專利名稱：溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到諸如波長路由器和用于光通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的光復(fù)用/解復(fù)用器等光子器件。
實際應(yīng)用中，AWG必須能在一個相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)有效的工作。因此，要求AWG的工作特性在一定的溫度范圍內(nèi)變化不大。由于熱膨脹和折射率的變化，溫度的變化導(dǎo)致陣列中波導(dǎo)的光程長度的變化。由于陣列中不同波導(dǎo)有不同的長度，不同波導(dǎo)的光程以不同的數(shù)量變化。當(dāng)溫度變化時，它就會使AWG的中心波長發(fā)生漂移，影響其工作，在目前的商用AWG中，采用昂貴的溫度控制器來穩(wěn)定其工作溫度，不但增加了成本，且需要長期供電，嚴(yán)重阻礙了AWG的廣泛應(yīng)用。因此，溫度不敏感型AWG得到廣泛重視，但大多溫度不敏感型AWG的設(shè)計由于需要復(fù)雜的加工工藝，最終證明是不能令人滿意的。專利號為6118909的美國專利，利用在波導(dǎo)芯片上特定區(qū)域上覆蓋特定形狀(如三角形、梯形等)性能與波導(dǎo)材料不同的材料(如聚合物材料)，使得AWG的溫度敏感性大大降低。該專利與其它技術(shù)相比，簡化了溫度不敏感型AWG的制作工藝，但仍需要進行多次刻蝕。
本發(fā)明的一種溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，包括波導(dǎo)芯層及聚合物材料，其特征在于其自下而上包括襯底、下包層、芯層和溫度補償層，所述芯層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其折射率隨溫度變化系數(shù)為正；芯層上復(fù)蓋聚合物材料構(gòu)成的溫度補償層，其折射率隨溫度變化系數(shù)為負(fù)；其中芯層寬度W、高度H以及芯層、溫度補償層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度的變化為負(fù)。
所述的溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，所述溫度補償層與芯層和下包層之間可以設(shè)有厚度為T的緩沖層；其折射率可與下包層相同，其中芯層寬度W、高度H、緩沖層厚度以及溫度補償層、緩沖層、芯層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度變化為負(fù)。
所述的溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，所述溫度補償層和緩沖層之間還可以設(shè)有厚度為S的蓋層，其材料與襯底具有相近的膨脹系數(shù)，其中芯層寬度W、高度H、緩沖層厚度T、蓋層厚度S以及溫度補償層、緩沖層、芯層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度變化為負(fù)。
本發(fā)明的溫度不敏感型AWG在制作時，在刻蝕好波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，把溫度補償層覆蓋到芯片上，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度的變化是負(fù)的，通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)的寬度W、高度H和溫度補償層聚合物的折射率，能夠補償因溫度增加產(chǎn)生的波導(dǎo)長度變化對相位的影響，從而提高器件的溫度無關(guān)性。
所述的溫度不敏感型AWG在制作時，可在上述的溫度補償層和波導(dǎo)之間有一層緩沖層，增加設(shè)計的靈活性。通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)的寬度W、高度H、緩沖層厚度T和溫度補償層聚合物的折射率，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度的變化是負(fù)的，能夠補償因溫度增加產(chǎn)生的波導(dǎo)長度變化對相位的影響，從而提高器件的溫度無關(guān)性。
所述的溫度不敏感型AWG在制作時，還可在上述的溫度補償層和緩沖層之間再加一蓋層，以改善AWG器件的偏振相關(guān)性。同樣，能夠使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度的變化是負(fù)的，能夠補償因溫度增加產(chǎn)生的波導(dǎo)長度變化對相位的影響，從而提高器件的溫度無關(guān)性。
本發(fā)明是通過改變波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)來提高裝置的溫度無關(guān)性。更一步理解，除了波長路由器外，此發(fā)明的原理能運用到有不同長度的多波導(dǎo)的光裝置。依據(jù)這項發(fā)明設(shè)計的器件能用在探測器、激光器、多路復(fù)用/分解器、加/減過濾器、1×N和N×1分離器、N×N陣列中。這些器件能被任何合適的材料制作，包括在波導(dǎo)中用其它的半導(dǎo)體(如Si、InP和GaAs)代替SiO2，或用有負(fù)的dn/dT性質(zhì)的其它材料代替聚合物。不同器件能設(shè)計成以包括可見光和微波在內(nèi)的不同波長范圍內(nèi)工作。
