CN1214582A - 用于减少光学装置中与温度相关的光谱移位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新技术,以减少光学装置中特别是波导光栅路由选择器内的与温度有关的光谱移位。通常,即使当受到温度变化影响时,本发明以使通过的波长谱稳定的方式,改变一种光学装置内的至少一个波导长度的一部分。通过与普通的波导材料例如石英的折射率随温度变化而改变的情况进行比较,获得某种材料的折射率随温度变化而改变的情况,从而可以利用本发明的教导,精确地改进光路特性,通过该光路传播的信号完全补偿了与温度相关的任何波长谱移位。

Description

用于减少光学装置中与温度相 关的光谱移位的方法和装置
本发明涉及一种用于在光学装置中，例如波导光栅路由选择器(WGR)和波分多路复用器(WDM)，被动地减少与温度相关的光谱移位的方法和装置，
一般说来，在过去，通过使用互连装置已实现光波分多路复用和解多路复用，该互连装置具有许多封闭隔离的输入波导，该输入波导与一种星形耦合器的输入连通。星形耦合器的输出与包括一系列光波导的光栅相连通，每个波导的长度与最相邻的波导相差一个预定值。光栅与一个第二星形的耦合器的输入相连接，第二星形耦合器的输出构成开关、多路复用和解多路复用装置的输出端。这种互连装置的实际例子在美国专利5002350,5136671和5412744中公开。
这种互连装置的几何形状可以是这样的，它使得每个发送到该装置各个独立特定输入端口的许多独立特定波长在一个预定的输出端口上合并为一。以这种方式，该装置执行多路复用功能。相同的装置还可执行解多路复用功能。在这种情况下，一个输入波长与其它波长分离，并被引导到该装置预定的一个输出端口。适当选择输入波长还可实现任意选定的输入端口与任意选定的输出端口之间的开关。因此，通常把这些装置称作频率路由选择器，特别是波分多路复用器(WDM)。
理论上，这些WGR和WDM光学装置的工作在广泛的环境条件下应该是可预期和稳定的。然而不幸的是，实际上，这些装置的工作特性明显地受到装置周围的环境温度变化的影响。
特别是，由于至少两个原因，现有的WGR的波长谱被设计成随温度(T)而移位。首先，在此n代表波导材料的折射率，dn/dT≠0，其次是热膨胀，即dL/dT，这里L代表长度，类似地也不等于零。
至今，用来形成对温度变化不太敏感的光学装置的一些技术包括使用带有温度控制器的一种加热器来稳定WGR的波长谱。不幸的是，这种设计在使用不易得到电源的场合下花费大且不实用。另外，半导体技术已实现了一种对温度变化不敏感的半导体WGR，它包括具有不同的dn/dT的波导区域。
然而，即使借助上述技术发展，仍还有制造与温度无关的光波导滤波装置的需求。对于补偿波导光栅路由选择器来说，这的确有必要，这种路由选择器目前是密集WDM系统选择的多路复用器。而且，假定现在硅光具座路由选择器是各种下一代光波网络(NGLN)的部件，且计划用于光纤到家庭(FTTH)的接入网络。这些网络特别需要如WGR这样的温度补偿光学装置。
本发明涉及一种温度补偿光波导。波导具有一个芯部区域，该芯部区域可传输光能并由一层包层围绕，该包层基本上将光能限制在芯部区域内。另外，芯部区域的第一部分包括第一材料长度，该材料的折射率随温度提高而增大。根据本发明，波导芯部区域的第二部分包括第二材料长度，该材料的折射率随温度提高而减小。
在本发明的一个图示实施例中，为了保持其与温度无关的工作性能，具有许多波导的光学装置其中至少包括一个温度补偿波导。在一个更具体的实施例中，光学装置，例如WGR，包括具有至少一个输入波导的第一自由空间区域，和具有至少一个输出波导的第二自由空间区域。另外，许多不等长度的波导将第一自由空间区域与第二自由空间区域连接，其中至少一个不等长的波导由一个波导芯部区域限定且能够传输光能，该波导芯部区域具有串连的第一和第二部分，波导芯部区域由一个包层包围，该包层基本上将光能限制在芯部区域内，芯部区域的第一部分包括一个折射率随温度提高而增大的第一长度。更重要的是，由于第二部分包括一个折射率随温度提高而减少的第二长度材料，因此，至少其中一个不等长波导是温度补偿的。
下面，参考附图来描述特定的实施例，因此，本发明的其它特征将更容易理解。
图1a是具有多个波导的一个基本光学装置的横截面视图；
图1b是用于本发明一方面的波导长度的截面图；
图2是表示在两个不同温度T1和T2下图1光学装置的部分传输系数的图表；
图3是表示传统的光学频率路由选择器的实际例子；
