陣列波導(dǎo)光柵(AWG)與光纖列陣的自動(dòng)化對(duì)接耦合技術(shù)研究

2014-08-07 23:06樊帥陳抱雪

光學(xué)儀器 2014年3期

樊帥+陳抱雪

文章編號(hào)： 10055630(2014)03022806

收稿日期： 20140113

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61077042、60677032);上海市重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(S30502)

作者簡(jiǎn)介：樊帥(1988),男,碩士研究生,主要從事光波導(dǎo)方面的研究。通訊作者：陳抱雪(1955),男,教授,主要從事超高速大容量光通信器件技術(shù)的研究。

摘要：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)與光纖列陣的對(duì)接耦合是AWG芯片模塊化的核心工作。傳統(tǒng)的對(duì)接耦合方法是利用手動(dòng)調(diào)芯技術(shù)進(jìn)行對(duì)接,但是這種技術(shù)存在耗時(shí)久,精度低等缺點(diǎn)。為此開(kāi)發(fā)了一種采用質(zhì)心調(diào)芯法和遺傳算法的自動(dòng)調(diào)芯耦合技術(shù),該技術(shù)具有對(duì)準(zhǔn)精度高、重復(fù)性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用這種自動(dòng)調(diào)芯耦合技術(shù)制造出的48通道AWG器件每個(gè)通道的最大插入損耗為4.65 dB,滿足目前最大插入損耗小于5 dB的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：光波導(dǎo)技術(shù); 密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM); 陣列波導(dǎo)光柵(AWG); 自動(dòng)調(diào)芯技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： N 252文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.009

Research on the automatic couple docking of

arrayed waveguide grating and fiber array

FAN Shuai1, CHEN Baoxue1,2,3

(1.School of OpticalElectrical and Computer Engineering, University of Shanghai for

Science and Technology, Shanghai 200093, China;

2.Engineering Research Center of Optical Instruments and Systems (MOE),

University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;

3.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for

Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract： The couple docking of arrayed waveguide grating (AWG) and fiber array is the core job of the modular of AWG chip. The traditional way of couple docking is to use a manual aligning technology, but it takes too long time and the accuracy is too low. This experiment has developed a weighted mechanism and genetic algorithm automatic aligning coupling technology, with high alignment accuracy, repeatability and high efficiency. The result shows that the maximum insertion loss of each passage in the simple using this technology is 4.65 dB, which meets the prevalent standard that less than 5 dB.

Key words： optical waveguide; dense wavelength division multiplexing(DWDM); arrayed waveguide grating(AWG); automatically adjustable core technology

引言密集波分復(fù)用(DWDM)是實(shí)現(xiàn)大容量高速光纖通信的重要技術(shù)之一,構(gòu)造DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是復(fù)用/解復(fù)用器。陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是一種在單一芯片上構(gòu)造的光波導(dǎo)復(fù)用/解復(fù)用器件,具有信道間隔密、體積小、插入損耗小、均勻性好、易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn),在波分復(fù)用通信技術(shù)中有重要應(yīng)用［13］。由于石英波導(dǎo)具備和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖模場(chǎng)匹配的特點(diǎn),在硅基上制備石英AWG芯片已經(jīng)成為主流技術(shù),這種技術(shù)可以提供批量化生產(chǎn)工藝,易于成本控制,硅基石英AWG器件的發(fā)展十分迅速［4］。AWG芯片的輸入端和輸出端必須分別與輸入光纖列陣和輸出光纖列陣對(duì)接固化,構(gòu)成AWG模塊后,方可導(dǎo)入光纖通信網(wǎng)絡(luò)。目前常用的AWG芯片的輸入端和輸出端各有48個(gè)通道,每個(gè)通道的導(dǎo)波光模場(chǎng)直徑約為6 mm,與光纖列陣實(shí)現(xiàn)多通道、高效率模場(chǎng)耦合對(duì)接十分困難,采用常規(guī)手動(dòng)操作的高精度調(diào)整,技術(shù)要求很高,效率低,重復(fù)性差［5］。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本工作開(kāi)發(fā)一種適用于AWG的自動(dòng)調(diào)芯對(duì)接耦合技術(shù)。圖1陣列波導(dǎo)光柵的基本結(jié)構(gòu)和效應(yīng)

