專利名稱：用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有陣列波導(dǎo)區(qū)可調(diào)反射鏡的陣列波導(dǎo)光柵，尤其涉及一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵。
背景技術(shù)：
陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是一種色散光學(xué)器件，可用于對(duì)一組具有不同波長的光學(xué)遠(yuǎn)程通信信道進(jìn)行多路復(fù)用和解復(fù)用。圖1中示意了一種通常的AWG實(shí)例，該AWG是一在硅或其它類似材料基底上形成的集成光波導(dǎo)器件。通常的AWG的波導(dǎo)包括一個(gè)或多個(gè)并列的輸入波導(dǎo)4，用于將混合多個(gè)波長信道λ1到λn的多路復(fù)用信號(hào)傳播到第一個(gè)平板波導(dǎo)區(qū)5，平板波導(dǎo)區(qū)通常是一個(gè)星型耦合區(qū)或其它類似區(qū)域。平板波導(dǎo)區(qū)5與陣列波導(dǎo)區(qū)6相連，將輸入信號(hào)分配給陣列波導(dǎo)區(qū)的多根波導(dǎo)，這些波導(dǎo)構(gòu)成光柵。每一根波導(dǎo)都具有不同的光學(xué)長度，相鄰波導(dǎo)的光學(xué)長度按照與中心波長有關(guān)的一恒定值增減，并且從光柵的一側(cè)到另一側(cè)的波導(dǎo)長度逐步遞增。與陣列波導(dǎo)另一端相連的是另一個(gè)平板波導(dǎo)區(qū)7，在第二平板波導(dǎo)區(qū)7會(huì)出現(xiàn)由波導(dǎo)陣列光柵區(qū)6引入的相對(duì)相位差所導(dǎo)致的干涉。波導(dǎo)光柵的色散使信號(hào)光的不同波長物理上分開，并且聚焦到第二平板波導(dǎo)區(qū)7的輸出平面上，并且將分開的波長耦合進(jìn)與第二平板波導(dǎo)區(qū)相連的多個(gè)輸出波導(dǎo)中。不同中心波長的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于不同的輸出波導(dǎo)8位置，從而實(shí)現(xiàn)了將不同波長信號(hào)從空間分開的功能。利用光路互逆原理，陣列波導(dǎo)光柵既具有多波長光信號(hào)復(fù)用功能也具有多波長光信號(hào)解復(fù)用的功能。各個(gè)波長信道的中心波長和間隔取決于AWG波導(dǎo)的幾何形狀和形成光柵的陣列波導(dǎo)的有效折射率。
圖1給出的是AWG的常規(guī)形式，其陣列波導(dǎo)6及其相連的平板波導(dǎo)區(qū)7、8在結(jié)構(gòu)上左右對(duì)稱，輸入波導(dǎo)4、輸出波導(dǎo)8分別處于器件的兩側(cè)。這種結(jié)構(gòu)存在器件體積較大，器件封裝復(fù)雜，輸入光纖1、輸出光纖10難以從同一側(cè)引出等問題。本發(fā)明認(rèn)為通過在陣列波導(dǎo)區(qū)中心對(duì)稱線上引入一個(gè)反射裝置，可以提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的AWG解決以上問題。
形成AWG的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的材料通常采用SiO2或其它類似材料。由于這些材料的折射率隨著溫度的變化而變化，因此導(dǎo)致AWG的光傳輸中心波長隨溫度變化而漂移。例如，當(dāng)溫度在攝氏-5度到60度之間變化時(shí)，采用常規(guī)參數(shù)制造的AWG的中心波長漂移達(dá)到0.6nm以上，這對(duì)應(yīng)用在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中要求的AWG是絕對(duì)不能接受的。本發(fā)明認(rèn)為能夠消除溫度對(duì)中心波長的影響對(duì)AWG的應(yīng)用是至關(guān)重要的。
同時(shí)原有設(shè)計(jì)的輸入、輸出波導(dǎo)的位置是固定的，而生產(chǎn)過程所能控制的波導(dǎo)參數(shù)的精度不足以將中心波長設(shè)置在所需的容差范圍內(nèi)，這對(duì)AWG的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來了極大的困難。本發(fā)明認(rèn)為應(yīng)該在AWG的內(nèi)部提供一種可調(diào)的部分，以便提供調(diào)整的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵。
