CN1234032C - 用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅。它包括集成波导芯片、反射镜组件，所说集成波导芯片具有输入波导、输出波导、平板波导区、阵列波导区，反射镜组件具有反射镜装置、可调装置。本发明通过提供阵列波导区的反射镜，构成一种结构紧凑的阵列波导光栅，输入输出波导在同一侧，只需要一个平板波导区和长度更短的阵列波导区。通过调整反射镜与阵列波导区之间的倾角，可以达到改变中心波长的作用。通过对反射镜支架的设计可以实现对器件热效应的补偿，并且可以实现一定范围的中心波长调谐。
Description
技术领域
本发明涉及具有阵列波导区可调反射镜的阵列波导光栅，尤其涉及一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅。
背景技术
阵列波导光栅是一种色散光学器件，可用于对一组具有不同波长的光学远程通信信道进行多路复用和解复用。图1中示意了一种通常的阵列波导光栅实例，该阵列波导光栅是一在硅或其它类似材料基底上形成的集成光波导器件。通常的阵列波导光栅的波导包括一个或多个并列的输入波导4，用于将混合多个波长信道λ1到λn的多路复用信号传播到第一个平板波导区5，平板波导区通常是一个星型耦合区或其它类似区域。平板波导区5与阵列波导区6相连，将输入信号分配给阵列波导区的多根波导，这些波导构成光栅。每一根波导都具有不同的光学长度，相邻波导的光学长度按照与中心波长有关的一恒定值增减，并且从光栅的一侧到另一侧的波导长度逐步递增。与阵列波导另一端相连的是另一个平板波导区7，在第二平板波导区7会出现由波导阵列光栅区6引入的相对相位差所导致的干涉。波导光栅的色散使信号光的不同波长物理上分开，并且聚焦到第二平板波导区7的输出平面上，并且将分开的波长耦合进与第二平板波导区相连的多个输出波导中。不同中心波长的输出信号对应于不同的输出波导8位置，从而实现了将不同波长信号从空间分开的功能。利用光路互逆原理，阵列波导光栅既具有多波长光信号复用功能也具有多波长光信号解复用的功能。各个波长信道的中心波长和间隔取决于阵列波导光栅波导的几何形状和形成光栅的阵列波导的有效折射率。
图1给出的是阵列波导光栅的常规形式，其阵列波导6及其相连的平板波导区7、8在结构上左右对称，输入波导4、输出波导8分别处于器件的两侧。这种结构存在器件体积较大，器件封装复杂，输入光纤1、输出光纤10难以从同一侧引出等问题。本发明认为通过在阵列波导区中心对称线上引入一个反射装置，可以提供一种结构紧凑的阵列波导光栅解决以上问题。
形成阵列波导光栅的波导结构的材料通常采用SiO2或其它类似材料。由于这些材料的折射率随着温度的变化而变化，因此导致阵列波导光栅的光传输中心波长随温度变化而漂移。例如，当温度在摄氏-5度到60度之间变化时，采用常规参数制造的阵列波导光栅的中心波长漂移达到0.6nm以上，这对应用在密集波分复用***中要求的阵列波导光栅是绝对不能接受的。本发明认为能够消除温度对中心波长的影响对阵列波导光栅的应用是至关重要的。
同时原有设计的输入、输出波导的位置是固定的，而生产过程所能控制的波导参数的精度不足以将中心波长设置在所需的容差范围内，这对阵列波导光栅的生产和应用带来了极大的困难。本发明认为应该在阵列波导光栅的内部提供一种可调的部分，以便提供调整的灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅。
它包括集成波导芯片、反射镜组件，所说集成波导芯片具有输入波导、输出波导、平板波导区、阵列波导区，反射镜组件具有反射镜装置和由两种不同膨胀系数材料的第一支架和第二支架构成的可调装置；可调装置的第一支架和第二支架与反射镜装置相连；输入波导至少一个包括多个与输出波导位于集成芯片的同一侧；阵列波导区，其相邻波导之间的长度差只有常规阵列波导光栅的一半，阵列波导区一端与平板波导区相连，另一端与芯片边缘相连；反射镜装置与阵列波导区相连的芯片边缘端相邻。
本发明的优点：
(1)本发明在阵列波导区引入一个可调反射镜，其可调结构随温度变化引起反射镜的倾斜，完全消除温度对信道中心波长的影响。
(2)本发明通过在阵列波导区中心对称线上引入一个反射装置，可以提供一种结构紧凑的阵列波导光栅型的密集波分复用器/解复用器，其面积小于常规阵列波导光栅芯片的面积。由于器件无需加入温控部分，因此其体积大大小于常规阵列波导光栅器件。