Fig.1The basic structure and effects of AWG1AWG動(dòng)作原理以及對(duì)接耦合陣列波導(dǎo)光柵(AWG)芯片的基本結(jié)構(gòu)和效應(yīng)如圖1所示,主要由輸入/輸出波導(dǎo)、輸入/輸出平板波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)組成。一束寬帶光從輸入波導(dǎo)的任一通道入射,經(jīng)輸入平板波導(dǎo)擴(kuò)束后,耦合進(jìn)入陣列波導(dǎo)。構(gòu)成陣列波導(dǎo)的條波導(dǎo)的長(zhǎng)度由內(nèi)至外以ΔL長(zhǎng)度逐根遞增。對(duì)于一個(gè)確定波長(zhǎng)的光波,到達(dá)陣列波導(dǎo)各通道輸出端的相位也是由內(nèi)至外以某個(gè)常量逐根遞增。出射到輸出平板波導(dǎo)的這個(gè)光波的等相位波前具有匯聚光彎曲波面的特征,匯聚焦點(diǎn)落在某根輸出波導(dǎo)的入射通道上,經(jīng)模耦合后由該通道的輸出波導(dǎo)的出射端出射。由于波導(dǎo)色散,不同波長(zhǎng)的光波的匯聚光彎曲波面具有不同的傾角,匯聚焦點(diǎn)將落在各自對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)的入射通道上。輸出波導(dǎo)表現(xiàn)出波長(zhǎng)路由效應(yīng),從AWG的某根入射通道入射的寬帶光,以Δλ的波長(zhǎng)間隔分波長(zhǎng)后分別從AWG的輸出波導(dǎo)的對(duì)應(yīng)通道相鄰出射。根據(jù)光波的互易原理,與上述分波過(guò)程相逆的操作可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的合波。光學(xué)儀器第36卷

第3期樊帥，等：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)與光纖列陣的自動(dòng)化對(duì)接耦合技術(shù)研究

AWG芯片的模塊化工藝的第一步是實(shí)現(xiàn)AWG輸入波導(dǎo)與輸入光纖列陣以及AWG輸出波導(dǎo)與輸出光纖列陣的多通道光波對(duì)接耦合和光路固化。固化后的器件插入損耗由兩部分組成,一部分是AWG芯片本身固有的各類(lèi)損耗,另一部分是輸入/輸出兩端光纖列陣與AWG芯片的對(duì)接耦合損耗,對(duì)接耦合損耗的大小與對(duì)接耦合操作有關(guān)。調(diào)芯時(shí),對(duì)列陣的每個(gè)通道的插入損耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并對(duì)調(diào)芯操作實(shí)施伺服反饋,這種方法在理論上是可行的,但由于AWG通道數(shù)高達(dá)48路以上,探測(cè)器的大幅增加受調(diào)芯系統(tǒng)成本的限制,缺乏實(shí)際可行性。因此可考慮采用類(lèi)似于波導(dǎo)光分路器芯片封裝時(shí)采用的雙芯調(diào)芯方法,即取相隔一定距離的兩路通道的輸出作為采樣信號(hào),其它通道的對(duì)接耦合靠器件加工時(shí)對(duì)各通道幾何位置的精密控制來(lái)保證。