专利名称：：一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(awg)的制作方法
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，尤其涉及一种温度不敏感反射式阵列波导光栅器件。
背景技术：
：见图1折叠式阵列波导光栅[1][2]，1为反射面，2为阵列光栅，3为输入输出自由空间耦合器，4为输入输出波导，以4中任一波导为输入波导，仍根据中心波长设计，光栅区相邻波导光程差为ΔL=mλc2nc,]]>波长为λc的光波从输入波导在3中衍射耦合进2，经1反射后经2进入3时，光栅区各相邻波导中光波光程差为2ΔL=mλcnc,]]>其中m为光栅级数，nc为波导有效折射率，因此光栅区各波导中的光相干相长，并耦合进相应输出波导。其它波长的光由于波长不一样，因此光程差不一样，因此聚焦耦合进不同的输出波导。这样，该器件就可以实现多波长光的复用解复用。该器件的缺点在于还存在温度敏感性，需要采取温控措施，使得器件成本比较高，且可靠性得不到很好的保证，同时对光程差误差非常敏感。见图2折射率温度特性相反材料作温度补偿AWG技术[3][4]，传统AWG有输入波导11、输入自由耦合区13、光栅区14、输出自由耦合区15、输出波导16组成，在13中有与主要波导材料相反的折射率温度系数的温度补偿物质，当温度变化时，保证总的光程差保持不变，根据光栅方程，各波长的输出光聚焦位置保持不变，因而使得AWG具有温度不敏感的特点。这种方案与在光栅区波导开槽相比，后者开槽制作误差对相位误差影响很大，因此制作较高，前者折射率补偿材料处于自由耦合区，开槽误差对各波长的相位误差影响不大，因此制作要求较低。为了进一步减少制作误差带来的中心波长漂移，传统的AWG一般设计成平顶型。同样，图2中输入波导设计成Y分支，使得输入光经Y分支耦合进自由耦合区13，获得顶部较平的光谱。温度不敏感波导[5]理论上比较成熟。相对温度不敏感条件理论如下设两点A、B间光波导几何长度为L，由有效折射率分别为n1、n2两段波导构成，长度分别为和则AB间光程为SΛ=n1LΛ+n2(L-LΛ)]]>两边对温度求导dSΛdt=dn1dtLΛ+n1dLΛdt+dn2dt(L-LΛ)+n2d(L-LΛ)dt]]>若n2＝1为空气，上时变为1LΛdSΛdt=dn1dt+n11LΛdLΛdt=dn1dt+n1α]]>其中α=1LΛdLΛdt]]>为热膨胀系数，由于波导很薄，可以认为它是基底的热膨胀系数。若dSΛdt=0,]]>即1LΛdSΛdt=dn1dt+n1α=0,]]>则AB间光程在温度变化时可以保持不变。绝对温度不敏感条件理论如下设两点A、B间光波导几何长度为L，由有效折射率为n的同一波导构成，其光程表示为S＝nL，两边对温度求导1LdSdt=dndt+n1LdLdt=dndt+nα,]]>α=1LdLdt]]>为热膨胀系数，由于波导很薄，可以认为它是基底的热膨胀系数。温度不敏感条件1LdSdt=dndt+n1LdLdt=dndt+nα=0]]>温度不敏感实现途径有多种，设波导芯层、下包层、上包层折射率分别为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，要实现波导无温度敏感性，即1LdSdt=0,]]>必须使dn1dt,dn2dt,dn3dt]]>任一个为负，即采用折射率温度系数为负的材料做波导的芯层或下包层或上包层。目前一般采用折射率温度系数为负的材料做波导的上包层以获得波导温度不敏感特性[6][7]。温度敏感性是影响阵列波导光栅可靠性的主要因素，偏振模色散也是一个较大问题，且芯片一旦设计好后由于中心波长调谐有限，中心波长一般不能跨波段调整，本发明将极大的降低阵列波导光栅的温度敏感性、偏振模色散以及衍射损耗，大大提高器件的可靠性与成品率，并且中心波长可以在较大范围内跨波段调整，同时本发明将显著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。与光栅区开槽填入折射率温度补偿物质相比，在光栅区填入波导折射率温度补偿材料，可以允许较大的制作误差，并且可以获得较小的衍射损耗，而采用波导上包层材料进行温度补偿，实现阵列波导光栅无温度敏感性效果更佳。
发明内容对于折叠式阵列波导光栅，主要问题在于中心波长在芯片加工中很难控制，即使采用温度控制，调节范围也很有限，并且成本较高，可靠性也不好。本发明的目的在于提供一种高成品率的温度不敏感折叠式阵列波导光栅器件，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方面通过设置并调节反射镜，连续地改变相邻波导相位差，继而改变器件的中心波长，中心波长调节好后将反射镜固定，使得反射角度不随温度变化而变化，解决了中心波长的调节的问题；另一方面通过在自由耦合区设置折射率温度补偿波导区或通过波导上包层的折射率温度补偿材料实现折叠式阵列波导光栅无温度敏感性。见图3，为波导分段方案图，23为输入波导，24为输出波导，22为自由耦合区，21为折射率温度补偿波导材料，20为光栅区，26为夹角较小的空气楔，25为反射镜。