阵列波导光栅及可调色散补偿器研究

摘要

本论文根据波导阵列光栅(Arrayed Waveguide Grating,简称AWG)近年来具有往低成本、无热封装、以及基于AWG的可调色散补偿器(Tunable Optical Dispersion Compensator,TODC)的方向发展的趋势,着重进行了如下几个方面的研究,并取得了如下创新性的成果:
　　进行了低成本曲线型切割AWG有热稳定封装技术研究。通过理论分析与实验的方法研究了AWG芯片受加热片、受封装盒线膨胀系数与AWG芯片或带装光纤之间的不同导致的热应力。本论文提出了一种通过在加热片与曲线AWG芯片接触面之间使用导热硅脂、在AWG芯片周围用硅橡胶将其贴到加热片上的方法减小加热片对AWG芯片的应力,并通过在加热片下贴一块高硼硅玻璃片将AWG上的带状光纤固定到该玻璃片上的方案极大低降低了封装盒对AWG芯片的应力,同时又保证了AWG芯片不受通过带状光纤传递过来的来自封装盒外的外力的影响。实验表明环境温度在-20～65℃范围内变化时使用本方案封装的AWG热应力引起的中心波长变化典型值为5pm。
　　进行了新型无热AWG研究。本论文提出一种新型无热AWG方案:在两条线膨胀系数较大的材料上贴两片平整的基片A与B,将曲线切割的AWG芯片沿着输入平板波导且垂直于光传输方向切断为A、B两个部分并分别贴在这些基片上,利用补偿杆的热胀冷缩导致的AWG芯片各个部分之间的相对运动来实现无热AWG。本方案的特点是使用的补偿杆本身比较稳定,不易产生弹性形变,封装的无热AWG不易受外力的影响,而且可以在封装过程中通过在曲线型AWG芯片上施加外力改变AWG芯片的中心波长,用以补偿贴AWG芯片以及其它操作中使用的夹具应力、胶的应力的释放引起的AWG中心波长的漂移并精确调整波长。实验结果表明,可以在-5～70℃环境温度范围内实现波长温度系数为-0.79pm/℃的无热AWG。
　　进行了新型小尺寸AWG芯片设计研究。本论文提出了一种新型的小尺寸低折射率差硅基二氧化硅AWG芯片的设计方案,该方案通过将输出波导与AWG输出平板连接的部分制作成高折射率差的空气槽波导,从而缩减AWG芯片尺寸。该方案优点是除输出波导与AWG输出平板波导连接的部分制作成高折射率差的空气槽波导外,其余各处的波导均为低折射率差波导,这就保留了低折射率差波导与普通单模光纤之间的低耦合损耗的特性,以及阵列波导低相位误差的特性。设计结果表明可以在一个6英寸的硅片上加工并切出49个40通道100GHz间隔的AWG芯片——是常规曲线切割AWG的2倍左右。
　　本论文提出了一种新型的单片集成的基于AWG的TODC的设计方案:将AWG中输出波导与输出平板波导连接的部分制作成高折射率差的空气槽波导以获得相邻输出波导光谱中心波长差很小的AWG,并将AWG输出波导分成若干组,每组中各个输出波导均利用热光效应改变该波导中的光信号的相位,实现多通道同时或独立可调TODC功能。模拟结果显示多通道独立可调TODC可以实现-402～402ps/nm的色散补偿能力,设计的多通道同时可调TODC可以实现-783～783ps/nm的色散补偿能力。同时提出了一种超低群时延抖动的级联TODC方案,模拟结果表示在色散补偿范围为-776～776ps/nm内时,级联的TODC的群时延抖动的峰-谷值小于0.9ps。

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1 绪论

1.1 本课题的意义

1.2 AWG 研究概况及发展趋势

1.3 课题来源与资助情况

1.4 本论文主要工作

2 曲线切割 AWG 封装工艺研究

2.1 AWG 基本原理

2.2 曲线 AWG 的一般封装技术研究

2.3 曲线型 AWG 芯片受加热片影响的热应力

2.4 曲线型 AWG 受封装盒影响的应力

2.5 超低热应力曲线 AWG 封装方案

2.6 本章小结

3 无热曲线型 AWG 研究

3.1 无热 AWG 基本原理

3.2 新型无热 AWG 的基本原理

3.3 新型无热 AWG 样品制作与实验结果

3.4 分析与讨论

3.5 本章小结

4 新型紧凑型 AWG 芯片的设计

4.1 新型紧凑型 AWG 原理

4.2 带空气槽平坦型 AWG 的设计

4.3 应力分析

4.4 结构设计

4.5 本章小结

5 基于空气槽 AWG 的光可调色散补偿器

5.1 单片集成 TODC 原理

5.2 设计参数分析

5.3 应用设计举例

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究内容总结以及相关贡献

6.2 下一步研究方向

致谢

参考文献

附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录 2 攻读博士学位期间申请专利目录

附录 3 攻读学位期间获奖情况