专利名称：温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法
技术领域：
本发明涉及一种温度不敏感阵列波导光栅。特别是涉及一种应用于光通信WDM系统 中实现复用或(和)解复用功能，尤其是应用于既有复用模块、也有解复用模块的器件 或子系统中的温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法。
背景技术：
普通AWG (阵列波导光栅)是利用硅基二氧化硅技术制作的，二氧化硅的折射率随温 度的变化而改变，波导的尺寸也会随温度的变化而改变，从而导致AWG的各个通道的波 长随温度而变化，通常情况下，该类器件的中心波长的温度变化为0.011nm/。 C,但通信 系统要求AWG的各个输出通道光信号的波长和国际电信联盟(ITU-T)规定的波长严格一 致。为了解决AWG器件的温度敏感性，目前市场上普遍采用加热器或Pilter冷却器进行 温度控制，采用温控电路使得AWG处于恒温环境下，这样中心波长就不会漂移。但它会 对AWG本身的稳定性有不良影响、增加器件及系统的复杂性及运营成本。因此解决AWG 的温度敏感性问题，省略温控电路，消除附加费用己经势在必行；并且，在WDM-PON (波 分复用一无源光网络)中使用的复用/解复用器是不使用电功率的，这样使用电流、带温 控电路的AWG是不能满足要求的，从而只能使用无热AWG。另外，可变光衰减复用器 (VMUX)、可重构光分插复用器(ROADM)在城域网中得到了广泛使用，在这两个器件中 使用无须辅助电路的无热AWG就很容易地解.决了热量及电功率消耗等关键问题，从而给 系统开发以更大的设计自由度。所有这些显示出设计无热AWG具有异常重要的意义，为 此，人们提出了许多无热AWG的方案，按照其特征分，可以归纳为波导移动型、波导嵌 入填充物型、无热波导型、压光效应型。
为了提高芯片研发效率，降低芯片开发成本，如图1所示， 一个芯片上包含两个A沐G， 但由于材料生长差异、波导制作工艺误差等原因，使得这两个AWG的工作温度点不同， 因此带温控电路的AWG模块，只能使用这两个AWG中的一个；另外，由于一个AWG模块 要么只能实现复用功能，要么只能实现解复用功能，不能同时实现复用和解复用功能， 因此，目前在VMUX、 OADM (ROADM)和OXC等器件中，需要用到两个相同的AWG模块，一 个实现复用功能，另一个实现解复用功能，从而导致器件成本高、尺寸大的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用一个温度不敏感AWG模块能同时实现 复用和解复用功能，大大降低了成本，縮小了尺寸；极大地提高了成品率；最大限度地简化了工艺步骤，使得器件制作简单易行的温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列 波导光栅方法。
本发明所釆用的技术方案是 一种温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导 光栅方法。其中，温度补偿杆，包括有杆本体和分别形成在杆本体两端的"工"字形结 构，其中，杆本体一侧的"工"字形结构的上端结构与杆本体之间形成有间隙，而下端 结构与杆本体为一体形成；杆本体另一侧的"工"字形结构的上端结构与杆本体为一体 形成，而下端结构与杆本体之间形成有间隙。
所述的温度补偿杆为具有一定线性热膨胀系数的金属材料制作。
所述的温度补偿杆是通过模具浇铸而成的一个整体结构。
所述的杆本体和分别形成在杆本体两端的"工"字形结构的中间部分的下表面低于 "工"字形结构的上、下端结构的下表面设定的尺寸。
采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，是在一个芯片上有两 个AWG，在每个AWG的平板波导上分别沿切割线C将芯片切割成第一部分a、第二部分al 和第三部分b，利用两个温度补偿杆的热胀冷缩分别带动第一部分和第三部分、第二部分 和第三部分产生相对移动，从而补偿由温度引起的波长漂移。