其工作原理如下当多波长的光由输入波导23耦合进自由耦合区22后衍射，透过21，耦合进光栅区20，经空气楔26后被反射镜25反射并沿原路返回自由耦合区22，相邻阵列波导中相同波长的光具有恒定的相位差，因而在自由耦合区22中相干相长，分别耦合进相应的输出波导。当温度变化时，由于折射率温度补偿材料21的温度特性与主要波导材料相反，经合理设计，可以使得总的光程差不随温度变化而变化，因此根据光栅方程，各波长聚焦位置不随温度变化而变化，这样的AWG表现出了温度不敏感性。设主要波导材料构成的波导有效折射率为n1，温度补偿材料构成的波导有效折射率为n2，23处于中心对称位置(也可以设计在边缘位置)，设阵列波导间距d。折射率温度补偿区21引起各相邻阵列波导中的光的光程差为n2Δl(sinβ+sinθ)阵列光栅区引起的光程差为n1ΔL，自由耦合区22中除了21，引起的光程差为n1d(sinβ+sinθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)，因此光栅方程(聚焦条件)为n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)+n2Δl(sinβ+sinθ)＝mλ，其中m为光栅常数，Δl为折射率温度补偿区21在自由耦合区对称轴向相邻阵列波导对应的光程差，n2与n1分别为折射率温度补偿区21与其它波导的有效折射率，β为平板波导中输入光线与平板波导对称轴线的夹角，θ为光栅区阵列波导输出光线与平板波导对称轴线的夹角。一般AWG芯片本身在制作过程中会有误差，在22中开槽也会有误差，由于温度不敏感AWG不能用温控来调整中心波长，因此该类AWG成品率不高。但是若采用本方案，可以通过调整反射镜25调整楔形空气26来改变光栅区相邻阵列波导相位差，从而调整中心波长，保证了器件的成品率，可以将光栅方程表示为n1ΔL+n1d(sinβ+sinnθ)-n1Δl(sinβ+sinθ)+n2Δl(sinβ+sinθ)+δ＝mλ，其中δ为调整反射镜25后(空气楔变化)附加给光栅区各相邻阵列波导的光程差，一旦调整好后，它是常数，且δ≈0。这样，就折叠式AWG实现了普通AWG的功能，并且实现了中心波长在较大范围内调节，实现了本发明的第一个目的。所采用的两种折射率温度变化系数不同波导材料，ΔL与Δl随温度的变化忽略不计，将上式对温度求导，有dn1dt[d(sinβ+sinθ)-Δl(sinβ+sinθ)+ΔL]+dn2dtΔl(sinβ+sinθ)=0,]]>如此可以保证光程差恒定。即使采用了这些措施，各中心波长在较大温度范围内还是有较小的漂移的，因此该AWG可以设计成平顶型以克服中心波长的漂移，其办法是将输入波导23设计成Y分支形，使得输入光经Y分支耦合进自由耦合区13，获得顶部较平的光谱。通过以上措施可以设计出较好的温度不敏感阵列波导光栅，即实现了本发明的第二个目的。实现第二个目的还可以采用图4的波导上包层材料补偿方案实现，波导上包层采用折射率温度系数为负的材料，波导的下包层与芯层仍采用折射率温度系数为正的波导材料构成。其光栅方程n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)+δ＝mλδ≈0，n1为波导的有效折射率。仍通过调节反射镜25后(空气楔变化)附加给光栅区各相邻阵列波导的光程差实现中心波长的调节。对上式两边对温度求导[ΔL+d(sinβ+sinθ)]dn1dt+n1[dΔLdt+dd(sinβ+sinθ)dt]=0]]>变形为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)]]]>为波导的热膨胀系数，由于波导很薄，一般表现为基底的热膨胀系数，一般为正数，因此要实现波导无温度敏感性，必须dn1dt<0.]]>由
背景技术：
知，实现dn1dt<0]]>的方法有三种使芯层或上或下包层的波导材料具有负的折射率温度系数。结合目前所具备的波导制作工艺，通过将波导上包层设计成负的折射率温度系数，可以实现器件的无温度敏感性。在反射面25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。关于自由耦合区与罗兰圆的设计，目前所有设计思路都可以应用。本发明，一种温度不敏感反射式阵列波导光栅器件器件，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.本发明通过在自由耦合区设置折射率温度补偿波导区或通过波导上包层材料进行折射率温度补偿，从而实现折叠式阵列波导光栅无温度敏感性。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。通过以下对本发明一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(AWG)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是传统折叠式阵列波导光栅原理结构2是折射率温度特性相反材料作温度补偿的示意3是本发明一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(AWG)耦合区波导分段折射汇率温度方案图4是本发明一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(AWG)波导上包层补偿方案图5是本发明一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(AWG)实施例一图6是本发明一种温度不敏感折叠式阵列波导光栅(AWG)实施例二波导截面图具体实施方式请见图4所示为实施例一自由耦合区波导分段折射率温度补偿方案，31为反射镜，32为楔形空气楔，33为光栅区硅基二氧化硅阵列波导，35为自由耦合区，34为高分子折射率温度补偿波导，36为Y分支输入波导，处于自由耦合区边缘位置，37为输出波导。