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?jī)?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(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)光通信事業(yè)尤其是有機(jī)光電子器件的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。本文在查閱了大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上對(duì)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(jì)；工藝

AWG的信道波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移達(dá)0.0125nm/℃。雖然采用溫控單元可穩(wěn)定波長(zhǎng),但這增加了AWG 器件的成本, 同時(shí)也限制了其應(yīng)用范圍。因此, 對(duì)無(wú)熱化(Athermal) AWG 的研究是目前這一領(lǐng)域的另一個(gè)重要方面。文獻(xiàn)[1]報(bào)道了一種肋狀結(jié)構(gòu)的無(wú)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(zhǎng)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(wú)熱化AWG采用簡(jiǎn)單的混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[2], 其芯層為SiO2, 上包層為無(wú)機(jī)物- 有機(jī)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(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)漂移從0.15nm 減小到0.05nm, 此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)抑制溫度和偏振敏感性。另外，對(duì)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(wú)溫控AWG[4]。他們用反應(yīng)離子蝕刻法在第一個(gè)平板波導(dǎo)內(nèi)蝕刻出楔形溝并填充硅樹(shù)脂, 用來(lái)補(bǔ)償波導(dǎo)陣列的溫度相關(guān)性。這些楔形溝以適當(dāng)間隔分開(kāi)以減小衍射損耗, 且每個(gè)溝有合適的彎度, 避免額外的相位誤差引起的串?dāng)_。結(jié)果表明, 器件的溫度相關(guān)波長(zhǎng)漂移在0℃～65℃范圍內(nèi)僅為0.03nm, 約為無(wú)此種楔形溝結(jié)構(gòu)的AWG 的1/20。后來(lái), 他們?cè)诖嘶A(chǔ)上, 同時(shí)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(wú)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(shí)現(xiàn)。另一類(lèi)很有前景的技術(shù)是全聚合物無(wú)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(shì)是低成本。

因此，為了實(shí)現(xiàn)聚合物AWG器件的溫度不敏感性或無(wú)熱化，在材料方面，制作AWG的波導(dǎo)材料應(yīng)具有溫度依賴(lài)性小、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。當(dāng)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(jí)的模式雙折射材料如氟化丙烯酸酯(fluorinated acrylate)、硅樹(shù)脂(silicon resin)等也已合成出來(lái)[8]。Min等人也報(bào)道了一種由熱解溫度可達(dá)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?dāng)_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(cè)試結(jié)果表明，其光損耗約為0.4dB/cm，熱解溫度可達(dá)435 ℃，低于此溫度，該聚合物的失重接近于零，在高達(dá)120℃下可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。這說(shuō)明用這一氟化聚合物材料制備的AWG將會(huì)具有良好的熱穩(wěn)定性。

另一方面，也可通過(guò)采用某些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝方法盡量地減小AWG的溫度依賴(lài)性。Keil等人曾報(bào)道一個(gè)全聚合物AWG器件，通過(guò)適當(dāng)選擇具有正的熱脹系數(shù)(CTE)的聚合物襯底和具有負(fù)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(lèi)似的方法來(lái)減小AWG的溫度依賴(lài)[12]。Kobayashi等人試圖通過(guò)把聚合物AWG薄層從硅襯底上分離開(kāi)來(lái)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(jìn)行實(shí)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(jìn)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(lài)，又可對(duì)器件進(jìn)行封裝，并使器件的溫度依賴(lài)波長(zhǎng)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(lài)性、提高器件的熱穩(wěn)定性的新方法。這種方法是把原來(lái)所設(shè)計(jì)的硅基底設(shè)計(jì)成聚合物的基底，聚合物具有負(fù)的熱光系數(shù)(典型值為-10-4/ ℃)和正的線脹系數(shù)(幾十個(gè)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(lài)波長(zhǎng)漂移為負(fù)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(lài)波長(zhǎng)漂移。與上面提到的方法相比，這一方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn)。

上述情況說(shuō)明，減小聚合物AWG器件的溫度依賴(lài)性、提高熱穩(wěn)定性及對(duì)工藝公差的研究可提高我國(guó)在聚合物AWG器件方面的研究水平，并可對(duì)同類(lèi)器件的研制提供實(shí)用參考價(jià)值，具有十分重要的意義和實(shí)用價(jià)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(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：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。