一种具有温度补偿的无热阵列波导光栅及其制作方法与流程

本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种实现温度补偿的无热阵列波导光栅(Athermal Arrayed Wavelength Gratings，简称AAWG或无热AWG)及其制作方法，本发明属于通信领域。

背景技术：

WDM(Wavelength Division Multiplexing波分复用)系统是当前最常见的光层组网系统，通过复用与解复用实现多路信号传输。基于PLC(Planar Lightwave Circuit，平面光波线路)技术的AWG(Arrayed Wavelength Grating，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。但是硅基二氧化硅波导AWG芯片，其波导折射率对于温度比较敏感，当工作环境温度发生变化时，AWG芯片响应光谱中心波长会随之发生改变，基本呈线性关系，中心波长随温度的漂移约为0.011nm/℃，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，一种方法是使用加热片和温控电路将芯片温度固定在比工作环境温度高的某一恒定值，称为有热AWG(Thermal AWG)。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。

无热AWG则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。目前商用无热AWG大致分为两种方案，一种是在芯片波导区域填充一段高分子材料，该材料折射率相对温度变化方向与二氧化硅折射率变化方向相反，从而抵消芯片本身的温度敏感性，如美国专利US 6304687所使用的技术方案。这种方法不足之处在于AWG芯片需要特殊设计和工艺处理，传统AWG芯片并不适用，且合适的高分子材料难以获得。另一方案即依靠机械结构来实现温度补偿的无热AWG，其实现原理是：在AWG芯片输入平面波导处切割，将芯片分离为两部分，用金属补偿杆连接输入波导部分，或者可以用光纤代替输入波导，在金属补偿杆热胀冷缩的驱动下改变芯片两部分相对位置来补偿波长随温度的漂移，这种方案具体实施方式很多，如美国专利US6826332所使用的技术方案。由于AWG芯片波导尺寸是微米级，且波长对于芯片两部分相对位置高度敏感，因此这种方案在各细节上都对工艺有极高要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有机械结构存在的缺陷，提供一种可以实现温度补偿的无热阵列波导光栅及其制作方法，包括：底板和设置在所述底板上的阵列波导光栅芯片和温度补偿部件；所述底板包括第一底板部分和第二底板部分，所述第一底板部分和第二底板部分通过弹性部件连接；

所述温度补偿部件的热膨胀系数与所述底板不同，并且所述温度补偿部件的两端分别与所述第一底板部分和第二底板部分固定连接，使得所述第一底板部分和第二底板部分能够在所述温度补偿部件的驱动下使得两者在所述底板所处平面内发生平行的相对位移；

所述阵列波导光栅芯片被切割为能够相互移动的第一芯片部分和第二芯片部分，所述第一芯片部分和第二芯片部分分别固定在所述第一底板部分和第二底板部分上。

在上述技术方案中，所述第一底板部分和第二底板部分之间设置有至少一条平直的底板狭缝；所述第一芯片部分和第二芯片部分之间具有芯片狭缝，所述芯片狭缝与所述底板狭缝之一相平行对齐，并且该底板狭缝两端设置有所述弹性部件或者该芯片狭缝设置在其中一个所述弹性部件的上方位置处。

在上述技术方案中，所述第一芯片部分包括所述阵列波导光栅芯片的输入波导和一部分输入自由波导；所述第二芯片部分包括所述阵列波导光栅芯片的输出波导、输出自由波导、阵列波导和剩余输入自由波导；并且所述第一芯片部分的一部分输入自由波导与所述第二芯片部分的剩余输入自由波导之间间隔所述芯片狭缝相互对准。

在上述技术方案中，所述芯片狭缝小于等于30um。

在上述技术方案中，所述芯片狭缝之间填充有折射率与所述阵列波导光栅芯片的波导折射率匹配的材料。

在上述技术方案中，所述温度补偿部件为温度补偿杆，所述温度补偿杆从所述弹性部件的通孔中穿过，使得第一底板部分和第二底板部分不会发生垂直于所述底板方向上的相对位移。

在上述技术方案中，所述温度补偿部件为温度补偿杆，所述弹性部件沿所述温度补偿杆的长度方向两两对称设置，使得第一底板部分和第二底板部分不会发生垂直于所述底板方向上的相对位移。

