE-TM轉換薄膜片，這樣利用往返對稱性可以減少甚至消除偏振相關損耗。關于自由耦合區(qū)與羅蘭圓的設計，目前所有設計思路都可以應用。本發(fā)明，一種溫度不敏感反射式陣列波導光柵器件器件，由于采用了上述的技術方案，使之與現(xiàn)有技術光柵相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果1.本發(fā)明通過在自由耦合區(qū)設置折射率溫度補償波導區(qū)或通過波導上包層材料進行折射率溫度補償，從而實現(xiàn)折疊式陣列波導光柵無溫度敏感性。2.本發(fā)明由于在器件芯片末端外加反射面，在反射面與芯片之間形成楔形空氣間隙區(qū)，從而可以補償因芯片制作引起的光程差誤差，達到調諧中心波長、提高器件成品率的目的；3.本發(fā)明由于在反射面前還可加入TE-TM轉換薄膜片，這樣利用往返對稱性可以減少甚至消除偏振相關損耗。通過以下對本發(fā)明一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(AWG)的若干實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本發(fā)明的目的、具體結構特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1是傳統(tǒng)折疊式陣列波導光柵原理結構2是折射率溫度特性相反材料作溫度補償?shù)氖疽?是本發(fā)明一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(AWG)耦合區(qū)波導分段折射匯率溫度方案圖4是本發(fā)明一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(AWG)波導上包層補償方案圖5是本發(fā)明一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(AWG)實施例一圖6是本發(fā)明一種溫度不敏感折疊式陣列波導光柵(AWG)實施例二波導截面圖具體實施方式請見圖4所示為實施例一自由耦合區(qū)波導分段折射率溫度補償方案，31為反射鏡，32為楔形空氣楔，33為光柵區(qū)硅基二氧化硅陣列波導，35為自由耦合區(qū)，34為高分子折射率溫度補償波導，36為Y分支輸入波導，處于自由耦合區(qū)邊緣位置，37為輸出波導。整個器件設計依據(jù)光柵方程n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)+n2Δl(sinβ+sinθ)+δ＝mλ光程差恒定方程δ≈0dn1dt[d(sinβ+sinθ)-Δl(sinβ+sinθ)+ΔL+dn2dtΔl(sinβ+sinθ)=0,]]>設計參數(shù)，ΔL＝63.04μm，n1＝1.457，其有效折射率隨溫度變化率為dn1dT=1.1×10-5(1/deg),]]>而34的有效折射率為n2＝1.502，有效折射率隨溫度變化率為dn2dT=-1.1×10-4(1/deg),]]>sinβ由輸入波導與陣列波導相對位置決定，sinθ由輸出波導與陣列波導的相對位置決定。在具體設計中，可以將自由耦合區(qū)設計得比較長，使得sinβ+sinθ≈2，光柵方程簡化為n1ΔL+2n1d-n1Δl+n2Δl+δ＝mλδ≈0光程差恒定方程dn1dt[d-Δl+ΔL/2]+dn2dtΔl=0]]>由以上可以解得ΔL與Δl。實施例二波導上包層為高分子材料方案如圖4，波導芯層為摻雜二氧化硅，下包層為二氧化硅，上包層為高分子材料(PMMA)，光柵區(qū)波導截面如圖6所示，40為PMMA上包層，41為摻雜二氧化硅波導，42為二氧化硅下包層，43為硅基底。光柵方程n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)+δ＝mλ溫度不敏感方程dn1dt+n1α=0]]>當溫度升高時，下包層42與波導芯層41折射率增加，而上包層40折射率減小，綜合結果是，波導有效折射率n1滿足dn1dt=-n1α<0]]>其中，n1為有效折射率，β為平板波導中輸入光線與平板波導對稱軸線的夾角，θ為光柵區(qū)陣列波導輸出光線與平板波導對稱軸線的夾角。綜上所述，本發(fā)明一種反射式溫度不敏感陣列波導光柵器件，能降低陣列波導光柵的溫度敏感性與偏振模色散，提高器件的可靠性與成品率，并減小陣列波導光柵的體積，相應芯片與器件成本將大幅下降，因此極為實用。參考文獻[1]DongChulKIM，HyungMunKIM，JeONGSooKIM，F(xiàn)abricationofInP-BasedReflectionTypeArrayedWaveguideGratingwithMetalCoatedReflectionFacet，Jpnj.