CN1402070A

CN1402070A - 温度不敏感型阵列波导光栅

Info

Publication number: CN1402070A
Application number: CN02139128A
Authority: CN
Inventors: 朱大庆; 许振鄂; 陆冬生
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-03-12

Abstract

温度不敏感型阵列波导光栅，属于光通信器件，特别涉及波长路由器和用于光通信和计算机网络的光复用/解复用器等光子器件。本发明通过在波导芯片上直接覆盖温度性能与波导材料不同的材料，使器件的温度特性得到改进，并大大简化制作工艺。其自下而上包括衬底、下包层、芯层和温度补偿层，芯层材料折射率随温度变化系数为正；温度补偿层折射率随温度变化系数为负，可在温度补偿层和芯层之间设缓冲层，增加设计的灵活性；还可在温度补偿层和缓冲层之间再加一盖层，改善器件的偏振相关性。本发明的器件能用在探测器、激光器、多路复用/分解器、加/减过滤器、1×N和N×1分离器、N×N阵列中。

Description

温度不敏感型阵列波导光栅

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，特别涉及到诸如波长路由器和用于光通信和计算机网络的光复用/解复用器等光子器件。

背景技术

阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)是一种能用来合成和分离不同波长光能的光子器件，它从输入口到输出口有选择性地通过特定波长的光。当用来通过从几个入口和/或到几个出口的不同波长光时，AWG起到光复用器和/或分解器的作用，用来合成和/或分解不同波长的光能量。图1显示了AWG的原理图。输入端口1从一条或更多的输入光纤接受光，通过输入波导2传输到平板波导3，再进入波导阵列4，并沿着波导阵列传输到平板波导5。进入平板波导5的光通过输出波导6传输到输出口7，再传到一条或多条出口光纤。AWG设计为波导阵列中任意两相邻波导之间的长度差都是相同的，一般为某个波长的整数倍，该波长称为AWG的中心波长。这样，从特定输入波导2进入平板波导3的特定波长的光将聚集在平板波导5输出端的特定位置，即特定波长的光在特定的输出波导上相干加强，在所有其它输出波导上相干抵消，且在特定输出波导上，其它波长的光将不会聚集。因此AWG能用作波长滤波器。目前商用AWG一般采用在一块石英或硅的厚衬底上做成的石英波导制作。

实际应用中，AWG必须能在一个相当宽的温度范围内有效的工作。因此，要求AWG的工作特性在一定的温度范围内变化不大。由于热膨胀和折射率的变化，温度的变化导致阵列中波导的光程长度的变化。由于阵列中不同波导有不同的长度，不同波导的光程以不同的数量变化。当温度变化时，它就会使AWG的中心波长发生漂移，影响其工作，在目前的商用AWG中，采用昂贵的温度控制器来稳定其工作温度，不但增加了成本，且需要长期供电，严重阻碍了AWG的广泛应用。因此，温度不敏感型AWG得到广泛重视，但大多温度不敏感型AWG的设计由于需要复杂的加工工艺，最终证明是不能令人满意的。专利号为6118909的美国专利，利用在波导芯片上特定区域上覆盖特定形状(如三角形、梯形等)性能与波导材料不同的材料(如聚合物材料)，使得AWG的温度敏感性大大降低。该专利与其它技术相比，简化了温度不敏感型AWG的制作工艺，但仍需要进行多次刻蚀。

发明内容

本发明所提出的温度不敏感型阵列波导光栅(AWG)，通过在波导芯片上直接覆盖温度性能与波导材料不同的材料，使器件的温度特性得到改进，并大大简化了温度不敏感型AWG的制作工艺。

本发明的一种温度不敏感型阵列波导光栅，包括波导芯层及聚合物材料，其特征在于其自下而上包括衬底、下包层、芯层和温度补偿层，所述芯层由半导体材料构成，其折射率随温度变化系数为正；芯层上复盖聚合物材料构成的温度补偿层，其折射率随温度变化系数为负；其中芯层宽度W、高度H以及芯层、温度补偿层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度的变化为负。

所述的温度不敏感型阵列波导光栅，所述温度补偿层与芯层和下包层之间可以设有厚度为T的缓冲层；其折射率可与下包层相同，其中芯层宽度W、高度H、缓冲层厚度以及温度补偿层、缓冲层、芯层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度变化为负。

所述的温度不敏感型阵列波导光栅，所述温度补偿层和缓冲层之间还可以设有厚度为S的盖层，其材料与衬底具有相近的膨胀系数，其中芯层宽度W、高度H、缓冲层厚度T、盖层厚度S以及温度补偿层、缓冲层、芯层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度变化为负。

本发明的温度不敏感型AWG在制作时，在刻蚀好波导结构后，把温度补偿层覆盖到芯片上，使得波导的有效折射率随温度的变化是负的，通过调节波导的宽度W、高度H和温度补偿层聚合物的折射率，能够补偿因温度增加产生的波导长度变化对相位的影响，从而提高器件的温度无关性。

所述的温度不敏感型AWG在制作时，可在上述的温度补偿层和波导之间有一层缓冲层，增加设计的灵活性。通过调节波导的宽度W、高度H、缓冲层厚度T和温度补偿层聚合物的折射率，使得波导的有效折射率随温度的变化是负的，能够补偿因温度增加产生的波导长度变化对相位的影响，从而提高器件的温度无关性。