所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，包括有如下步
骤
1) 将芯片上两个AWG的输入波导、输出波导分别同输入光纤阵列、输出光纤阵列稳 定可靠地对准耦合起来；
2) 沿切割线将芯片切割成第一部分、第二部分和第三部分；
3) 将第三部分固定，第一部分、第二部分分别装在六维精密微调架上，两个微调架 分别对应位于第三部分的两侧，然后进行耦合对准，还原成切割前的形状，然后在第一 部分、第二部分和第三部分间隙间点上匹配液，接上测试系统在线测试各项性能指标；
4) 沿芯片的第一部分与第三部分的连接线上设置温度补偿杆，使温度补偿杆的宽度 横跨切割线的两侧；同样方法，沿芯片的第二部分与第三部分的连接线上设置另一个温 度补偿杆，使温度补偿杆的宽度横跨i刀割线的两侧；然后又在测试系统上在线测试各项 性能指标；
5) 待各项性能指标测试合格后，用热固化胶分别将两个温度补偿杆固化在其在芯片 的第一部分、第二部分和第三部分所处的位置上。
所述的温度补偿杆是一种全金属结构，采用同一种相同材料构成一个整体结构。 所述的沿芯片的第一部分与第三部分和沿芯片的第二部分与第三部分的连接线上设 置温度补偿杆，使温度补偿杆的宽度横跨切割线的两侧，并固化在其在芯片上，是将温 度补偿杆中的"工"字形结构的上、下端结构与芯片牢固粘接在一起。
利用两个温度补偿杆的热胀冷縮分别带动芯片的第一部分和第三部分、第二部分和 第三部分产生相对移动。所述的切割线位于输入平板波导的任意位置，也可位于输出平板波导的任意位置， 切割线与输入平板波导轴线的夹角0为任意角度。
本发明的温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，具有以下创新 点和优点
1) 本发明提出了一种无热AWG模块既具有复用功能，同时又具有解复用功能， 一个 模块就能实现以前必须用两个模块才能实现的功能，模块的成本几乎可以降低一半，利 用这种模块构成的VMUX、 0ADM (R0ADM)和0XC等器件，成本更低，尺寸更小；
2) 本发明提出的全金属温度补偿杆是由同一种材料通过模具浇铸而成的一个整体。
因为是用模具制作这种温度补偿杆，所以具有成本低、批量大、重复性好的优点；因为
是一个整体，不是由几部分通过粘胶粘合而成的，所以具有稳定性好、工艺极度简单的 特点。
图1是一个芯片包含两个AWG的结构示意图2是在芯片输入平板波导上设有切割线C的结构示意图3是切割后AWG芯片的a部分；
图4是切割后AWG芯片的al部分；
图5是切割后AWG芯片的b部分；
图6是波长补偿杆与芯片的a部分、al部分和b部分分别相粘后的结构示意图； 图7是本发明所用的温度补偿杆府视结构示意图； 图8是本发明所用的温度补偿杆立体结构示意图。 其中
l一输入波导；2—输入平板波导；3—阵列波导；4一输出平板波导；5—输出波导； 6—温度补偿杆；7—"工"字形结构；8—杆本体；7.1、 7. 2— "工"字形结构7的中间 部分；7.1.1、 7.2. l—上端结构；7.1.2、 7.2.2—下端结构；a—芯片上一个AWG沿切割 线切断后形成的第一部分；al—芯片上另一个AWG沿切割线切断后形成的第二部分；b— 芯片沿两个切割线切断后形成剩余的第三部分；c一切割线；e—切割线与平板波导轴线 的夹角。
具体实施例方式
下面结合实施例附图对本发明的温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光 栅方法做出详细说明。
