用于光学特性补偿的温度不敏感型阵列波导光栅波分复用器及其制造方法

摘要

在本发明中，提出了两种适当地补偿由光路长度改变引起的光学特性改变的方法：1)光路长度补偿方法，其中在波导设计处理与制造处理期间在AWG芯片的待切分波导部分上增设与基板的切分切口宽度(11)相等的附加光路长度(12c)，以在切分之后保持补偿后的光路长度(12d)；以及2)位置补偿方法，其中在偏移了与基板的切口宽度(11)相等的距离的位置处增设附加波导，从而使附加波导(1b)在切分后发生最小光路长度改变。

说明书

技术领域

常用于传输大带宽信息的WDM远程通信系统通过单个光纤线路同时利用“N”个波长传输光信号。由于在远距离传输中需要在单个光纤线路上传输最大的带宽，所以通常采用DWDM传输来运载多个由1.0nm以下的光学间隔分开的波长。阵列波导光栅波分复用器/解复用器(AWG)装置常用于接收器单元的端部以对具有多个复用波长的光信号进行解复用。

传统的AWG需要利用外部电源进行温度控制，从而在一定的保温环境下操作。这是因为AWG对于操作温度变化表现出波长选择敏感性。因此，对温度不敏感型AWG的需求日益快速增加。

背景技术

图1示出了传统AWG装置的示意图。AWG的波长复用和解复用特性可以根据相关公式从以特定波长聚焦在特定位置上的光的特性而表示出。从而，进入输出波导电路2的光的波长可以在初始输入条形波导电路1a的位置水平(图1中的x方向)移动时偏移。在初始输入条形波导电路1a的位置从输入平板波导3的焦点中心沿水平方向(图1中的x方向)移动dx时，在输出条形波导电路2处的波长可改变dλ。该位置关系在公式1中示出，

dx/dλ＝[L_f*ΔL/(n_s*dλ₀)]*n_g           (公式1)

其中L_f是平板波导的焦距，n_g是阵列波导的群折射率。可从公式1导出公式2，其中T定义为温度变化。

dx＝[L_f*ΔL/(n_s*dλ₀)]*n_g*(dλ/dT)*T    (公式2)

如公式2所述，在初始输入条形波导电路1a的位置沿水平方向(图1中的x方向)移动时，尽管在输出条形波导电路2处的波长在温度变化下偏移，但也可以补偿波长的温度相关性。例如，假设焦距L_f为13mm，阵列波导中的波导长度差ΔL为40μm，在阵列波导与输出平板波导之间的界面处阵列波导管节的波导节距为14μm，并且衍射率m为38，那么初始输入条形波导电路1a的位置移动dx的距离可计算为dx＝～0.28T(μm)，以补偿在温度变化下的波长偏移。从而，在输入条形波导电路沿水平方向(图1中的x方向)移动14μm时可补偿50℃温度变化的波长偏移。

为了使初始输入条形波导电路1a的位置在温度改变时从动地移动，必须使附接有CTE比基板大的横向滑动杆9的初始输入条形波导电路1a的位置水平(x方向)移动，该水平移动在横向滑动杆9发生热膨胀和热收缩时实现。

在如图1所示的温度不敏感型AWG的示意图中，绘出了以下功能：AWG结构，其由AWG芯片的两个子芯片部件(输入子芯片部件6a，主子芯片部件6b)构成；对准底基板7，其将AWG芯片的这两个子芯片部件6a、6b再对准并附接；薄膜垫片8，其设计成控制和保持两个子芯片部件6a、6b之间的对准间隙10；以及横向滑动杆9，其通过根据热膨胀和热收缩而使定位有初始输入条形波导电路1a的输入子芯片部件6a沿水平x方向移动而补偿波长偏移。光的复用光波长从输入光纤进入AWG芯片上的初始输入条形波导电路1a，然后这些波长依次传输到输入平板波导3、阵列波导5、输出条形波导电路2，最后解复用的波长到达输出光纤。然而，不可避免的是光学特性发生改变的程度与由切分处理中基板的切分切口宽度(切分刀片移除的宽度)引起的光路长度差一样，而与温度不敏感型AWG的效率无关。特别的是，由于AWG芯片基板的切分切口宽度引起的该光路长度差导致输出信号光谱的带宽发生较小的改变，从而导致光插入损耗以及其它光学特性的改变。虽然这些改变较小，但其导致装置在光学特性的临界点处发生故障。因此，必须提出技术方案来补偿由于AWG芯片基板的切分切口宽度引起的光学特性的改变。