在上述技术方案中，弹性部件为弓形的弹簧结构。

在上述技术方案中，在-20～+70摄氏度的环境温度变化区间内，所述无热阵列波导光栅的中心波长变化范围为-40～+40皮米。

本发明还提供一种制作具有温度补偿的无热阵列波导光栅的方法，包括步骤：

制作底板，所述底板包括第一底板部分和第二底板部分，所述第一底板部分和第二底板部分通过弹性部件连接，所述第一底板部分和第二底板部分之间设置有至少一条平直的底板狭缝；

将阵列波导光栅芯片固定设置在所述底板上，并且将所述阵列波导光栅芯片的输入自由波导设置于其中一条底板狭缝之上；

沿该底板狭缝从所述阵列波导光栅芯片的输入自由波导的位置将所述阵列波导光栅芯片切割为能够相互移动的第一芯片部分和第二芯片部分，所述第一芯片部分和第二芯片部分分别固定在所述第一底板部分和第二底板部分上；

将热膨胀系数与所述底板不同的温度补偿部件的两端分别与所述第一底板部分和第二底板部分固定连接，使得所述第一底板部分和第二底板部分能够在所述温度补偿部件的驱动下使得两者在所述底板所处平面内发生平行的相对位移。

本发明取得了以下技术效果：

1、无需对AWG芯片进行加热，可以依靠自身的机械结构保证其中心波长基本不随环境温度的变化而变化，且具有插入损耗低、可以实现高斯或平坦型光谱、可以使用常规用于有热AWG封装的AWG芯片的特点。

2、AWG芯片基本保持完整，切分两部分粘接于同一块底板上，从而避免在垂直于金属底板方向上相对位移，大大降低了损耗变化的风险；因为底板结构可以做得比较厚，故不易受外力作用导致AWG指标发生变化。

3、芯片两部分相互之间采用平行移动方式，在工作温度范围过大的情况下不会出现底板应力过大和旋转角度的非线性增加。

4、可以在封装后当AWG中心波长发生变化时对AWG的中心波长进行微调，从而使得其波长符合产品要求，提高成品率。

5、本发明技术方案具有成本低、工艺简单的优点。

附图说明

图1、本发明第一种实施例的无热阵列波导光栅结构示意图；

图2、本发明第二种实施例的无热阵列波导光栅结构示意图从室温升温时发生形变的局部示意图；

图3、未做温度补偿的阵列波导光栅器件与本发明中心波长随环境温度的变化曲线对比。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明第一种实施例的无热阵列波导光栅的结构示意图。如图1所示，阵列波导光栅芯片101固定在金属底板105上。阵列波导光栅芯片101包括阵列波导光栅芯片第一部分102和阵列波导光栅芯片第二部分103，阵列波导光栅芯片101的第一部分102和第二部分103可以通过将现有的阵列波导光栅芯片进行切割来获得，优先选择在现有的阵列波导光栅芯片的输入自由波导部分进行切割将其分割成能够相互独立移动的两个部分102、103。其中，阵列波导光栅芯片第一部分102包含输入波导和一部分输入自由波导，阵列波导光栅芯片第二部分103包含剩余输入自由波导、阵列波导、输出自由波导和输出波导。阵列波导光栅芯片第一部分102的一部分输入自由波导与阵列波导光栅芯片第二部分103的剩余输入自由波导相互对准。

金属底板105可由一块整体的金属板切割而成，也可由多个组件拼接成一整体。金属板105加工成型后大致分为两个部分，即第一部分106和第二部分107。第一部分106和第二部分107这两部分之间设置有平直的狭缝108，且在平直的狭缝108两端，第一部分106和第二部分107由两个弹簧或弹片结构109和110相连接。弹簧结构可制成如图1所示的弓形结构，也可制成其他类似具有该功能的结构，使得整个金属底板105在结构上是一个整体，而金属底板105的第一部分106和第二部分107之间又可相对位移。对于衬底是硅的传统阵列波导光栅芯片101，金属底板105在材料上可选择与硅膨胀系数接近的金属材料，如铟钢、可伐等，以免在高低温环境下产生应力造成阵列波导光栅芯片101破损。

阵列波导光栅芯片101的两部分102、103分别粘贴固定在金属底板105对应位置的两部分106、107上，可选用膨胀系数与阵列波导光栅芯片101和金属底板105相似的硅胶粘接，胶体固化后不宜过硬，避免因温度变化所产生的应力导致阵列波导光栅芯片101破损，也不宜过软，使阵列波导光栅芯片101较容易产生与金属底板105的错位移动。

