對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating, AWG)是集成光電子系統(tǒng)中的重要功 能器件，可用于構(gòu)建波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中的波分復(fù)用器/解復(fù)用器、波長(zhǎng)路由器。
[0003]目前，大多數(shù)用于構(gòu)建陣列波導(dǎo)光柵的光電子材料（如硅、二氧化硅、磷化銦）都 具有一定的熱光效應(yīng)，即該些光電子材料的折射率會(huì)隨著溫度的變化而變化。這種熱光效 應(yīng)將導(dǎo)致陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生漂移。
[0004] 為此，業(yè)內(nèi)人士提出制備對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵，例如，第一種方案是采用 負(fù)熱光系數(shù)材料作為波導(dǎo)的上包層；第二方案是采用寬窄條形波導(dǎo)組合的方式構(gòu)建陣列波 導(dǎo)；第三方案是采用條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)組合的方式構(gòu)建陣列波導(dǎo)。
[0005] 然而，上述幾種方案雖然能實(shí)現(xiàn)溫度不敏感特性，但都無法在實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)。第 一方案中：負(fù)熱光系數(shù)材料涂覆方案中常用的負(fù)熱光系數(shù)材料與現(xiàn)有的微納工藝不兼容； 第二方案中：寬窄條形波導(dǎo)組合的方式其中現(xiàn)有工藝加工的窄波導(dǎo)損耗太大；第三方案 中：條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)組合的方案中最小線寬為幾十rim因而難以加工。
[0006] 為此，如何提供一種對(duì)現(xiàn)有工藝兼容，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度不敏感的陣列光柵波導(dǎo) 成為當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵，能夠較好的兼容現(xiàn)有的制備工 -H- 〇
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵，包括：輸入星形 耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器，其中，陣列波導(dǎo)由若干條光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波導(dǎo)構(gòu) 成，其特征在于：陣列波導(dǎo)中所有波導(dǎo)或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)組 合而成。
[0009] 可選地，在所述陣列波導(dǎo)中每一波導(dǎo)包括：兩段條形波導(dǎo)及一段條形-溝道混合 型波導(dǎo)，且采用第一段條形波導(dǎo)、條形-溝道混合型波導(dǎo)、第二段條形波導(dǎo)依次級(jí)聯(lián)的方式 組合。
[0010] 可選地，所述條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)采用波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接。
[0011] 可選地，所述波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器為多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器；
[0012] 該多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器包括：多模波導(dǎo)區(qū)域、寬度漸變的條形-溝道混合 型波導(dǎo)區(qū)域；
[0013] 其中，所述多模波導(dǎo)區(qū)域的一端用于連接條形波導(dǎo)，另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導(dǎo)區(qū)域的一個(gè)波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域的另一波導(dǎo)端 面用于連接條形-溝道混合型波導(dǎo)，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導(dǎo)的溝道一一對(duì)應(yīng)。
[0014] 可選地，所述陣列波導(dǎo)光柵為非良導(dǎo)體材料的波導(dǎo)；
[0015] 或者，所述陣列波導(dǎo)光柵為非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體材料的波 導(dǎo)。
[0016] 可選地，所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為：所述非良材料表面覆蓋一層金屬。
[0017] 可選地，所述非良導(dǎo)體材料為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。
[0018] 可選地，所述電介質(zhì)為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵；
[0019] 和/或，所述半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物。
[0020] 可選地，所述三五族光電子化合物為磷化銦或氮化鎵。