輸入/輸出光波導(dǎo)列陣的位置精度由高精度掩膜板經(jīng)光刻工藝來(lái)保證,誤差達(dá)到小于0.1 mm的水平,高檔次光纖列陣產(chǎn)品也可以達(dá)到±0.1 mm的間隔精度,事實(shí)上，目前采用雙芯調(diào)芯方法已不存在光分路器芯片封裝工藝上的障礙。由于光分路器芯片的兩路采樣輸出具有十分接近的光功率,影響權(quán)重幾乎相同。要使雙芯調(diào)芯達(dá)到多芯調(diào)芯同樣的效果,只須控制兩個(gè)聯(lián)立要素,即:一個(gè)是兩路采樣信號(hào)的輸出功率之和趨于最大,另一個(gè)是同時(shí)追求兩路采樣信號(hào)的輸出功率之差趨于最小。AWG的情況與波導(dǎo)光分路器不同,AWG的每個(gè)通道輸出不同的波長(zhǎng),受光源譜分布的影響,兩路采樣信號(hào)的輸出功率通常有較大的差異,影響權(quán)重差異大。若簡(jiǎn)單地按照波導(dǎo)光分路器的雙芯調(diào)芯規(guī)則來(lái)處理,輸出功率較大的那路通道信號(hào)會(huì)出現(xiàn)“謙讓耦合效率”的現(xiàn)象,導(dǎo)致兩路采樣信號(hào)的輸出功率之差趨于最小的規(guī)則被過(guò)度執(zhí)行,結(jié)果是“偽對(duì)準(zhǔn)”。此時(shí),AWG的兩路采樣通道和光纖列陣的兩路采樣通道沒(méi)有達(dá)到兩兩對(duì)準(zhǔn)的精度要求,其它所有通道的對(duì)接耦合隨之失準(zhǔn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本工作開(kāi)發(fā)了一種適合于光纖列陣與AWG芯片對(duì)接耦合的新的自動(dòng)調(diào)芯技術(shù),該技術(shù)的特點(diǎn)是在自動(dòng)調(diào)芯程序中導(dǎo)入了加權(quán)機(jī)制,用以平衡兩個(gè)采樣通道信號(hào)的權(quán)重。本工作開(kāi)發(fā)的適用于AWG芯片對(duì)接耦合的自動(dòng)調(diào)芯方法分為兩個(gè)步驟,第一個(gè)步驟是通過(guò)自動(dòng)調(diào)芯分別測(cè)定兩個(gè)采樣通道的單口最大輸出功率,第二步驟是自動(dòng)加權(quán)調(diào)芯。自動(dòng)調(diào)芯流程見(jiàn)圖2,設(shè)光纖芯1為定標(biāo)光纖,如圖2(a)所示,先做光纖芯1與波導(dǎo)芯1的自動(dòng)調(diào)芯,調(diào)芯機(jī)制是質(zhì)心調(diào)芯法［67］,得到通道1的最大輸出功率P1max (λ1)以及對(duì)應(yīng)的光纖芯1的第一個(gè)位置坐標(biāo)(x1,y1),再做圖2(b)所示的光纖芯2與波導(dǎo)芯2的自動(dòng)調(diào)芯,得到通道2的最大輸出功率P2max (λ2)以及對(duì)應(yīng)的光纖芯1的第二個(gè)位置坐標(biāo)(x2,y2),由下式:x3=x1+x22

