用于減少光學裝置中與溫度相關的光譜移位的方法和裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種新技術，以減少光學裝置中特別是波導光柵路由選擇器內的與溫度有關的光譜移位。通常，即使當受到溫度變化影響時，本發明專利技術以使通過的波長譜穩定的方式，改變一種光學裝置內的至少一個波導長度的一部分。通過與普通的波導材料例如石英的折射率隨溫度變化而改變的情況進行比較，獲得某種材料的折射率隨溫度變化而改變的情況，從而可以利用本發明專利技術的教導，精確地改進光路特性，通過該光路傳播的信號完全補償了與溫度相關的任何波長譜移位。（*該技術在2018年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于在光學裝置中，例如波導光柵路由選擇器(WGR)和波分多路復用器(WDM)，被動地減少與溫度相關的光譜移位的方法和裝置，一般說來，在過去，通過使用互連裝置已實現光波分多路復用和解多路復用，該互連裝置具有許多封閉隔離的輸入波導，該輸入波導與一種星形耦合器的輸入連通。星形耦合器的輸出與包括一系列光波導的光柵相連通，每個波導的長度與最相鄰的波導相差一個預定值。光柵與一個第二星形的耦合器的輸入相連接，第二星形耦合器的輸出構成開關、多路復用和解多路復用裝置的輸出端。這種互連裝置的實際例子在美國專利5002350,5136671和5412744中公開。這種互連裝置的幾何形狀可以是這樣的，它使得每個發送到該裝置各個獨立特定輸入端口的許多獨立特定波長在一個預定的輸出端口上合并為一。以這種方式，該裝置執行多路復用功能。相同的裝置還可執行解多路復用功能。在這種情況下，一個輸入波長與其它波長分離，并被引導到該裝置預定的一個輸出端口。適當選擇輸入波長還可實現任意選定的輸入端口與任意選定的輸出端口之間的開關。因此，通常把這些裝置稱作頻率路由選擇器，特別是波分多路復用器(WDM)。理論上，這些WGR和WDM光學裝置的工作在廣泛的環境條件下應該是可預期和穩定的。然而不幸的是，實際上，這些裝置的工作特性明顯地受到裝置周圍的環境溫度變化的影響。特別是，由于至少兩個原因，現有的WGR的波長譜被設計成隨溫度(T)而移位。首先，在此n代表波導材料的折射率，dn/dT≠0，其次是熱膨脹，即dL/dT，這里L代表長度，類似地也不等于零。至今，用來形成對溫度變化不太敏感的光學裝置的一些技術包括使用帶有溫度控制器的一種加熱器來穩定WGR的波長譜。不幸的是，這種設計在使用不易得到電源的場合下花費大且不實用。另外，半導體技術已實現了一種對溫度變化不敏感的半導體WGR，它包括具有不同的dn/dT的波導區域。然而，即使借助上述技術發展，仍還有制造與溫度無關的光波導濾波裝置的需求。對于補償波導光柵路由選擇器來說，這的確有必要，這種路由選擇器目前是密集WDM系統選擇的多路復用器。而且，假定現在硅光具座路由選擇器是各種下一代光波網絡(NGLN)的部件，且計劃用于光纖到家庭(FTTH)的接入網絡。這些網絡特別需要如WGR這樣的溫度補償光學裝置。本專利技術涉及一種溫度補償光波導。波導具有一個芯部區域，該芯部區域可傳輸光能并由一層包層圍繞，該包層基本上將光能限制在芯部區域內。另外，芯部區域的第一部分包括第一材料長度，該材料的折射率隨溫度提高而增大。根據本專利技術，波導芯部區域的第二部分包括第二材料長度，該材料的折射率隨溫度提高而減小。在本專利技術的一個圖示實施例中，為了保持其與溫度無關的工作性能，具有許多波導的光學裝置其中至少包括一個溫度補償波導。在一個更具體的實施例中，光學裝置，例如WGR，包括具有至少一個輸入波導的第一自由空間區域，和具有至少一個輸出波導的第二自由空間區域。另外，許多不等長度的波導將第一自由空間區域與第二自由空間區域連接，其中至少一個不等長的波導由一個波導芯部區域限定且能夠傳輸光能，該波導芯部區域具有串連的第一和第二部分，波導芯部區域由一個包層包圍，該包層基本上將光能限制在芯部區域內，芯部區域的第一部分包括一個折射率隨溫度提高而增大的第一長度。更重要的是，由于第二部分包括一個折射率隨溫度提高而減少的第二長度材料，因此，至少其中一個不等長波導是溫度補償的。下面，參考附圖來描述特定的實施例，因此，本專利技術的其它特征將更容易理解。