整个器件设计依据光栅方程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,]]>设计参数，ΔL＝63.04μm，n1＝1.457，其有效折射率随温度变化率为dn1dT=1.1×10-5(1/deg),]]>而34的有效折射率为n2＝1.502，有效折射率随温度变化率为dn2dT=-1.1×10-4(1/deg),]]>sinβ由输入波导与阵列波导相对位置决定，sinθ由输出波导与阵列波导的相对位置决定。在具体设计中，可以将自由耦合区设计得比较长，使得sinβ+sinθ≈2，光栅方程简化为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与Δl。实施例二波导上包层为高分子材料方案如图4，波导芯层为掺杂二氧化硅，下包层为二氧化硅，上包层为高分子材料(PMMA)，光栅区波导截面如图6所示，40为PMMA上包层，41为掺杂二氧化硅波导，42为二氧化硅下包层，43为硅基底。光栅方程n1ΔL+n1d(sinβ+sinθ)+δ＝mλ温度不敏感方程dn1dt+n1α=0]]>当温度升高时，下包层42与波导芯层41折射率增加，而上包层40折射率减小，综合结果是，波导有效折射率n1满足dn1dt=-n1α<0]]>其中，n1为有效折射率，β为平板波导中输入光线与平板波导对称轴线的夹角，θ为光栅区阵列波导输出光线与平板波导对称轴线的夹角。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。参考文献[1]DongChulKIM，HyungMunKIM，JeONGSooKIM，FabricationofInP-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]美国专利6137939[7]ZheneXu，DongshengLu，DaqingZhuAthermalarraywaveguidegrating权利要求1.本发明是一种反射式温度不敏感阵列波导光栅器件，由输入输出波导、自由耦合区、阵列波导、空气楔、反射镜构成，其特征在于在阵列波导芯片末端有一反射镜，将光栅区各波导的光反射回原来的波导，反射镜与阵列波导间有空气楔，通过调整空气楔对光程差进行补偿，使中心波长正好聚焦于相应输出波导，实现器件中心波长的调整，然后将反射镜固定，当温度变化时，反射角度基本保持不变。2.如权利要求1所述的一种器件，波导上包层采用折射率温度补偿材料，使得波导满足温度不敏感条件，实现阵列波导光栅的温度不敏感的目的。3.如权利要求1所述的一种器件，其自由耦合区分别由折射率随温度变化系数相反的两种波导材料构成的两段或多段平板波导构成，在满足阵列波导光栅干涉条件的前提下，同时满足阵列波导光栅的光程差不随温度变化而变化；两种波导材料中，其中一种为主要材料，用来构成输入输出波导、部分自由空间耦合区、光栅区阵列波导，另一种材料为温度补偿材料，构成自由耦合区平板波导的另一部分；4.如权利要求2或3所述的一种器件，主要材料构成的平行阵列波导与反射镜垂直或几乎垂直，反射镜通过改变其与阵列波导间的楔形间隙调节器件的中心波长，该部分阵列波导可以采用直线、曲线和直线与曲线组合等形式；输入波导可以设计为Y分支，使得相应阵列波导光栅光谱特性平顶化。5.如权利要求4所述的一种器件，主要材料为石英，温度补偿材料可以是高分子材料或硅或硅树脂。6.如权利要求5所述的一种器件，在反射面前可以设置TE-TM转换膜，以利用AWG对称性减少偏振相关损耗。全文摘要本发明是一种温度不敏感、低偏振模色散的折叠式阵列波导光栅(AWG)，属于光通信波分复用解复用及固定路由交换领域，对于折叠式阵列波导光栅，主要问题在于中心波长在芯片加工中很难控制，即使采用温度控制，调节范围也很有限，并且成本较高，可靠性也不好。本发明一方面一方面通过设置并调节反射镜，连续地改变相邻波导相位差，继而改变器件的中心波长，中心波长调节好后将反射镜固定，使得反射角度不随温度变化而变化，解决了中心波长的调节的问题；另一方面通过在自由耦合区设置折射率温度补偿波导区或通过波导上包层的折射率温度补偿材料实现折叠式阵列波导光栅无温度敏感性。本发明将极大的降低阵列波导光栅的温度敏感性、偏振模色散以及衍射损耗，大大提高器件的可靠性与成品率，并且中心波长可以在较大范围内跨波段调整，同时本发明将显著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。文档编号H04B10/02GK1521974SQ03118550公开日2004年8月18日申请日期2003年1月27日优先权日2003年1月27日发明者张立国申请人:张立国