圖2的實施例中，波導(dǎo)包含一個在襯底8上的下包層9、芯層10和溫度補償層11。襯底材料可以是石英或硅材料，芯層為石英材料，它們的折射率隨溫度的變化系數(shù)是正數(shù)，而作為溫度補償層的聚合物材料的折射率隨溫度變化系數(shù)是負(fù)數(shù)。在特定的設(shè)計下，在一定的溫度范圍內(nèi)本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率隨溫度的變化系數(shù)為負(fù)數(shù)。定義P＝nL，n是波導(dǎo)有效折射率折射率，L是光在材料中傳播的距離。有dP/dT＝Ldn/dT+ndL/dT。膨脹系數(shù)α＝(1/L)dL/dT，則dP/dT＝Ldn/dT+nLα＝P(1/ndn/dT+α)。當(dāng)dP/dT＝0時，溫度得到補償。此時dn/dT＝-nα。對于石英和硅材料，總有α＞0。因此，在特定設(shè)計下，根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論，通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程，可以得到合適的波導(dǎo)的尺寸W和H及圖2中所有層的折射率，使得本發(fā)明的AWG在一定溫度范圍內(nèi)對溫度不敏感。例如，當(dāng)AWG的中心波長為1550nm時，采用石英襯底，厚500μm；下包層為15μm厚的石英，折射率為1.445；波導(dǎo)層采用折射率為1.454的石英，波導(dǎo)寬5μm，高6μm；石英都采用相同的正的折射率隨溫度變化系數(shù)dn/dT和線膨脹系數(shù)αT，數(shù)值分別為1.1×10-5/K和＝5.5×10-7/K；為了補償溫度引起的中心波長漂移，溫度補償層采用折射率為1.44的聚合物材料，其折射率隨溫度變化系數(shù)為負(fù)值，即dn/dT＝-1.1×10-4/K，溫度補償層厚度為15μm，通過有限差分的方法，計算出溫度變化為0～50度時最大的中心波長漂移小于0.03nm，而無溫度控制的普通AWG在相同條件下的溫度漂移為0.78nm。
在圖3的結(jié)構(gòu)中，在溫度補償層11和芯層10之間加一緩沖層12，緩沖層的材料可以為石英材料，其折射率可與下包層相同，厚度為T。在特定的設(shè)計下，例如選擇波導(dǎo)的尺寸W和H、緩沖層及圖3中所有層的折射率，本發(fā)明的AWG在一定溫度范圍內(nèi)對溫度不敏感。如采用與圖2實施例相同的參數(shù)，緩沖層厚度為0.32μm，在0～50K的溫度變化范圍內(nèi)，計算得到的最大波長漂移量小于0.03nm。
在圖4的結(jié)構(gòu)中，在溫度補償層11和緩沖層12之間加一蓋層13，其材料一般具有與襯底相近的膨脹系數(shù)，可以用來改善AWG的偏振相關(guān)性，其厚度為S。在特定的設(shè)計下，本發(fā)明的AWG在一定溫度范圍內(nèi)對溫度不敏感。如采用與圖2實施例相同的參數(shù)，緩沖層厚度為0.1μm，蓋層厚度為0.3μm時，在0～50K的溫度變化范圍內(nèi)，計算得到的最大波長漂移量小于0.05nm。
權(quán)利要求
1.一種溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，包括波導(dǎo)芯層及聚合物材料，其特征在于其自下而上包括襯底、下包層、芯層和溫度補償層，所述芯層由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其折射率隨溫度變化系數(shù)為正；芯層上復(fù)蓋聚合物材料構(gòu)成的溫度補償層，其折射率隨溫度變化系數(shù)為負(fù)；其中芯層寬度W、高度H以及芯層、溫度補償層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度的變化為負(fù)。
2.如權(quán)利要求1所述的溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述溫度補償層與芯層和下包層之間設(shè)有厚度為T的緩沖層；其折射率可與下包層相同，其中芯層寬度W、高度H、緩沖層厚度以及溫度補償層、緩沖層、芯層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度變化為負(fù)。
3.如權(quán)利要求2所述的溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述溫度補償層和緩沖層之間設(shè)有厚度為S的蓋層，其材料與襯底具有相近的膨脹系數(shù)，其中芯層寬度W、高度H、緩沖層厚度T、蓋層厚度S以及溫度補償層、緩沖層、芯層和下包層折射率根據(jù)波導(dǎo)設(shè)計理論通過數(shù)值方法解麥克斯韋方程確定，使得波導(dǎo)的有效折射率隨溫度變化為負(fù)。
全文摘要
溫度不敏感型陣列波導(dǎo)光柵，屬于光通信器件，特別涉及波長路由器和用于光通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的光復(fù)用/解復(fù)用器等光子器件。本發(fā)明通過在波導(dǎo)芯片上直接覆蓋溫度性能與波導(dǎo)材料不同的材料，使器件的溫度特性得到改進，并大大簡化制作工藝。其自下而上包括襯底、下包層、芯層和溫度補償層，芯層材料折射率隨溫度變化系數(shù)為正；溫度補償層折射率隨溫度變化系數(shù)為負(fù)，可在溫度補償層和芯層之間設(shè)緩沖層，增加設(shè)計的靈活性；還可在溫度補償層和緩沖層之間再加一蓋層，改善器件的偏振相關(guān)性。本發(fā)明的器件能用在探測器、激光器、多路復(fù)用/分解器、加/減過濾器、1×N和N×1分離器、N×N陣列中。
文檔編號G02B6/34GK1402070SQ02139128
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者朱大慶, 許振鄂, 陸冬生 申請人:華中科技大學(xué)