对温度不敏感的阵列波导光栅的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及集成光电子器件领域，尤其涉及一种对温度不敏感的阵列波导光 栅。
【背景技术】
[0002] 阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating, AWG)是集成光电子系统中的重要功 能器件，可用于构建波分复用光通信系统中的波分复用器/解复用器、波长路由器。
[0003]目前，大多数用于构建阵列波导光栅的光电子材料（如硅、二氧化硅、磷化铟）都 具有一定的热光效应，即该些光电子材料的折射率会随着温度的变化而变化。这种热光效 应将导致阵列波导光栅的工作波长会随着温度的变化而发生漂移。
[0004] 为此，业内人士提出制备对温度不敏感的阵列波导光栅，例如，第一种方案是采用 负热光系数材料作为波导的上包层；第二方案是采用宽窄条形波导组合的方式构建阵列波 导；第三方案是采用条形波导与沟道波导组合的方式构建阵列波导。
[0005] 然而，上述几种方案虽然能实现温度不敏感特性，但都无法在实际应用中生产。第 一方案中：负热光系数材料涂覆方案中常用的负热光系数材料与现有的微纳工艺不兼容； 第二方案中：宽窄条形波导组合的方式其中现有工艺加工的窄波导损耗太大；第三方案 中：条形波导与沟道波导组合的方案中最小线宽为几十rim因而难以加工。
[0006] 为此，如何提供一种对现有工艺兼容，且能够实现对温度不敏感的阵列光栅波导 成为当前需要解决的技术问题。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型提供一种对温度不敏感的阵列波导光栅，能够较好的兼容现有的制备 工艺。
[0008] 为实现上述目的，本实用新型提供一种对温度不敏感的阵列波导光栅，包括：输入 星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器，其中，阵列波导由若干条光程长呈等差数列的波 导构成，其特征在于：阵列波导中所有波导或部分波导由条形波导与条形-沟道混合型波 导组合而成。
[0009] 可选地，在所述阵列波导中每一波导包括：两段条形波导及一段条形-沟道混合 型波导，且采用第一段条形波导、条形-沟道混合型波导、第二段条形波导依次级联的方式 组合。
[0010] 可选地，所述条形波导与条形-沟道混合型波导采用波导模式转换器连接。
[0011] 可选地，所述波导模式转换器为多模干涉型波导模式转换器；
[0012] 该多模干涉型波导模式转换器包括：多模波导区域、宽度渐变的条形-沟道混合 型波导区域；
[0013] 其中，所述多模波导区域的一端用于连接条形波导，另一端连接所述宽度渐变的 沟道波导区域的一个波导端面，所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域的另一波导端 面用于连接条形-沟道混合型波导，所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域中的沟道 与所述条形-沟道混合型波导的沟道一一对应。
[0014] 可选地，所述阵列波导光栅为非良导体材料的波导；
[0015] 或者，所述阵列波导光栅为非良导体材料与金属结合的表面等离子体材料的波 导。
[0016] 可选地，所述表面等离子体材料的波导为：所述非良材料表面覆盖一层金属。
[0017] 可选地，所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。
[0018] 可选地，所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；
[0019] 和/或，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物。
[0020] 可选地，所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
[0021] 可选地，所述表面等离子体材料的波导为下述的一种：
[0022] 娃的表面覆盖一层银；
[0023] 娃的表面覆盖一层金；
[0024] 二氧化娃的表面覆盖一层银；
[0025] 二氧化娃的表面覆盖一层金。
[0026] 可选地，所述阵列波导中任意相邻波导中所包含的两种类型波导的长度差为： AL1、AL 11;
[0027] 若用//,/，表示阵列波导第4根波导中包含的两种类型波导的长度，
表示第 A1+1根波导中包含的两种类型波导的长度；则有
[0028] 其中，Δ?Λ ALn与两种类型波导分别对应的有效热光系数
满
足 D：
[0029] 由上述技术方案可知，本实用新型提供的阵列波导光栅的工作波长对温度不敏 感，且对加工工艺要求低，结构中需加工的最小线宽可以彡200nm，因此采用目前已经普及 商用的中低端〇. 18 μπι微纳加工工艺即可完成批量加工生产，从而具有低成本的特点，在 集成光电子领域具有很高的应用价值。
【附图说明】
[0030] 图1为本实用新型一实施例提供的阵列波导光栅的结构示意图；
[0031] 图2为图1中示出的条形波导和条形-沟道混合型波导的结构示意图及波导模式 光场能流密度分布对比图；
[0032] 图3为本实用新型一实施例中连接条形波导与条形-沟道混合型波导所采用的波 导模式转换器示意图；
[0033] 图4为本实用新型实施例提供的阵列波导光栅的结构示意图；
