专利名称：基于曲线形阵列波导光栅的无热awg制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无热AWG制作方法。特别是涉及一种能够减少芯片形变造成的光 学指标变化，提高波长稳定性，且无需外接电源的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制 作方法。
背景技术：
阵列波导光栅(AWG)是基于平面光波导集成技术的重要光器件。随着市场需求的 变化和技术的进步，AffG已开始从加热型向无热型过渡，即AWG工作时无须对其加热，称为 无热AWG (AAffG)。AAWG省去复杂的温度控制电路和加热器，降低了成本而且器件的稳定性 增强，属于纯无源器件；节省了通信系统的能耗，应用范围更广。目前，AAWG的需求迅速增长，一是WDM无源光网络(WDM-PON)的快速发展，WDM-PON 系统要求在室外-30°C到70°C的温度范围内都可以正常运行，而TFF的温漂大，不符合室 外WDM-PON系统的应用要求，所以系统可能会使用大量的无热AWG以提供超过百兆的光纤 到户业务。第二个原因是在城域网中可重构光分插复用器(ROADM)和可变光衰减复用器 (VMUX)得到了迅速发展，在这两个器件中，电功率消耗带来的热量会引起隔离带降低等问 题，也要求必须使用AAWG。因此开发无需加热的波长不随温度变化的AAWG显得非常必要。 为此，人们提出了许多AAWG的方案，可以归纳为波导移动型、波导嵌入热光系数相反材料 型和应力板粘贴型等。基于波导移动型的AAWG现有技术所有方案主体结构为采用图1的方形AWG芯 片。将方形AWG芯片分割成两部分，主体部分固定在基板上，移动部分通过补偿杆的热胀冷 缩在基板的平面上进行移动，实现波长不敏感的目的。相对图1所示的方形AWG芯片，在相同面积的硅片可以制作更多曲线形AWG芯片， 将大大降低成本。为了降低器件的成本，本发明中采用图2所示的曲线形AWG芯片。但是曲线芯片比方形芯片更加敏感，其原因如下根据AWG芯片的工作原理。AWG的中心波长满足πιλ = ALXn其中，m是整数，λ是中心波长，η是波导内的折射率，AL是相邻波导之间的长度 差。式中，n、AL都是由AWG器件本身的特性所决定的。当芯片由原来的方形变成曲线形， 轻微受力后外型极易发生形变，从而导致AL发生明显变化，并引起λ变化，即器件的中心 波长发生变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种 利用曲线形阵列波导光栅芯片，通过将 该芯片粘接在夹层上，从而克服该芯片在无热AWG制作过程中带来的形变，提高其光学性 能指标、特别是中心波长的稳定性，且无需外接电源的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG 制作方法。
本发明所采用的技术方案是一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方 法，包括如下的制作步骤1)采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波 导组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片；2)采用夹具及粘接胶，将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上；3)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列和输出 光纤阵列固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片的输 入波导和输出波导的耦合调试后，进行紫外胶固化；4)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片沿分割线分割为第一 AWG芯片和第二 AWG芯 片两部分；5)将第二 AWG芯片与基板粘接固定在一起；6)利用夹具将第一 AWG芯片放置在基板上，使第一 AWG芯片与第二 AWG芯片沿分 割线的方向平行设置；7)将补偿杆放置在第一 AWG芯片和基板上，调节曲线形AWG芯片的中心波长为 ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆分别固化在第一 AWG芯片和基板上；8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。所述的夹层是方形或者多边形，尺寸大于曲线形AWG芯片的包络线。所述的夹层的两端面与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的端面平行。所述的夹层材质的膨胀系数的范围为2-6X10_6/°C。所述的夹层的总平整度在2_15um，翘曲度在20_50um。步骤2所述的将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上采用的粘接胶的硬度在 50-80邵氏硬度A之间，芯片和夹层之间粘接胶厚度为20-500um。步骤2所述的将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上的固化条件为首先85度下 10-120分钟，然后120度下20-180分钟。步骤4所述的曲线形AWG芯片分割线的位置是在输入平板波导，或输出平板波导 上的任一位置。所述分割线的方向与Slab的光轴准直线方向之间的夹角为锐角，范围为 8° 士 1°。步骤5所述的将第二 AWG芯片与基板粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固化胶 或紫外胶，第二 AWG芯片与基板之间的粘接胶厚度小于lum。所述的基板总平整度为2_15um，翘曲度为20_50um。所述的基板的表面开槽，槽的方向与曲线形AWG芯片的分割线方向平行。所述的第二 AWG芯片与基板的粘接区域是避开阵列波导的所有区域。