CN1794026A - 基于应力补偿的无热阵列波导光栅 - Google Patents

Abstract

一种基于应力补偿的无热阵列波导光栅，它包括AWG芯片和粘贴在其上的金属板，其特征在于：所述的金属板是单层金属板，金属板的热膨胀系数大于衬底硅的热膨胀系数，在高于AWG工作的环境温度中，将单层金属板粘贴在AWG芯片上。采用上述的结构得到无热的AWG性能，具有应力板加工和制作简单，成本低，阵列波导光栅可靠性和重复性好，有利于批量生产。

Description

基于应力补偿的无热阵列波导光栅

                       技术领域

本发明属于光通讯器件。

                       背景技术

光密集波分复用(DWDM)系统已经成为包括中国在内的世界各国光纤网络建设的主要方案。复用器和解复用器是DWDM系统中的关键器件，目前能够完成此功能的器件主要包括阵列波导光栅(AWG)，薄膜滤光片和光纤光栅。从目前市场、技术和成本上来看，AWG在16通道以上的DWDM系统中占绝对主导地位，薄膜滤光片在16通道以下占有市场。

国际电信联盟(ITUI)对光纤通信系统的波长进行了规定，因此AWG的各个通道的光信号波长必须与ITUI规定的波长一致。基于平面光波导技术的AWG，由于具有热光效应，折射率随温度的变化而改变，从而导致AWG的各个输出通道的波长随温度变化。为了稳定信道波长，需要一个加热器或Peltier制冷器来控制温度。这不仅需要持续的功率消耗和电控制回路，带来成本上的增加，而且对AWG本身的稳定性也有一定的影响。为了解决这个问题，人们提出了许多AWG温度不敏感(又称无热AWG)的方案，主要有：基于高分子聚合物(POLYMER)填充和输入波导移动的方法等。上述方法制作工艺复杂，不利于批量生产。而且由于改变了AWG的结构，对AWG性能造成一定的影响。也有人采用双金属应力板方法来实现无热AWG。

双金属应力板方法：当给二氧化硅材料施加应力时，其折射率要变化。当施加张应力时，折射率要变小，压应力时折射率变大。在AWG的背面粘贴一块应力金属板，这种应力板一般由热膨胀系数不同的两块金属板粘接或者按照一般比例锻压而成。在AWG的背面粘贴上这种设计好的应力板后，在常温状态下，应力板处于膨胀状态，给AWG施加一定的张应力，当温度升高时，应力板给AWG施加的张应力就越大，导致其折射率变小，补偿二氧化硅正的热光系数带来的折射率的升高，从而稳定了AWG各个通道的波长。对于锻压的双金属应力板而言，是由不同热膨胀系数的两种金属材料按照一定的比例构成。根据AWG的结构设计不同尺寸的应力板时，需要不同比例的两种金属材料。因此这种双金属应力板加工和制作复杂，成本较高。对于不同热膨胀系数的金属相互粘贴构成的应力板而言，设计不同尺寸的应力板时，两块金属相互粘贴的位置不同，粘贴温度不同。而且这种应力板与AWG粘贴的位置和粘贴温度对构成的无热AWG的性能也有一定的影响。因此这种方法的双金属应力板制作工序太多，可靠性和重复性难以控制，不利于批量生产。

还有其它的一些方案，仅限于少量文献报道，因制作难道较大，很少被采用。

                      发明内容

本发明的目的在于提供一种基于应力补偿的无热阵列波导光栅，它具有应力板加工和制作简单，成本低，阵列波导光栅可靠性和重复性好，有利于批量生产。

本发明的技术方案是：一种基于应力补偿的无热阵列波导光栅，它包括AWG芯片和粘贴在其上的金属板，其特征在于：所述的金属板是单层金属板，金属板的热膨胀系数大于衬底硅的热膨胀系数，在高于AWG工作的环境温度中，将单层金属板粘贴在AWG芯片上。采用上述的结构得到无热的AWG性能。

如上所述的光栅，其特征在于：所述的金属板的金属是铜，铝，铁。

如上所述的光栅，其特征在于：粘贴温度为85-200度。

如上所述的光栅，其特征在于：应力板在衬底下方或波导上方。

如上所述的光栅，其特征在于：金属板的厚度为0.1-5mm，形状包括长方形、正方形、菱形、三角形和各种不规则形状。

这种结构的工作原理具体描述如下。

普通AWG的中心波长λ满足：

$\mathrm{\λ}=\frac{n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}{m}\·\·\·\left(1\right)$

其中n_eff为波导的有效折射率，ΔL为相邻阵列波导的长度差，m是衍射量级。在公式(1)中对温度进行微分，得到AWG中心波长的温度敏感性方程为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\λ}(\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}}{\∂T}+\frac{1}{\mathrm{\ΔL}}\frac{\∂\mathrm{\ΔL}}{\∂T})\·\·\·\left(2\right)$

由于波导的厚度远远小于衬底的厚度，衬底的结构变化起决定性的作用，因此可以认为

$\frac{1}{\mathrm{\ΔL}}\frac{\∂\mathrm{\ΔL}}{\∂T}\≈{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sub}}$