(3)本发明提出的一种阵列波导光栅，其输入、输出波导处于芯片的同一边，因此在器件封装时输入输出可以共用一个光纤阵列，熟悉本领域的技术人员知道这样能够为器件封装带来极大的方便。
(4)同时原有设计的输入、输出波导的位置是固定的，而生产过程所能控制的波导参数的精度不足以将中心波长设置在所需的容差范围内，这对阵列波导光栅的生产和应用带来了极大的困难。本发明提出的一种阵列波导光栅在阵列波导区引入一个可调反射镜，为阵列波导光栅的内部提供一种可调的部分，实现对中心波长的灵活调整。
(5)通过在可调支架上设置压电陶瓷片可以实现较大范围的中心波长可调的阵列波导光栅。
附图说明
图1是现有技术的阵列波导光栅的示意图；
图2是本发明的阵列波导光栅的示意图；
图3是本发明实现补偿热效应的原理示意图；
图4是本发明可调谐AWG的实施例示意图；
图5是阵列波导区的波导出口形状的改进示意图。
具体实施方式
用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅，它包括集成波导芯片3、反射镜组件，所说集成波导芯片具有输入波导4、输出波导8、平板波导区5、阵列波导区6，反射镜组件具有反射镜装置11和由两种不同膨胀系数材料的第一支架13和第二支架14构成的可调装置；可调装置的第一支架13和第二支架14与反射镜装置11相连；输入波导4与输出波导8位于集成芯片3的同一侧；阵列波导区6，其相邻波导之间的长度差只有常规阵列波导光栅的一半，阵列波导区一端与平板波导区相连，另一端与经过端面抛光、镀增透膜处理的芯片边缘15相连；反射镜装置11与阵列波导区6相连的芯片边缘端15相邻。
所说平板波导区只有一个且同时与输入、输出波导以及阵列波导区相连。可调装置由两种不同膨胀系数材料的支架构成。可调装置在支架上至少安装一个压电陶瓷片。阵列波导区出口形状为V形。
本发明业已发现通过在阵列波导区中心对称线上引入一个可调的反射装置，可以提供一种结构紧凑的阵列波导光栅型的密集波分复用器/解复用器，其芯片制造、器件封装更为简单，能减少温度对中心波长的影响，并能实现中心波长可调谐的阵列波导光栅。本发明同时提供了这一器件的制作方法。
将含有多个波长信道的光学信号传输进输入波导4，经过平板波导区5和阵列波导区6，信号光由波导从芯片边缘15发射出来，再经过反射元件11反射，再次返回阵列波导区6，然后再次经过平板波导区5和输出波导8实现多波长信号的解复用。由阵列波导光栅的光栅方程
λ0＝neffΔD/m
可知，阵列波导光栅的中心波长λ0由阵列波导6的有效折射率neff，阵列波导区相邻波导间长度差ΔD，以及光栅级数m决定。本发明提供了这样一种阵列波导光栅器件，它包括安装在同一基板12上的两个部分：
(1)集成波导芯片3，在硅或其它基底材料上通过沉积、光刻、刻蚀或者扩散等各种方法形成的阵列波导光栅集成光学芯片，该芯片包括：
——输入波导4，其作用是与外部光纤相连将光信号引入到平板波导区；
——输出波导8，与输出波导处于芯片的同一侧，其作用是将相分离的聚焦在平板波导区的不同波长光信号引出到外接光纤上；
——平板波导区5，同时与输入波导、输出波导以及阵列波导相连，其作用一方面将输入信号分配给阵列波导区的多根波导，另一方面阵列波导区反射回来的产生了相位差的光信号在这一波导区发生干涉，并将不同波长的信号聚焦在与输出波导相连的平面上；
——阵列波导区6，其一端与平板波导区相连，另一端为芯片的边缘，其相邻波导间长度差只有常规阵列波导光栅阵列波导长度差的一半，其作用同样是使不同的波导中传播的信号光产生相位差，通过在平板波导区发生干涉使不同波长的信号光物理上分开；
(2)反射镜组件，它包括：
——反射镜装置11，此装置相邻设置在与阵列波导区相连的芯片边缘端；
——可调装置13、14，与反射镜相连，产生适当的转动量以达到调节中心波长的目的。
最佳的是，可以利用可调反射镜装置与温度有关的调节量补偿集成器件的热效应；同时，由于输入、输出波导处于芯片的同一边，因此在器件封装时输入输出可以共用一个光纤阵列，熟悉本领域的技术人员知道这样能够为器件封装带来极大的方便。
为实现本发明的这些目的，我们给出这种阵列波导型密集波分复用器/解复用器的制造方法，其阵列波导区相邻波导间长度差只有通常阵列波导光栅阵列波导长度差的一半，并且阵列波导将信号光直接通过与其垂直的芯片边缘输出到芯片之外，为了达到更好的光学性能，可以对这一芯片边沿进行适当的光学处理，例如端面抛光、镀增透膜等。为了减少损耗，安置在与阵列波导区相连的芯片边缘端的可调反射镜要尽量靠近芯片，但须保留适当距离，使得反射镜能够适当倾斜以达到足够大的中心波长调节量。熟悉本领域的技术人员知道，为了得到这种阵列波导光栅的更佳性能，需要对平板波导区以及阵列波导区的形状进行更合理的设计改变。
