一种消除光器件偏振相关频移的方法和装置与流程

本发明涉及光通信，特别是涉及一种消除光器件偏振相关频移的方法和装置。

背景技术：

1、在光通信领域中，平面光波导(plc)器件是光网络中的关键元件。基于平面光波导技术可以开发多种光器件，包括迈增干涉仪(mzi)、光开关、阵列波导光栅(awg)、可调光衰减器(voa)、光梳状滤波器、差分相位键控调制器等。在这些光器件中，比较有代表性的是mzi和awg。

2、mzi是构成干涉类器件的基本单元，通过将两个单色光经过两个长度不同的光波导传输后输出，实现光信号的转换功能。采用mzi可以制作热光型光开关、可调光衰减器等光器件，在高速光网络中具有广泛的应用。

3、awg是更为复杂的光器件，通过多个波导传输后干涉实现光信号的复用和解复用，是密集波分复用系统的关键元件。awg由输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出波导组成，含有多个波长的复用光信号通过输入波导进入awg，在输入平板波导内发生衍射并耦合进入阵列波导，经阵列波导传输后，由于阵列波导间任何两相邻波导具有固定的长度差，因而使阵列波导中传输的复用光信号产生与波长相关的不同相位差，波长相同但相位不同的光在输出平板波导中相干叠加，不同波长的光在输出平板波导中经相干叠加后聚焦到不同的输出端口，即实现了多路光信号的解复用；另外，如果多路光信号从不同的输出端口反向输入，则在输入波导处可以实现多路光信号的复用。密集波分复用系统对awg的中心波长精度要求很高，需要控制在通道间隔的一定比例范围以内，例如在0.8nm间隔(对应100ghz间隔)的密集波分复用系统中，中心波长精度往往需要控制在通道间隔的+/-5％以内，即+/-40pm以内。

4、目前平面光波导器件大多采用等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhancedchemical vapor deposition，简称pecvd)等工艺进行制备。在生产过程中，由于沉积等工艺带来的应力、不均匀性、孔隙、污染等因素会导致plc芯片的工艺存在缺陷，造成相位、频率等参数存在误差，对芯片的性能造成严重的影响，使偏振相关损耗、消光比、波长精度等指标明显恶化。例如，mzi的相位误差会导致光开关或光衰减器的损耗变大，awg的频率误差会导致中心波长精度超标等问题。

5、常用的改善相位误差或频率误差的方法是采用紫外(uv)光进行精细化照射。紫外光照射光波导会引起plc芯片中的掺锗二氧化硅波导的折射率发生变化，可以改变光路的长度，从而实现相位或频率的改变，提升芯片的性能。和照射光纤不同，采用uv光照射plc光波导器件时，会导致很大的双折射效应。这是由于uv光照射时plc光波导器件的结构不对称导致的应力引起的。实际中，uv光引入的折射率差在横电(te)和横磁(tm)模式下是不一样的，这会导致双折射效应，引起光器件的偏振相关频率发生偏移，即偏振相关频移(pdfs)。

6、uv光会同时改变plc芯片的折射率和双折射，当折射率调试达到设定值时，双折射效应也会改变，但不一定达到要求值，可能比要求值更差。例如，我们可以通过uv光照射实现相位误差的调制，从而改变干涉仪滤波器的中心波长，但是，同时也会使由于双折射效应导致的偏振相关频移发生劣化。

7、如何在实现折射率调制的同时，将双折射效应引发的偏振相关频移降到最低，是需要解决的难题。现有方法yusuke nasu等人通过在芯片波导周围开槽的方式来降低uv照射导致的双折射问题，可以将双折射效应降低95％，具有明显的改进效果。但是这个方式不太适合具有多个波导复杂结构的芯片，例如高通道awg，波导数量多达几百个，采用开槽的方式需要额外增加高精密光刻和刻蚀工艺，会明显增加制造工艺的复杂度，成品率也会受到影响，使制造成本明显提高。此外，还有通过采用多种激光交替退火来消除双折射的方法，但是由于激光器的成本较高，后期维护也比较麻烦，会导致制造成本提升。

8、因此，需要提出一种低成本且可操作性强的方法，在通过uv光照射改善相位误差或频率误差的过程中，使双折射效应导致的偏振相关频移降到最低，同时不会显著增加制造工艺的复杂度和提高制造成本。

9、有鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷或需求，解决上述技术问题，是本技术领域待解决的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷或改进需求：需要提出一种低成本且可操作性强的方法，在通过uv光照射改善相位误差或频率误差的过程中，使双折射效应导致的偏振相关频移降到最低，同时不会显著增加制造工艺的复杂度和提高制造成本。本发明提出了一种消除光器件偏振相关频移的方法和装置，采用紫外激光对平面波导光器件进行辐射，然后热风源进行局部退火处理，用于消除应力导致的双折射。激光和热风源交替照射光器件，可以实现折射率调制至目标值，同时明显改善uv光照射导致的应力双折射问题。