图4是表示对于图1的路由选择器的传输系数的图表；和
图5a)和b)是具有本发明的新颖特点的光学频率路由选择器的不同设计。
本发明教导了一种新技术以减少光学装置中，特别是波导光栅路由选择器内，与温度有关的光谱移位。通常，即使是在温度变化的环境当中，本发明按照让通过其间的波长谱稳定的方式改变一种光学装置内至少一个波导的一部分长度。然而，在特别指出本发明的新颖性之处以前，首先讨论普通类型的光学装置的基本结构，这种装置可以通过加入本发明的内容而得到改进。
最先进的且技术上成熟的平面波导是通过硅光具座(SiOB)技术制造的掺硅波导。通常掺硅波导是优选的，因为它具有许多诱人的特性，包括低成本、低损耗、低双折射、稳定和与光纤耦合的相容性。而且，处理步骤与硅集成电路(IC)技术中的步骤一致，适合大量生产，而且容易掌握。
通常，通过在一个载体基片上首先沉积一个低折射率的石英底层或下包层，通常包括硅或者石英。然后将具有高折射率的一层掺杂石英，即芯层，沉积在下包层顶部。接着，通过与用于集成电路制造的技术类似的光刻技术，对芯层构图或刻成光路所需的结构。最后，沉积一层顶包层，以覆盖形成图案的波导芯部。这项技术描述在C.H.Henry的美国专利4902086中，以及名为“在硅上用于混合光封装的玻璃波导”的文章中(光波技术期刊，1989年10月第10号第7卷的第1530-1539页)，在此这两篇文献用于参考。
任意平面光波导的关键性能是波导线度，即波导芯部的高度和宽度，及波导的芯部和包层之间的折射率的折射差，通常用Δ表示。芯部的高度或厚度由沉积在一个载体基片上的波导芯部材料量来确定；而芯部的宽度由光刻掩模和化学蚀刻中的凹进(undercut)来确定。波导的Δ主要由材料系统和制造工艺来确定。实践中，不同的波导结构和系统用于实现不同的功能，并在芯部尺寸和Δ中进行折衷以在不同的光学性能之间进行优化。
搀杂P的波导用在本发明中。每个搀杂P的波导具有厚度约为7μm的芯部，且都位于15μm的下包层上面。一个15μm的上包层覆盖波导芯部。波导芯部的尺寸选择成尽可能的大，以得到强的光密封性和低的传播损耗，但要小到足以使波导保持单模。类似的，包括过渡区的石英光路具有约7μm高的芯部；但其宽从18μm(接近条形)变化到约2μm(远离条形)。
现在参见图1，为了表示波导所在区域内的尺寸和材料，图中表示了一种光学装置的横截面图。基片10包括厚度为500μm的硅。包层12包括一层15μm的石英，该石英在波长(λ)为1.55μm时折射率约为1.445。波导芯部14通常是方形，其厚度和宽度约为7μm，且它们包括在波长λ=1.55μm时折射率约为1.454的搀杂石英。波导芯部14间隔约2.5μm的间距。波导芯部材料比包层材料的折射率高的事实能够使波导芯部根据菲涅尔定律来引导光波。折射率基本上与包层12相同的包层16沉积在波导芯部14顶部以完成结构。
本发明提出和要求在光学装置的结构上有新颖的设计变化，以使这些装置可比现有的设计明显降低对温度的敏感性。特别是，在此描述的设计变化避免了光学装置的波长谱内的随温度变化而发生的固有移位。换句话说，本发明通常涉及具有与温度无关特性的传输光能特性的光波导。
如上所述，由于至少两个原因，光学装置，特别是WGRs和WDMs，的波长谱随温度变化(T)而移位。首先，在此n代表波导材料的折射率，dn/dT≠0，其次是热膨胀，即dL/dT，这里L代表长度，类似的也不等于零。换句话说，折射率随温度变化而改变的比率是材料的给定特征。例如，通常用于制造光学装置内的波导的石英具有约等于1.1×10-5l/℃的dn/dT。
图2一般表示温度变化对光信号的传输系数的影响。如图所示，当温度从T1增加到T2时，传输系数向右移位一个波长量λ。与之不同，温度的提高使波长谱向上移位至一个较高的波长。
根据上述事实，本发明的发明者找到了用来制造波导的特定材料的特征，该特征控制或支配响应于温度变化的装置。更重要的是，本发明的发明者认定存在其他材料，它可提供与石英相同的光学特性同时表现出对温度变化更理想的反应。为了专门解决在光学装置中与温度有关的光谱移位的问题，发明者认识到一个或多个波导的选定部分可由与该波导其余部分不同的材料制成，由此可控制地补偿该波导通常对温度敏感的特性。
