阵列波导光栅_AWG_复用_解复用器的耦合封装技术研究

18.
企业精神：敬业·诚信·创新·和谐
一　概述
阵列波导光栅（ＡＷＧ）型复用／解复用器是一种平面波导器件，是在单个芯片上制作的阵列波导光栅。

ＡＷＧ型ＤＷＤＭ器件的特点是信道间隔小、插入损耗小且均匀性好、复用信道数多、体积小、易于与其它器件集成等等。

并且由于ＡＷＧ是波导集成器件，易于批量、自动化生产，在成本上有一定的优势，所以在４０或８０个波长的ＤＷＤＭ系统的驱动下，ＡＷＧ型ＤＷＤＭ器件推广的势头强劲。

目前ＡＷＧ芯片的制备工艺基本成熟，国外许多大公司都能提供商品化的ＡＷＧ芯片，并且价格也不断下调，但ＡＷＧ模块价格却保持较高的水平，原因是将ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准粘接在一起形成ＡＷＧ模块的耦合封装工作难度很大。

波导通道的横截面尺寸大约几个μｍ，将如此小的波导通道和芯径约９个μｍ的单模光纤精确对准，是非常困难的。

另外，虽然国内外对ＡＷＧ芯片的研究文章非常之多，但对既重要又有难度的耦合封装工作的报道却
非常少。

阵列波导光栅（ＡＷＧ）复用／解复用器的耦合封装技术研究
马卫东　宋琼辉，杨涛
武汉邮电科学研究院光迅科技股份有限公司
19.经营理念：持续·稳健·快速·规模
目前对准ＡＷＧ芯片和光纤阵列主要有手工对准和自动对准两
种做法，它们依赖的硬件主要有六维精密（电动程控）微调
架、光源和功率计等。

图１给出了目前典型的ＡＷＧ耦合封装系统
示意图，两个光纤阵列分别固定在六维精密微调架上，ＡＷＧ芯片
放在中间的支架上，左边为输入端，右边为输出端。

首先光源
的光进入左边输入端光纤阵列１，并将光电探测器下移到ＡＷＧ芯
片的右输出端，调节微调架１，通过监测光电探测器的读数来对
准光纤阵列１和ＡＷＧ的输入端，然后移走探测器；调节微调架２，
通过监测光功率计的读数来对准ＡＷＧ的输出端和光纤阵列２。

目
前这种对准方案存在耗时长，封装好的ＡＷＧ模块作为双向器件使
用时可能出现插入损耗过大的问题。

本文提出了一种新的ＡＷＧ耦合封装方案，先利用两个探测器
来监测ＡＷＧ通道的功率值，快速对准ＡＷＧ和光纤阵列，再利用光
功率的双向监测来完成ＡＷＧ和光纤阵列的最终对准。

新方案克服
了ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的
ＡＷＧ模块在双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使ＡＷＧ芯片的快速高质量耦合封装成为可能。

二、　波导和光纤耦合的理论分析
关于光纤和波导耦合的理论有很多的报道，二者的耦合效率由光纤模场和波导模场之间的重叠积分确定。

光纤和波导之间的接续损耗主要由如下损耗构成：光纤和波导之间的横向位错损耗、纵向间距损耗、轴向角度倾斜损耗、模场匹配损耗、数值孔径差异损耗等。

前三项损耗的大小取决于光纤和波导是否对得非常准，后两项损耗取决于光纤和波导的本身结构，与对准无关。

本文重点考虑光纤和波导之间的纵向间距损耗问题，因为横向位错损耗和轴向角度倾斜损耗可通过精确调节微调架来减小到可接受的值，而纵向间距损耗需要考虑纵向间距取值范围的问题。

图２给出了波导模场辐射出端口的示意图。

光波从宽度为　的条形波导的开口端辐射入自由空间，即使波导口外面已不是波
导，但在距离范围内，波仍然象有波导一样，受到一定的约束。

光能是在　这个特征长度上辐射损耗掉的。

从衍射理论可知
当比较小时式中为远场角，为光波波长。

从几何关系可知：
（１）
（２）
对于单模光纤而言，约为９μｍ，取１．５５μｍ，则（ｆｉｂｅｒ）约为２６μｍ。

对于ＡＷＧ芯片来讲，目前的发展趋势是在同一个硅片上做更多的ＡＷＧ来降低成本，如日本的ＮＴＴ在４英寸的硅片上做了２６个ＡＷＧ芯片，也即减小ＡＷＧ芯片尺寸，这样就必须增加芯和包层之间的折射率差，从而要求波导的横截面尺寸比较小（一般为矩形），ＮＴＴ的典型报道值为：芯层和包层折射率指数差为１．５％，芯尺寸为４．５μｍ×４．５μｍ。

根据公式（２），得到ＡＷＧ波导的（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）约为６μｍ。

图２　波导开口端的辐射示意图
小于（ｆｉｂｅｒ）＝２６μｍ，因为在距离光纤端面（ｆｉｂｅｒ）以内的距离，从光纤里出来的高斯光束仍然能象在波导里面一样正常传播，高斯模场的模场半径基本保持不变，使光能量有效地耦合入波导；在距离光纤端面（ｆｉｂｅｒ）以外的距离，光能量会迅速散开，使光纤和波导之间的耦合效率大大
（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）＝６μｍ。

