专利名称：温度不敏感的集成型波分复用器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信波分复用领域，特别涉及一种温度不敏感的集成型平面波分复用器件。
背景技术：
波分复用(WDM)技术是提高通信能力的有效方法之一，它能够在单根光纤复用几十甚至上百个波长，以满足增长的对带宽的需求。波分复用技术现已提高得可以传送数百个波长的激光，每个波长间的间隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，这种技术称作密集波分复用(DWDM)。WDM已经广泛应用于长途传输中，也开始进入短程光通信网络中。
波分复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件。现有的实现技术主要有薄膜滤波、光纤光栅、平面集成波导等。其中平面集成波导复用器可以在很小的芯片上实现40通道以上的密集波分复用，它利用半导体工艺可以进行大批量生产，具有潜在的成本优势。
通常平面集成波导复用器需要温度控制装置，使器件工作在给定的温度而不受环境温度影响。这主要是因为波导的折射率会随温度的变化而变化，导致各通道的中心波长偏移。这种偏移会造成非常大的能量变化(甚至会串入其他通道)，特别是在波长间隔小或高斯型通道频谱响应的情况。但是温度控制装置(通常是持续不断的加热使器件工作在高于环境的稳定温度)将带来大的系统功耗，不利于系统的集成。另外尺寸也增加很多。
目前实现温度不敏感的波分复用器件可以通过掺杂等方法，制作温度不敏感二氧化硅材料，来降低温度对器件的影响。另一种可以实现温度不敏感材料的是polymer。Keil等人在“Athermal all-polymer arrayed-waveguide gratingmultiplexer”，(Electronics Letters，Volume37 Issue9，200l，Page579-580)一文中采用。这些方法需要工艺参数的精确确定，对工艺误差容忍小，成品率低。
Inoue等人在文章“Athermal silica-based arrayed-waveguide gratingmultiplexer”(Electronics Letters，Volume33 Issue23，Page1945-1947，1997)中首次在AWG的阵列波导中引入补偿材料，而后Kaneko等人在文章“Athermalsilica-based arrayed-waveguide grating(AWG)mul/multiplexer with new low lossgroove design”(Electronics Letters，Volume36 Issue4，Page318-1319，2000)中做了一个小改进。这种方法增加了波导制作的复杂度，而且损耗增大。
Ooba等人在文章“Athermal silica-based arrayed-waveguide grating multiplexerusing bimetal plate temperature compensator”(Electronics Letters，Volume36Issue21，Page1800-1801，2000)中用双金属片随温度产生的弯曲应力引起的折射率变化来补偿温度产生的折射率变化。这种方法影响了波导寿命，而且应力引起的双折射也不可忽视。
Heise等人在文章“Optical phased array filter module with passivelycompensated temperature dependence”(Proceeding of the 24th EuropeanConference on Optical Communication，1998，pp.319-320，1998)中用调节输入波导的方法进行温度补偿。这种方法中如果可调的输入部分损坏，则所有通道不能工作。
