對溫度不敏感的陣列波導光柵的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成光電子器件領域，尤其涉及一種對溫度不敏感的陣列波導光柵。
【背景技術】
[0002] 陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating, AWG)是集成光電子系統中的重要功 能器件，可用于構建波分復用光通信系統中的波分復用器/解復用器、波長路由器。
[0003]目前，大多數用于構建陣列波導光柵的光電子材料（如硅、二氧化硅、磷化銦）都 具有一定的熱光效應，即該些光電子材料的折射率會隨著溫度的變化而變化。這種熱光效 應將導致陣列波導光柵的工作波長會隨著溫度的變化而發生漂移。
[0004] 為此，業內人士提出制備對溫度不敏感的陣列波導光柵，例如，第一種方案是采用 負熱光系數材料作為波導的上包層；第二方案是采用寬窄條形波導組合的方式構建陣列波 導；第三方案是采用條形波導與溝道波導組合的方式構建陣列波導。
[0005] 然而，上述幾種方案雖然能實現溫度不敏感特性，但都無法在實際應用中生產。第 一方案中：負熱光系數材料涂覆方案中常用的負熱光系數材料與現有的微納工藝不兼容； 第二方案中：寬窄條形波導組合的方式其中現有工藝加工的窄波導損耗太大；第三方案 中：條形波導與溝道波導組合的方案中最小線寬為幾十rim因而難以加工。
[0006] 為此，如何提供一種對現有工藝兼容，且能夠實現對溫度不敏感的陣列光柵波導 成為當前需要解決的技術問題。
【發明內容】
[0007] 本發明提供一種對溫度不敏感的陣列波導光柵，能夠較好的兼容現有的制備工 -H- 〇
[0008] 為實現上述目的，本發明提供一種對溫度不敏感的陣列波導光柵，包括：輸入星形 耦合器、陣列波導、輸出星形耦合器，其中，陣列波導由若干條光程長呈等差數列的波導構 成，其特征在于：陣列波導中所有波導或部分波導由條形波導與條形-溝道混合型波導組 合而成。
[0009] 可選地，在所述陣列波導中每一波導包括：兩段條形波導及一段條形-溝道混合 型波導，且采用第一段條形波導、條形-溝道混合型波導、第二段條形波導依次級聯的方式 組合。
[0010] 可選地，所述條形波導與條形-溝道混合型波導采用波導模式轉換器連接。
[0011] 可選地，所述波導模式轉換器為多模干涉型波導模式轉換器；
[0012] 該多模干涉型波導模式轉換器包括：多模波導區域、寬度漸變的條形-溝道混合 型波導區域；
[0013] 其中，所述多模波導區域的一端用于連接條形波導，另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導區域的一個波導端面，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導區域的另一波導端 面用于連接條形-溝道混合型波導，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導區域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導的溝道一一對應。
[0014] 可選地，所述陣列波導光柵為非良導體材料的波導；
[0015] 或者，所述陣列波導光柵為非良導體材料與金屬結合的表面等離子體材料的波 導。
[0016] 可選地，所述表面等離子體材料的波導為：所述非良材料表面覆蓋一層金屬。
[0017] 可選地，所述非良導體材料為電介質、半導體或有機物。
[0018] 可選地，所述電介質為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵；
[0019] 和/或，所述半導體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物。
[0020] 可選地，所述三五族光電子化合物為磷化銦或氮化鎵。
[0021] 可選地，所述表面等離子體材料的波導為下述的一種：
[0022] 娃的表面覆蓋一層銀；
[0023] 娃的表面覆蓋一層金；
[0024] 二氧化娃的表面覆蓋一層銀；
[0025] 二氧化娃的表面覆蓋一層金。
[0026] 可選地，所述陣列波導中任意相鄰波導中所包含的兩種類型波導的長度差為： AL1、AL11;
[0027] 若用I/,:|f表示陣列波導第波導中包含的兩種類型波導的長度，嚴:1,^表示第 A1+1根波導中包含的兩種類型波導的長度；則>
[0028] 其中，Λ L1、Δ Ln與兩種類型波導分別對應的有效熱光系數Α??,/δΓ滿
月 ^ = O c
[0029] 由上述技術方案可知，本發明提供的陣列波導光柵的工作波長對溫度不敏感，且 對加工工藝要求低，結構中需加工的最小線寬可以彡200nm，因此采用目前已經普及商用的 中低端0. 18 μπι微納加工工藝即可完成批量加工生產，從而具有低成本的特點，在集成光 電子領域具有很高的應用價值。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明一實施例提供的陣列波導光柵的結構示意圖；
[0031] 圖2為圖1中示出的條形波導和條形-溝道混合型波導的結構示意圖及波導模式 光場能流密度分布對比圖；
[0032] 圖3為本發明一實施例中連接條形波導與條形-溝道混合型波導所采用的波導模 式轉換器示意圖；
[0033] 圖4為本發明實施例提供的陣列波導光柵的結構示意圖；
[0034] 圖5為本發明實施例與傳統陣列波導光柵的信道中心波長隨溫度漂移量對比分 析圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0036] 圖1示出了本發明一實施例提供的陣列波導光柵的結構示意圖，如圖1所示，本實 施例的陣列波導光柵包括：輸入星形耦合器1、陣列波導2和輸出星形耦合器3 ;