可见，对于相同的光纤和波导，当光从光纤耦考虑图１所示的ＡＷＧ对准系统，为了减小端面反射损耗，波导器件和光纤阵列的端面都抛成了斜８度角的形状。

从图中可以看出，当对准光纤阵列１和ＡＷＧ芯片时，光纤阵列１需要在Ｘ和Ｙ方向上进行大范围的频繁移动以便寻找最佳位置。

为了防止光纤阵列和ＡＷＧ芯片碰撞在一起而造成器件损伤，一开始就必须保证光纤和波导端面之间有较大的距离　ｚ，一般而言　ｚ≈１００μｍ。

对
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准时按预先设定的步长来减小ｚ值，直到发现合适的ｚ值为止；每减小一次ｚ值，光纤阵列１就要重新在Ｘ和Ｙ方向上寻找最佳位置，使光电探测器上的读数满足预定值。

由于光纤阵列１和ＡＷＧ芯片的耦合距离约为２６μｍ，是个比较大的值，因此ＡＷＧ芯片左端的对准时间Ｔ１比较小；ＡＷＧ芯片的右端和光纤阵列２的耦合距离为６μｍ，相对较小，因此ＡＷＧ芯片右端的对准需要更长的时间Ｔ２，我们的经验值是Ｔ２＝５￣１０Ｔ１。

按上述过程封装好的ＡＷＧ模块，光纤阵列１为ＡＷＧ复用器的输入端，光纤阵列２为输出端。

当这个模块用做解复用器时，光信号要从光纤阵列２进入，从光纤阵列１输出，而很可能光纤阵列１和ＡＷＧ芯片之间的耦合距离大于６μｍ，从而造成过大的损耗。

三　、实验和讨论
图３为我们提出的新的ＡＷＧ芯片耦合封装系统示意图，和图１相比，增加了一个光电探测器；将图１中的光源和光功率计分别改为光源、光功率计和光开关模块，以便实现双向光传输和探测。

首先是光从光纤阵列１进入，用光电探测器２探测，由于光纤阵列１和ＡＷＧ之间的耦合距离较长，实现光纤阵列１和ＡＷＧ左端的对准所用的时间Ｔ'１较小；沿ｚ轴向左一维移开光纤阵列１，并记下移动距离，然后移动光电探测器１于ＡＷＧ芯片左端，移走光电探测器２，使光从光纤阵列２进入ＡＷＧ，调节微调架２对准光纤阵列２和ＡＷＧ的右端，所用时间应该和Ｔ'１相当。

移走光电探测器１，并恢复光纤阵列１的位置，切换光开关，由光功率计１监测光纤阵列１中的光功率，如果功率值非常小，说明光纤阵列１距ＡＷＧ左端的距离大于６μｍ，只需小心沿一维ｚ轴向右移动光纤阵列１即可，直到光功率计上获得满意的值为止。

切换光开关，使光从光纤阵列１进入，从光纤阵列２出来并进入光功率计２，小心沿一维ｚ轴向左移动光纤阵列２，使连接在光纤阵列２上的光功率计２的读数达到预定值为止，这时ＡＷＧ芯片的右端和光纤阵列２的距离应小于６μｍ。

由于是沿一维ｚ轴向左（右）移动光纤阵列２（１），所以用的时间比较小，用Ｔ'２表示，一般而言Ｔ'２远小于Ｔ'１，故总时间约２　Ｔ'１。

从上面的分析可知，T＇１￣　T１，在图１所示的方法中，由于T２过
从上面的分析可知，T＇１￣　T１，在图１所示的方法中，由于T２过大（５￣１０T１），所以和图３所示的方法相比耗时较大；从上面的分析可知，用图３所示的方法封装出的ＡＷＧ器件，既可用做复用器，也可用做解复用器，而不会存在插入损耗过大的可能性。

图４为光纤和ＡＷＧ波导之间的归一化耦合损耗随两者之间耦合距离变化的实验关系曲线，图中的曲线Ｃ为光从光纤进入波导，曲线Ｂ为光从波导进入光纤（实验中所使用的精密微调架为美国ＮＥＷＰＯＲＴ公司的产品：Ｍ－５６１－ＴＩＬ；光功率计为日本安立公司的产品：ＭＴ９８１０Ａ；光源为武汉邮科院的产品：ＳＯＦ３５－Ｂ。

）。

从图中可以看出，耦合距离的变化从０增加到２５μｍ时（在显微镜下观察，光纤和波导端面非常接近时设耦合距离为０），曲线Ｃ显示损耗变化在０．１２ｄＢ之内，大于２５μｍ后，损耗增加很快；耦合距离的变化从０增加到５μｍ时，曲线Ｂ显示损耗几乎不变，大于５μｍ后，损耗增加很快；该实验结果和上述理论分析基本符合，对于曲线Ｃ在２５μｍ内有０．１２ｄＢ损耗的变化可这样理解：微调架沿ｚ轴移动时，很难保证严格沿ｚ轴运动而不发生任何偏离，特别是移动的距离越长，这种偏离就越大，因此０．１２ｄＢ的损耗可能是这种偏离所造成。

图４　归一化损耗和耦合距离的关系
四、　结论
本文从理论上分析了光纤和波导端面之间的耦合长度与光纤（波导）横截面尺寸之间的关系，当光从光纤进入ＡＷＧ波导时，耦合长度约为２６μｍ，光从ＡＷＧ波导进入光纤时，耦合长度约为６μｍ；提出了一种新的ＡＷＧ耦合封装方案，即先利用两个探测器监测通道功率值，快速对准ＡＷＧ和光纤阵列，再利用光功率的双向监测来完成ＡＷＧ和光纤阵列的最终对准；该方案克服了ＡＷＧ芯片和光纤阵列对准时间过长的问题，并解决了封装好的ＡＷＧ模块当双向使用时可能出现插入损耗过大的问题，使ＡＷＧ芯片的快速高质量耦合封装成为可能。

E
六维微调架　２
光纤阵列２。