发明内容

技术问题

本发明涉及温度不敏感型AWG装置及其制造方法，该温度不敏感型AWG装置补偿了不期望的由于昂贵的温度不敏感型AWG制造处理伴随的切分移除处理引起的光学特性的改变。为了说明图1所示的温度不敏感型AWG的制造处理，传统的AWG芯片在连接到AWG的输入平板波导3的初始输入条形波导电路1a与输入平板波导3之间的界面处切割。然后，将两个子芯片部件6a、6b再对准并组装到对准底基板7的顶面上。使用粘性剂将包含AWG芯片的AWG主体的主子芯片部件6b附接并固定到对准底基板的表面上。在再对准处理中，通过插入具有一定厚度的薄膜垫片8而容易地调节两个子芯片部件6a、6b之间的对准间隙10的宽度，从而保持理想的间隙宽度。通过在用横向滑动杆9连接两个再对准的子芯片部件6a、6b时固定这两个子芯片部件6a、6b而完成温度不敏感型AWG的封装处理，其中横向滑动杆9对于从动地保持温度不敏感特性具有重要作用。

温度不敏感型封装处理的传统切割方法是使用最常用于切割诸如硅晶片之类的平面基板的切分锯。在该切割或切分处理中，通过高速旋转的切分刀片将AWG芯片基板切分，并通过切分刀片的厚度确定基板的切分切口宽度。通过待切分的基板厚度选择切分刀片的厚度，并且通常建议使用最小100μm厚度的切分刀片来对传统的光学波导芯片基板进行切分。因此，AWG芯片的初始光路长度12a发生与基板11的切分切口宽度相等的不可避免的改变，从而使装置的光学特性随之变化。

图2示出了由于基板的切分切口宽度11的移除而引起的切分前的AWG芯片初始光路长度12a和切分后的AWG芯片光路长度12b中的光路长度变化。

由基板的切分切口宽度11引起的光路长度改变导致的最敏感的特性是带宽的改变，这又导致光插入损耗以及其它光学特性的改变。在硅石基AWG芯片的情况下，通常观察到基板的切分切口宽度11越大，带宽变得越窄。图3示出了由于基板的切分宽度11改变引起的带宽和光插入损耗的改变。

技术方案

在本发明中，提出了两种适当地补偿由光路长度改变引起的光学特性改变的方法：1)光路长度补偿方法，其中在波导设计处理与制造处理期间在AWG芯片的待切分(diced-to-be)波导部分上增设与基板的切分切口宽度11相等的附加光路长度12c，以在切分之后保持补偿后的光路长度12d；以及2)位置补偿方法，其中在偏移了与基板的切口宽度11相等的距离的位置处增设附加波导，从而使附加输入条形波导电路1b在切分后发生最小光路长度改变。

有利效果

本发明提出的方法使得由基板11的切口宽度引起的光路长度改变最小，因而使温度不敏感型AWG的光学特性改变最小。因此，在温度不敏感型AWG中同时实现了光学性能改进和产率提高。

附图说明

在说明书的总结部分中特别指出了被看作是本发明的主题并明确要求保护该主题。然而本发明在关于实践的组织和方法以及其进一步的目的和优点的方面，都可通过参照以下对优选实施方式的详细描述以及附图而得到最好的理解，附图中：

