一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器及其制作装置,制作方法和测试方法

摘要

本发明公开了一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器及其制作装置，制作方法和测试方法；本发明详细介绍了波分复用器自身产品的构造，包括：一封装盒，该封装盒内放置一AWG芯片，一与AWG芯片的输入端耦合的单纤，以及一与AWG芯片的输出端耦合的单晶硅光纤阵列，一分别设置于AWG芯片输入端和输出端耦合处的玻璃盖板，该玻璃盖板增加了耦合面积，还包括一温度监控组件，所述温度监控组件包括一温度控制装置和一设置于单纤一侧的至少两个加热驱动器。配合一整套工艺流程，使得制备出来的波分复用器工作带宽波长范围为1528nm-1565nm，波分均匀，性能稳定，偏振等相关损耗低。

说明书

技术领域

本发明涉及光器件的制造领域，尤其涉及一种曲线形有热AWG阵列波导光 栅密集波分复用器及其制作装置，制作方法和测试方法。

背景技术

由于大规模的FTTH网络部署，而我国传统宽带主要采用以ADSL为代表的 铜线宽带技术，很难满足用户日益增加的宽带需求。有热AWG阵列波导光栅密 集波分复用器由于其通道损耗均匀、尺寸小、易于集成、便于批量生产等优点， 同时通过FTTH核心技术PON的不断升级，有热AWG阵列波导光栅密集波分复 用器在光接入网的节点上可以轻松提供1G、2.5G甚至数10G的带宽，每个用 户的接入速率也相应快速提高，是最适合用于大容量的密集波分复用(DWDM) 系统的关键器件。

目前有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器大量的需求量大，但加工精度 与数量存在严重矛盾，虽然经过科学家们多年的摸索，但有热AWG阵列波导光 栅密集波分复用器大规模加工问题一直是密集波分复用(DWDM)系统产能的瓶 颈。基于此，我们通过对光通信行业多年的研究，结合光信息与机械加工技术， 发明研究出该制作装置及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波 分复用器及其制作装置，制作方法和测试方法；本发明详细介绍了波分复用器 自身产品的构造，及其并配合一整套工艺流程，使得制备出来的波分复用器工 作带宽波长范围为1528nm-1565nm，插入损耗的测试波段覆盖这一波段范围的 频谱曲线，所述的工作中心波长为1550nm，波分均匀，性能稳定，偏振等相关 损耗低。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器，包括：

