阵列波导光栅双线性温度补偿装置的实现

0 引 言

在面向第五代通信技术(5G)的光传送网承载方案中，波分复用-无源光网络(Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network, WDM-PON)[1-3]以其技术和成本优势成为前传最重要的接入方案之一。而在该组网模式中，波分器件用于室外环境，对无源阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)模块提出了更高的要求。如何在全温度范围内有效控制AWG芯片中心波长偏移量成为AWG器件能在工业温度环境下应用的关键因素。AWG芯片由温度引起的波长变化量为非线性曲线，近年来应用较多的抑制波长偏移的方案如移动补偿技术[4]、芯片级补偿技术等只是补偿了变化曲线的一次项系数[5-6]，仅能在有限温度范围内满足性能指标。本文提出一种基于多杆的AWG双线性温度补偿装置，该装置将整个温度范围划分为多段，并通过在不同段内采用不同补偿系数的波长调节来实现对AWG芯片中心波长的补偿，使得现有无源AWG器件工作在工业级温度范围内(-40～85 ℃)且波长偏移<40 pm，波长精度达到±4.5 GHz。同时，其关键性能指标得到进一步提升。

1 模型结构与原理

1.1 模型结构

本文提出的具有双线性温度补偿装置的AWG器件结构如图1所示。AWG芯片被一分为二，分为固定部分(w1)和移动部分(w2)。将两部分用多根驱动装置进行连接和固定。其中驱动装置由金属弹簧及粘接两边的石英材料组成。w1和w2会以驱动装置为支点进行类似杠杆运动。随着温度变化带来的多驱动装置的膨胀和收缩效果为非线性变化曲线，并以相对移动的方式对w1和w2两部分芯片进行波长补偿。

图2所示为双线性温度补偿装置的AWG器件的金属弹簧结构驱动装置的结构截面图。该器件的结构分为3层：最上层为折射率为0.75%(或1.5%)的折射率芯片，厚度T1=0.7 mm；中间层采用双抛硅片，厚度T2=1 mm；底层采用单抛硅片，厚度T3=1 mm。最上层芯片与中间层正面采用热固化胶固定，中间层背面与底层正面采用流动性较好的硅油粘接，保证温度变化状态下可以自由滑动。图3所示为驱动装置结构图，弹簧A两边均与石英玻璃粘接固定，弹簧B一边与石英玻璃粘接固定，另外一边采用接触式分离的方式靠紧玻璃，且两根弹簧均采用UV胶粘分别粘接在w1和w2上。金属弹簧膨胀系数为∂=23.21E-6 K，弹簧A、B长度分别为L1=29 mm、L2=26 mm，宽度W=6 mm、厚度H=3 mm。

图1 双线性温度补偿装置的AWG器件结构图

图2 AWG器件的金属弹簧结构驱动装置的结构截面图

图3 驱动装置结构图

1.2 移动补偿原理

无热AWG方案设计中，中心波长λc随温度的变化量dλc与芯片两部分随温度的相对位移dx具有如下关系：

式中：dT为温度变化量；Lf为平板波导的焦距；ΔL为相邻AWG阵列波导间的长度差；ns为平板波导的有效折射率；ng为阵列波导的群折射率。

采用驱动装置1进行补偿，当驱动装置1长度为L1时，x与L1的变化量有如下关系：

式中：α为相对光路底板的热膨胀系数；k为材料相关的常系数。若dx/dT及dλc/dT具有等同的线性变化值，则可以仅通过驱动装置1来完成中心波长对温度变化偏移的补偿，但实际运用中，x及λc与温度的关系是非线性的，低温到常温(-40～25 ℃)以及常温到高温(25～85 ℃)的变化相差0.04 nm。

由式(1)和(2)可以近似地推导出典型的λc的变化量公式：

式中，a、b和c分别为硅基二氧化硅的折射率随温度变化的各阶补偿系数。对于仅设置驱动装置L1的无热AWG而言，只能补偿式(3)中的1次项系数a。实际应用中,硅基二氧化硅波导的折射率随温度的变化具有高阶系数，经过补偿后的中心波长与温度的关系曲线是一个开口向上的抛物线形，若取补偿系数则整个温度范围内补偿效果为过补偿，仅在高温区域有较好的补偿效果。图4所示为利用Matlab软件获取的理论波长变化分布图。

