[发明专利]一种宽温、低功耗阵列波导光栅模块及波长控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光模块及封装方法，属于光通信技术领域，具体涉及一种宽温、低功耗阵列波导光栅模块及波长控制方法。

背景技术

阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Gratings，简称AWG)是基于平面光波导的光器件，由输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出波导组成，其中相邻阵列波导具有固定的长度差。AWG是密集波分复用系统的关键光器件，具有集成度高、通道数目多、插入损耗小，易于批量自动化生产等优点。AWG密集波分复用系统对复用/解复用器件的中心波长稳定性要求较高，中心波长精度需要控制在通道间隔的+/-5％以内，通常在100GHz，50GHz和25GHz间隔的波分复用系统中，中心波长精度分别需要控制+/-0.04nm，+/-0.02nm和+/-0.01nm以内。但是，传统的硅基AWG芯片对温度比较敏感，一般中心波长随温度的漂移为0.0118nm/℃，在波分复用系统工作环境温度内(-40℃至85℃)，AWG芯片的中心波长漂移量明显超出了系统要求，因此，需要采用措施来控制AWG模块的中心波长，使其能在工作环境温度内正常工作。

无热AWG(Athermal AWG,简称AAWG)技术是一种常用的中心波长控制技术，无热AWG模块通常采用温度补偿的技术保持波长的稳定，通过温度驱动杆的热胀冷缩驱动波导相对移动来补偿波长随温度的漂移。AWG芯片被切割成两部分后，中心波长的变化dλ与芯片两部分的相对位移dx具有如下关系：

其中R是罗兰圆焦距，n_s和n_c分别是AWG的输入平板波导、输出平板波导，也叫罗兰圆的有效折射率和阵列波导的有效折射率，n_g是群折射率，d是相邻阵列波导在罗兰圆周上的间距，m是衍射级次。λ是真空波长。

驱动杆的热膨胀系数比光路底座的热膨胀系数大，当温度变化时，驱动杆会驱动光路底座的第一区域101和第二区域102产生相对运动，进而带动AWG芯片的两部分沿着切割缝隙206相对移动，从而对AWG芯片的波长随温度的漂移起到补偿作用。设驱动杆103的长度为L，相对光路基座的热膨胀系数为α，则驱动杆驱动芯片两部分产生的相对位移为：

dx＝kLαdT (2)

其中k为比例系数，与具体结构有关。

设由驱动杆驱动芯片两部分产生的位移引起的中心波长变化为dλ'，结合公式(1)和公式(2)得出：

如果dx/dT以及dλ/dT都是等同线性变化，则可以直接通过驱动杆来完成中心波长对于温度变化偏移的补偿，但实际运用中，dx/dT以及dλ/dT与温度的关系是非线性的，低温到常温(-40℃～25℃)变化量以及常温到高温(25℃～85℃)的变化量相差约0.04nm。通过公式(2)和(3)可以近似的推导出中心波长dλ随温度T的的变化量，如公式(4)所示。

dλ＝a*dT²+b*dT+c (4)

从式(4)可以看出，温度补偿装置1只能补偿中心波长随温度变化的一次项，不能补偿其二次项。因为实际应用中硅基二氧化硅波导的折射率随温度变化具有高阶系数，经过补偿后的中心波长-温度曲线是开口向上的抛物线，如图4所示。如果补偿系数与b相等，那么是对称补偿；如果补偿系数大于b，那么是过补偿；如果补偿系数小于b，那么是欠补偿。

无热AWG的优点是不需要功耗，缺点是需要通过常温25℃牺牲各通道中心波长精度来满足模块全温度范围内指标要求。从图4可以看出，对称补偿的无热AWG的中心波长变化量约为0.05nm，因此该方法只能在有限的温度范围内保持波长的稳定性，例如工作环境温度在-5℃至65℃范围内，中心波长精度满足100G系统的要求，而工作环境温度扩展到-40℃至85℃时，模块波长变化量>0.1nm，完全不满足中心波长精度需要控制的+/-0.04nm，且各通道波长偏离ITUT值所造成的波长不一致性对模块串扰等重要指标影响严重。

显然，现有的无热AWG技术波长精度补偿能力有限，主要体现无法同时满足高温、低温区域波长精度控制要求。需要一种方案，使得AWG在宽温(-40～85℃)工作时，不仅功耗低、且中心波长满足50G、25G甚至更密集波分复用系统的要求。

发明内容