本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，还可以是包括如下的制作步骤1)采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波导组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片；2)采用夹具及粘接胶，将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上；3)将固化在夹层上的曲线形AWG芯片沿分割线分割为第一 AWG芯片和第二 AWG芯片两部分；4)将第二 AWG芯片与基板粘接固定在一起；5)利用夹具将第一 AWG芯片放置在基板上，使第一 AWG芯片与第二 AWG芯片沿分 割线的方向平行设置；6)将固定在基板上的第二AWG芯片与放置在基板上的第一AWG芯片沿分割线的方 向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列和输出光纤阵列固定在光纤阵列夹具上并 分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的耦合调试后， 进行紫外胶固化；7)将补偿杆放置在第一 AWG芯片和基板上，调节曲线形AWG芯片的中心波长为 ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆分别固化在第一 AWG芯片和基板上；8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。采用本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法制作的基于曲线形 阵列波导光栅的温度补偿结构，能够克服芯片形变带来的光学性能变化，提高器件的性能 稳定性；结构简单，操作方便，适合工业生产。
图1是方形AWG芯片结构示意图；图2是本发明所采用的曲线形AWG芯片结构示意图；图3是本发明所采用的夹层的结构图其中的图(a)、图(b)、图(C)、图(d)是不同形状夹层的示意图；图4是带有粘接胶的夹层顶视图；图5是带有尾纤的曲线形AWG芯片与夹层粘接后的结构示意图；图6是图5切缝后的结构示意图；图7是基板的结构示意图；图8带有基板的曲线形AWG芯片的结构示意图；图9是制作完成的AAWG结构示意图。1 输入波导 2 输入平板波导3:阵列波导 4:输出平板波导5 输出波导6 曲线形AWG芯片7 夹层8 粘接胶9 输入光纤阵列 10 输出光纤阵列11:分割线12:光轴准直线13 基板14 粘接区域15 补偿杆
具体实施例方式下面结合实施例和附图对于 发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方 法做出详细说明。本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，包括如下的制作步骤
1)采用至少一个输入波导1、输入平板波导2、阵列波导3、输出平板波导4和N个 输出波导5组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片6 ；2)采用一个夹层7，所述的夹层7的结构如图3所示，可以是方形，多边形等各种 图形。因为曲线形AWG芯片6轻微受力后外型极易发生形变，造成曲线形AWG芯片6性能 参数发生变化，而阵列波导3部分的形变对性能参数的影响更大。为了降低曲线形AWG芯 片6的形变、特别阵列波导3部分的形变对性能参数的影响，如图3所示的夹层7的尺寸必 须大于曲线形AWG芯片6的包络线，能够提供足够的支撑。为了利用生产，夹层7的两端面 需要与曲线形AWG芯片6的输入波导1和输出波导5的端面平行。为了降低曲线形AWG芯片6形变，所述的夹层材质的膨胀系数与曲线形AWG芯片 的相近，所述的夹层7材质的膨胀系数的范围为2-6X10_6/°C ；为了降低曲线形AWG芯片 6形变，所述的夹层7的总平整度在2-15um，典型值为IOum ；翘曲度在20_50um，典型值在 30umo如图4所示，在夹层7规定的区域内涂上粘接胶8，为了降低曲线形AWG芯片形变， 要求粘接胶有一定的强度，但不能太大，高强度的粘接胶可能造成曲线形AWG芯片6的断 裂，所述的曲线形AWG芯片6和夹层7之间粘接胶8的硬度在50-80邵氏硬度A之间。如 图5所示，采用夹具将曲线形AWG芯片6粘贴并固化在夹层7上，为了保证曲线形AWG芯 片6与夹层7之间的粘接强度和平整度，曲线形AWG芯片6和夹层7之间粘接胶8厚度为 20-500um,为了保证制作的AAWG结构稳定性，必须保证粘接胶8的固化充分，所述的固化条 件为首先在85度下固化10-120分钟，然后在120度下固化20-180分钟。还可以，将曲线形AWG芯片6的背面涂上粘接胶8，如图2所示。然后将夹层7和 曲线形AWG芯片6粘接在一起，并充分固化，如图5所示。3)将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列9 和输出光纤阵列10固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG 芯片6的输入波导1和输出波导5的耦合调试后，进行紫外胶固化，固化后的粘贴有夹层的 曲线形AWG芯片以下简称为带尾纤的AWG。4)如图6所示，将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6即带尾纤的AWG，沿分割线 11分割为第一 AWG芯片6a和第二 AWG芯片6b两部分；所述的曲线形AWG芯片6分割线11的位置是在输入平板波导2，或输出平板波导 4，上的任一位置。本实施例中，分割线11以位于输入Slab波导为例进行说明。如图6所示的分割 线11方向与Slab的光轴准直线12方向之间的夹角a通常不做要求，夹角a为锐角，可以 在0-900C之间。在AAWG的制作中，通常补偿杆15的方向与分割线11方向平行，而AAWG的 补偿效果与补偿杆15的长度直接相关。