其中α_sub是AWG衬底材料的热膨胀系数。公式(2)变为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\λ}(\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂T}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sub}})\·\·\·\left(3\right)$

不同材料的衬底，热膨胀系数不同。不同材料的波导，有效折射率随温度的变化不同。由此可以看出，AWG芯片中心波长的温度相关性与组分材料有关。对于硅基二氧化硅波导而言，中心波长的温度相关性约为0.011nm/℃。

对于AWG芯片在高温下粘贴金属板，波导受到应力作用。根据弹光效应(也称压光效应，即折射率与应力的关系)，AWG的中心波长λ是应力σ的函数，中心波长的温度敏感性表示为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\λ}(\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}}{\∂\mathrm{\σ}}+\frac{1}{\mathrm{\ΔL}}\frac{\∂\mathrm{\ΔL}}{\∂\mathrm{\σ}})\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{dT}}+\mathrm{\λ}(\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂T}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sub}})\·\·\·\left(4\right)$

(4)式中右边的前二项是由应力引起的。其中

是波导的弹光效应， $\frac{1}{\mathrm{\ΔL}}\frac{\∂\mathrm{\ΔL}}{\∂\mathrm{\σ}}=\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂\mathrm{\σ}}$ 是应变-应力关系。它们是由AWG波导材料决定的。对于硅基二氧化硅波导而言，弹光效应引起的变化数值小于零，应变-应力关系产生的变化数值大于零；而且前者的绝对值大于后者。对于热膨胀系数大于AWG的衬底的任何金属，在高于AWG工作的环境温度，如100℃，粘贴金属板，应力与温度的变化关系保持正值关系。因此前两项的数值小于零，可以得到中心波长敏感性降低的或者不敏感的AWG。

本发明的优点如下：

1、应力板原材料成本低，易于获取。制作的无热阵列波导光栅经济利润大。

2、应力板制作过程简单，重复性较好，适于批量生产。

3、应力板与AWG的粘贴位置和温度易于控制，重复性和可靠性得到保障。

4、不改变AWG的结构，AWG的性能影响不大。

                      附图说明

图1，本发明实施例的AWG结构示意图。其中，图1b AWG横截面图，衬底1，波导2，单层金属板3。

图2，是图1背面粘贴金属铜板后的波长随温度变化曲线图。

图3，是本发明铝板实施例的波长随温度变化曲线图。

图4，是本发明铁板实施例的波长随温度变化曲线图。

                 具体的实施方式

参见图1a和图1b，本发明实施例的结构如图1a和图1b所示，它包括输入、输出波导，平板波导和阵列波导，单层金属铜板3粘贴在阵列波导2的上方。

在常温下，利用硬胶旋涂在AWG(图1b)的上表面，粘贴1mm厚度，长宽分别为30mm和20mm的铜板，在85℃下烘烤4小时，测得的波长随温度变化曲线见图2。

从图2可以看出粘贴金属板前后波长的温度相关性发生了变化，从0.01nm/℃变为0.00579nm/℃。由于DWDM系统要求波长漂移为0.4nm，上面粘贴铝板的AWG温度可以变化约70度，可以在-5～65℃范围内工作，满足大多数光纤通信系统的需要，实现了无热的要求。

实施例2

金属板为铝板，厚度1mm，长宽分别为50mm和25mm，粘贴温度120度，铝板实施例的波长随温度变化曲线图见图3。

实施例3

金属板为铁板，厚度1mm，长宽分别为50mm和25mm，在120度粘贴，铁板实施例的波长随温度变化曲线图见图4。

本发明不限于上述实施例的范围，可以将下列要素单独或结合使用。

1)采用单层金属板与AWG芯片直接粘贴，金属包括所有热膨胀系数大于AWG衬底材料的所有金属，如铝，铜，铁等，实现无热AWG器件。

2)金属板的各种形状，包括长方形、正方形、菱形、三角形和各种不规则形状。

3)金属板的厚度，包括0.1-5mm。

4)金属板的长度和宽度，包括1mm-100mm。

5)粘贴的胶为硬胶，包括各种材料的硬胶。

6)粘贴温度为大于AWG的工作环境温度，一般在80-200℃。

7)在波导型AWG工作的环境温度变化范围内，波导受到的应力为压应力。

8)粘贴AWG上的方向，包括应力板在衬底的下方和波导的上方。

9)适用于各种衬底，各种波导材料的AWG。

Claims (5)

1、一种基于应力补偿的无热阵列波导光栅，它包括AWG芯片和粘贴在其上的金属板，其特征在于：所述的金属板是单层金属板，金属板的热膨胀系数大于衬底硅的热膨胀系数，在高于AWG工作的环境温度中，将单层金属板粘贴在AWG芯片上。

2、如权利要求1所述的光栅，其特征在于：所述的金属板的金属是铜，铝，铁。

3、如权利要求1或2上所述的光栅，其特征在于：粘贴温度85-200度。

4、如权利要求3所述的光栅，其特征在于：应力板在AWG衬底的下方或AWG波导的上方。

5、如权利要求1或2或4所述的光栅，其特征在于：金属板的厚度为0.1-5mm，形状包括长方形、正方形、菱形、三角形和各种不规则形状。

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