它包括集成波導(dǎo)芯片、反射鏡組件，所說集成波導(dǎo)芯片具有輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)，反射鏡組件具有反射鏡裝置、可調(diào)裝置；輸入波導(dǎo)至少一個(gè)包括多個(gè)與輸出波導(dǎo)位于集成芯片的同一側(cè)；陣列波導(dǎo)區(qū)，其相鄰波導(dǎo)之間的長度差只有常規(guī)AWG的一半，陣列波導(dǎo)區(qū)一端與平板波導(dǎo)區(qū)相連，另一端與經(jīng)過端面拋光、鍍?cè)鐾改ぬ幚淼男酒吘壪噙B；反射鏡裝置與陣列波導(dǎo)區(qū)相連的芯片邊緣端相鄰。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明在陣列波導(dǎo)區(qū)引入一個(gè)可調(diào)反射鏡，其可調(diào)結(jié)構(gòu)隨溫度變化引起反射鏡的傾斜，完全消除溫度對(duì)信道中心波長的影響。
(2)本發(fā)明通過在陣列波導(dǎo)區(qū)中心對(duì)稱線上引入一個(gè)反射裝置，可以提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的陣列波導(dǎo)光柵型的密集波分復(fù)用器/解復(fù)用器，其面積小于常規(guī)AWG芯片的面積。由于器件無需加入溫控部分，因此其體積大大小于常規(guī)AWG器件。
(3)本發(fā)明提出的一種陣列波導(dǎo)光柵，其輸入、輸出波導(dǎo)處于芯片的同一邊，因此在器件封裝時(shí)輸入輸出可以共用一個(gè)光纖陣列，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道這樣能夠?yàn)槠骷庋b帶來極大的方便。
(4)同時(shí)原有設(shè)計(jì)的輸入、輸出波導(dǎo)的位置是固定的，而生產(chǎn)過程所能控制的波導(dǎo)參數(shù)的精度不足以將中心波長設(shè)置在所需的容差范圍內(nèi)，這對(duì)AWG的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來了極大的困難。本發(fā)明提出的一種陣列波導(dǎo)光柵在陣列波導(dǎo)區(qū)引入一個(gè)可調(diào)反射鏡，為AWG的內(nèi)部提供一種可調(diào)的部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心波長的靈活調(diào)整。
(5)通過在可調(diào)支架上設(shè)置壓電陶瓷片可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的中心波長可調(diào)的AWG。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的AWG的示意圖；圖2是本發(fā)明的AWG的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償熱效應(yīng)的原理示意圖；圖4是本發(fā)明可調(diào)諧AWG的實(shí)施例示意圖；圖5是陣列波導(dǎo)區(qū)的波導(dǎo)出口形狀的改進(jìn)示意圖。
具體實(shí)施例方式
用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，它包括集成波導(dǎo)芯片3、反射鏡組件，所說集成波導(dǎo)芯片具有輸入波導(dǎo)4、輸出波導(dǎo)8、平板波導(dǎo)區(qū)5、陣列波導(dǎo)區(qū)6，反射鏡組件具有反射鏡裝置11、可調(diào)裝置13、14；輸入波導(dǎo)4至少一個(gè)包括多個(gè)與輸出波導(dǎo)8位于集成芯片3的同一側(cè)；陣列波導(dǎo)區(qū)6，其相鄰波導(dǎo)之間的長度差只有常規(guī)AWG的一半，陣列波導(dǎo)區(qū)一端與平板波導(dǎo)區(qū)相連，另一端與經(jīng)過端面拋光、鍍?cè)鐾改ぬ幚淼男酒吘?5相連；反射鏡裝置11與陣列波導(dǎo)區(qū)6相連的芯片邊緣端15相鄰。
所說平板波導(dǎo)區(qū)只包含一個(gè)與輸入、輸出波導(dǎo)以及陣列波導(dǎo)區(qū)相連?？烧{(diào)裝置由兩種不同膨脹系數(shù)材料的支架構(gòu)成?？烧{(diào)裝置在支架上至少安裝一個(gè)壓電陶瓷片。陣列波導(dǎo)區(qū)出口形狀為V形。