如果a等于零，所需的补偿杆15的长度最短为L0。 a越大，所需的补偿杆15的长度越长L，且L = L0/cos(a)。补偿杆的长度越长，杠杆作用越 明显，AAWG的损耗随温度的变化越大。为了降低这种效应，而且可以有效降低回波损耗，所 述夹角a的范围要求为8° 士 1°。5)将第二 AWG芯片6b与基板13粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固化胶或紫外胶，第二 AWG芯片6b与基板13之间的粘接胶厚度小于lum。所述的基板13的材质不限，通用的半导体材料厂商提供的硅片和玻璃板均可，所述基板13总平整度为2-15um，典型值为IOum ；翘曲度为20_50um，典型值在30um。为了提高基板13总平整度和翘曲度的精度，如图7所示，将基板13的表面开槽， 槽方向与曲线形AWG芯片6的分割线11方向平行。为了减小基板13材质与第二 AWG芯片6b的不同带来的局部应力对曲线形AWG芯 片6性能的劣化，如图8所示，所述的第二 AWG芯片6b与基板13的粘接区域14要求为小 范围粘接区域，且粘接区域是避开阵列波导3的所有区域。6)利用夹具将第一 AWG芯片6a放置在基板13上，使第一 AWG芯片6a与第二 AWG 芯片6b沿分割线11的方向平行设置；7)如图9所示，将补偿杆15放置在第一 AWG芯片6a和基板13上，调节曲线形AWG 芯片6的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆15分别固化在第一 AWG 芯片6a和基板13上；8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。本发明的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法可以不限于上述的制作 步骤的描述，在具体操作可以做适当调整，在完成制作上述步骤2后，制作步骤还可以做下 面的调整。在上述步骤3中更改如下将粘贴有夹层的曲线形AWG芯片沿分割线11分割为 第一 AWG芯片6a和第二 AWG芯片6b两部分。其次的依次进行步骤为上述步骤5、步骤6 ； 然后步骤是将固定在基板上的第二 AWG芯片6b与放置在基板上的第一 AWG芯片6a沿分割 线方向平行后固定在芯片夹具上，输入光纤阵列9和输出光纤阵列10固定在光纤阵列夹具 上并分别放置在六维微调架上，进行与输入和输出波导的耦合调试，进行紫外胶固化。接下 来步骤为上述步骤7、步骤8。具体包括如下的制作步骤1)采用至少一个输入波导1、输入平板波导2、阵列波导3、输出平板波导4和N个 输出波导5组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片6 ；2)采用夹具及粘接胶8，将曲线形AWG芯片6粘贴并固化在夹层7上； 3)将固化在夹层7上的曲线形AWG芯片6沿分割线11分割为第一 AWG芯片6a和 第二 AWG芯片6b两部分；4)将第二 AWG芯片6b与基板13粘接固定在一起；5)利用夹具将第一 AWG芯片6a放置在基板13上，使第一 AWG芯片6a与第二 AWG 芯片6b沿分割线11的方向平行设置；6)将固定在基板13上的第二 AWG芯片6b与放置在基板13上的第一 AWG芯片6a沿分割线11的方向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列9和输出光纤阵列10固定 在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片6的输入波导1和 输出波导5的耦合调试后，进行紫外胶固化；7)将补偿杆15放置在第一 AWG芯片6a和基板13上，调节曲线形AWG芯片6的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆15分别固化在第一 AWG芯片6a和 基板13上；8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。
权利要求
一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于包括如下的制作步骤1)采用至少一个输入波导(1)、输入平板波导(2)、阵列波导(3)、输出平板波导(4)和N个输出波导(5)组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片(6)；2)采用夹具及粘接胶(8)，将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上；3)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列(9)和输出光纤阵列(10)固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片(6)的输入波导(1)和输出波导(5)的耦合调试后，进行紫外胶固化；4)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)沿分割线(11)分割为第一AWG芯片(6a)和第二AWG芯片(6b)两部分；5)将第二AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起；6)利用夹具将第一AWG芯片(6a)放置在基板(13)上，使第一AWG芯片(6a)与第二AWG芯片(6b)沿分割线(11)的方向平行设置；7)将补偿杆(15)放置在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上，调节曲线形AWG芯片(6)的中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆(15)分别固化在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上；8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。