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp.L36-L37Part2，No.1A/B，15January2001[2]J.B.D.Soole，M.R.Amersfoort，H.P.LeBlanc，A.RajhelandC.Caneau.HighPerformancePolarization-IndependentWDMFilteringUsinganInPReflectiveArrayedWaveguideDrating，WCC2[3]AkimasaKaneko，SkinKamei，YasuyukiInoue，HiroshiTakahashi，andAkioSugita，AthermalSilica-basedArrayed-waveguideGrating(AWG)MultiplexerswithNewLowLossGrooveDesign，OFC99204/TUO1-1[4]K.Maru，M.Ohkawa，ILNounen，S.Takasugi，S.Kashimura，H.OkanaandH.Uetsuka，AthermalandCenterWavelengthAdiustableArrayedwaveguideGrating[5]YasuoKOKHBUN，ShigeruYONEDA，HiroakiTANAKA，Tempeature-independentNarrow-BandOpticalfilterbyanathermalwaveguide，IEICFTRAXSELECTRONVol.E80-CNo.5May1997[6]美國專利6137939[7]ZheneXu，DongshengLu，DaqingZhuAthermalarraywaveguidegrating權利要求1.本發(fā)明是一種反射式溫度不敏感陣列波導光柵器件，由輸入輸出波導、自由耦合區(qū)、陣列波導、空氣楔、反射鏡構成，其特征在于在陣列波導芯片末端有一反射鏡，將光柵區(qū)各波導的光反射回原來的波導，反射鏡與陣列波導間有空氣楔，通過調整空氣楔對光程差進行補償，使中心波長正好聚焦于相應輸出波導，實現(xiàn)器件中心波長的調整，然后將反射鏡固定，當溫度變化時，反射角度基本保持不變。2.如權利要求1所述的一種器件，波導上包層采用折射率溫度補償材料，使得波導滿足溫度不敏感條件，實現(xiàn)陣列波導光柵的溫度不敏感的目的。3.如權利要求1所述的一種器件，其自由耦合區(qū)分別由折射率隨溫度變化系數(shù)相反的兩種波導材料構成的兩段或多段平板波導構成，在滿足陣列波導光柵干涉條件的前提下，同時滿足陣列波導光柵的光程差不隨溫度變化而變化；兩種波導材料中，其中一種為主要材料，用來構成輸入輸出波導、部分自由空間耦合區(qū)、光柵區(qū)陣列波導，另一種材料為溫度補償材料，構成自由耦合區(qū)平板波導的另一部分；4.如權利要求2或3所述的一種器件，主要材料構成的平行陣列波導與反射鏡垂直或幾乎垂直，反射鏡通過改變其與陣列波導間的楔形間隙調節(jié)器件的中心波長，該部分陣列波導可以采用直線、曲線和直線與曲線組合等形式；輸入波導可以設計為Y分支，使得相應陣列波導光柵光譜特性平頂化。5.如權利要求4所述的一種器件，主要材料為石英，溫度補償材料可以是高分子材料或硅或硅樹脂。6.如權利要求5所述的一種器件，在反射面前可以設置TE-TM轉換膜，以利用AWG對稱性減少偏振相關損耗。全文摘要本發(fā)明是一種溫度不敏感、低偏振模色散的折疊式陣列波導光柵(AWG)，屬于光通信波分復用解復用及固定路由交換領域，對于折疊式陣列波導光柵，主要問題在于中心波長在芯片加工中很難控制，即使采用溫度控制，調節(jié)范圍也很有限，并且成本較高，可靠性也不好。本發(fā)明一方面一方面通過設置并調節(jié)反射鏡，連續(xù)地改變相鄰波導相位差，繼而改變器件的中心波長，中心波長調節(jié)好后將反射鏡固定，使得反射角度不隨溫度變化而變化，解決了中心波長的調節(jié)的問題；另一方面通過在自由耦合區(qū)設置折射率溫度補償波導區(qū)或通過波導上包層的折射率溫度補償材料實現(xiàn)折疊式陣列波導光柵無溫度敏感性。本發(fā)明將極大的降低陣列波導光柵的溫度敏感性、偏振模色散以及衍射損耗，大大提高器件的可靠性與成品率，并且中心波長可以在較大范圍內跨波段調整，同時本發(fā)明將顯著減小陣列波導光柵的體積，相應芯片與器件成本將大幅下降。文檔編號H04B10/02GK1521974SQ03118550公開日2004年8月18日申請日期2003年1月27日優(yōu)先權日2003年1月27日發(fā)明者張立國申請人:張立國