本發(fā)明業(yè)已發(fā)現(xiàn)通過在陣列波導(dǎo)區(qū)中心對(duì)稱線上引入一個(gè)可調(diào)的反射裝置，可以提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的陣列波導(dǎo)光柵型的密集波分復(fù)用器/解復(fù)用器，其芯片制造、器件封裝更為簡(jiǎn)單，能減少溫度對(duì)中心波長的影響，并能實(shí)現(xiàn)中心波長可調(diào)諧的AWG。本發(fā)明同時(shí)提供了這一器件的制作方法。
將含有多個(gè)波長信道的光學(xué)信號(hào)傳輸進(jìn)輸入波導(dǎo)4，經(jīng)過平板波導(dǎo)區(qū)5和陣列波導(dǎo)區(qū)6，信號(hào)光由波導(dǎo)從芯片邊緣15發(fā)射出來，再經(jīng)過反射元件11反射，再次返回陣列波導(dǎo)區(qū)6，然后再次經(jīng)過平板波導(dǎo)區(qū)5和輸出波導(dǎo)8實(shí)現(xiàn)多波長信號(hào)的解復(fù)用。由AWG的光柵方程λ0＝neffΔD/m可知，AWG的中心波長λ0由陣列波導(dǎo)6的有效折射率neff，陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰波導(dǎo)間長度差ΔD，以及光柵級(jí)數(shù)m決定。本發(fā)明提供了這樣一種陣列波導(dǎo)光柵器件，它包括安裝在同一基板12上的兩個(gè)部分(1)集成波導(dǎo)芯片3，在硅或其它基底材料上通過沉積、光刻、刻蝕或者擴(kuò)散等各種方法形成的陣列波導(dǎo)光柵集成光學(xué)芯片，該芯片包括
——輸入波導(dǎo)4，其作用是與外部光纖相連將光信號(hào)引入到平板波導(dǎo)區(qū)；——輸出波導(dǎo)8，與輸出波導(dǎo)處于芯片的同一側(cè)，其作用是將相分離的聚焦在平板波導(dǎo)區(qū)的不同波長光信號(hào)引出到外接光纖上；——平板波導(dǎo)區(qū)5，同時(shí)與輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)以及陣列波導(dǎo)相連，其作用一方面將輸入信號(hào)分配給陣列波導(dǎo)區(qū)的多根波導(dǎo)，另一方面陣列波導(dǎo)區(qū)反射回來的產(chǎn)生了相位差的光信號(hào)在這一波導(dǎo)區(qū)發(fā)生干涉，并將不同波長的信號(hào)聚焦在與輸出波導(dǎo)相連的平面上；——陣列波導(dǎo)區(qū)6，其一端與平板波導(dǎo)區(qū)相連，另一端為芯片的邊緣，其相鄰波導(dǎo)間長度差只有常規(guī)AWG陣列波導(dǎo)長度差的一半，其作用同樣是使不同的波導(dǎo)中傳播的信號(hào)光產(chǎn)生相位差，通過在平板波導(dǎo)區(qū)發(fā)生干涉使不同波長的信號(hào)光物理上分開；(2)反射鏡組件，它包括——反射鏡裝置11，此裝置平行設(shè)置在與陣列波導(dǎo)區(qū)相連的芯片邊緣端；——可調(diào)裝置13、14，與反射鏡相連，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)量以達(dá)到調(diào)節(jié)中心波長的目的。
最佳的是，可以利用可調(diào)反射鏡裝置與溫度有關(guān)的調(diào)節(jié)量補(bǔ)償集成器件的熱效應(yīng)；同時(shí)，由于輸入、輸出波導(dǎo)處于芯片的同一邊，因此在器件封裝時(shí)輸入輸出可以共用一個(gè)光纖陣列，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道這樣能夠?yàn)槠骷庋b帶來極大的方便。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的，我們給出這種陣列波導(dǎo)型密集波分復(fù)用器/解復(fù)用器的制造方法，其陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰波導(dǎo)間長度差只有通常AWG陣列波導(dǎo)長度差的一半，并且陣列波導(dǎo)將信號(hào)光直接通過與其垂直的芯片邊緣輸出到芯片之外，為了達(dá)到更好的光學(xué)性能，可以對(duì)這一芯片邊沿進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)處理，例如端面拋光、鍍?cè)鐾改さ?。為了減少損耗，安置在與陣列波導(dǎo)區(qū)相連的芯片邊緣端的可調(diào)反射鏡要盡量靠近芯片，但須保留適當(dāng)距離，使得反射鏡能夠適當(dāng)傾斜以達(dá)到足夠大的中心波長調(diào)節(jié)量。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，為了得到這種AWG的更佳性能，需要對(duì)平板波導(dǎo)區(qū)以及陣列波導(dǎo)區(qū)的形狀進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)改變。
