聚合物AWG器件研究內(nèi)容綜述

李德祿 馬杰

吉林醫(yī)藥學(xué)院物理教研室，吉林省吉林市 132013

聚合物AWG器件研究內(nèi)容綜述

李德祿 馬杰

吉林醫(yī)藥學(xué)院物理教研室，吉林省吉林市 132013

聚合物AWG器件研究工作對國際國內(nèi)光通信事業(yè)尤其是有機光電子器件的發(fā)展具有積極的促進作用。本文在查閱了大量文獻基礎(chǔ)上對聚合物AWG器件研究工作做出總結(jié)，為相關(guān)研究工作提供參考、借鑒。

聚合物AWG；材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計；工藝

AWG的信道波長受環(huán)境溫度影響較大,這主要是由于材料折射率隨溫度變化而改變。硅基質(zhì)AWG 的溫度相關(guān)波長漂移達0.0125nm/℃。雖然采用溫控單元可穩(wěn)定波長,但這增加了AWG 器件的成本, 同時也限制了其應(yīng)用范圍。因此, 對無熱化(Athermal) AWG 的研究是目前這一領(lǐng)域的另一個重要方面。文獻[1]報道了一種肋狀結(jié)構(gòu)的無溫控AWG, 基底為Si, 波導(dǎo)材料為高摻Ti 的SiO2材料,包層為SiO2。在TiO2濃度為66mol%、退火溫度為900℃的情況下,器件的中心波長溫度相關(guān)系數(shù)僅為0.7pm/℃, 為普通SiO2AWG的1/16。這種器件只需采用常規(guī)的薄膜沉積和反應(yīng)離子蝕刻法就可制成。另外一種無熱化AWG采用簡單的混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[2], 其芯層為SiO2, 上包層為無機物- 有機物混合材料(HYBRIMER) 。精確控制混合材料的熱光系數(shù), AWG 的溫度相關(guān)性在10℃～90℃范圍內(nèi)可減小到3pm/℃。在SiO2芯層上方采用具有負熱光系數(shù)的聚合物材料作為上包層[3], AWG 器件的中心波長溫度相關(guān)漂移在26℃～100℃范圍內(nèi)可減小到0.21nm, 偏振相關(guān)波長漂移從0.15nm 減小到0.05nm, 此方法的優(yōu)點是可以同時抑制溫度和偏振敏感性。另外，對芯區(qū)與包層的折射率高差值( Δ)的優(yōu)化，K.Maru 等人提出一種高Δ差值( 1.5%) 波導(dǎo)、小尺寸、無溫控AWG[4]。他們用反應(yīng)離子蝕刻法在第一個平板波導(dǎo)內(nèi)蝕刻出楔形溝并填充硅樹脂, 用來補償波導(dǎo)陣列的溫度相關(guān)性。這些楔形溝以適當間隔分開以減小衍射損耗, 且每個溝有合適的彎度, 避免額外的相位誤差引起的串擾。結(jié)果表明, 器件的溫度相關(guān)波長漂移在0℃～65℃范圍內(nèi)僅為0.03nm, 約為無此種楔形溝結(jié)構(gòu)的AWG 的1/20。后來, 他們在此基礎(chǔ)上, 同時引入楔形溝和分段的芯區(qū)[5], 分別用于消除由于高出波導(dǎo)而增加的橫向、縱向衍射損耗, 使得由于無熱化引起的額外損耗從2.4dB 減少到0.9dB, 器件插入損耗為2.0～2.3dB。這種結(jié)構(gòu)可以用影印平版印刷和反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)實現(xiàn)。另一類很有前景的技術(shù)是全聚合物無溫控AWG[6]。與硅基質(zhì)AWG 相比, 聚合物材料的AWG 的主要優(yōu)勢是低成本。

因此，為了實現(xiàn)聚合物AWG器件的溫度不敏感性或無熱化，在材料方面，制作AWG的波導(dǎo)材料應(yīng)具有溫度依賴性小、熱穩(wěn)定性好等特點。當前，采用氟化聚合物作為AWG的波導(dǎo)材料，其光損耗已容易降至0.2～0.5dB/cm[7]。具有10-5量級的模式雙折射材料如氟化丙烯酸酯(fluorinated acrylate)、硅樹脂(silicon resin)等也已合成出來[8]。Min等人也報道了一種由熱解溫度可達510℃的氟化聚醚(fluorinated polyethers)材料制作的AWG路由器，具有良好的操作性能和熱穩(wěn)定性，其插入損耗5.5～11dB，串擾小于-27dB[9]。我們目前初步合成的新型氟化聚酯材料PDFBT的熱穩(wěn)定性較好，初步的測試結(jié)果表明，其光損耗約為0.4dB/cm，熱解溫度可達435 ℃，低于此溫度，該聚合物的失重接近于零，在高達120℃下可長期穩(wěn)定工作。這說明用這一氟化聚合物材料制備的AWG將會具有良好的熱穩(wěn)定性。

另一方面，也可通過采用某些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方法盡量地減小AWG的溫度依賴性。Keil等人曾報道一個全聚合物AWG器件，通過適當選擇具有正的熱脹系數(shù)(CTE)的聚合物襯底和具有負的熱光系數(shù)(CTO)的聚合物波導(dǎo)材料，獲得了良好的溫度不敏感性[10,11]。Gao等人也利用了類似的方法來減小AWG的溫度依賴[12]。Kobayashi等人試圖通過把聚合物AWG薄層從硅襯底上分離開來以減小因熱應(yīng)力而引起的雙折射。但是這種柔軟的聚合物AWG薄層因其封裝非常困難而難以進行實際應(yīng)用。在Kobayashi等人做法的啟發(fā)下，Lee等人只把聚合物AWG器件的陣列波導(dǎo)區(qū)與硅襯底進行分離，而包括信道波導(dǎo)區(qū)在內(nèi)的其余部分仍然固定在硅襯底上，如此做既可減小AWG的溫度依賴，又可對器件進行封裝，并使器件的溫度依賴波長漂移由-0.1nm/ ℃減小到 0.01nm/ ℃[12]。目前，我們正在研究另外一種減小全聚合物AWG器件的溫度依賴性、提高器件的熱穩(wěn)定性的新方法。這種方法是把原來所設(shè)計的硅基底設(shè)計成聚合物的基底，聚合物具有負的熱光系數(shù)(典型值為-10-4/ ℃)和正的線脹系數(shù)(幾十個ppm/K)，因此在室溫和高溫下聚合物的陣列波導(dǎo)和襯底溫度依賴波長漂移為負值[13]，相互抵消，因此很大程度地減少了室溫和高溫下聚合物的溫度依賴波長漂移。與上面提到的方法相比，這一方法具有簡單實用等特點。

上述情況說明，減小聚合物AWG器件的溫度依賴性、提高熱穩(wěn)定性及對工藝公差的研究可提高我國在聚合物AWG器件方面的研究水平，并可對同類器件的研制提供實用參考價值，具有十分重要的意義和實用價值。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.021

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目資助，項目編號：吉教科2011——421

李德祿，博士，副教授，主要從事波導(dǎo)光電子器件的研究工作。