优先选择将未切割分开的阵列波导光栅芯片101整体与金属底板105固定后，在金属底板105上的狭缝108对应位置处对阵列波导光栅芯片101的输入自由波导进行切断分割，使得阵列波导光栅芯片第一部分102与阵列波导光栅芯片第二部分103分开，成为两个相对独立的、可产生相对位移的两部分。阵列波导光栅芯片101切割产生的第一部分102和第二部分103之间具有狭缝104，狭缝104与金属底板第一部分106和金属底板第二部分107之间的平直狭缝108完全平行，且在其正上方。为了减少切缝带来的光学损耗，阵列波导光栅芯片101两部分102、103之间的狭缝104应尽量窄，比如30um或更小。可在狭缝104中添加折射率与阵列波导光栅芯片101的波导折射率匹配的材料，进一步减小狭缝104处的光学损耗。该折射率接近1.45。

在金属底板105弹簧结构109和110中轴位置以及其连线的直线部分打有通孔，温度补偿杆111穿入通孔，其一端固定在金属底板105的第一部分106上，另一端固定在金属底板105的第二部分107上，固定方式可用螺纹锁紧、粘胶固化或焊接，也可以采用其他多种方式结合固定。温度补偿杆111的热膨胀系数与金属底板105不同，优选大于金属底板105的热膨胀系数，可选用铝合金、铜、不锈钢等。

应尽量减少金属底板105中的弹簧结构109和110与阵列波导光栅芯片101固定切缝后的狭缝104的距离。距离越近则对阵列波导光栅芯片第一部分102与阵列波导光栅芯片第二部分103之间纵向偏移的束缚力越强，可靠性越稳定。

图2是本发明另一种实施例的无热阵列波导光栅的结构示意图。金属底板205可由一块整体的金属板切割而成，也可由多个组件拼接成一整体。金属板205加工成型后分为两个部分，即第一部分206和第二部分207。两部分206、207之间有平直的狭缝208，且由4个弹簧或弹片结构209、210、212、213相连接，其中弹簧结构209和210相对于温度补偿杆211位置对称，弹簧结构212和213相对于温度补偿杆211位置对称。弹簧结构可制成如图2所示的弓形结构，也可制成其他类似具有该功能的结构。整个金属底板205在结构上是一个整体。

这种实施例的优点在于，在结构上实现平行移动的同时，阵列波导光栅芯片第一部分102与阵列波导光栅芯片第二部分103之间有弹簧结构209连接，进一步地束缚了纵向上可能出现的位移，稳定性得到很大提高，即通过将阵列波导光栅芯片101的狭缝104设置于弹簧结构209的上方，能够更好地约束垂直于金属底板205方向上的位移以及更好地约束了金属底板205两个部分206、207之间可能发生的翻转。

本发明相对于其他的平行移动方案无热阵列波导光栅而言，在结构上采用单一整体的底板，加工简单，表面平面度高，阵列波导光栅芯片固定在底板上切分后无需再次对准，从而降低了对准耦合不佳造成光学损耗增大的风险，大大提高产品合格率。相对于其他的单一整体底板方案无热阵列波导光栅而言，弹簧结构相对温度补偿杆处于对称状态，即温度补偿杆穿过弹簧结构轴心或弹簧结构在温度补偿杆两侧对称设计，使得在温度变化的情况下温度补偿杆带动阵列波导光栅芯片两部分相对移动仍属于平行移动。而在现有的一些旋转移动方案中，如果工作温度范围过宽，将导致在极限温度情况下补偿效果产生非线性，带来指标劣化，而且此时底板应力也会大大增加，由于目前阵列波导光栅芯片越来越小型化，现有的这种旋转移动结构缺陷带来的隐患会越来越明显，而本发明采用的平行移动方案则解决了这一问题。

图3示出了未做温度补偿的阵列波导光栅器件与本发明所提供的无热阵列波导光栅器件的中心波长随环境温度的变化曲线对比。以24摄氏度室温为基准，在-20～+70摄氏度的环境温度变化区间，未做温度补偿的阵列波导光栅器件的中心波长变化范围为-520～+520皮米，本发明所提供的无热阵列波导光栅器件的中心波长变化范围为-40～+40皮米，很好地实现了对环境温度变化的补偿。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。