[0034] 图5为本实用新型实施例与传统阵列波导光栅的信道中心波长随温度漂移量对 比分析图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下 实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0036] 图1示出了本实用新型一实施例提供的阵列波导光栅的结构示意图，如图1所示， 本实施例的阵列波导光栅包括：输入星形耦合器1、阵列波导2和输出星形耦合器3 ;
[0037] 本实施例中，输入星形耦合器1有N个输入端口及Q个输出端口，N个输入端口作 为阵列波导光栅的输入端口，Q个输出端口与阵列波导2的输入端 对应连接；输出星形 耦合器3有Q个输入端口及M个输出端口，Q个输入端口与阵列波导2的输出端一一对应 连接，M个输出端口作为阵列波导光栅的输出端口；
[0038] 图1中所示的阵列波导2由若干条光程长呈等差数列的波导（对应图1中的 A1, AyAtj)构成，且阵列波导2中所有波导或部分波导由条形波导与条形-沟道混合型波导 组合而成。
[0039] 在实际应用中，阵列波导中每一波导包括：两段条形波导21a及一段条形-沟道 混合型波导21b，且采用第一段条形波导21a、条形-沟道混合型波导21b、第二段条形波导 21a依次级联的方式组合。
[0040] 在本实施例中，阵列波导中任意相邻波导中所包含的两种类型波导的长度差为：
[0041] 若用if,/f表示阵列波导第A1根波导中包含的两种类型波导的长度，
.表示 第A1+1根波导中包含的两种类型波导的长度；则有
[0042] 其中，Δ?Λ ALn与两种类型波导分别对应的有效热光系数
足
[0043] 应说明的是，阵列波导中任一波导均包括的两种类型波导，即条形波导和条 形-沟道混合型波导。此时的该条形波导类型的波导长度为图1中示出的两段条形波导 21a之和。在图1中，两段条形波导21a是等长的。
[0044] 另外，每一条形波导21a与条形-沟道混合型波导21b均采用波导模式转换器22 连接。
[0045] 举例来说，波导模式转换器22为多模干涉型波导模式转换器；该多模干涉型波导 模式转换器包括：多模波导区域、宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域，如图3所示；
[0046] 其中，所述多模波导区域的一端用于连接条形波导，另一端连接所述宽度渐变的 沟道波导区域的一个波导端面，所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域的另一波导端 面用于连接条形-沟道混合型波导，所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域中的沟道 与所述条形-沟道混合型波导的沟道一一对应，如图3所示。
[0047] 本实施例的对温度不敏感的阵列波导光栅中阵列波导2由条形波导与条形-沟道 混合型波导组合构建。
[0048] 本实施例中，波导材料可选取上包层和衬底都为二氧化硅的硅波导。条形波导与 条形-沟道混合型波导的结构示意图及光场能流密度分布如图2所示，其中波导厚度为 220±1011111，条形波导宽度为450±1011111，沟道波导总宽度为600±1011111，沟道位于沟道波导 中心且宽度为200±10nm，沟道中被硅材料填充的厚度为60±10nm。由图2可知这两种波 导结构的光场分布存在较大差异，因而他们的基本性能参数也存在较大差异，如下述表一 所示。两种波导在具体应用中采用图3所示的波导模式转换器连接，其中模式转换器长度 L = 5 μ m± 10nm，多模干涉区域宽度 Wmmi= 1. 25 μ m± 10nm，长度 L mmi= 1. 40 μ m± 10nm。
[0049]表一：
[0051] 需要说明的是，阵列波导光栅可为非良导体材料的波导；或者，所述阵列波导光栅 为非良导体材料与金属结合的表面等离子体材料的波导。
[0052] 举例来说，所述表面等离子体材料的波导为：所述非良材料表面覆盖一层金属。例 如，娃的表面覆盖一层银；娃的表面覆盖一层金；二氧化娃的表面覆盖一层银；或者，二氧 化娃的表面覆盖一层金。
[0053] 前述的非良导体材料可为电介质、半导体或有机物。该电介质可为二氧化娃、二 氧化钛或氧化镓；半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物，（例如，磷化铟或氮化镓 等）。
[0054] 本实施例提供的阵列波导光栅的工作波长对温度不敏感，且对加工工艺要求低， 结构中需加工的最小线宽可以彡200nm，因此采用目前已经普及商用的中低端0. 18 μπι微 纳加工工艺即可完成批量加工生产，从而具有低成本的特点，在集成光电子领域具有很高 的应用价值。
[0055] 为更好的说明前述的阵列波导光栅的结构，下面对阵列波导光栅的结构的设计过 程/设计方法说明如下。
[0056] 图1所示的输入星形耦合器1有N个输入端口及Q个输出端口，N个输入端口作为 阵列波导光栅的输入端口，依次编号为I 1,12…L，Q个输出端口与阵列波导中的输入端 对应连接；输出星形耦合器3有Q个输入端口及M个输出端口，Q个输入端口与阵列波导中 的输出端 对应连接，M个输出端口作为阵列波导光栅的输出端口，依次编号为O1, (V·· 〇Μ;
[0057] 阵列波导2由Q根光程长呈等差数列的波导组成，依次编号为A1, A tj，且其中所 有或部分波导由条形波导与条形-沟道混合型波导组合而成。
[0058] 若输入和输出星形耦合器都采用罗兰圆结构构建，并用
分别表示阵列 波导中任意两根相邻波导的光程长。以第~与六1+1根波导为例说明，则从任一输入端口 In 经八;与A i+1传输至任一输出端口（^的信道工作波长λ由光程差AOL Mf描述：
[0060] 公式⑴中上标I，II分别表示阵列波导中用到的