圖2展示了本發(fā)明的一種實(shí)施例的示意圖，集成波導(dǎo)芯片3包括一輸入波導(dǎo)4，平板波導(dǎo)區(qū)5，陣列波導(dǎo)區(qū)6以及輸出波導(dǎo)8。陣列波導(dǎo)區(qū)6的一端被切割為芯片的邊緣，為了降低損耗對(duì)這一端面進(jìn)行拋光鍍膜(增透膜)處理，形成光學(xué)端面15，反射鏡組件包括鏡面鍍層反射元件11以及支架13、支架14，分別由兩種不同熱膨脹系數(shù)材料構(gòu)成。集成波導(dǎo)芯片3與反射鏡組件被固定在同一個(gè)基底12上。從圖2中可以看出，輸入波導(dǎo)4、輸出波導(dǎo)8可以共用一個(gè)光纖陣列9進(jìn)行封裝。當(dāng)反射元件11與芯片邊緣15之間的傾斜角度發(fā)生變化時(shí)陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰波導(dǎo)之間的長度差隨之變化，從而導(dǎo)致AWG的中心波長產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)溫度變化時(shí)，構(gòu)成光波導(dǎo)的材料由于熱光效應(yīng)其折射率會(huì)發(fā)生變化，由前面的公式可知AWG的中心波長會(huì)發(fā)生漂移。而通過改變反射元件11與芯片邊緣15之間的傾斜角度，即改變陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰波導(dǎo)間長度差ΔD，可以補(bǔ)償因溫度變化導(dǎo)致的中心波長的漂移。
圖3示出了反射鏡組件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)單原理。本發(fā)明提供了一種通過調(diào)節(jié)集成波導(dǎo)芯片3與反射鏡組件之間傾斜角度的方法來補(bǔ)償AWG器件由于溫度變化而產(chǎn)生的中心波長漂移。圖3示出了反射組件溫度補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)單原理。反射鏡組件中的可調(diào)裝置由支架13、支架14構(gòu)成，兩個(gè)支架分別由兩種不同熱膨脹系數(shù)材料構(gòu)成，當(dāng)溫度升高時(shí)，兩支架會(huì)產(chǎn)生一定的長度差導(dǎo)致反射元件11與芯片邊緣15之間的傾角發(fā)生變化。相反，當(dāng)溫度降低時(shí)傾角會(huì)發(fā)生相反方向的變化。選擇不同熱膨脹系數(shù)的材料以及調(diào)整兩支架之間的距離，可以改變傾角隨溫度的變化的關(guān)系，從而完全滿足補(bǔ)償器件溫度變化導(dǎo)致中心波長漂移的需要。圖3為了清楚地顯示溫度補(bǔ)償?shù)脑?，放大了反射元?1與芯片邊緣15之間的傾角變化。實(shí)際應(yīng)用中，補(bǔ)償溫度變化所需的傾角變化時(shí)非常小的，按照一般AWG的設(shè)計(jì)參數(shù)，中心波長1nm的調(diào)節(jié)量對(duì)應(yīng)的傾角變化小于0.06°，因此這種調(diào)節(jié)不會(huì)帶來器件插入損耗的變化。
對(duì)器件生產(chǎn)容差的補(bǔ)償是基于同樣的原理。由于生產(chǎn)的容差，信道的中心波長往往不能與輸出波導(dǎo)8的中心波長相對(duì)準(zhǔn)，這就產(chǎn)生了所謂的中心波長漂移，而且這種漂移會(huì)因器件而異。本發(fā)明提到集成波導(dǎo)芯片3與反射鏡組件被固定在同一個(gè)基底12上，因此只需要在安裝芯片3和反射鏡組件時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)兩者之間的傾斜角度就可以實(shí)現(xiàn)中心波長的對(duì)準(zhǔn)。
圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧AWG的實(shí)施例示意圖。如圖中所示，反射鏡組件中圖2所示的支架12、13上增加兩個(gè)壓電材料構(gòu)成的電壓可調(diào)機(jī)構(gòu)16、17，當(dāng)改變施加在壓電材料16、17上的電壓時(shí)，兩個(gè)支架的長短會(huì)在一定范圍內(nèi)改變，從而導(dǎo)致芯片3和反射鏡組件之間角度發(fā)生改變，進(jìn)而調(diào)節(jié)AWG的中心波長。為了實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)節(jié)，可以對(duì)陣列波導(dǎo)區(qū)6與反射鏡11相接的波導(dǎo)出口進(jìn)行改進(jìn)。
圖5所示，將陣列波導(dǎo)區(qū)6的波導(dǎo)出口形狀改為V形18，可以減少中心波長在較大范圍調(diào)節(jié)時(shí)器件插入損耗的變化量。
權(quán)利要求
1.一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于它包括集成波導(dǎo)芯片[3]、反射鏡組件以及固定兩者的基片[12]，所說集成波導(dǎo)芯片具有輸入波導(dǎo)[4]、輸出波導(dǎo)[8]、平板波導(dǎo)區(qū)[5]、陣列波導(dǎo)區(qū)[6]，反射鏡組件具有反射鏡裝置[11]、可調(diào)裝置[13]、[14]；輸入波導(dǎo)[4]至少一個(gè)包括多個(gè)與輸出波導(dǎo)[8]位于集成芯片[3]的同一側(cè)；陣列波導(dǎo)區(qū)[6]，其相鄰波導(dǎo)之間的長度差只有常規(guī)AWG的一半，陣列波導(dǎo)區(qū)一端與平板波導(dǎo)區(qū)相連，另一端與經(jīng)過端面拋光、鍍?cè)鐾改ぬ幚淼男酒吘塠15]相連；反射鏡裝置[11]與陣列波導(dǎo)區(qū)[6]相連的芯片邊緣端[15]相鄰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所說平板波導(dǎo)區(qū)[5]只包含一個(gè)與輸入[4]、輸出波導(dǎo)[8]以及陣列波導(dǎo)區(qū)[6]相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所說可調(diào)裝置由兩種不同膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，通過兩種不同膨脹系數(shù)材料的支架[13]、[14]之間距離的關(guān)系，可調(diào)裝置引起反射鏡裝置的傾斜角度與溫度的關(guān)系完全補(bǔ)償器件中心波長隨溫度的漂移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所說可調(diào)裝置在支架上至少安裝一個(gè)壓電陶瓷片[16]、[17]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所說陣列波導(dǎo)區(qū)出口形狀為V形[18]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于在空間上將多個(gè)波長信道的光信號(hào)分開的陣列波導(dǎo)光柵。它包括集成波導(dǎo)芯片、反射鏡組件,所說集成波導(dǎo)芯片具有輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū),反射鏡組件具有反射鏡裝置、可調(diào)裝置。本發(fā)明通過提供陣列波導(dǎo)區(qū)的反射鏡,構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)緊湊的陣列波導(dǎo)光柵,輸入輸出波導(dǎo)在同一側(cè),只需要一個(gè)平板波導(dǎo)區(qū)和長度更短的陣列波導(dǎo)區(qū)。通過調(diào)整反射鏡與陣列波導(dǎo)區(qū)之間的傾角,可以達(dá)到改變中心波長的作用。通過對(duì)反射鏡支架的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件熱效應(yīng)的補(bǔ)償,并且可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的中心波長調(diào)諧。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1373379SQ02111289
公開日2002年10月9日 申請(qǐng)日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月2日
發(fā)明者符建 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)