飞宇无热阵列波导光栅模块介绍

11/30/2022，光纤在线讯，1.产品简述：飞宇无热阵列波导光栅（AAWG）模块，使用机械补偿方式来减小芯片随温度改变而产生的波长漂移影响，不需要额外供电，具有高稳定性能和高可靠性能。从结构上看，AAWG模块主体上由单通道输入FA、芯片、多通道输出FA、补偿基座、补偿杆及锁定旋钮、封装壳体等六部分组成详见图（1）、图（2）。



2.工作原理
     芯片是阵列波导光栅功能实现的核心，其结构上主要包含如下5部分，见图（3）。

• 输入波导（input waveguides）：接收外部波长信号；
• 输入星形耦合器（star coupler）：也称平板波导，把波长信号耦合到阵列波导；
• 阵列波导（grating waveguides）：波长信号传输，波导的长度依次递增 ΔL，对通过的光信号产生固定光程差，相当于光栅作用；
• 输出星形耦合器（star coupler）：也称平板波导，把衍射出来的波长信号聚焦到输出波导中（干涉原理，类似于杨氏双孔干涉）；
• 输出波导（output waveguides）：把不同波长信号分配输出给接收端。



     AAWG芯片工作原理见图（4）所示：当一束包含多个波长的光束通过输入波导传播进入聚焦平板时，光束横向近似于无限制，此时光束在聚焦平板区域发生衍射。在进入阵列波导的输入孔径时，光束被耦合到阵列波导中，为减少耦合损耗，阵列波导的输入输出孔径处常采用锥形过渡波导设计。根据平板波导区域的结构，从中心输入波导输入的光到达阵列波导的输入孔径时，其经历的光程相等，因此耦合进阵列波导的各光束相位也近似相等。

     当各光束传输到阵列波导的输出孔径时，由于阵列波导的各相邻波导具有一定的相等的长度差，因而相邻输出孔径的光束具有一定的相位差。各输出孔径的光束在第二个平板波导区域发生多光束衍射和干涉，光强最大的位置始终位于罗兰圆输出端圆弧的中心，其干涉级数取决于阵列波导长度差。由于光的色散性质，同一干涉级数下不同波长的光束将聚焦在第二个聚焦平板区域的不同位置，将接收波导放置在罗兰圆的适当位置，就能得到不同波长信道的空间分离。



3.温度补偿方案

     温度特性补偿是阵列波导光栅功能实现的关键。

     阵列波导光栅光栅方程：nsdsinθi+nc△L+nsdsinθo=mλ，其中sinθi=xi/Lf  ，sinθ0=x0/Lf，Lf为平板波导的长度，xi、xo分别是输入波导和输出波导与中心输入波导、中心输出波导的间距。ns、nc分别为平板波导和阵列波导的有效折射率，d为阵列波导的间距，△L是相邻阵列波导的光程差，m为的衍射级数。

     无热阵列波导光栅芯片材质二氧化硅具有较高的热光系数，其折射率会随温度的变化而变化，温度升高时，折射率变大，AAWG 的输出波长也相应地变大，且输出波长随温度的变化成线性关系，波长随温度变化率大约为 11pm/°C。查找相关资料对阵列波导方程推导结果：



     为了解决减小温度对阵列波导芯片波长漂移影响，我司AAWG产品温度特性补偿实现工艺为：在芯片的输入平板波导位置进行缝隙切割，使芯片被分成两部分（第一部分包含输入波导部分输入平板波导，第二部分包含部分输入平板波导、阵列波导、输出平板波导以及输出波导）。目前我司在工艺实现中，采用特殊材质和膨胀系数的补偿基座和补偿杆，实现芯片被切割的两部分发生相对微小移动，达到对产品温度特性补偿，见图（5）。

• 通过调节1/2/3/4旋钮，使两部分沿着切割线方向发生位移，从而对AAWG输出波长进行精确校准。
• 由于补偿基座和补偿杆热膨胀系数与芯片热膨胀系数差异，实现位移互补，以达到温度特性补偿。



4.补偿验证结果

     我司无热阵列波导光栅模块验证结果，见图（6），实际曲线为我司产品抽测结果。

• 在-10~65℃范围内，波长漂移满足±0.05nm；
• 在-10~85℃范围内，波长漂移要求±0.05nm，可定制。  



飞宇小结
     飞宇研发生产各类型AAWG，可根据客户要求提供不同通道产品（16CH、32CH、40CH、48CH、96CH等），可提供不同封装类型产品（金属盒封装，19英寸机架封装等）。飞宇优化其封装结构，使其更便于与其他无源产品兼容使用，比如可拓展到V-Mux，具有低损耗和偏振相关损耗，低串扰等特点。更多详情可咨询飞宇集团。