2.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 所述的夹层(7)是方形或者多边形，尺寸大于曲线形AWG芯片(6)的包络线。
3.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 所述的夹层⑵的两端面与曲线形AWG芯片(6)的输入波导⑴和输出波导(5)的端面平 行。
4.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 所述的夹层(7)材质的膨胀系数的范围为2-6X10_6/°C。
5.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 所述的夹层(7)的总平整度在2-15um，翘曲度在20-50um。
6.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 步骤2所述的将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上采用的粘接胶⑶的硬度在 50-80邵氏硬度A之间，芯片和夹层之间粘接胶厚度为20-500um。
7.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 步骤2所述的将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上的固化条件为首先85度下 10-120分钟，然后120度下20-180分钟。
8.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于， 步骤4所述的曲线形AWG芯片(6)分割线(11)的位置是在输入平板波导(2)，或输出平板 波导(4)上的任一位置。
9.根据权利要求8所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在 于，所述分割线(11)的方向与Slab的光轴准直线(12)方向之间的夹角为锐角，范围为 8° 士 1°。
10.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于，步骤5所述的将第二 AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起，所用的粘接胶是热固 化胶或紫外胶，第二 AWG芯片(6b)与基板(13)之间的粘接胶厚度小于lum。
11.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在 于，所述的基板(13)总平整度为2-15um，翘曲度为20_50um。
12.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在 于，所述的基板(13)的表面开槽，槽的方向与曲线形AWG芯片(6)的分割线(11)方向平行。
13.根据权利要求1所述的基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在 于，所述的第二 AWG芯片(6b)与基板(13)的粘接区域是避开阵列波导的所有区域。
14.一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，其特征在于包括如下的制作 步骤1)采用至少一个输入波导(1)、输入平板波导(2)、阵列波导(3)、输出平板波导(4)和 N个输出波导(5)组成共同沉积在硅衬底上的曲线形AWG芯片(6)；2)采用夹具及粘接胶(8)，将曲线形AWG芯片(6)粘贴并固化在夹层(7)上；3)将固化在夹层(7)上的曲线形AWG芯片(6)沿分割线(11)分割为第一AWG芯片 (6a)和第二 AffG芯片(6b)两部分；4)将第二AWG芯片(6b)与基板(13)粘接固定在一起；5)利用夹具将第一AWG芯片(6a)放置在基板(13)上，使第一 AWG芯片(6a)与第二 AWG芯片(6b)沿分割线(11)的方向平行设置；6)将固定在基板(13)上的第二AWG芯片(6b)与放置在基板(13)上的第一 AWG芯片 (6a)沿分割线(11)的方向平行后，固定在芯片夹具上，将输入光纤阵列(9)和输出光纤阵 列(10)固定在光纤阵列夹具上并分别放置在六维微调架上，进行与曲线形AWG芯片(6)的 输入波导(1)和输出波导(5)的耦合调试后，进行紫外胶固化；7)将补偿杆(15)放置在第一AWG芯片(6a)和基板(13)上，调节曲线形AWG片(6)的 中心波长为ITUT波长，利用紫外胶或者热固化胶将补偿杆(15)分别固化在第一 AWG芯片 (6a)和基板(13)上;8)将制作的无热AWG从夹具上取下，制作完成。
全文摘要
一种基于曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法，步骤如下采用至少一个输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和N个输出波导组成曲线形AWG芯片；将曲线形AWG芯片粘贴并固化在夹层上；进行与曲线形AWG芯片的输入波导和输出波导的耦合调试并固化；分割第一AWG芯片和第二AWG芯片两部分；将第二AWG芯片与基板粘固；使第一AWG芯片与第二AWG芯片沿分割线的方向平行设置；调节曲线形AWG芯片的中心波长为ITUT波长，将补偿杆分别固化在第一AWG芯片和基板上；将制作的无热AWG从夹具上取下制作完成。采用本发明方法制作的温度补偿结构，能够克服芯片形变带来的光学性能变化，提高器件的性能稳定性；结构简单，操作方便，适合工业生产。
文档编号G02B6/34GK101840030SQ200910245099
公开日2010年9月22日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者丁丽, 凌九红, 祝业盛, 赵秀丽, 陈征, 马卫东 申请人:武汉光迅科技股份有限公司