[0021] 可選地，所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為下述的一種：
[0022] 娃的表面覆蓋一層銀；
[0023] 娃的表面覆蓋一層金；
[0024] 二氧化娃的表面覆蓋一層銀；
[0025] 二氧化娃的表面覆蓋一層金。
[0026] 可選地，所述陣列波導(dǎo)中任意相鄰波導(dǎo)中所包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為： AL1、AL11;
[0027] 若用I/,:|f表示陣列波導(dǎo)第波導(dǎo)中包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度，嚴(yán):1,^表示第 A1+1根波導(dǎo)中包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度；則>
[0028] 其中，Λ L1、Δ Ln與兩種類型波導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)的有效熱光系數(shù)Α??,/δΓ滿
月 ^ = O c
[0029] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感，且 對(duì)加工工藝要求低，結(jié)構(gòu)中需加工的最小線寬可以彡200nm，因此采用目前已經(jīng)普及商用的 中低端0. 18 μπι微納加工工藝即可完成批量加工生產(chǎn)，從而具有低成本的特點(diǎn)，在集成光 電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為圖1中示出的條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖及波導(dǎo)模式 光場(chǎng)能流密度分布對(duì)比圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中連接條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)所采用的波導(dǎo)模 式轉(zhuǎn)換器示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例與傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的信道中心波長(zhǎng)隨溫度漂移量對(duì)比分 析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0036] 圖1示出了本發(fā)明一實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實(shí) 施例的陣列波導(dǎo)光柵包括：輸入星形耦合器1、陣列波導(dǎo)2和輸出星形耦合器3 ;
[0037] 本實(shí)施例中，輸入星形耦合器1有N個(gè)輸入端口及Q個(gè)輸出端口，N個(gè)輸入端口作 為陣列波導(dǎo)光柵的輸入端口，Q個(gè)輸出端口與陣列波導(dǎo)2的輸入端 對(duì)應(yīng)連接；輸出星形 耦合器3有Q個(gè)輸入端口及M個(gè)輸出端口，Q個(gè)輸入端口與陣列波導(dǎo)2的輸出端一一對(duì)應(yīng) 連接，M個(gè)輸出端口作為陣列波導(dǎo)光柵的輸出端口；
[0038] 圖1中所示的陣列波導(dǎo)2由若干條光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波導(dǎo)（對(duì)應(yīng)圖1中的 A1, AyAtj)構(gòu)成，且陣列波導(dǎo)2中所有波導(dǎo)或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo) 組合而成。
[0039] 在實(shí)際應(yīng)用中，陣列波導(dǎo)中每一波導(dǎo)包括：兩段條形波導(dǎo)21a及一段條形-溝道 混合型波導(dǎo)21b，且采用第一段條形波導(dǎo)21a、條形-溝道混合型波導(dǎo)21b、第二段條形波導(dǎo) 21a依次級(jí)聯(lián)的方式組合。
[0040] 在本實(shí)施例中，陣列波導(dǎo)中任意相鄰波導(dǎo)中所包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為： AL1、AL11;
[0041] 若用//,/f表示陣列波導(dǎo)第A1根波導(dǎo)中包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度，Il 1,Ii1表示第 A1+1根波導(dǎo)中包含的兩種類型波導(dǎo)的長(zhǎng)度；則確
[0042] 其中，Δ L1、Δ Ln與兩種類型波導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)的有效熱光系數(shù)γ 滿 足
[0043] 應(yīng)說明的是，陣列波導(dǎo)中任一波導(dǎo)均包括的兩種類型波導(dǎo)，即條形波導(dǎo)和條 形-溝道混合型波導(dǎo)。此時(shí)的該條形波導(dǎo)類型的波導(dǎo)長(zhǎng)度為圖1中示出的兩段條形波導(dǎo) 21a之和。在圖1中，兩段條形波導(dǎo)21a是等長(zhǎng)的。
[0044] 另外，每一條形波導(dǎo)21a與條形-溝道混合型波導(dǎo)21b均采用波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器22 連接。
[0045] 舉例來說，波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器22為多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器；該多模干涉型波導(dǎo) 模式轉(zhuǎn)換器包括：多模波導(dǎo)區(qū)域、寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域，如圖3所示；