图2展示了本发明的一种实施例的示意图，集成波导芯片3包括一输入波导4，平板波导区5，阵列波导区6以及输出波导8。阵列波导区6的一端被切割为芯片的边缘，为了降低损耗对这一端面进行抛光镀膜(增透膜)处理，形成光学端面15，反射镜组件包括镜面镀层反射元件11以及支架13、支架14，分别由两种不同热膨胀系数材料构成。集成波导芯片3与反射镜组件被固定在同一个基底12上。从图2中可以看出，输入波导4、输出波导8可以共用一个光纤阵列9进行封装。当反射元件11与芯片边缘15之间的倾斜角度发生变化时阵列波导区相邻波导之间的长度差随之变化，从而导致AWG的中心波长产生移动。当温度变化时，构成光波导的材料由于热光效应其折射率会发生变化，由前面的公式可知AWG的中心波长会发生漂移。而通过改变反射元件11与芯片边缘15之间的倾斜角度，即改变阵列波导区相邻波导间长度差ΔD，可以补偿因温度变化导致的中心波长的漂移。
图3示出了反射镜组件实现温度补偿的简单原理。本发明提供了一种通过调节集成波导芯片3与反射镜组件之间倾斜角度的方法来补偿阵列波导光栅器件由于温度变化而产生的中心波长漂移。图3示出了反射组件温度补偿的简单原理。反射镜组件中的可调装置由支架13、支架14构成，两个支架分别由两种不同热膨胀系数材料构成，当温度升高时，两支架会产生一定的长度差导致反射元件11与芯片边缘15之间的倾角发生变化。相反，当温度降低时倾角会发生相反方向的变化。选择不同热膨胀系数的材料以及调整两支架之间的距离，可以改变倾角随温度的变化的关系，从而完全满足补偿器件温度变化导致中心波长漂移的需要。图3为了清楚地显示温度补偿的原理，放大了反射元件11与芯片边缘15之间的倾角变化。实际应用中，补偿温度变化所需的倾角变化时非常小的，按照一般阵列波导光栅的设计参数，中心波长1nm的调节量对应的倾角变化小于0.06°，因此这种调节不会带来器件***损耗的变化。
对器件生产容差的补偿是基于同样的原理。由于生产的容差，信道的中心波长往往不能与输出波导8的中心波长相对准，这就产生了所谓的中心波长漂移，而且这种漂移会因器件而异。本发明提到集成波导芯片3与反射镜组件被固定在同一个基底12上，因此只需要在安装芯片3和反射镜组件时适当调节两者之间的倾斜角度就可以实现中心波长的对准。
图4是本发明实现可调谐阵列波导光栅的实施例示意图。如图中所示，反射镜组件中图2所示的支架13、14上增加两个压电陶瓷片构成的电压可调机构16、17，当改变施加在压电陶瓷片16、17上的电压时，两个支架的长短会在一定范围内改变，从而导致芯片3和反射镜组件之间角度发生改变，进而调节阵列波导光栅的中心波长。为了实现较大范围的调节，可以对阵列波导区6与反射镜11相接的波导出口进行改进。
图5所示，将阵列波导区6的波导出口形状改为V形18，可以减少中心波长在较大范围调节时器件***损耗的变化量。
Claims (3)
1.一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅，其特征在于：它包括集成波导芯片(3)、反射镜组件以及固定两者的基片(12)，所说集成波导芯片具有输入波导(4)、输出波导(8)、平板波导区(5)、阵列波导区(6)，反射镜组件具有反射镜装置(11)和由两种不同膨胀系数材料的第一支架(13)和第二支架(14)构成的可调装置；可调装置的第一支架(13)和第二支架(14)与反射镜装置(11)相连；输入波导(4)与输出波导(8)位于集成芯片(3)的同一侧；阵列波导区(6)，其相邻波导之间的长度差只有常规阵列波导光栅的一半，阵列波导区一端与平板波导区相连，另一端与芯片边缘(15)相连；反射镜装置(11)与阵列波导区(6)相连的芯片边缘端(15)相邻。
2.根据权利要求1所述的一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅，其特征在于：所说平板波导区(5)只有一个，平板波导区(5)的一端与输入波导(4)以及输出波导(8)相连，平板波导区(5)的另一端与阵列波导区(6)相连。
3.据权利要求1所述的一种用于在空间上将多个波长信道的光信号分开的阵列波导光栅，其特征在于：所说阵列波导区出口形状为V形(18)。
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