He Jian-Jun等人在美国专利“Athermal waveguide grating based devicehaving a temperature compensator in the slab waveguide region”(US 6,169,838)中首次提出在波导自由传播区域插入补偿波导结构。这是一种有效的温度补偿方法，但也存在增加工艺和难以精确控制的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度不敏感的集成型波分复用器，通过相反的两个偏移互相抵消实现温度不敏感的波分复用性能，其实现容易，而且控制灵活。
本发明采用的技术方案是在波分复用芯片的自由传播区输入端采用输入光纤直接耦合，在自由传播区输出波导上装有位置偏移补偿装置，在输出波导上耦合输出光纤阵列。
本发明的波分复用器设计了平场输出的光栅，使分波后的接受面为一垂直出射方向的直面，这样增大输出间距的出射波导可以芯片上分离。用温度反馈改变出射波导位置的方法实现了温度不敏感(或无温控)的集成型平面波分复用器件。由于出射波导位置的变化导致的各个通道的中心波长偏移，与温度变化引起的中心波长偏移的效果相同，所以可以通过相反的两个偏移互相抵消实现温度不敏感的波分复用性能。采用输出波导移动的方法，而不是输入波导移动，可以避免由于输入波导的性能劣化或损坏导致的所有通道响应的劣化。
本发明的有益效果是波分复用器采用了自由传播区域与入射出射波导分离的结构，使出射波导可以在垂直方向移动，用于补偿温度影响。同时两部分可以分别在不同的基片上制造，甚至可以用不同的材料和波导结构。尤其是用在刻蚀衍射光栅(EDG)上，每一部分只需一次刻蚀，避免了原有的二次刻蚀，而且根据两部分不同要求，可以采用不同精度的光刻和蚀刻方法；而原有的光刻对准的工作也转移到封装中的两波导部分的对准。这样增加了单个基片上器件的密度，而且提高了生产效率，成品率也会大大提高。同时，在不改变精密制作的高成本光栅的情况下，使用不同的输出波导的结构与之组合，可以满足不同的通带性能要求，这大大提高了灵活性。本发明描述的波分复用器以温度的变化为反馈信号，引人相应的出射波导位置的变化消除温度的影响，相比其他方法更简便，更容易实现，而且控制灵活。由于器件性能受温度影响小，可以更好的应用在DWDM系统中。
图1是采用无源补偿的基于蚀刻衍射光栅(EDG)温度不敏感的集成型波分复用器结构示意图；图2是采用无源补偿的基于阵列波导光栅(AWG)温度不敏感的集成型波分复用器结构示意图；图3是采用有源补偿的温度不敏感的集成型波分复用器结构示意图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，在波分复用芯片4的自由传播区输入端采用输入光纤1直接耦合，在自由传区输出波导6上装有位置偏移补偿装置，在输出波导6上耦合输出光纤阵列2。
位置偏移补偿装置是一端与输出波导6固定连接，另一端固定在具有热膨胀性能的伸缩杆3上，伸缩杆3能带动输出波导6作垂直移动。
如图3所示，位置偏移补偿装置是从波分复用芯片4的温度变化信号输入给信号处理器11，输出驱动信号给微位移执行机构10驱动不具有热膨胀性能的伸缩杆(12)，带动输出波导6作垂直移动。信号处理器采用通用单片机系统实现。
波分复用芯片4为包括自由传播区5，蚀刻凹面光栅7的蚀刻衍射光栅或包括输入、输出自由传播区9、阵列波导8的阵列波导光栅。
微位移执行机构10为微型马达或PZT电致伸缩材料或静电抓爬式致动器或蠕动马达。
这里以基于蚀刻衍射光栅(EDG)的解复用器为设计例子说明本发明中光栅的设计方法，而基于阵列波导光栅(AWG)的解复用器的设计可以完全使用相同的设计。
解复用芯片采用半导体工艺在硅片或其他基底材料上镀上薄膜，形成平板波导。芯片图形转移上去后切割形成单个解复用芯片。衍射光栅采用RIE和ICP等干法刻蚀，形成多个垂直小面组成的反射光栅。为了减小损耗，增大反射率，通常可以在刻蚀成型的反射面上镀上一层金属反射层，或者把光栅面刻蚀成直角的V形齿，利用全反射减小透射损耗。