所述的温度不敏感型AWG在制作时，还可在上述的温度补偿层和缓冲层之间再加一盖层，以改善AWG器件的偏振相关性。同样，能够使得波导的有效折射率随温度的变化是负的，能够补偿因温度增加产生的波导长度变化对相位的影响，从而提高器件的温度无关性。

本发明是通过改变波导的截面结构来提高装置的温度无关性。更一步理解，除了波长路由器外，此发明的原理能运用到有不同长度的多波导的光装置。依据这项发明设计的器件能用在探测器、激光器、多路复用/分解器、加/减过滤器、1×N和N×1分离器、N×N阵列中。这些器件能被任何合适的材料制作，包括在波导中用其它的半导体(如Si、InP和GaAs)代替SiO2，或用有负的dn/dT性质的其它材料代替聚合物。不同器件能设计成以包括可见光和微波在内的不同波长范围内工作。

附图说明

图1为常用AWG的原理图；

图2为本发明的一种波导横截面的示意图；

图3为加有缓冲层的波导横截面示意图；

图4为加有盖层的波导横截面示意图。

具体实施方式

图2、3和4显示了在一个AWG中每一根波导截面的原理说明。

图2的实施例中，波导包含一个在衬底8上的下包层9、芯层10和温度补偿层11。衬底材料可以是石英或硅材料，芯层为石英材料，它们的折射率随温度的变化系数是正数，而作为温度补偿层的聚合物材料的折射率随温度变化系数是负数。在特定的设计下，在一定的温度范围内本发明的波导结构的有效折射率随温度的变化系数为负数。定义P＝nL，n是波导有效折射率折射率，L是光在材料中传播的距离。有dP/dT＝Ldn/dT+ndL/dT。膨胀系数α＝(1/L)dL/dT，则dP/dT＝Ldn/dT+nLα＝P(1/ndn/dT+α)。当dP/dT＝0时，温度得到补偿。此时dn/dT＝-nα。对于石英和硅材料，总有α＞0。因此，在特定设计下，根据波导设计理论，通过数值方法解麦克斯韦方程，可以得到合适的波导的尺寸W和H及图2中所有层的折射率，使得本发明的AWG在一定温度范围内对温度不敏感。例如，当AWG的中心波长为1550nm时，采用石英衬底，厚500μm；下包层为15μm厚的石英，折射率为1.445；波导层采用折射率为1.454的石英，波导宽5μm，高6μm；石英都采用相同的正的折射率随温度变化系数dn/dT和线膨胀系数αT，数值分别为1.1×10^-5/K和＝5.5×10^-7/K；为了补偿温度引起的中心波长漂移，温度补偿层采用折射率为1.44的聚合物材料，其折射率随温度变化系数为负值，即dn/dT＝-1.1×10^-4/K，温度补偿层厚度为15μm，通过有限差分的方法，计算出温度变化为0～50度时最大的中心波长漂移小于0.03nm，而无温度控制的普通AWG在相同条件下的温度漂移为0.78nm。

在图3的结构中，在温度补偿层11和芯层10之间加一缓冲层12，缓冲层的材料可以为石英材料，其折射率可与下包层相同，厚度为T。在特定的设计下，例如选择波导的尺寸W和H、缓冲层及图3中所有层的折射率，本发明的AWG在一定温度范围内对温度不敏感。如采用与图2实施例相同的参数，缓冲层厚度为0.32μm，在0～50K的温度变化范围内，计算得到的最大波长漂移量小于0.03nm。

在图4的结构中，在温度补偿层11和缓冲层12之间加一盖层13，其材料一般具有与衬底相近的膨胀系数，可以用来改善AWG的偏振相关性，其厚度为S。在特定的设计下，本发明的AWG在一定温度范围内对温度不敏感。如采用与图2实施例相同的参数，缓冲层厚度为0.1μm，盖层厚度为0.3μm时，在0～50K的温度变化范围内，计算得到的最大波长漂移量小于0.05nm。

Claims

1.一种温度不敏感型阵列波导光栅，包括波导芯层及聚合物材料，其特征在于其自下而上包括衬底、下包层、芯层和温度补偿层，所述芯层由半导体材料构成，其折射率随温度变化系数为正；芯层上复盖聚合物材料构成的温度补偿层，其折射率随温度变化系数为负；其中芯层宽度W、高度H以及芯层、温度补偿层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度的变化为负。

2.如权利要求1所述的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于所述温度补偿层与芯层和下包层之间设有厚度为T的缓冲层；其折射率可与下包层相同，其中芯层宽度W、高度H、缓冲层厚度以及温度补偿层、缓冲层、芯层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度变化为负。

3.如权利要求2所述的温度不敏感型阵列波导光栅，其特征在于所述温度补偿层和缓冲层之间设有厚度为S的盖层，其材料与衬底具有相近的膨胀系数，其中芯层宽度W、高度H、缓冲层厚度T、盖层厚度S以及温度补偿层、缓冲层、芯层和下包层折射率根据波导设计理论通过数值方法解麦克斯韦方程确定，使得波导的有效折射率随温度变化为负。