[0046] 其中，所述多模波導(dǎo)區(qū)域的一端用于連接條形波導(dǎo)，另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導(dǎo)區(qū)域的一個(gè)波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域的另一波導(dǎo)端 面用于連接條形-溝道混合型波導(dǎo)，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導(dǎo)的溝道一一對(duì)應(yīng)，如圖3所示。
[0047] 本實(shí)施例的對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵中陣列波導(dǎo)2由條形波導(dǎo)與條形-溝道 混合型波導(dǎo)組合構(gòu)建。
[0048] 本實(shí)施例中，波導(dǎo)材料可選取上包層和襯底都為二氧化硅的硅波導(dǎo)。條形波導(dǎo)與 條形-溝道混合型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖及光場(chǎng)能流密度分布如圖2所示，其中波導(dǎo)厚度為 220±1011111，條形波導(dǎo)寬度為450±1011111，溝道波導(dǎo)總寬度為600±1011111，溝道位于溝道波導(dǎo) 中心且寬度為200±10nm，溝道中被硅材料填充的厚度為60±10nm。由圖2可知這兩種波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)分布存在較大差異，因而他們的基本性能參數(shù)也存在較大差異，如下述表一 所示。兩種波導(dǎo)在具體應(yīng)用中采用圖3所示的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接，其中模式轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度 L = 5 μ m± 10nm，多模干涉區(qū)域?qū)挾?Wmmi= 1. 25 μ m± 10nm，長(zhǎng)度 L mmi= 1. 40 μ m± 10nm。
[0049] 表一：
[0050]
[0051] 需要說明的是，陣列波導(dǎo)光柵可為非良導(dǎo)體材料的波導(dǎo)；或者，所述陣列波導(dǎo)光柵 為非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體材料的波導(dǎo)。
[0052] 舉例來說，所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為：所述非良材料表面覆蓋一層金屬。例 如，娃的表面覆蓋一層銀；娃的表面覆蓋一層金；二氧化娃的表面覆蓋一層銀；或者，二氧 化娃的表面覆蓋一層金。
[0053] 前述的非良導(dǎo)體材料可為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。該電介質(zhì)可為二氧化娃、二 氧化鈦或氧化鎵；半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物，（例如，磷化銦或氮化鎵 等）。
[0054] 本實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感，且對(duì)加工工藝要求低， 結(jié)構(gòu)中需加工的最小線寬可以彡200nm，因此采用目前已經(jīng)普及商用的中低端0. 18 μπι微 納加工工藝即可完成批量加工生產(chǎn)，從而具有低成本的特點(diǎn)，在集成光電子領(lǐng)域具有很高 的應(yīng)用價(jià)值。
[0055] 為更好的說明前述的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)，下面對(duì)陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過 程/設(shè)計(jì)方法說明如下。
[0056] 圖1所示的輸入星形耦合器1有N個(gè)輸入端口及Q個(gè)輸出端口，N個(gè)輸入端口作為 陣列波導(dǎo)光柵的輸入端口，依次編號(hào)為I1,12…L，Q個(gè)輸出端口與陣列波導(dǎo)中的輸入端 對(duì)應(yīng)連接；輸出星形耦合器3有Q個(gè)輸入端口及M個(gè)輸出端口，Q個(gè)輸入端口與陣列波導(dǎo)中 的輸出端 對(duì)應(yīng)連接，M個(gè)輸出端口作為陣列波導(dǎo)光柵的輸出端口，依次編號(hào)為O 1, (V·· 〇Μ;
[0057] 陣列波導(dǎo)2由Q根光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波導(dǎo)組成，依次編號(hào)為A1, Atj，且其中所 有或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)組合而成。
[0058] 若輸入和輸出星形耦合器都采用羅蘭圓結(jié)構(gòu)構(gòu)建，并用分別表示陣列 波導(dǎo)中任意兩根相鄰波導(dǎo)的光程長(zhǎng)。以第~與六1+1根波導(dǎo)為例說明，則從任一輸入端口 In 經(jīng)八;與A i+1傳輸至任一輸出端口（^的信道工作波長(zhǎng)λ由光程差A(yù)OL Mf描述：
[0059]
[0060] 公式⑴中上標(biāo)I，II分別表示陣列波導(dǎo)中用到的兩種類型的波導(dǎo)，上標(biāo)FPR表示 星形耦合器（輸入星形耦合器和輸出星形耦合器）的自由傳輸區(qū)域。d a為星形耦合器自由