一种实现宽温度范围内波长稳定的无热阵列波导光栅的制作方法

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，它涉及一种实现宽温度范围内波长稳定的无热阵列波导光栅。

背景技术：

目前，光纤通信技术发展极为迅速，其中wdm（wavelengthdivisionmultiplexing波分复用）系统是当前最常见的光层组网系统，它通过复用与解复用实现多路信号传输。基于plc（planarlightwavecircuit，平面光波线路）技术的awg（arrayedwavelengthgrating，阵列波导光栅）是wdm系统中一种重要的实现复用/解复用器件，其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层，再利用光刻工艺及反应式离子蚀刻法制作awg。相对于fbg（fiberbragggrating，光纤布拉格光栅）和tff（thinfilmfilter，薄膜滤光片），awg具有集成度高、波长通道数目多、通道间隔小、无需使用光隔离器，易于批量自动化生产等优点。

传统的硅基二氧化硅波导awg芯片，其波导折射率对于温度比较敏感，从而导致当工作环境温度发生变化时，awg芯片响应光谱的中心波长会随之发生改变。如图1所示，关系基本呈线性关系，中心波长随温度的漂移约为11pm/℃，对于100ghz波长间隔或间隔更窄的dwdm系统而言，这种awg是不适用的。为了将awg的中心波长固定在目标值，不受工作环境温度的影响，现有技术中，一般采用以下两种方式：一种是使用加热片和温控电路将芯片温度固定在某一恒定值，称为有热awg（thermalawg），但这样做会相应增加了系统功耗，并需预留供电接口和监控接口，限制了使用的灵活性。另一种为无热awg，无热awg不使用加热片和温控电路，依靠自身的特殊材料结构或机械结构来实现awg光谱中心波长不随工作环境温度变化而变化的目的。

传统的依靠机械结构来实现温度补偿的无热阵列波导光栅，如图2所示，阵列波导130光栅芯片100包括输入波导110、输入平面波导120、阵列波导130、输出平面波导140和输出波导150，阵列波导130光栅芯片100被切缝160分割为第一芯片101和第二芯片102，且所述切缝160穿过输入平面波导120，并用金属补偿杆220连接第一芯片101和第二芯片102，在金属补偿杆220热胀冷缩的驱动下，改变第一芯片101和第二芯片102的相对位置来补偿波长随温度的漂移。由于金属补偿杆的热膨胀是线性的，所以这种封装方法是对波长的温度特性进行线性补偿，而硅基二氧化硅波导的折射率随温度变化有高阶系数，如图3所示，其波长随温度变化的实际关系是一个开口向上的抛物线形，加上各输出通道波长相应的不一致性，器件在-40℃~80℃波长偏移基本达到了80pm以上，因此这种补偿方法只能在有限的温度范围内保持波长的稳定性，对于室外等较大温度变化范围的应用则难以满足。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种实现宽温度范围内波长稳定的无热阵列波导光栅，通过第一驱动杆和第二驱动杆的配合，增强了在设定温度范围内阵列波导光栅光谱的中心波长的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种实现宽温度范围内波长稳定的无热阵列波导光栅，包括阵列波导光栅芯片，所述阵列波导光栅芯片包括输入波导、输入平面波导、阵列波导、输出平面波导和输出波导，所述阵列波导光栅芯片被切缝分割为第一芯片和第二芯片，且所述切缝穿过所述输入平面波导或输出平面波导；

所述第一芯片和第二芯片之间设置有第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆和第二驱动杆的两端均分别连接于所述第一芯片和第二芯片；在设定温度范围内，所述第一驱动杆对所述阵列波导光栅芯片进行线性欠补偿，所述第二驱动杆对所述阵列波导光栅芯片进行线性过补偿。