图4 理论波长变化分布

驱动装置2中弹簧B的长度L2受以下条件约束：

式中：k1和k2分别为驱动装置1和2每单位温度热胀冷缩的伸缩量；r为比例系数，与两个驱动装置的刚度及结构形状相关，可通过应力分析计算模拟或试验获得；∂1和∂2分别为驱动装置1和2所包含弹簧A、B的线膨胀系数；σ为单位温度移动距离；w为补偿量。

在图2所示结构中，设定k1>b时为过补偿曲线bG，即k1=1.1α，驱动装置1中弹簧A的长度L1=1.1α/∂1；设定k2<b时为欠补偿曲线aD，即k2=0.9α，得出0.9α=L1∂1+rL2∂1，即驱动装置2中弹簧B的长度L2=-0.2α/(r∂1)。使得高低温环境下呈现出不同的补偿趋势，以实现全温环境下高精度波长的控制。

驱动装置1和2采用相同的材料，其线膨胀系数相同。驱动装置长度L1>L2时,当温度升高，驱动装置1每单位温度的膨胀导致的相对位移量k1>k2，使得多杆驱动器端面分离，如图2所示，补偿曲线高于常温时为过补偿曲线bG；当温度降低时，设定补偿曲线为欠补偿曲线，AWG芯片单位温度补偿量为欠补偿量；当温度继续降低且低于常温时，驱动装置2的收缩量小于驱动装置1的收缩量，由于驱动装置1具有弹性结构，所以驱动装置2迫使驱动装置1发生弹性形变，这样共同对AWG芯片的w1和w2部分进行作用。

2 温度特性测试结果与性能分析

AWG中心波长与其折射率有关，采用硅基二氧化硅材料波导的折射率会随温度变化而改变。温度特性测试和全温度指标测试是检测AWG器件性能的最好方式。其中波长变化量是检验补偿结构的重要指标。

利用光谱仪分析本文中所设计的AWG双线性补偿装置的波长随温度变化的情况，再通过全通道指标测试，并采用G-1221等可靠性检测手段验证模块结构的稳定性。

2.1 AWG双线性补偿装置温度特性分析

对于仅采用一次金属补偿，即仅采用补偿装置1的AWG芯片，取5个不同的样本a、b、c、d和f，测试其在不同驱动装置长度下中心波长的变化规律。全温度范围内，驱动装置1的长度分别取L1-a=29.6 mm、L1-b=29.3 mm、L1-c=29.0 mm、L1-d=28.7 mm和L1-f=28.4 mm，其所对应的波长相对变化分布如图5(a)所示，波长全温变化量最大为160 pm。当多段金属补偿，即加入驱动装置2后，测得AWG器件在-40、-20、-5、25、65和85 ℃温度点的波长变化分布如图5(b)所示，驱动装置2的L1-a L2变化量由最大±80 pm降低到±20 pm以内。全温度范围内对于波长变化的控制结果已趋于理论水平。模块的光学指标，由于波长控制能力的提高，相同模块指标波长离ITU-T波长标准值偏移量较小，高低温状态下性能提高。

图5 AWG双线性补偿驱动装置波长全温分布图

2.2 结构的可靠性分析

测试平台如图6所示，还包括计算机、高低温温循箱、放大自发辐射光源(Amplified Spontaneous Emission，ASE)宽带光源和测试系统等设备。其中多通道测试系统为JDSU SWS2000 ，并通过光开关连接多台器件同时测量。AWG的光学指标包括插入损耗(Insertion Loss,IL)、 带内波动(Ripple,R)、偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss,PDL)、带宽以及相邻串扰(Adjacent Channel Crosstalk,AC)等，可调谐激光光源的波长范围为1 520～1 600 nm，波长分辨率为0.4 pm。

图6 AWG测试平台

可靠性实验主要包括高温高湿、工业级的温度循环和低温存储等，本文针对高温高湿进行可靠性实验。图7所示为高温高湿2 000 h前后模块各通道的全温测试指标对比，满足G-1221可靠性标准要求，且变化量较小。结果表明，本文提出的AWG双线性补偿装置结构稳定，可满足工业级运用需求。

图7 高温高湿2 000 h前后模块各通道的全温测试指标对比

3 结束语

AWG器件在传统的封装方式下存在波长变化量大且指标差等问题，本文提出了一种双线性温度补偿装置，即利用多驱动装置相互作用从而达到控制阵列波导芯片中心波长的封装方法。在不引入额外插入损耗的同时，通过对两个驱动装置长度的设计选择，实现了对中心波长的全温控制。测试结果表明，采用该方案封装的AWG芯片，在全温条件下，波长偏移量控制在40 pm以内。