如图7、图8所示，本发明的温度补偿杆，包括有杆本体8和分别形成在杆本体8 两端的"工"字形结构7，其中，杆本体8 —侧的"工"字形结构7的上端结构7. 2. 1 与杆本体8之间形成有间隙，而下端结构7.2.2与杆本体8为一体形成；杆本体8另一侧的"工"字形结构7的上端结构7.1.1与杆本体8为一体形成，而下端结构7.1. 2与 杆本体8之间形成有间隙。"工"字形的中间部分7. 1、 7.2在尺寸上具有薄、长、高的 特点，从而具有在厚度方向上可以产生弹性形变，对温度补偿杆的热胀冷缩产生很小的 阻力、但在高度方向上非常稳定的特点。
所述的温度补偿杆是通过模具浇铸而成的一个整体结构，是由具有一定线性热膨胀 系数的金属材料制作，例如铝、铜等。
所述的杆本体8和分别形成在杆本体8两端的"工"字形结构7的中间部分7.1、 7. 2 的下表面低于"工"字形结构7的上、下端结构7.2. 1、 7.2.2、 7.1. l和7.1.2的下表 面设定的尺寸，可以有效防止固化胶进入到杆本体8和分别形成在杆本体8两端的"工" 字形结构7的中间部分7. 1、 7.2这些部分。
本发明的采用上述温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，是在采 用平面光波导技术制作的普通硅基二氧化硅芯片， 一个芯片上包含两个AWG，分别沿两个 AWG输入平板波导2上的切割钱C或者输出平板波导4上的切割线C将芯片分割成第一部 分a、第二部分al和第三部分b三部分，第一部分a包括一个AWG的输入波导l、输入 平板波导2的一部分，第二部分al包括另一个AWG输入波导l、输入平板波导2的一部 分，第三部分b包括两个AWG的输入平板波导2的剩余部分、阵列波导3、输出平板波导 4及输出波导5。两个温度补偿杆6分别横跨放置在芯片两个AWG的切割线C处，其中温 度补偿杆6的"工"字形结构7的上端结构7. 1. 1、 7. 2. 1同芯片的第三部分b的上表面 固定，其中温度补偿杆6的"工"字形结构7的下端结构7. 1. 2、 7. 2. 2分别同芯片的第 一部分a或第二部分al的上表面固定，本发明利用温度补偿杆6的热胀冷縮分别带动第 一部分a和第三部分b、第二部分al和第三部分b产生相对移动，从而补偿由温度引起 的波长漂移。具体包括有如下步骤
(1) 如图1所示，将芯片上两个AWG的输入波导1、输出波导5分别同输入光纤阵 列F、输出光纤阵列G稳定可靠地对准耦合起来；
(2) 如图2、 3、 4、 5所示，沿切割线C将芯片切割成第一部分a、第二部分al和 第三部分b;所述的切割线C位于输入平板波导2的任意位置，也可位于输出平板波导4 的任意位置，切割线C与输入平板波导2轴线的夹角e为任意角度。
(3) 将第三部分b固定，第一部分a、第二部分al分别装在六维精密微调架上，两 个微调架分别对应位于第三部分b的两侧，然后进行耦合对准，还原成图l所示的切割 前的形状，然后在第一部分a、第二部分al和第三部分b间隙间点上匹配液，接上测试 系统在线测试各项性能指标；
所述的六维精密微调架为成熟的公知产品，生产厂家为suruga seiki,型号为 E2200B-R UD6369/ E2200B-L UD6370。此外，newport、 MJ等厂家都有销售。
(4) 如图6所示，沿芯片的第一部分a与第三部分b的连接线上设置温度补偿杆6， 所述的温度补偿杆6是一种全金属结构，采用同一种相同材料构成一个整体结构。使温度补偿杆6的宽度横跨切割线C的两侧，即将7.1.1、7. 2.1设置在第一部分a上，将7丄2、 7.2.2第三部分b上；同样方法，沿芯片的第二部分al与第三部分b的连接线上设置另 一个温度补偿杆6，使温度补偿杆6的宽度横跨切割线C的两侧，即将7.1.1、 7.2.1设 置在第二部分al上，将7.1.2、 7.2.2第三部分b上；然后又在测试系统上在线测试各 项性能指标;利用两个温度补偿杆6的热胀冷縮分别带动芯片的第一部分a和第三部分b、 第二部分al和第三部分b产生相对移动。
(5)待各项性能指标测试合格后，用热固化胶分别将两个温度补偿杆6固化在其在 芯片的第一部分a、第二部分al和第三部分b所处的位置上。