通过采用上述技术方案，在设定温度范围的低温状态下，由第一驱动杆驱动第一芯片和第二芯片发生相对运动，由于第一驱动杆对阵列波导光栅芯片进行线性欠补偿，所以在该温度范围内，波长偏移较小；在设定温度范围的高温状态下，由第二驱动杆驱动第一芯片和第二芯片发生相对运动，由于第二驱动杆对阵列波导光栅芯片进行线性过补偿，所以在该温度范围内，波长偏移较小；综合第一驱动杆和第二驱动杆在设定温度的低温和高温状态下分别作用，达到在设定温度范围内整体波长偏移较小的目的，增强了在设定温度范围内阵列波导光栅光谱的中心波长的稳定性。

进一步的，所述第二驱动杆的总膨胀量大于所述第一驱动杆的总膨胀量，所述第一驱动杆一端固定连接于第一芯片或者第二芯片，另一端抵接于第二芯片或者第一芯片；所述第二驱动杆通过弹性块固定连接于所述第一芯片和第二芯片。

通过采用上述技术方案，在设定温度范围的低温状态下，由于第二驱动杆的总膨胀量大于第一驱动杆的总膨胀量，同理可知第二驱动杆的总收缩量大于第一驱动杆的总收缩量，此时，第一驱动杆的抵接端依然与第一芯片或者第二芯片抵接，弹性块伸长，第一芯片和第二芯片的相对位移量为第一驱动杆的收缩量，即通过第一驱动杆对阵列波导光栅芯片进行线性欠补偿，使得在设定温度范围的低温状态下，波长偏移较小;

在设定温度范围的高温状态下，由于第二驱动杆的总膨胀量大于第一驱动杆的总膨胀量，此时，第一驱动杆的抵接端与第一芯片或者第二芯片分离，弹性块不发生形变，第一芯片和第二芯片的相对位移量为第二驱动杆的膨胀量，即通过第二驱动杆对阵列波导光栅芯片进行线性过补偿，使得在设定温度范围的高温状态下，波长偏移较小；

即在设定温度范围的低温和高温状态下，由第一驱动杆和第二驱动杆分别对阵列波导光栅芯片进行温度补偿，使得整体波长偏移较小。

进一步的，所述第一驱动杆两端位置均设置有第一固定块，所述第一固定块分别与第一芯片和第二芯片固定连接；所述第一驱动杆与其中一个第一固定块固定连接，并与另一个第一固定块接触。

通过采用上述技术方案，第一驱动杆与第一芯片、第二芯片的连接均通过第一固定块，可避免第一驱动杆膨胀或者收缩时直接将力作用在第一芯片和第二芯片上，起到保护芯片的作用。

进一步的，所述第一芯片和所述第二芯片上均固定连接有第二固定块，所述弹性块的一端和所述第二驱动杆的一端分别与两个第二固定块固定连接，所述弹性块的另一端与所述第二驱动杆的另一端固定连接。

通过采用上述技术方案，第二驱动杆与第一芯片、第二芯片的连接均通过第二固定块，可避免第二驱动杆膨胀或者收缩时直接将力作用在第一芯片和第二芯片上，起到保护芯片的作用。

进一步的，所述弹性块包括与所述第二驱动杆相适配的块体，以及开设在所述块体位于所述第二驱动杆长度方向的侧面上的未贯通槽，所述块体与所述第二驱动杆一体成型设置。

通过采用上述技术方案，在块体侧面设置未贯通槽，使得整个块体形成类似于弹簧的结构，具有较为稳定的弹性形变力和弹性恢复力，且块体与第二驱动杆一体成型设置，可减少零部件，简化结构。

进一步的，所述弹性块包括与所述第二驱动杆相适配的块体，以及开设在所述块体位于所述第二驱动杆长度方向的侧面上的未贯通槽，所述块体与所述第二驱动杆分体设置，并与所述第二驱动杆固定连接。

通过采用上述技术方案，在块体侧面设置未贯通槽，使得整个块体形成类似于弹簧的结构，具有较为稳定的弹性形变力和弹性恢复力，块体与第二驱动杆分体设置，可选择不同形状的块体，适用性更高。