一封装盒，该封装盒内放置一AWG芯片，

一与AWG芯片的输入端耦合的单纤，以及一与AWG芯片的输出端耦合的单 晶硅光纤阵列，

一分别设置于AWG芯片输入端和输出端耦合处的玻璃盖板，该玻璃盖板增 加了耦合面积，

还包括一温度监控组件，所述温度监控组件包括一温度控制装置和一设置 于单纤一侧的至少两个加热驱动器。

一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器的制作装置，包括：

一AWG芯片加工装置，包括一AWG芯片加盖玻璃盖板装置和一AWG芯片固 化及研磨装置；

所述AWG芯片加盖玻璃盖板装置用于增加耦合面积；所述AWG芯片固化装 置将多个AWG芯片均固定于夹层基板上，研磨装置对固化后的AWG芯片同时进 行研磨，

一耦合装置，用于将单纤与AWG芯片的输入端耦合以及将单晶硅光纤阵列 与AWG芯片的输出端耦合，

以及一封装壳体，对测试合格后的产品进行封装。

在本发明的一个优选实施例中，还包括对耦合完毕的AWG芯片进行光纤传 输数据的测试的测试装置，所述测试装置包括：

一样品架，用于放置耦合完毕的AWG芯片，

一ASE宽带光源和一与ASE带宽光源连接的光开关，该光开关与单纤一端 相连，

以及一光谱仪，该光谱仪与单晶硅光纤阵列的一端相连。

在本发明的一个优选实施例中，所述AWG芯片加盖玻璃盖板装置包括：

一装夹平台，所述装夹平台上设置一曲线形凹槽的结构形体，所述曲线形 凹槽的结构形体与AWG芯片的输入/输出端相匹配，

一位于结构形体正上方的定位平台，该定位平台包括垂直装夹平台设置的 二维调节平衡轴，用于精确定位玻璃盖板与AWG芯片的胶层厚度，

以及一位于结构形体一侧的锯齿形对齐平台，用于卡住AWG芯片，提高AWG 芯片装载稳定性。

在本发明的一个优选实施例中，所述耦合装置包括：

一曲线形有热AWG芯片装载平台，用于放置及夹紧AWG芯片，

一输入端CCD光放大器和输出端CCD光放大器，

一与输入端CCD光放大器和输出端CCD光放大器连接的显示器，该显示器 用于显示调节过程中的对准画面，

一设置于AWG芯片输入端一侧的对光组件，所述对光组件包括一光开关， 以及一与光开关连接的可调谐激光光源，

以及一设置于AWG芯片输出端一侧的光功率计，该光功率计用于测量调节 过程中的光功率计读数。

在本发明的一个优选实施例中，所述曲线形有热AWG芯片装载平台包括：

一底座，所述底座包括上层定位台和下层定位台；

所述上层定位台包括一放置AWG芯片的底座槽、一位于底座槽中部的上层 夹紧机构和一位于上层夹紧机构两侧的两个圆形凹槽，所述圆形凹槽与所述下 层定位台固定连接；所述下层定位台由与所述圆形凹槽相衔接的台体与中心支 架构成，

一盖住底座的压板，所述压板同样包括上层板体和下层板体；

所述上层板体采用一整块硬度大、重量轻的板材，且中部设置下层夹紧机 构，与底座上设置的上层夹紧机构配合使用；所述下层板体采用柔软、可塑性 大的板材。

一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器的制作方法，包括以下 步骤：

一AWG芯片耦合步骤，具体如下：

步骤一、AWG芯片的输入端调校；调节与输入端CCD光放大器连接的三维 调节架，使显示器上可以清晰显示单纤端面与AWG芯片输入端端面，

调节输入端六维调节架，使得单纤端面与AWG芯片输入端面达到两边平行 以及侧面平行的位置；

步骤二、AWG芯片的输出端调校；与输出端CCD光放大器连接的三维调节 架，使显示器上可以清晰显示单晶硅光纤阵列端面与AWG芯片输出端端面，

调节输出端六维调节架，使得单晶硅光纤阵列端面与AWG芯片输出端面达 到两边平行以及侧面平行的位置；

上述步骤一和步骤二将单纤输入端波导与AWG芯片输入端波导一一对准， 再将AWG芯片输出端波导与单晶硅光纤阵列的波导一一对准；

步骤三、平衡调节；将输入端CCD光放大器移至单纤端面与AWG芯片输入 端面处，并结合光功率计的读数进行调节；

将输出端CCD光放大器移至单晶硅光纤阵列端面与AWG芯片输出端面处， 同样结合光功率计的读数进行调节；

直至当曲线形有热AWG芯片的输入端和输出端对应的光纤读数都小于规定 的标准值时，点UV胶水同时进行固化；

一测试步骤，用于对耦合完毕的AWG芯片进行光纤传输数据的测试，

一封装步骤，将测试合格后的产品进行封装。

在本发明的一个优选实施例中，在AWG芯片耦合步骤之前还包括一AWG芯 片加工步骤；

步骤一，采用AWG芯片加盖玻璃盖板装置将AWG芯片两端进行加盖玻璃盖 板；

步骤二，将步骤一中的连接有玻璃盖板的AWG芯片利用AWG芯片固化及研 磨装置进行固化和研磨；

固化阶段中，将AWG芯片通过粘结剂热固于夹层基板上，保证夹层基板总 平整度为2-15um，翘曲度为20-50um，且AWG芯片与所述基板之间的粘接胶厚 度小于1um；固化之后，进行8度角研磨。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤二中的研磨分为粗磨过程和抛光 过程，所述粗磨过程采用粉体粒度为10nm-2000nm，分体莫氏硬度为7-9，有 一定晶格形态的研磨粉；所述抛光过程采用粉体粒度为5nm-200nm，分体莫氏 硬度为5-9的抛光粉。

一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器的测试方法，包括以下 步骤：

步骤一、将一根跳线一端连入ASE宽带光源，一端连入光谱仪OPTICAL  INPUT端，进行归零校准；

步骤二、将步骤一中的跳线中心点断开，使用熔接测试的方法，把曲线形 有热AWG阵列波导光栅密波分复用器输入端与输出端分别连接跳线光源端与光 谱仪OPTICAL INPUT端；

步骤三、将光谱仪模式切换为写入模式，然后进行扫描测试；

步骤四、当曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器每根光纤读数都小 于规定的标准值时,产品即为合格品。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