2、本发明实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种消除光器件偏振相关频移的方法，包括：

4、紫外激光辐射步骤：确定将光器件的折射率调制至目标值的改变量，采用紫外激光对光器件的指定区域进行辐射，使其折射率的改变量达到要求值；

5、热风源退火步骤：采用热风源对光器件的辐射区域进行局部退火，以去除由紫外激光引入的应力双折射效应及偏振相关频移；

6、多次交替进行紫外激光辐射步骤、热风源退火步骤，直至去除应力双折射效应及偏振相关频移的同时，使折射率的改变量达到要求值。

7、进一步的，所述紫外激光的波长范围在10nm～400nm之间，包括气体激光、准分子激光、固体激光中的一种或多种；所述热风源包括具有发热电阻丝的枪芯吹出的热风，温度范围在25℃～800℃之间。

8、进一步的，所述光器件为mzi时，所述紫外激光辐射步骤包括：确定将mzi的折射率调制至目标值的改变量，采用248nm准分子激光对mzi的其中一个臂的指定区域进行辐射，使其折射率的改变量达到要求值；

9、所述热风源退火步骤包括：将mzi的辐射区域采用热风源去除由248nm准分子激光辐射引入的应力双折射效应及偏振相关频移。

10、进一步的，所述mzi的波长λ和波导的有效折射率n、相邻波导的长度差δl正相关，所述mzi的波长λ和相邻波导的相位差φ负相关。

11、进一步的，所述采用248nm准分子激光对mzi的其中一个臂的指定区域进行辐射具体包括：

12、光信号从mzi的输入端口输入，经过3db耦合器后进入mzi的传输波导，然后经另一个3db耦合器后从mzi的输出波导端口输出；

13、mzi的其中一个传输波导的一个指定部分设为mzi的激光辐射区域，以通过248nm准分子激光对其进行辐射；

14、mzi的输出波导端口输出的传输光谱通过光谱仪进行测量，当采用248nm准分子激光进行辐射时，mzi的频率会发生偏移，通过频率偏移量来计算折射率的变化量。

15、进一步的，所述光器件为awg时，所述紫外激光辐射步骤包括：确定将awg的折射率调制至目标值的改变量，采用244nm氩离子激光进行辐射，使其达到要求值；

16、所述热风源退火步骤包括：将awg的辐射区域采用热风源去除244nm氩离子激光辐射引入的应力双折射效应及偏振相关频移。

17、进一步的，所述awg的实际中心波长为λc，商用标准中心波长为λi；所述awg的实际中心波长λc和波导的有效折射率n0、相邻波导的长度差δl1正相关，所述awg的实际中心波长λc和衍射级数m负相关；所述awg的实际中心波长λc与商用标准中心波长λi存在差值δλi。

18、进一步的，所述采用244nm氩离子激光进行辐射具体包括：

19、光信号从awg的输入端端口输入，经过awg的输入平板波导后进入awg的阵列波导，然后经awg的输出平板波导后从awg的输出波导端口输出；

20、在244nm氩离子激光与awg之间放置一个设计有预设形状的金属掩膜版，用于在awg的阵列波导上形成预设形状的awg的激光辐射区域；所述预设形状的面积是经过计算和分析得出的；

21、awg的输出波导端口输出的传输光谱通过光谱仪进行测量，当采用244nm氩离子激光进行辐射时，awg的频率会发生偏移，通过频率偏移量来计算折射率的变化量。

22、进一步的，所述预设形状为三角形、扇形、菱形、梯形中的一种或多种，所述预设形状的设置使相邻的阵列波导之间的照射长度不一致，或者呈现固定的长度差值，以使所有输出通道的中心波长变化量一致。

23、另一方面，本发明提供了一种消除光器件偏振相关频移的装置，用于实现如第一方面所述的消除光器件偏振相关频移的方法，装置包括用于发出要求激光的光源、热风源和控制器，其中：

24、所述控制器用于确定将光器件的实际波长或折射率调整至目标波长或折射率的改变量；所述控制器根据波长或折射率的改变量，控制所述光源发出要求的激光以对光器件进行辐射，使所述光器件的波长或折射率变为目标值；所述控制器还提供所述热风源的控制开关和温度设定器，用于在激光辐射后对光器件表面采用指定温度进行热风吹扫；

25、所述光源包括紫外激光，波长范围在10nm～400nm之间，包括气体激光、准分子激光、固体激光中的一种或多种；

26、所述热风源包括具有发热电阻丝的枪芯吹出的热风，温度范围在25℃～800℃之间。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出了一种消除光器件偏振相关频移的方法和装置，首先确定将光器件的实际折射率调整至目标值的改变量，以及需要进行调整的偏振相关频移的改变量；根据所述折射率的改变量和偏振相关频移的改变量，控制激光和热风源对光器件进行交替辐射，使所述光器件的折射率变为目标值，并将偏振相关频移降低到目标值；如此，采用激光和热风源对光器件进行交替辐射，使被辐射的光器件不需要采用刻蚀开槽等消除双折射的复杂工艺流程，即可以实现折射率调制，同时将偏振相关频移降到合理范围内。采用热风源的成本低廉，并且可控性强，降低了生产制造的成本，同时提高了光器件的可靠性。