进一步的，所述第一驱动杆与第二驱动杆材料的膨胀系数大于所述阵列波导光栅芯片材料膨胀系数，所述第一驱动杆与所述第二驱动杆采用同种材料，且所述第二驱动杆的长度大于所述第一驱动杆的长度，与长度方向垂直的横截面积相等。

通过采用上述技术方案，第一驱动杆和第二驱动杆在设定温度范围内膨胀或者收缩的距离与阵列波导光栅芯片本身膨胀或者收缩的距离之间有偏差，使得第一驱动杆或者第二驱动杆能够带动第一芯片和第二芯片之间发生相对移动，从而实现温度补偿，使得阵列波导光栅光谱的中心波长较为稳定。

当第一驱动杆和第二驱动杆采用同种材料时，第一驱动杆和第二驱动杆的膨胀系数相等，但是当两者等底不同高时，两者的膨胀量不同，第二驱动杆的膨胀量大于第一驱动杆的膨胀量，从而达到在设定温度范围内，第一驱动杆和第二驱动杆配合稳定阵列波导光栅光谱的中心波长。

进一步的，所述第一驱动杆与第二驱动杆材料的膨胀系数大于所述阵列波导光栅芯片材料膨胀系数，所述第一驱动杆与所述第二驱动杆形状尺寸相同，且所述第一驱动杆采用材料的膨胀系数小于所述第二驱动杆采用材料的膨胀系数。

通过采用上述技术方案，第一驱动杆和第二驱动杆在设定温度范围内膨胀或者收缩的距离与阵列波导光栅芯片本身膨胀或者收缩的距离之间有偏差，使得第一驱动杆或者第二驱动杆能够带动第一芯片和第二芯片之间发生相对移动，从而实现温度补偿，使得阵列波导光栅光谱的中心波长较为稳定。

当第一驱动杆和第二驱动杆采用不同材料，且第一驱动杆的形状尺寸相同时，第二驱动杆的膨胀量大于第一驱动杆的膨胀量，从而达到在设定温度范围内，第一驱动杆和第二驱动杆配合稳定阵列波导光栅光谱的中心波长。

进一步的，所述切缝处填充有折射率与输入平面波导或输出平面波导的材料匹配的填充材料。

通过采用上述技术方案，切缝处一般会有空气，信号光传播到切缝处时，容易造成光功率的损耗，在切缝处填充折射率与输入平面波导或输出平面波导的材料匹配的填充材料可降低光功率的损耗，避免信号失真。

进一步的，所述第一固定块和所述第二固定块的材料与所述阵列波导光栅芯片的材料一致。

通过采用上述技术方案，可减少第一固定块和第二固定块对第一芯片和第二芯片的应力，提高结构整体的稳定性。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、综合第一驱动杆和第二驱动杆在设定温度的低温和高温状态下分别对第一芯片和第二芯片作用，达到在设定温度范围的低温段时，利用第一驱动杆实现对阵列波导光栅芯片进行线性欠补偿，在高温段时，利用第二驱动杆实现对阵列波导光栅芯片进行线性过补偿，从而增强了在设定温度范围内阵列波导光栅光谱的中心波长的稳定性，扩大了阵列波导光栅的工作温度范围；