上述密集波分复用器采用双驱动热备份的工作方式进行AWG芯片的温度控 制，能够极大地提高温控电路的可靠性；且其工作带宽波长范围能达到 1528nm-1565nm，插入损耗的测试波段覆盖这一波段范围的频谱曲线，所述的 工作中心波长为1550nm，波分均匀，性能稳定，偏振等相关损耗低；

该制作装置和制作方法以现有的PLC光分路对光耦合机台为基础，增加了 曲线形有热AWG芯片装载平台，实现了操作简单，精确度高的耦合效果，很大 程度上提升了对曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器的生产效率与产品 质量；

进行该测试方法的测试装置包括样品架、ASE带宽光源、光谱仪设备、光 开关，采用熔接测试的方法，所需的测试设备数量少，不受周围环境、测试场 地的限制，成本低，易进行，采用这种加速测试的方法，不仅缩短了测试时间 (只需常规测试时间的十分之一)，提高了测试效率，而且能够测试到整个波 段的潜在故障，对曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器质量与可靠性的 提高，起到了极大的作用，缩短了产品投放市场的周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是本发明制作的曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器整体图。

图1B是1A的内部结构图。

图2A是本发明的AWG芯片加盖玻璃盖板的结构示意图。

图2B是图2A的具体操作的整体图。

图3是本发明的AWG芯片粘接并固化夹层基板的结构示意图。

图4A是本发明的曲线形有热AWG芯片装载平台的整体结构示意图。

图4B是图4A的内部结构示意图。

图4C是图4A的具体操作的整体图。

图4D是图4A，4B,4C的爆炸图。

图5是本发明的制备方法的流程图。

图6是本发明的AWG芯片耦合步骤的工作原理图。

图7A是本发明对光耦合六维调节系统原理图之一。

图7B是本发明对光耦合六维调节系统原理图之二。

图8是本发明测试方法的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1A、1B所示，本发明制备出来的曲线形有热AWG阵列波导光栅密波 分复用器，包括一高可靠波分阵列光波导温度控制装置1,两个加热驱动器4， 两个加热驱动器采用双驱动热备份的工作方式进行AWG芯片2的温度控制，本 发明能够极大地提高温控电路的可靠性。

AWG芯片2两端分别采用单纤(pigtail)5与单晶硅光纤阵列 (monocrystalline silicon fiber array)6进行耦合，在AWG芯片2输入端 与输出端需进行加贴玻璃盖板3，从而增加耦合面积，简化耦合难度。

单晶硅光纤阵列6由基片上的单晶硅V或U形槽阵列、上盖片和多芯单膜 光纤通过粘接剂粘合而成，单纤、AWG芯片与单晶硅光纤阵列分别经过UV、烘 烤、TC老化、8度角研磨、测试等过程。

如图2A、2B所示，所述AWG芯片输入端与输出端加盖玻璃盖板置与具体 操作的整体图，在装夹平台上制作成与AWG芯片输入/输出端相匹配的曲线形 凹槽的结构形体。

通过手动调节二维调节平衡轴7可控制玻璃盖板与AWG芯片之间的胶层厚 度，使得胶层均匀分布。玻璃盖板与AWG芯片端面的对齐方式由夹具的锯齿形 对齐平台8控制，提高了AWG芯片装载的稳定性，增加了耦合面积，简化了耦 合难度，避免因较小面积的耦合导致AWG芯片损伤。

AWG芯片粘接并固化于夹层方式(如图3所示)，从而进行8度角研磨，其 中对于8度角研磨，使得入射光器件有最佳的回波损耗和最小的色散。

与对光耦合，可一次性增加曲线形有热AWG芯片(AWG chip)的研磨数量 同时避免该AWG芯片的损伤，并克服该芯片在无热AWG制作过程中带来的形变， 提高其光学性能指标，特别是中心波长的稳定性，且无需外接电源的温度补偿 曲线形阵列波导光栅的无热AWG制作方法。

所述光器件的入射端为8度角，另一与之耦合的光器件相应的角度也为8 度角时，激光在所述光器件内传输时，光信号在g.652单模光纤制作的光纤阵 列传输时回波损耗值能达到最大，总色散系数能达到较小值。