附圖說明圖1a是具有多個波導的一個基本光學裝置的橫截面視圖；圖1b是用于本專利技術一方面的波導長度的截面圖；圖2是表示在兩個不同溫度T1和T2下圖1光學裝置的部分傳輸系數的圖表；圖3是表示傳統的光學頻率路由選擇器的實際例子；圖4是表示對于圖1的路由選擇器的傳輸系數的圖表；和圖5a)和b)是具有本專利技術的新穎特點的光學頻率路由選擇器的不同設計。本專利技術教導了一種新技術以減少光學裝置中，特別是波導光柵路由選擇器內，與溫度有關的光譜移位。通常，即使是在溫度變化的環境當中，本專利技術按照讓通過其間的波長譜穩定的方式改變一種光學裝置內至少一個波導的一部分長度。然而，在特別指出本專利技術的新穎性之處以前，首先討論普通類型的光學裝置的基本結構，這種裝置可以通過加入本專利技術的內容而得到改進。最先進的且技術上成熟的平面波導是通過硅光具座(SiOB)技術制造的摻硅波導。通常摻硅波導是優選的，因為它具有許多誘人的特性，包括低成本、低損耗、低雙折射、穩定和與光纖耦合的相容性。而且，處理步驟與硅集成電路(IC)技術中的步驟一致，適合大量生產，而且容易掌握。通常，通過在一個載體基片上首先沉積一個低折射率的石英底層或下包層，通常包括硅或者石英。然后將具有高折射率的一層摻雜石英，即芯層，沉積在下包層頂部。接著，通過與用于集成電路制造的技術類似的光刻技術，對芯層構圖或刻成光路所需的結構。最后，沉積一層頂包層，以覆蓋形成圖案的波導芯部。這項技術描述在C.H.Henry的美國專利4902086中，以及名為“在硅上用于混合光封裝的玻璃波導”的文章中(光波技術期刊，1989年10月第10號第7卷的第1530-1539頁)，在此這兩篇文獻用于參考。任意平面光波導的關鍵性能是波導線度，即波導芯部的高度和寬度，及波導的芯部和包層之間的折射率的折射差，通常用Δ表示。芯部的高度或厚度由沉積在一個載體基片上的波導芯部材料量來確定；而芯部的寬度由光刻掩模和化學蝕刻中的凹進(undercut)來確定。波導的Δ主要由材料系統和制造工藝來確定。實踐中，不同的波導結構和系統用于實現不同的功能，并在芯部尺寸和Δ中進行折衷以在不同的光學性能之間進行優化。攙雜P的波導用在本專利技術中。每個攙雜P的波導具有厚度約為7μm的芯部，且都位于15μm的下包層上面。一個15μm的上包層覆蓋波導芯部。波導芯部的尺寸選擇成盡可能的大，以得到強的光密封性和低的傳播損耗，但要小到足以使波導保持單模。類似的，包括過渡區的石英光路具有約7μm高的芯部；但其寬從18μm(接近條形)變化到約2μm(遠離條形)。現在參見圖1，為了表示波導所在區域內的尺寸和材料，圖中表示了一種光學裝置的橫截面圖。基片10包括厚度為500μm的硅。包層12包括一層15μm的石英，該石英在波長(λ)為1.55μm時折射率約為1.445。波導芯部14通常是方形，其厚度和寬度約為7μm，且它們包括在波長λ=1.55μm時折射率約為1.454的攙雜石英。波導芯部14間隔約2.5μm的間距。波導芯部材料比包層材料的折射率高的事實能夠使波導芯部根據菲涅爾定律來引導光波。折射率基本上與包層12相同的包層16沉積在波導芯部14頂部以完成結構。本專利技術提出和要求在光學裝置的結構上有新穎的設計變化，以使這些裝置可比現有的設計明顯降低對溫度的敏感性。特別是，在此描述的設計變化避免了光學裝置的波長譜內的隨溫度變化而發生的固有移位。換句話說，本專利技術通常涉及具有與溫度無關特性的傳輸光能特性的光波導。如上所述，由于至少兩個原因，光學裝置，特別是WGRs和WDMs，的波長譜隨溫度變化(T)而移位。首先，在此n代表波導材料的折射率，dn/dT≠0，其次是熱膨脹，即dL/dT，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光學裝置，該光學裝置具有許多光波導，且包括至少一個由一個芯部區域限定的波導，該芯部區域具有串聯且可傳輸光能的第一和第二部分（１４，２０），該芯部區域由一個包層（１６）圍繞，該包層基本上將光能限制在芯部區域內，芯部區域的該第一部分（１４）包括一個第一材料長度，該第一材料的折射率隨溫度提高而增大，其中該至少一個波導是溫度補償的，其特征在于，由于芯部區域的第二部分（２０）包括一個第二材料長度，該第二材料的折射率隨溫度提高而減少。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：CH亨利，李淵，
申請(專利權)人：盧森特技術有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]