2、利用第一驱动杆和第二驱动杆的相互配合，结构简单，加工精度要求相对较低，在制造该阵列波导光栅时更加简便，可提高生产效率；同时装配工艺重复性高，成品率高；

3、第一芯片和第二芯片稳定于同一块底板上，避免了第一芯片和第二芯片在垂直于底板方向上发生相对位移，降低了损耗变化的风险。

附图说明

图1为未做温度补偿的阵列波导光栅器件中心波长随环境温度的变化曲线；

图2为传统线性温度补偿的无热阵列波导光栅结构示意图；

图3为未做温度补偿的阵列波导光栅器件中心波长随环境温度的变化曲线；

图4为本发明实施例的无热阵列波导光栅结构示意图；

图5为本发明弹力块与第二驱动杆的结构示意图（一）；

图6为本发明弹力块与第二驱动杆的结构示意图（二）；

图7为本发明弹力块与第二驱动杆的结构示意图（三）；

图8为本发明弹力块与第二驱动杆的结构示意图（四）；

图9为本发明实施例的无热阵列波导光栅在降温后发生形变的局部示意图；

图10为本发明实施例的无热阵列波导光栅在升温后发生形变的局部示意图；

图11为本发明阵列波导光栅器件中心波长随环境温度的变化曲线。

附图标记：100、阵列波导光栅芯片；101、第一芯片；102、第二芯片；110、输入波导；120、输入平面波导；130、阵列波导；140、输出平面波导；150、输出波导；160、切缝；170、第一驱动杆；180、第二驱动杆；190、弹性块；191、块体；192、未贯通槽；200、第一固定块；210、第二固定块；220、金属补偿杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

一种实现宽温度范围内波长稳定的无热阵列波导光栅，参照图4，包括阵列波导光栅芯片100，阵列波导光栅芯片100包括输入波导110、输入平面波导120、阵列波导130、输出平面波导140和输出波导150，阵列波导光栅芯片100被切缝160分割为第一芯片101和第二芯片102，且切缝160穿过输入平面波导120或输出平面波导140。第一芯片101和第二芯片102之间设置有第一驱动杆170和第二驱动杆180，第一驱动杆170和第二驱动杆180的两端均分别连接于第一芯片101和第二芯片102；在设定温度范围内，第一驱动杆170对阵列波导光栅芯片100进行线性欠补偿，第二驱动杆180对阵列波导光栅芯片100进行线性过补偿。本实施例中，以切缝160穿过输入平面波导120为例，该切缝160平行于输入平面波导120连接输入波导110的一边，第一芯片101上包括有输入波导110以及部分输入平面波导120，该第一芯片101呈直角梯形设置。

阵列波导光栅芯片100采用的材料可以为硅基二氧化硅，根据该阵列波导光栅芯片100的材料特性和结构，切缝160可由多种实现方式，例如树脂刀片切割、金刚石刀片切割或激光切割等。为了保障切割后阵列波导光栅芯片100的各项光学指标，在切割过程中根据工艺状况，尽量避免或减少阵列波导光栅芯片100上波导的材料损耗，且切割端面应尽量处理得光滑平整，减少因端面产生的光功率损耗。

由于切缝160处输入平面波导120被切断，光信号从输入波导110输入，再经过第一芯片101上的输入平面波导120，后经过切缝160处的空气，再进入第二芯片102上的输入平面波导120。在这个过程中，光信号的经过空气时极易造成光功率的损耗。为避免信号失真，切缝160两端的输入平面波导120的两个部分距离小于或等于40微米，尤其是25微米，此时的光功率损耗最小。另外，为了消除空气传播段与输入平面波导120的折射率变化，切缝160可填充折射率与输入平面波导120相一致的光学材料，如胶状二氧化硅，不阻碍第一芯片101和第二芯片102的相对移动。

第一驱动杆170和第二驱动杆180均与经过输入平面波导120的切缝160平行，使得第一芯片101和第二芯片102在能够沿着第一驱动杆170和第二驱动杆180的长度方向运动，第一芯片101和第二芯片102之间的间距不易随着第一驱动杆170或第二驱动杆180的运动而发生变化，降低信号的损耗。

另外，第二驱动杆180的总膨胀量大于第一驱动杆170的总膨胀量，第一驱动杆170一端固定连接于第一芯片101或者第二芯片102，另一端抵接于第二芯片102或者第一芯片101；第二驱动杆180通过弹性块190固定连接于第一芯片101和第二芯片102。且为了避免第一驱动杆170膨胀或者收缩直接对第一芯片101或者第二芯片102产生作用力，在第一驱动杆170两端位置均设置有第一固定块200，第一固定块200分别与第一芯片101和第二芯片102固定连接；第一驱动杆170与其中一个第一固定块200固定连接，并与另一个第一固定块200接触，本实施例中，第一驱动杆170的一端与位于第二芯片102中的第一固定块200固定连接，与位于第一芯片101中的第一固定块200接触，在室温下（或整个设定温度范围的中间值）处于恰好接触的状态，并不产生相互应力。