将AWG芯片通过粘结剂热固于夹层基板上，粘接剂包括热固化胶、石蜡、 紫外胶。所述熔点为50～150℃的粘性材料，在常温下可对AWG芯片与夹层基板 进行固化。所述夹层基板总平整度为2～15um，翘曲度为20～50um。所述AWG芯 片与所述夹层基板之间的粘接胶厚度小于1um。

所述固化后可进行8度角研磨，同时能够一次性增加曲线形有热AWG芯片 (AWG chip)的研磨数量，并克服该芯片在无热AWG制作过程中带来的形变。 所述研磨方式能够精确定位8度角，同时避免该芯片的损伤。所述定位范围为 8°±0.3°。

将研磨步骤分为粗磨过程和锡磨，粗磨过程研磨粉采用粉体粒度为 10nm～2000nm，分体莫氏硬度为7～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜， 立方体等的氧化铁、绿炭化硅、氧化铬等物质。所述粗磨粉颗粒有一定的晶格 形态，破碎时形成锐利的尖角。所述抛光过程研磨粉采用粉体粒度为 5nm～200nm，分体莫氏硬度为5～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜， 立方体等的氧化铝、氧化铈、氧化锆等物质。所述抛光粉具有合适的硬度和密 度，和水有很好的浸润性和悬浮性。

如图4A,图4B所示，并结合图4C,图4D，其中图4C为装载平台的具体操 作示意图，图4D为装载平台的爆炸图。

上述AWG芯片对光耦合芯片装载平台由底座9和压板10构成，底座上设 置上下两层定位台板体，上层定位台由边缘开有与AWG芯片结构形体相似的结 构形体构成(如图4B所示)，且含有上层夹紧机构11。

一位于上层夹紧机构11两侧的两个圆形凹槽12，所述圆形凹槽12与所述 下层定位台使用螺钉衔接在一起使用；所述下层定位台由与所述圆形凹槽相衔 接的台体与中心支架构成。

下层定位台由现有的PLC光分路对光耦合机台中心芯片支架为基础，与所 述下层夹紧机构相配合使用。

所述压板10由上下两层板体构成，上层板体由硬度大重量轻的特质材料 打磨而成，所述材料包括铝合金、塑钢等，中心设有夹紧机构，与所述夹紧机 构相配合使用；下层板体由柔软且可塑性大的特制材料构成，所述材料包括硅 酸铝纤维、高硅氧化合物材料、岩棉、复合硅酸盐材料等对AWG芯片具有缓冲 保护作用，可避免AWG芯片在夹紧过程中或耦合过程受到损伤。

参照图5，一种曲线形有热AWG阵列波导光栅密集波分复用器的制作方法， 包括：

一AWG芯片耦合步骤，

一测试步骤，用于对耦合完毕的AWG芯片进行光纤传输数据的测试，

一封装步骤，将测试合格后的产品进行封装。

参照图6，图7A，图7B和图8，其中AWG芯片耦合步骤具体如下：

第一步：输入端调校

(1)在曲线形有热AWG芯片装载平台上放上该AWG芯片，通过夹紧机构 夹紧(图4A)；

(2)调节输入端CCD三维调节架，使曲线形有热AWG芯片输入端上表面 清晰成像于显示器的中央；

(3)顺时针旋转输入端左右运动轴13直至单纤靠近AWG芯片。

(4)调节输入端CCD三维调节架使显示器上可以清晰显示单纤端面与AWG 芯片端面的正面情况，调节六维调节架前后运动轴14和前后偏转轴15，使得 单纤端面与AWG芯片端面达到两边平行的效果。

(5)把输入端CCD显示系统移到对准AWG芯片输入端处，调节输入端CCD 显示系统的清晰度，直到能清晰地观察到单纤端面与AWG芯片端面的侧面情况。 调节上下运动轴16和上下偏转轴17，使两端面达到侧面两边平行的效果。

第二步：输出端调校

(1)找出AWG芯片最外边两个输出端波导对应的单晶硅光纤阵列FA的光 纤通道。

(2)顺时针旋转输出端左右轴直至单晶硅光纤阵列FA靠近AWG芯片。

(3)调节输出端CCD显示系统的清晰度，显示器上能清晰观察到单晶硅 光纤阵列FA端面与曲线形有热AWG芯片输出端面的正面情况，调节前后轴和 前后偏转轴，使两端面达到平行。