图1是温度不敏感型AWG的示意图；

图2是表示根据本发明由于基板的切分切口宽度11引起的温度不敏感型AWG的光路长度改变(12b与12a的差)的示意图；

图3是表示根据本发明由于基板的各种切分切口宽度11引起的温度不敏感型AWG的3dB带宽改变的曲线图；

图4是表示根据本发明的用于补偿温度不敏感型AWG的光学特性的光路长度补偿方法的实施例的示意图；

图5是表示在使用根据本发明的光路长度补偿方法时，AWG芯片的待切分部分和待补偿(compensated-to-be)部分的实施例的示意图；

图6是表示在使用根据本发明的光路长度补偿方法时，平顶式AWG情况下的基板的切分切口宽度11的光路长度补偿的实施例的示意图；

图7是表示根据本发明的用于补偿温度不敏感型AWG的光学特性的改变的位置补偿方法的实施例的示意图；

图8是表示在根据本发明的位置补偿方法中附加输入条形波导电路1b的详细结构的实施例的示意图；并且

图9是表示根据本发明的温度不敏感型AWG的3dB带宽特性补偿的曲线图。

具体实施方式

在本发明中，该光路长度补偿方法必须增设附加光路长度12c，附加光路长度12c与在初始输入条形波导电路1a与输入平板波导3之间的界面处AWG芯片的待切分部分上的基板的切分切口宽度11相等。该增设发生在初始的光掩模设计处理期间，之后进行AWG芯片的波导制造处理。具体地说，通过将与基板切分切口宽度11相等的长度减量加上与两个子芯片部件6a、6b之间的对准间隙10相等的长度增量相加，而测量光路长度改变。最终的光路长度12d、L_F通过公式3和公式4确定：

L_O＝L_D+L_K                    (公式3)

L_F＝L_OL_K+L_G+L_C               (公式4)

其中L_O是在切分之前原始设计的光路长度12a，L_D是切分之后的光路长度12b，L_C是用于光路长度补偿的附加光路长度12c，L_G是两个子芯片部件6a、6b之间的对准间隙10，L_K是切分切口宽度11。

光路长度改变对AWG特性改变的影响根据AWG的个体敏感性而变化。考虑AWG的这种敏感性变化，用于光路长度补偿的附加光路长度12c在实践中可实现为L_P的5％～200％，其中L_P是L_K与L_G之间的光路长度差。例如，当L_K为150μm且L_G为10μm时，L_C大致确定为7μm～280μm。

图4是表示根据本发明的用于补偿温度不敏感型AWG的光学特性的光路长度补偿方法的实施例的示意图。如图4所示，当初始输入条形波导电路1a在其与输入平板波导3之间的界面处的一部分被切分并且移除时，通过在该初始输入波导电路部分处增设附加光路长度L_C而补偿光路长度。待移除和补偿的部分不仅覆盖初始输入条形波导电路1a的一部分，而且覆盖所有用于温度不敏感型AWG封装的相关部分，包括输入平板波导3的一部分、阵列波导5的一部分以及输出平板波导4的一部分。图5是表示在使用根据本发明的光路长度补偿方法时，AWG的待切分部分和待补偿部分的实施例的示意图。

而且，在平顶式AWG的情况下，必须具有特殊的波导结构以向AWG提供平顶操作功能。该平顶操作功能波导结构1c是光路长度为几百微米的抛物线形或Y分支形，并且其形成在初始输入条形波导电路1a朝向输入平板波导3的端部上。为了在AWG中进行有效的平顶操作，该平顶操作功能波导结构1c必须在对AWG芯片切分之后保持在初始输入条形波导电路1a的端部。图6是表示在使用根据本发明的光路长度补偿方法时，在平顶式AWG情况下的切分切口宽度11的补偿的实施例的示意图。