光栅的设计光栅的设计在这里是至关重要的，它使在同一输入位置不同波长的光入射，聚焦在一条直线上的不同输出位置。要求在指定输出范围内成像的像差很小，同时色散也保持线性。通常EDG的结构是基于Rowland圆的设计，入射点和出射点在Rowland圆上，而光栅在以2倍Rowland圆半径为半径的圆上，光栅与Rowland圆相切。这样不同波长的光在不同点入射可以很好的成像在输出点，所成像的离焦像差和慧差为0，总的像差非常小。但是制作的解复用器并不需要非常严格的像差控制，我们可以通过减小像差要求来达到这样的聚集要求。
如图1所示，光程函数可以写为F(x，λ)＝neff[IP+PO-(IP0+P0O)]-G(x)mλ (1)这里I是入射点，O是垂直线上的输出点。P0是光栅上的参考点，P是光栅上的任意一点。通常我们只需要确定光栅每个反射齿面的中点就可以得到光栅。这样可以取G(x)的值为整数值k，P0和P也相应是齿面的中点。这样光程函数可以写为F(k，λ)＝neff[IPk+PkO-(IP0+P0O)]-kmλ (2)假设这些点的坐标分别是I(xI，yI)，O(xO，yO)， 和 。于是式(2)可以增加一个变量写成F(k,λ,yO)=neff(xI-xPk)2+(yI-yPk)2+(xO-xPk)2+(yO-yPk)2-((xI-xP0)2+(yI-yP0)2+(xO-xP0)2(yO-yP0)2)-kmλ---(3)]]>为了降低垂直直线上指定点 附近位置像差，光栅上的点 需要满足方程F(k,λ0,yO0)=0---(4)]]>这里λ0是聚集在O0点处的中心波长。同时也要满足光程差函数对输出点y坐标在O0处的导数为0dF(k,λ0,yO)dyO|yO=yO0=0---(5)]]>根据式(4)，光栅点 是在以O0和I0为焦点的椭圆上(如果O0和I0重合，则在圆上)。
令x＝0为输入点所在的直线上，式(5)可以表示为neff(yO0-yPk)/(xO0-xPk)2+(yO0-yPk)2-(yO0-yP0)/(xO0-xP0)2+(yO0-yP0)2-kmD=0---(6)]]>这里D=dλdyO|yO=yO0,]]>是光栅的色散率。
(5)，(6)两个方程已经确定了光栅所有的中心点位置，在这些点上加上光栅面整个光栅就确定了。输入位移的确定以二氧化硅波导为例，假设波导折射率随温度变化率为dndT=C]]>。假设包层与芯层折射率随温度变化率相同为C，通过计算有效折射率，可以得到波导的有效折射率neff随温度变化率近似等于C，即dneffdT=C.]]>由光栅方程可知折射率与波长成正比，两者关系为dλdneff=λ0neff0]]>，其中λ0， 分别为初始设定的波长和有效折射率。输入位置对波长的变化率假设为dy1dλ=D.]]>于是可以得到输入位置对温度的变化η=dyIdT=dyIdλ·dλdneff·dneffdT=D·λ0neff0·C.]]>举一个例子，波导有效折射率随温度变化率为10-5/K(二氧化硅波导通常为8～10×10-6)，λ0＝1550nm，neff0=1.476,]]>输出位置对波长的变化率为30μm/nm，则输出位置对温度的变化为0-315μm/K，即温度每变化1℃，输出位置需要移动0.315μm。如果温度变化范围为70℃，则输出位置的可调范围为22μm。这种具有热膨胀性能的材料可以采用金属或塑料材料。
输出位置的调节方法由上面的例子可以看出，输出位置的调节量非常小，而且需要精密的控制。很多方法可以实现这样的调节，这里给出两种典型的实现方案无源方法，即用一定热膨胀系数的材料来实现；也可以通过有源的方法，用微位移机构产生给定位移来实现。
无源补偿方法这种方法不需要外加电路或其他控制，具有结构简单紧凑，无功耗等特点，非常适合制作完全无源的温度不敏感波分复用器件。这里利用特定材料的热膨胀效应，可以补偿温度对器件的影响。经过设计，材料的温度变化时产生伸缩量可以与波分复用器需要的位移匹配，使器件在使用的温度范围内频谱保持不变。
设选择材料的热膨胀系数为α，材料长度为L，则需要满足η＝α·L前面的例子得到输入位置对温度的变化为0.315μm/K，设需要温度补偿的材料长度为20mm(太大会增大器件尺寸)，则材料的热膨胀系数为1.575×10-5，这种材料很容易得到，如金属，合金或有机材料。也可以选择一定热膨胀系数的材料，再确定需要的长度(长度的修剪更容易实现)。