所述的沿芯片的第一部分a与第三部分b和沿芯片的第二部分al与第三部分b的连 接线上设置温度补偿杆6，使温度补偿杆6的宽度横跨切割线C的两侧，并固化在其在芯 片上，是将温度补偿杆6中的"工"字形结构7的上、下端结构7. 2.1、 7. 2. 2、 7.1. 1 和7， 1. 2与芯片牢固粘接在一起。
采用本发明制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，制作出的无热阵列波导光 栅既具有复用功能，同时又具有解复用功能。
本发明的温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法的温度补偿原理 如下
AWG的中心波长Ac为Ac = (1)
附
其中 #为波导的有效折射率，A^为相邻阵列波导的长度差，^是衍射级次。对公
式两边求导，得AWG中心波长的温度敏感性表示为# = ^(1， + ",") (2)，
rf71 《# ^
其中"《^=^1是衬底的线膨胀系数，因为一般情况下，M底厚度tt^层》^层的厚 度大得多，因此常用衬底的线膨胀系数。对于硅基二氧化硅波导而言，4-lxl(T5/ 。C， =1.456， =3.0xl0—6，在4 =1550nm处，将相应的数值代入(2)式，得 中心波长的温度漂移系数,为0.015nm/。C，但实际上由于制作工艺的偏差等原因，芯
￡/『
片的实际温度漂移系数^为0.011nm, C。
根据AWG的线色散关系，得到位移和波长漂移的关系为-
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中々和n,分别是平板波导的焦距和折射率，"是相邻阵列波导在输出平板波导上的间距， 是阵列波导的群折射率。因此，如图4所示，如果在输入或输出平板波导上任一
位置以任意角度沿C线切开，通过温度补偿杆使切开两部分能随温度变化而产生相对移 动，这样就可以补偿由于温度引起的波长漂移，从而得到无热AWG。 -
温度变化Ar时，中心波长随温度的变化A^:,xAr;切开两部分的相对移动距 离为Ax时，某一输出通道的中心波长随位移的变化A;i^-，xAx。如果使a;^-a;^成
立，则可得到完全的波长补偿。
设温度补偿杆的线膨胀系数为a，长度为L，则将上述相关公式代入A4-A;ic1，可 得到下列关系式
&XAr= "X xax￡xAr
由上式就可计算出所需的温度补偿杆长度L。
权利要求
1. 一种温度补偿杆，其特征在于，包括有杆本体(8)和分别形成在杆本体(8)两端的“工”字形结构(7)，其中，杆本体(8)一侧的“工”字形结构(7)的上端结构(7.2.1)与杆本体(8)之间形成有间隙，而下端结构(7.2.2)与杆本体(8)为一体形成；杆本体(8)另一侧的“工”字形结构(7)的上端结构(7.1.1)与杆本体(8)为一体形成，而下端结构(7.1.2)与杆本体(8)之间形成有间隙。
2. 根据权利要求1所述的温度补偿杆，其特征在于，所述的温度补偿杆为具有一定 线性热膨胀系数的金属材料制作。
3. 根据权利要求1所述的温度补偿杆，其特征在于，所述的温度补偿杆是通过模具 浇铸而成的一个整体结构。
4. 根据权利要求1所述的温度补偿杆，其特征在于，所述的杆本体(8)和分别形 成在杆本体(8)两端的"工"字形结构(7)的中间部分(7. 1、 7.2)的下表面低于"工" 字形结构(7)的上、下端结构(7.2.1) 、 (7.2.2)、 (7.1. 1)和(7.1.2)的下表面 设定的尺寸。
5. —种采用权利要求1所述的温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方 法，其特征在于，在一个芯片上有两个AWG，在每个AWG的平板波导上分别沿切割线(C) 将芯片切割成第一部分(a)、第二部分(al)和第三部分(b)，利用两个温度补偿杆(6)的热胀冷縮分别带动第一部分(a)和第三部分(b)、第二部分(al)和第三部分 (b)产生相对移动，从而补偿由温度引起的波长漂移。