同样的，第一芯片101和第二芯片102上均固定连接有第二固定块210，弹性块190的一端和第二驱动杆180的一端分别与两个第二固定块210固定连接，弹性块190的另一端与第二驱动杆180的另一端固定连接。弹性块190可以包括与第二驱动杆180相适配的块体191，以及开设在块体191位于第二驱动杆180长度方向的侧面上的未贯通槽192，块体191与第二驱动杆180一体成型设置。如图5所示，块体191和未贯通槽192整体呈w形设置；或者如图6所示，块体191和未贯通槽192整体呈u形设置。弹性块190也可以包括与第二驱动杆180相适配的块体191，以及开设在块体191位于第二驱动杆180长度方向的侧面上的未贯通槽192，块体191与第二驱动杆180分体设置，并与第二驱动杆180固定连接。如图7所示，块体191和未贯通槽192整体呈w形设置；或者如图8所示，块体191和未贯通槽192整体呈u形设置。

需要说明的是，第一固定块200和第二固定块210的材料与阵列波导光栅芯片100的材料一致，可减少应力，提高结构整体的稳定性。

第一驱动杆170和第二驱动杆180的材料和尺寸应适当选择，使得整个结构在设定温度范围内，阵列波导光栅芯片100因温度变化带来的光学波长偏移与切缝160两侧输入平面波导120相对位置变化带来的波长偏移相抵消，从而稳定光学特性。在一实施例中，第一驱动杆170与第二驱动杆180材料的膨胀系数大于阵列波导光栅芯片100材料膨胀系数，第一驱动杆170与第二驱动杆180采用同种材料，且第二驱动杆180的长度大于第一驱动杆170的长度，与长度方向垂直的横截面积相等。在另一实施例中，第一驱动杆170与第二驱动杆180材料的膨胀系数大于阵列波导光栅芯片100材料膨胀系数，第一驱动杆170与第二驱动杆180形状尺寸相同，且第一驱动杆170采用材料的膨胀系数小于第二驱动杆180采用材料的膨胀系数。在同样的温度变化范围内，上述两种方式的第二驱动杆180的膨胀量或者收缩量均大于第一驱动杆170的膨胀量或者收缩量。优选的，第一驱动杆170和第二驱动杆180可采用铝合金、铜、不锈钢等。

本实施例所述的固定连接方式均采用粘接。

本发明的具体工作方式如下：

在设定温度范围的低温状态下，第一驱动杆170和第二驱动杆180遇冷收缩，其工作情况如图9所示。由于第二驱动杆180的收缩长度大于第一驱动杆170的收缩长度，此时第一驱动杆170位于第一芯片101的一端与其对应的第一固定块200接触并产生相互作用，顶住第一芯片101阻止其移动，此时，第二驱动杆180连接的弹性块190受应力作用被拉长。故第一芯片101和第二芯片102相对移动的距离相当于第一驱动杆170的收缩长度。由于第一驱动杆170对阵列波导光栅芯片100进行线性欠补偿，此时在整个低温工作范围内出现的光学中心波长偏移曲线为图11左半侧。

在设定温度范围的高温状态下，第一驱动杆170和第二驱动杆180受热膨胀，其工作情况如图10所示。由于第二驱动杆180的膨胀长度大于第一驱动杆170的膨胀长度，故第一芯片101和第二芯片102相对移动距离相当于第二驱动杆180的膨胀长度，第一驱动杆170位于第一芯片101的一端与其对应的第一固定块200分离。由于第二驱动杆180对阵列波导光栅芯片100进行线性过补偿，此时在整个高温工作范围内出现的光学中心波长偏移曲线为图11右半侧。

综上，增强了在设定温度范围内阵列波导光栅光谱的中心波长的稳定性，扩大了阵列波导光栅的工作温度范围，器件在-40℃~80℃波长偏移基本小于30pm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。