[0037] 本實施例中，輸入星形耦合器1有N個輸入端口及Q個輸出端口，N個輸入端口作 為陣列波導光柵的輸入端口，Q個輸出端口與陣列波導2的輸入端 對應連接；輸出星形 耦合器3有Q個輸入端口及M個輸出端口，Q個輸入端口與陣列波導2的輸出端一一對應 連接，M個輸出端口作為陣列波導光柵的輸出端口；
[0038] 圖1中所示的陣列波導2由若干條光程長呈等差數列的波導（對應圖1中的 A1, AyAtj)構成，且陣列波導2中所有波導或部分波導由條形波導與條形-溝道混合型波導 組合而成。
[0039] 在實際應用中，陣列波導中每一波導包括：兩段條形波導21a及一段條形-溝道 混合型波導21b，且采用第一段條形波導21a、條形-溝道混合型波導21b、第二段條形波導 21a依次級聯的方式組合。
[0040] 在本實施例中，陣列波導中任意相鄰波導中所包含的兩種類型波導的長度差為： AL1、AL11;
[0041] 若用//,/f表示陣列波導第A1根波導中包含的兩種類型波導的長度，Il 1,Ii1表示第 A1+1根波導中包含的兩種類型波導的長度；則確
[0042] 其中，Δ L1、Δ Ln與兩種類型波導分別對應的有效熱光系數γ 滿 足
[0043] 應說明的是，陣列波導中任一波導均包括的兩種類型波導，即條形波導和條 形-溝道混合型波導。此時的該條形波導類型的波導長度為圖1中示出的兩段條形波導 21a之和。在圖1中，兩段條形波導21a是等長的。
[0044] 另外，每一條形波導21a與條形-溝道混合型波導21b均采用波導模式轉換器22 連接。
[0045] 舉例來說，波導模式轉換器22為多模干涉型波導模式轉換器；該多模干涉型波導 模式轉換器包括：多模波導區域、寬度漸變的條形-溝道混合型波導區域，如圖3所示；
[0046] 其中，所述多模波導區域的一端用于連接條形波導，另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導區域的一個波導端面，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導區域的另一波導端 面用于連接條形-溝道混合型波導，所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導區域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導的溝道一一對應，如圖3所示。
[0047] 本實施例的對溫度不敏感的陣列波導光柵中陣列波導2由條形波導與條形-溝道 混合型波導組合構建。
[0048] 本實施例中，波導材料可選取上包層和襯底都為二氧化硅的硅波導。條形波導與 條形-溝道混合型波導的結構示意圖及光場能流密度分布如圖2所示，其中波導厚度為 220±1011111，條形波導寬度為450±1011111，溝道波導總寬度為600±1011111，溝道位于溝道波導 中心且寬度為200±10nm，溝道中被硅材料填充的厚度為60±10nm。由圖2可知這兩種波 導結構的光場分布存在較大差異，因而他們的基本性能參數也存在較大差異，如下述表一 所示。兩種波導在具體應用中采用圖3所示的波導模式轉換器連接，其中模式轉換器長度 L = 5 μ m± 10nm，多模干涉區域寬度 Wmmi= 1. 25 μ m± 10nm，長度 L mmi= 1. 40 μ m± 10nm。
[0049] 表一：
[0050]
[0051] 需要說明的是，陣列波導光柵可為非良導體材料的波導；或者，所述陣列波導光柵 為非良導體材料與金屬結合的表面等離子體材料的波導。
[0052] 舉例來說，所述表面等離子體材料的波導為：所述非良材料表面覆蓋一層金屬。例 如，娃的表面覆蓋一層銀；娃的表面覆蓋一層金；二氧化娃的表面覆蓋一層銀；或者，二氧 化娃的表面覆蓋一層金。
[0053] 前述的非良導體材料可為電介質、半導體或有機物。該電介質可為二氧化娃、二 氧化鈦或氧化鎵；半導體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物，（例如，磷化銦或氮化鎵 等）。
[0054] 本實施例提供的陣列波導光柵的工作波長對溫度不敏感，且對加工工藝要求低， 結構中需加工的最小線寬可以彡200nm，因此采用目前已經普及商用的中低端0. 18 μπι微 納加工工藝即可完成批量加工生產，從而具有低成本的特點，在集成光電子領域具有很高 的應用價值。
[0055] 為更好的說明前述的陣列波導光柵的結構，下面對陣列波導光柵的結構的設計過 程/設計方法說明如下。
[0056] 圖1所示的輸入星形耦合器1有N個輸入端口及Q個輸出端口，N個輸入端口作為 陣列波導光柵的輸入端口，依次編號為I1,12…L，Q個輸出端口與陣列波導中的輸入端 對應連接；輸出星形耦合器3有Q個輸入端口及M個輸出端口，Q個輸入端口與陣列波導中 的輸出端 對應連接，M個輸出端口作為陣列波導光柵的輸出端口，依次編號為O 1, (V·· 〇Μ;
[0057] 陣列波導2由Q根光程長呈等差數列的波導組成，依次編號為A1, Atj，且其中所 有或部分波導由條形波導與條形-溝道混合型波導組合而成。
[0058] 若輸入和輸出星形耦合器都采用羅蘭圓結構構建，并用分別表示陣列 波導中任意兩根相鄰波導的光程長。以第~與六1+1根波導為例說明，則從任一輸入端口 In 經八;與A i+1傳輸至任一輸出端口（^的信道工作波長λ由光程差AOL Mf描述：
[0059]
[0060] 公式⑴中上標I，II分別表示陣列波導中用到的兩種類型的波導，上標FPR表示 星形耦合器（輸入星形耦合器和輸出星形耦合器）的自由傳輸區域。d a為星形耦合器自由