6. 根据权利要求5所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方 法，其特征在于，包括有如下步骤1) 将芯片上两个AWG的输入波导(1)、输出波导(5)分别同输入光纤阵列(F)、 输出光纤阵列(G)稳定可靠地对准耦合起来；2) 沿切割线(C)将芯片切割成第一部分(a)、第二部分(al)和第三部分(b);3) 将第三部分(b)固定，第一部分(a)、第二部分(al)分别装在六维精密微调 架上，两个微调架分别对应位于第三部分(b)的两侧，然后进行耦合对准，还原成切割 前的形状，然后在第一部分(a)、第二部分(al)和第三部分(b)间隙间点上匹配液， 接上测试系统在线测试各项性能指标；4) 沿芯片的第一部分(a)与第三部分(b)的连接线上设置温度补偿杆(6)，使 温度补偿杆(6)的宽度横跨切割线(C)的两侧；同样方法，沿芯片的第二部分(al) 与第三部分(b)的连接线上设置另一个温度补偿杆(6)，使温度补偿杆(6)的宽度横跨切割线(C)的两侧；然后又在测试系统上在线测试各项性能指标；5) 待各项性能指标测试合格后，用热固化胶分别将两个温度补偿杆(6)固化在其 在芯片的第一部分(a)、第二部分(al)和第三部分(b)所处的位置上。
7. 根据权利要求6所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法，其特征在于，所述的温度补偿杆(6)是一种全金属结构，采用同一种相同材料构成 一个整体结构。
8. 根据权利要求6所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方 法，其特征在于，所述的沿芯片的第一部分(a)与第三部分(b)和沿芯片的第二部分(al)与第三部分(b)的连接线上设置温度补偿杆(6)，使温度补偿杆(6)的宽度横 跨切割线(C)的两侧，并固化在其在芯片上，是将温度补偿杆(6)中的"工"字形结 构(7)的上、下端结构(7.2. 1) 、 (7.2.2)、 (7.1. 1)和(7.1.2)与芯片牢固粘接 在一起。
9. 根据权利要求6所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方 法，其特征在于，利用两个温度补偿杆(6)的热胀冷縮分别带动芯片的第一部分(a) 和第三部分(b)、第二部分(al)和第三部分(b)产生相对移动。
10. 根据权利要求6所述的采用温度补偿杆制作复用和解复用的无热阵列波导光栅 方法，其特征在于，所述的切割线(C)位于输入平板波导(2)的任意位置，也可位于 输出平板波导(4)的任意位置，切割线(C)与输入平板波导(2)轴线的夹角e为任意 角度。
全文摘要
一种温度补偿杆及制作复用和解复用的无热阵列波导光栅方法。温度补偿杆有杆本体和分别形成在杆本体两端的“工”字形结构，杆本体一侧的“工”字形结构的上端结构与杆本体之间形成有间隙，而下端结构与杆本体为一体形成；杆本体另一侧的“工”字形结构的上端结构与杆本体为一体形成，而下端结构与杆本体之间形成有间隙。方法有将芯片上两个AWG耦合起来；沿切割线将芯片切割成三部分；将第三部分固定，第一部分、第二部分分别装在六维精密微调架上，进行耦合对准，还原成切割前的形状在线测试；设置温度补偿杆后，在线测试；测试合格后，将两个温度补偿杆固化在其在芯片三个部分所处的位置上。本发明成本更低，批量大、重复性好，尺寸更小，稳定性好，工艺极度简单。
文档编号H04J14/02GK101414030SQ200810152310
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者周天宏, 马卫东 申请人:武汉光迅科技股份有限公司