图6所示的切分部分是输入平板波导3的一部分而不是初始输入条形波导1a的一部分。更具体地说，该切分部分在其从初始输入条形波导1a的抛物线形平顶操作功能波导结构1c链接的时候位于输入平板波导3的开始部分，切分之后的剩余部分必须包含输入平板波导3的附加长度以在切分之后保持必需的光路长度。在对AWG芯片切分之后，其分为两个不同部分：初始输入波导电路1a的具有抛物线形平顶操作功能波导结构1c的部分，以及输入平板波导3的部分。此外，如图5在先所示，待移除和补偿的部分不仅覆盖初始输入条形波导电路1a的一部分，而且覆盖所有用于温度不敏感型AWG封装的相关部分，包括输入平板波导3的一部分、阵列波导5的一部分以及输出平板波导4的一部分。

当在对AWG芯片切分之前难以精确地估计光学特性时，位置补偿方法是比光路长度补偿方法更加有效的方法。鉴于光路长度补偿方法增设了与切分部分处基板的切分切口宽度11相等的附加光路长度，在位置补偿方法中在偏移了基板的切分切口宽度11的距离的位置处增设了附加波导，然后在切分之后将发生最小光路长度改变的附加输入条形波导电路1b用于光路对准。初始输入条形波导电路1a用于检验AWG芯片特性，并且用于在AWG芯片切分之前将输出光纤或光纤阵列附接到AWG芯片的输出波导电路2上。然后，输入光纤或输入光纤阵列13从初始输入条形波导电路1a偏移到附加输入条形波导电路1b，从而补偿基板的切分切口宽度11的改变，并且附接输入光纤或输入光纤阵列13。最后对AWG芯片切分并将切分的子芯片部件6a、6b再对准。

图7是表示根据本发明的用于补偿温度不敏感型AWG的光学特性的改变的位置补偿方法的实施例的示意图。在该图中，还示出了从切分之前输入光纤阵列13与初始输入条形波导电路1a之间的初始对准位置14a到切分之后输入光纤阵列13与附加输入条形波导电路1b之间的最终对准位置14b的位置偏移。此外，不必在对附加输入条形波导电路1b进行光学对准之前对初始输入条形波导电路1a进行光学对准。

图8是表示在根据本发明的位置补偿方法中附加输入条形波导电路1b的详细结构的实施例的示意图。如图8所示，在附加输入波导1b与输入平板波导3之间的待切分部分处形成宽度比附加输入条形波导1b宽度大的虚拟波导1d，用于之后附接输入光纤或输入光纤阵列。此外，虚拟波导1d形成在位于附加输入条形波导1b端部处的抛物线形平顶操作功能波导结构1c与输入平板波导3之间的界面处。该虚拟波导1d的大部分需要在切分处理期间移除。该移除可以在切分处理期间有效地进行，此时使用尺15来精确指示切分角和切分位置。这些尺15在制造波导的同时制造。此外，如图5在先所示，需要移除和补偿的部分不仅覆盖输入波导电路的一部分，而且覆盖所有用于温度不敏感型AWG封装的相关部分，包括输入平板波导3的一部分、阵列波导5的一部分以及输出平板波导4的一部分。

图9是表示根据本发明的温度不敏感型AWG的3dB带宽特性补偿的曲线图。示出了用于制造温度不敏感型AWG以补偿在温度不敏感型AWG的制造处理期间发生的光学特性的改变的实施例。特别地，对于根据光路长度补偿为平顶式温度不敏感型AWG补偿光学特性改变的制造实施例，与AWG芯片中位于初始输入条形波导电路1a的端部处的Y分支式平顶操作功能波导结构1c相链接的输入平板波导3的刚开始部分预定为待切分。切分刀片的厚度为120μm，用于两个子芯片部件6a、6b之间的对准间隙10的膜8的垫片厚度为10μm。通过基于110μm对补偿长度的5％～200％估计，基于AWG芯片的热特性确定100μm的补偿长度。因此，在AWG芯片设计阶段，输入平板波导3的长度调节为额外增加100μm，并且根据附加输入平板长度制备光掩模。利用半导体制造工艺在硅晶片上制造AWG芯片，例如薄膜沉积、光刻法和反应离子蚀刻。然后，从处理后的晶片将AWG芯片个体分离，并将这些个体AWG芯片的切割面抛光。