特别是，弹性材料或弹性体被选出，因为它们在通信波长处光损耗低且折射率与石英的很接近。然而，除这些因素之外，弹性体的另一些令人感兴趣的特性是其折射率通常随温度快速变化和其与石英特征的关系。一种特定的弹性体，即由通用电气或康宁公司制造的RFX-36HN，具有随温度提高而变化的折射率，该折射率的变化量与石英相比符号相反且比石英的折射率大30倍。由于弹性体的折射率以与典型波导材料石英随温度变化而改变的方向相反的方式，随温度变化而变化，为了确保对光学装置内的每个波导的温度变化进行一致的反应或补偿，应该在光栅的长波导内使用更多的弹性体。
根据上述原则，本发明的一个实施例描述了一个光学装置，例如一个WGR，该装置不是使每个波导的波导芯部区域整个长度由一种稳定材料如石英制成，而是有意使至少一个波导的一部分由不同材料制成。特别是，选择不同材料以便具有随温度变化而变化的一个折射率，其变化率与光栅波导其余部分的材料的给定变化率不同。而且，当选择一种其折射率对温度变化的反应与其余波导芯部材料的相应变化方向相反时，可以改变两种不同材料的量以便有效的补偿温度变化。
图3表示一种传统的频率路由选择装置的有关详图。频率路由选择装置包含许多与自由空间区域100连接的输入波导2i,i=1,2,…,N。许多输出波导110从自由空间区域100伸展出去并与一个光栅120连接。光栅120包括许多不等长的波导，该不等长的波导提供了与对应的许多输入波导130的一个预定量光程差，该输入波导130与另一个自由空间区域140连接。自由空间区域140与许多输出波导4k,k=1,2,…,N连接。
实践中，这些频率路由选择装置可用作光频率的多路复用器和/或解多路复用器来操作。例如，如果一个波幅A的信号施加于输入波导21，那么，波幅AT11,AT12,…,AT1N的信号在输出波导处产生，其中，Tik是输入波导2i和输出波导4k的传输系数值。与这些路由选择装置相关的细节在上述用来参考的专利中谈到。
图3的路由选择装置的一般特性表示在图4中。该图表示对路由选择器特定输入波导21的传输系数T1k为波长λ的函数。作为波长的函数，每个传输系数的变化基本是周期性的，其周期为Xσ。对于输入和输出波导均匀分布在考察区(即布里渊区)中的对称布置，Xσ由下式给出：
        Xσ=N.S                  (1)
在此，N是输入(或输出)波导的总数，S是信道间隔，S可定义为在相邻传输系数的最大峰值之间的波长间隔。(见图4)。波长λo对应其中一个传输系数Tik的最大值。在图3中，λo对应于系数T11的最大值。对于各种系数Tik最大传输的所有其它波长λik基本上与相差多倍S，且由下式得出
        λik=λo+(i-k+q.N)S      (2)
这里整数i,k=1,…,N表示输入和输出波导的位置，q是一个整数，且λo是波导l=k=1的最大传输的波长。波长λo被称为多路复用器中心波长。参数X由下式给出：
        X=λ-[λo+(i-k+q.N)Sl]=λ-λik    (3)
传输系数具有基本上相同的性质，因此，由相同的函数T(X)来描述。这样，所有的对应一个特定的输入波导的传输系数产生一排间隔相等的传输波峰，例如图4所示。相邻波峰的间隔等于信道间隔S。
尽管上面提出了本发明的一般方面，仍有许多不同的方式可把这些构思用于一个光学装置中。图5a)和5b)提出了一些可选择的设计，它们表示如何根据本发明制造与温度无关的光学装置。
作为弹性材料如何用于选定波导的实例。图5a)表示各种数量的较小弹性材料块布置在选定的波导光路内。特别是，如图所示，表示出的(顶部)最长的波导可包含7个这种弹性块，表示出的第二长波导(从顶部向下第二个)可包含6个这种弹性块，表示出的第三长波导(从顶部向下第三个)可包含5个这种弹性块，如此直到表示出的最短波导(从顶部向下第7个)可包含1个这种弹性块。
然而值得注意的是，用于任意特定的波导内的弹性块的准确数量和/或尺寸是设计选择的重要课题，且在此图5a)和5b)并非准确的比例图。更重要的是，尽管根据本发明可使用弹性块的任意数字顺序如1,2,3,4,…或2,4,6,8,…或3,6,9,…，但其目的在于保持相结合的弹性块的总长和相关的波导的总长之间的线性关系。所不同的是，从一个波导至相邻波导的长度增加率，应该对应于用在这两个波导中每一个的弹性材料的数量。
通过以这种方式设计该装置，可以将选定数量的弹性块可控制地布置在期望的波导光路中。特别是，一种特定的制造该产品的方法涉及前述每一步骤，且包括从装置上蚀刻掉包层16和芯部材料14直到基片层12的后续步骤。
为了更清楚的说明该涉及，图1b)表示沿波导长度方向的截面图。如图所示，包层16和芯部材料14的一部分用弹性材料20代替。而且，包括一个附加步骤，即将靠近上包层16的弹性材料20的一部分蚀刻掉并用更多的包层材料代替。