(4)调节上下轴和上下偏转轴，使得单晶硅光纤阵列FA端面与曲线形有 热AWG芯片输出端面两边平行。

(5)将输出端CCD显示系统移到正面。调节输出端CCD显示系统的清晰 度，使能从显示器上清晰观察到AWG芯片与单晶硅光纤阵列FA正面的情况。

(6)将装载好的单纤、AWG芯片以及单晶硅光纤阵列FA进行波导对准， 即单纤输入端波导与芯片输入端波导一一对准，再将芯片输出端波导与单晶硅 光纤阵列FA的波导一一对准，先调上下轴再调前后轴来完成找光。

第三步：调节平衡

(1)逆时针旋转输出系统的左右轴，向后移开单晶硅光纤阵列FA。

(2)调节输出系统的左右轴和上下轴，直到光功率计读数为-30dB左右。

(3)顺时针旋转输出端左右轴，使得单晶硅光纤阵列FA与AWG芯片的距 离减小，在向前移近的过程中，调节左右轴和上下轴，使得光功率的绝对读数 小于-30dB。

(4)当曲线形有热AWG芯片最前边输出端波导对应的阵列板光纤的读数 合适时，开始调节平衡。

(5)调节输出系统前后轴和左手调节输出系统的上下轴，使得曲线形有 热AWG芯片最左边输出端波导对应的阵列板光纤绝对读数最小，顺时针旋转上 下轴，观察曲线形有热AWG芯片最里边输出端波导对应的阵列板光纤的读数变 化。当顺时针旋转上下轴，曲线形有热AWG芯片最里边对应的读数增大时，逆 时针调节输出系统的前后旋转钮，反之，则顺时针调节前后旋转钮。

(6)重复所述步骤(5)到曲线形有热AWG芯片最外边的两个输出端波 导对应的阵列板光纤读数同时增减，可认为单晶硅光纤阵列FA和曲线形有热 AWG芯片的对光达到平衡。

(7)将输入端CCD显示系统移单纤和芯片输入侧面，调节输入端CCD显 示系统的清晰度，观察单纤端面与曲线形有热AWG芯片端面的间距，慢慢顺时 针旋转输入系统的左右轴，推进单纤。调节输入系统的前后轴以保持两端面侧 条的平行。调节输入系统的上下轴，再次使得最外端两根光纤的读数最小。

(8)将输出端CCD显示系统移到单晶硅光纤阵列FA和AWG芯片输出端 正面处，调节输出端CCD显示系统的清晰度，观察单晶硅光纤阵列FA与曲线 形有热AWG芯片端面的间距。

(9)顺时针调节输出系统的左右轴，使单晶硅光纤阵列FA靠近曲线形有 热AWG芯片，调节输出系统的前后轴和上下轴，使得曲线形有热AWG芯片最外 边的两个输出端波导对应的阵列板光纤绝对读数最小。

(10)当曲线形有热AWG芯片最外边的两个输出端波导对应的阵列板光纤 读数都小于规定的标准值时点UV胶水同时进行固化，耦合制作完毕。

上述输入端、输出端调校为含有N个输入端波导，M个输出端波导，其中 N、M都为自然数。所述的N为1、2、3、4、5或6；所述的M为40，48，50 或者其他波数。

上述平衡调节能够使得耦合后的AWG器件所有通道均匀性最佳，通道插损 最小。所述器件都工作于特定的波长范围内，且可以长时间于-40～85℃的环境 温度下稳定工作。

参照图8，使用上述曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器测试装置 进行测试的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将一根跳线一端连入ASE宽带光源，一端连入光谱仪OPTICAL  INPUT端，进行归零校准；

步骤二、将步骤一种的跳线中心点断开，使用熔接测试的方法，把曲线形 有热AWG阵列波导光栅密波分复用器输入端与输出端分别连接跳线光源端与光 谱仪OPTICAL INPUT端；

步骤三、将光谱仪模式切换为写入模式，然后进行扫描测试；

步骤四、当曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器每根光纤读数都小 于规定的标准值时,产品即为合格品。

经一段时间的应用，承载业务运行稳定，曲线形有热AWG阵列波导光栅密 波分复用器件合格率明显上升。通过现网应用说明该项目在光器件研发业务、 曲线形有热AWG阵列波导光栅密波分复用器生产业务以及其他型号波分复用 器,DWDM-PON光器件的加工测试业务等方面具有广阔的应用前景,可有效提升 了业务开通效率，节省的人力成本，实现大规模对波分复用器的生产，解决密 集波分复用(DWDM)系统产能问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。