在将输入光纤阵列和输出光纤阵列对准并附接到AWG芯片相应的输入切割面和输出切割面上后，通过配备有120μm刀片厚度的切分锯将AWG芯片切分。在该切分处理中，将输入平板波导3的预定开始部分切分并且从输入平板波导3移除120μm的长度作为切分切口宽度11。通过在对准底基板7上将10μm厚的膜垫片11插入被切分的两个子芯片部件6a、6b之间而将它们再对准。因此，包括对准间隙10的光路长度的总变化为10μm。最后，通过如图1所示的组装完成温度不敏感型AWG。

对于根据位置补偿来补偿光学特性改变的制造实施例，预定在输入平板波导3与AWG芯片中位于初始输入条形波导电路1a的端部处的Y分支式平顶操作功能波导结构1c之间的界面处增设虚拟波导1d，而且预定在虚拟波导1d处将AWG芯片切分。切分刀片的厚度为120μm，用于两个子芯片部件6a、6b之间的再对准间隙10的膜8的厚度为10μm。通过基于110μm对补偿长度的5％～200％估计，基于AWG芯片的热特性确定100μm的补偿长度。因此，在光掩模设计阶段，与初始输入条形波导电路1a一起，增加在其端部具有虚拟波导1d的附加输入条形波导电路1b。在光掩模设计阶段，虚拟波导1d的宽度为300μm，长度为115μm。利用半导体制造工艺在硅晶片上制造AWG芯片，例如薄膜沉积、光刻法和反应离子蚀刻。然后，从处理后的晶片将个体AWG芯片分离，并将这些个体AWG芯片的切割面抛光。在将输入光纤阵列和输出光纤阵列对准到AWG芯片的初始输入条形波导电路1a和输出条形波导电路2之后，检验AWG芯片的光学特性，然后将输入光纤阵列从初始输入条形波导电路1a的位置偏移到附加输入波导电路1b的位置。在将输入光纤阵列和输出光纤阵列对准并附接到附加输入波导电路1b和输出条形波导电路2上之后，通过使用配备有120μm刀片厚度的切分锯在虚拟波导1d部分处将AWG芯片切分。在该切分处理中，将输入平板波导3的开始部分与虚拟波导1d一起移除5μm的长度。通过在对准底基板7上使用附加输入条形波导电路1b将被切分的两个子芯片部件6a、6b再对准，并且将10μm厚的膜垫片11插入这两个子芯片部件6a、6b之间。因此，包括对准间隙10的光路长度的总变化为5μm。最后，通过如图1所示的组装完成温度不敏感型AWG。

在上述本实施例中，平顶操作功能波导结构1c必须总是位于包含输入条形波导电路1a或1b的输入子芯片部件6a中，而且平顶操作功能波导结构1c必须总是位于输入条形波导电路1a或1b与切分的切割面之间，或者位于输入条形波导电路1a或1b与输入平板波导3的切分部分之间，或者位于输入条形波导电路1a或1b与未切分的输入平板波导3之间。

工业实用性

在切分处理期间，不可避免地需要移除温度不敏感型AWG芯片的与切分刀片的厚度相等的一定部分，该不理想的移除处理导致温度不敏感型AWG芯片的光学特性改变，特别是3dB带宽改变。在本发明中，提出了两种容易地补偿由光路长度改变引起的光学特性改变的方法：1)光路长度补偿方法，其中在波导设计处理与制造处理期间在AWG芯片的待切分部分上增设与基板的切分切口宽度11相等的附加光路长度12c，以确保在切分之后保持补偿后的光路长度12d；以及2)位置补偿方法，其中在使用切分后发生最小光路长度改变的附加输入条形波导电路1b之前，在偏移了基板的切分切口宽度11的距离的位置处增设附加波导。