偏移量是由选择材料的热膨胀系数和材料长度乘积决定的，这种关系提供了设计的灵活性。我们可以用N种不同材料的组合来得到需要的偏移特性η=Σi=1Nαi·Li]]>实际中，输出位置对温度的变化不一定是线性的，而是关于温度的函数。而材料的热膨胀系数也往往只是在一定的温度范围内近似线性，总体并不是线性的。这样选择多种合适材料的组合，能够实现偏移特性的匹配，即η(T)=Σi=1Nαi(T)·Li]]>有源补偿方法有源方法相比较而言复杂一些，但它不需要精确匹配材料，而且控制更灵活。有源方法需要探测温度的变化，作相应的处理之后作为输入信号加给位移执行机构，由位移执行机构实现输出位置的偏移。利用数字信号处理技术可以实现任意偏移量对温度的变化η(T)，只需作一些软件的改动就可以实现不同的变化曲线，具有灵活性和通用性。
由于位移量小，控制精度要求高，同时尺寸收到限制，位移执行机构是有源方法的难点。主要可以采用微型马达，PZT电致伸缩材料，静电抓爬式致动器和蠕动马达等。用于连接输出波导的不具有热膨胀性能的材料可以采用石英等材料。
微型马达和PZT电致伸缩材料已经非常成熟，而且广泛应用在很多领域。可以作为这里的微位移执行机构，但体积比较大。而PZT电致伸缩材料需要较大的驱动电压。
静电抓爬式致动器和蠕动马达等是基于MEMS(微电子机械系统)技术，尺寸很小，非常适合作为这里的微位移执行机构。但这些技术工艺复杂，有待进一步的完善和成熟。它们目前主要应用在MEMS和光开关中，具有很好的应用前景。
以上所述的温度补偿及其位移调节方法不仅适合于集成平面器件，也可以用在体器件(如体光栅波分复用器)以实现温度不敏感的频谱特性。
权利要求
1.温度不敏感的集成型波分复用器，它包括波分复用芯片(4)，其特征在于在波分复用芯片(4)的自由传播区输入端采用输入光纤(1)直接耦合，在自由传播区输出波导(6)上装有位置偏移补偿装置，在输出波导(6)上耦合输出光纤阵列(2)。
2.根据权利要求1所述的温度不敏感的集成型波分复用器，其特征在于所说的位置偏移补偿装置是一端与输出波导(6)固定连接，另一端固定在具有热膨胀性能的伸缩杆(3)上，伸缩杆(3)能带动输出波导(6)作垂直移动。
3.根据权利要求1所述的温度不敏感的集成型波分复用器，其特征在于所说的位置偏移补偿装置是从波分复用芯片(4)的温度变化信号输入给信号处理器(11)，输出驱动信号给微位移执行机构(10)驱动不具有热膨胀性能的伸缩杆(12)，带动输出波导(6)作垂直移动。
4.根据权利要求1所述的温度不敏感的集成型波分复用器，其特征在于所说的波分复用芯片(4)为包括自由传播区(5)，蚀刻凹面光栅(7)的蚀刻衍射光栅或包括输入、输出自由传播区(9)、阵列波导(8)的阵列波导光栅。
5.根据权利要求3所述的温度不敏感的集成型波分复用器，其特征在于所说的微位移执行机构(10)为微型马达或PZT电致伸缩材料或静电抓爬式致动器或蠕动马达。
全文摘要
本发明公开了一种温度不敏感的集成型波分复用器。它包括波分复用芯片，在自由传播区输入端面直接耦合的输入光纤，输出波导和在输出波导上装有的位置偏移补偿装置，在输出波导上耦合的输出光纤阵列。经过设计的光栅使输出波导可以聚集不同波长的光在输出直线的不同位置上，采用输出波导与带有分波光栅的自由传播波导分离的结构，位置偏移补偿装置驱动输出波导随温度的变化而改变位置，来补偿波分复用器的温度影响。由于温度敏感性的解决，使其更好的应用在DWDM系统中。其中的无源补偿方法具有简单，无功耗，尺寸小的特点，能方便的应用于集成型平面波分复用器件；有源补偿方法具有灵活，通用等特点，具有很大应用潜力。
文档编号H04J14/02GK1404253SQ0213741
公开日2003年3月19日 申请日期2002年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者盛钟延, 何赛灵 申请人:浙江大学