当提供上述弹性块时，用于传统光学装置内的部分弹性块的尺寸可以是约3μm。根据具有约100个光栅波导的实例结构(代替图示的共7个)，在最长波导的全长内将有约300μm总长的弹性材料来代替基本波导材料例如石英。类似的，根据该实例，其中一个短波导沿其长度将包括约3μm的弹性材料。然而，尽管在此给出了特定的数值，应全面理解根据需改进的光学装置的准确设计和类型，以及装置工作的所需环境，所使用的特定值可以有很大变化，但仍然被认为在本发明的范围内考虑。
图5b)表示又一个在选定的波导中使用弹性材料的设计。在该选择例中，弹性材料以“”形沉积在一系列相邻的波导中。特别是，这种形状在最长的波导(顶部)光路内提供较长的弹性材料，在其中一个较短的波导光路中提供最短的弹性材料。
对于上述块设计，在一个特定波导内使用的弹性体的准确数量或长度被认为是一个在本发明范围内的设计选择问题。然而，对于三角形设计的一套可接受的数量可以是沿所改进的最长波导的长度方向约为300μm长弹性材料，在改进的最短波导内约为3μm的弹性材料。
为了实际计算所获得的或补偿的波长移位量，应首先记住当受到温度变化影响时，上述特定弹性体的折射率要在与石英的对应变化方向相反的方向上移位且具有约30倍变化值。而且，弹性材料部分的总长由下式给出：
               (dn/dT)石英
    Le=(l)(L)
               (dn/dT)弹性体
在此，L是相邻光栅波导长度的增加量，l是光栅波导的标记计数，l=1对应最短的波导，l=2对应接下来的波导等。
在结束时，本发明满足了提供一种其工作基本上不受温度变化影响的无源光学装置的需要。通过与普通波导材料(例如石英)的折射率随温度变化而改变的方式相比较，而获知某种材料的折射率随温度变化而改变的情况，从而可以利用本发明的教导，精确地改进光路的特性，使通过该光路的信号完全补偿任意可能发生的波长谱移位。换句话说，本文提供一种具有许多波导的光学装置，其每个波导尽量改进成使通过其间的光信号在任意两个给定的温度下具有相同的波长。
可以理解，上述装置只是对本发明的简单说明，对本领域的普通技术人员来说，在利用本发明的原理且不超出本发明的实质和范围的前提下可以设计成其它装置。特别是，Mach-Zehnder干扰仪，布拉格滤波器，和/或光傅里叶滤波器也可以从本发明中受益。

Claims (8)

1．一种光学装置，该光学装置具有许多光波导，且包括至少一个由一个芯部区域限定的波导，该芯部区域具有串联且可传输光能的第一和第二部分(14,20)，该芯部区域由一个包层(16)围绕，该包层基本上将光能限制在芯部区域内，芯部区域的该第一部分(14)包括一个第一材料长度，该第一材料的折射率随温度提高而增大，其中该至少一个波导是温度补偿的，其特征在于，由于芯部区域的第二部分(20)包括一个第二材料长度，该第二材料的折射率随温度提高而减少。
2．如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述芯部区域的第一部分(14)是由石英制成。
3．如权利要求2所述的光学装置，其特征在于所述芯部区域的第二部分(20)是由弹性材料制成。
4．如权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述芯部区域的第一部分的材料的折射率在与芯部区域的第二部分随温度改变而变化的方向相反的方向上随温度变化而改变。
5．如权利要求3所述的光学装置，其特征在于所述弹性材料的折射率随温度变化而改变，其变化率是在石英的折射率变化率的约-10和约-40倍之间。
6．制造一种光学装置的方法，其步骤包括：
设置一个波导，该波导由一个芯部区域限定，该芯部区域具有串联且可传输光能的第一和第二部分(14,20)，该芯部区域由一个包层(16)围绕，该包层基本上将光能限制在芯部区域内，芯部区域的该第一部分(14)包括一个第一材料长度，该第一制料的折射率随温度提高而增加，其中，通过将芯部区域的第一部分的部分材料蚀刻掉并代之以一个第二部分(20)，该第二部分的材料的折射率随温度提高而减少，因此，使该波导得到温度补偿。
7．如权利要求6所述的光学装置，其特征在于所述芯部区域的第一部分(14)是由石英制成。
8．如权利要求7所述的光学装置，其特征在于所述芯部区域的第二部分(20)是由弹性材料制成。
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