飛宇無熱陣列波導(dǎo)光柵模塊介紹

  1 產(chǎn)品簡述

  飛宇無熱陣列波導(dǎo)光柵（AAWG）模塊，使用機(jī)械補(bǔ)償方式來減小芯片隨溫度改變而產(chǎn)生的波長漂移影響，不需要額外供電，具有高穩(wěn)定性能和高可靠性能。從結(jié)構(gòu)上看，AAWG模塊主體上由單通道輸入FA、芯片、多通道輸出FA、補(bǔ)償基座、補(bǔ)償桿及鎖定旋鈕、封裝殼體等六部分組成詳見圖（1）、圖（2）。

  2 工作原理

  芯片是陣列波導(dǎo)光柵功能實(shí)現(xiàn)的核心，其結(jié)構(gòu)上主要包含如下5部分，見圖（3）。

  ·輸入波導(dǎo)（input waveguides）：接收外部波長信號；

  ·輸入星形耦合器（star coupler）：也稱平板波導(dǎo)，把波長信號耦合到陣列波導(dǎo)；

  ·陣列波導(dǎo)（grating waveguides）：波長信號傳輸，波導(dǎo)的長度依次遞增 ΔL，對通過的光信號產(chǎn)生固定光程差，相當(dāng)于光柵作用；

  ·輸出星形耦合器（star coupler）：也稱平板波導(dǎo)，把衍射出來的波長信號聚焦到輸出波導(dǎo)中（干涉原理，類似于楊氏雙孔干涉）；

  ·輸出波導(dǎo)（output waveguides）：把不同波長信號分配輸出給接收端。

  AAWG芯片工作原理見圖（4）所示：當(dāng)一束包含多個(gè)波長的光束通過輸入波導(dǎo)傳播進(jìn)入聚焦平板時(shí)，光束橫向近似于無限制，此時(shí)光束在聚焦平板區(qū)域發(fā)生衍射。在進(jìn)入陣列波導(dǎo)的輸入孔徑時(shí)，光束被耦合到陣列波導(dǎo)中，為減少耦合損耗，陣列波導(dǎo)的輸入輸出孔徑處常采用錐形過渡波導(dǎo)設(shè)計(jì)。根據(jù)平板波導(dǎo)區(qū)域的結(jié)構(gòu)，從中心輸入波導(dǎo)輸入的光到達(dá)陣列波導(dǎo)的輸入孔徑時(shí)，其經(jīng)歷的光程相等，因此耦合進(jìn)陣列波導(dǎo)的各光束相位也近似相等。

  當(dāng)各光束傳輸?shù)疥嚵胁▽?dǎo)的輸出孔徑時(shí)，由于陣列波導(dǎo)的各相鄰波導(dǎo)具有一定的相等的長度差，因而相鄰輸出孔徑的光束具有一定的相位差。各輸出孔徑的光束在第二個(gè)平板波導(dǎo)區(qū)域發(fā)生多光束衍射和干涉，光強(qiáng)最大的位置始終位于羅蘭圓輸出端圓弧的中心，其干涉級數(shù)取決于陣列波導(dǎo)長度差。由于光的色散性質(zhì)，同一干涉級數(shù)下不同波長的光束將聚焦在第二個(gè)聚焦平板區(qū)域的不同位置，將接收波導(dǎo)放置在羅蘭圓的適當(dāng)位置，就能得到不同波長信道的空間分離。

  3 溫度補(bǔ)償方案

  溫度特性補(bǔ)償是陣列波導(dǎo)光柵功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

  陣列波導(dǎo)光柵光柵方程：nsdsinθi+nc△L+nsdsinθo=mλ，其中sinθi=xi/Lf ，sinθ0=x0/Lf，Lf為平板波導(dǎo)的長度，xi、xo分別是輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)與中心輸入波導(dǎo)、中心輸出波導(dǎo)的間距。ns、nc分別為平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)的有效折射率，d為陣列波導(dǎo)的間距，△L是相鄰陣列波導(dǎo)的光程差，m為的衍射級數(shù)。

  無熱陣列波導(dǎo)光柵芯片材質(zhì)二氧化硅具有較高的熱光系數(shù)，其折射率會隨溫度的變化而變化，溫度升高時(shí)，折射率變大，AAWG 的輸出波長也相應(yīng)地變大，且輸出波長隨溫度的變化成線性關(guān)系，波長隨溫度變化率大約為 11pm/°C。查找相關(guān)資料對陣列波導(dǎo)方程推導(dǎo)結(jié)果：

  為了解決減小溫度對陣列波導(dǎo)芯片波長漂移影響，我司AAWG產(chǎn)品溫度特性補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)工藝為：在芯片的輸入平板波導(dǎo)位置進(jìn)行縫隙切割，使芯片被分成兩部分（第一部分包含輸入波導(dǎo)部分輸入平板波導(dǎo)，第二部分包含部分輸入平板波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)以及輸出波導(dǎo)）。目前我司在工藝實(shí)現(xiàn)中，采用特殊材質(zhì)和膨脹系數(shù)的補(bǔ)償基座和補(bǔ)償桿，實(shí)現(xiàn)芯片被切割的兩部分發(fā)生相對微小移動(dòng)，達(dá)到對產(chǎn)品溫度特性補(bǔ)償，見圖（5）。

  ·調(diào)節(jié)1/2/3/4旋鈕，使兩部分沿著切割線方向發(fā)生位移，從而對AAWG輸出波長進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

  ·由于補(bǔ)償基座和補(bǔ)償桿熱膨脹系數(shù)與芯片熱膨脹系數(shù)差異，實(shí)現(xiàn)位移互補(bǔ)，以達(dá)到溫度特性補(bǔ)償。

  4 補(bǔ)償驗(yàn)證結(jié)果

  我司無熱陣列波導(dǎo)光柵模塊驗(yàn)證結(jié)果，見圖（6），實(shí)際曲線為我司產(chǎn)品抽測結(jié)果。

  ·在-10~65℃范圍內(nèi)，波長漂移滿足±0.05nm；

  ·在-10~85℃范圍內(nèi)，波長漂移要求±0.05nm，可定制。

  飛宇小結(jié)

  飛宇研發(fā)生產(chǎn)各類型AAWG，可根據(jù)客戶要求提供不同通道產(chǎn)品（16CH、32CH、40CH、48CH、96CH等），可提供不同封裝類型產(chǎn)品（金屬盒封裝，19英寸機(jī)架封裝等）。飛宇優(yōu)化其封裝結(jié)構(gòu)，使其更便于與其他無源產(chǎn)品兼容使用，比如可拓展到V-Mux，具有低損耗和偏振相關(guān)損耗，低串?dāng)_等特點(diǎn)。更多詳情可咨詢飛宇集團(tuán)。

——飛宇集團(tuán)，光通信無源器件及有源設(shè)備制造商——