y3=y1+y22(1)得到一個(gè)新坐標(biāo)(x3,y3),然后如圖2(c)所示那樣指定光纖芯1平移到達(dá)位置(x3,y3),由幾何關(guān)系可知,此時(shí)兩根光纖芯的連線與兩波導(dǎo)芯的連線的交點(diǎn)是兩連線各自的中點(diǎn)。至此完成第一個(gè)步驟的自動(dòng)調(diào)芯。

圖2自動(dòng)調(diào)芯流程

Fig.2The automatic aligning process

第二個(gè)步驟是對(duì)θ角進(jìn)行自動(dòng)伺服調(diào)整,同時(shí)伴有自動(dòng)空間平移調(diào)整以達(dá)到如圖2(d)所示的雙芯對(duì)接耦合效果,該過(guò)程采用遺傳法自動(dòng)調(diào)芯方法［8］。列陣對(duì)接雙芯耦合的優(yōu)劣用失配度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià),失配度函數(shù)要兼顧評(píng)價(jià)兩個(gè)通道的插入損耗和均勻性。實(shí)際操作時(shí)得到的是采樣信號(hào)的光功率,它與插入損耗成反比,均勻性用兩個(gè)采樣信號(hào)功率的相對(duì)差值來(lái)表示。對(duì)于AWG調(diào)芯,必須考慮前述兩個(gè)采樣信號(hào)的影響權(quán)重不同的問(wèn)題,這里導(dǎo)入了均勻性加權(quán)系數(shù)α,均勻性指標(biāo)用P1(λ1)－αP2(λ2)來(lái)描述。P1(λ1)和P2(λ2)分別是兩個(gè)采樣通道的輸出光功率,它們與對(duì)應(yīng)譜線的輸入光功率的比值采用分貝表示時(shí)即為插入損耗,這里α用第一個(gè)步驟中測(cè)得的P1max (λ1)和P2max (λ2)按α=P1max(λ1)/P2max(λ2)算出。另外,插入損耗和均勻性這兩個(gè)因素在評(píng)價(jià)函數(shù)中應(yīng)該具有相同的影響作用,為此導(dǎo)入了平衡系數(shù)β,按β=1/［P1max(λ1)+P2max(λ2)］算出。于是失配度函數(shù)δ用下式定義:δ=［P1(λ1)－αP2(λ2)］2+{1－β［P1(λ1)+P2(λ2)］}2(2)顯然,P1(λ1)和P2(λ2)越接近P1max (λ1)和P2max (λ2)、以及P1(λ1)與αP2(λ2)的差異越小則失配度函數(shù)δ越小。于是,通過(guò)建立眾多個(gè)體的集合形成種群,每個(gè)個(gè)體在調(diào)芯系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的P1(λ1)和P2(λ2),將它們代入式(2)做失配度評(píng)價(jià),即可按適者生存的遺傳法則通過(guò)一代一代的選擇再生、交叉、變異等基因操作不斷進(jìn)化,直至收斂于最佳耦合位置。2實(shí)驗(yàn)和結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用韓國(guó)PPI公司出品的密集波分48通道硅基石英波導(dǎo)AWG芯片,相鄰?fù)ǖ牢恢瞄g隔是127 μm,工作波段是1 550 nm窗口,波長(zhǎng)間隔的設(shè)計(jì)值是0.8 nm。為了增大對(duì)反射波的耗損,輸入/輸出兩端面做了8°斜面研磨拋光。48通道單模光纖列陣采用了國(guó)產(chǎn)商用產(chǎn)品,端面是8°斜面,相鄰?fù)ǖ篱g隔也是127 μm。調(diào)芯設(shè)備采用本項(xiàng)目自主開(kāi)發(fā)的每端空間六維步進(jìn)控制的自動(dòng)調(diào)芯儀［8］。AWG芯片和光纖列陣上架后,首先完成輸入/輸出兩端芯片光軸與光纖光軸的平行度調(diào)整。但是,直接調(diào)整光軸十分困難,流行的方法是通過(guò)調(diào)整芯片端面與光纖列陣端面的平行度來(lái)間接控制,8°斜面的誤差為±0.3°,端面調(diào)平后,光軸平行度的最大誤差是0.6°。端面調(diào)平采用了簡(jiǎn)單有效的反射光評(píng)價(jià)方法,當(dāng)兩個(gè)端面足夠靠近時(shí),從上表面入射到兩個(gè)斜端面上的632.8 nm激光束的反射光在遠(yuǎn)離樣品約2 m的屏上一般顯示兩個(gè)不重疊的光點(diǎn),調(diào)整兩個(gè)端面的相對(duì)空間方位,使得兩個(gè)光點(diǎn)重疊時(shí),可判定為兩個(gè)端面互相平行。平行度調(diào)整后做端面間隔調(diào)整,間隔是通過(guò)顯微監(jiān)測(cè)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制,最小步長(zhǎng)為0.05 μm,通過(guò)視屏放大圖像監(jiān)測(cè)可控制間隔在1 μm左右。計(jì)算機(jī)記錄空間位置后,做初調(diào)通光,輸出端光纖列陣橫移退避直至露出AWG芯片的輸出端面,供近紅外成像顯微鏡觀察輸出狀況。輸入端光纖接通中心波長(zhǎng)為1 550 nm、帶寬為60 nm、帶寬功率為5 mW的LED光源,鼠標(biāo)操作平移掃描輸入光纖與AWG芯片輸入通道的相對(duì)空間位置,直至AWG芯片出射端面的近紅外顯微CCD成像顯示出射通道光斑為止。此時(shí)退避的輸出端光纖列陣按照計(jì)算機(jī)指令復(fù)位,從輸出端光纖列陣中選擇兩根足夠分離的光纖作為采樣光纖,兩根采樣光纖的輸出端分別接入雙口光功率計(jì)的兩個(gè)輸入端口。鼠標(biāo)操作平移掃描輸出光纖列陣,直至功率計(jì)受光,初調(diào)通光結(jié)束,反饋光路形成。在此狀態(tài)下,利用毛細(xì)管效應(yīng),在輸入/輸出兩端的端面間隙內(nèi)滲滿折射率匹配、低吸收的專(zhuān)用紫外固化劑。此時(shí)啟動(dòng)上述自動(dòng)調(diào)芯程序完成兩端并行調(diào)芯。實(shí)驗(yàn)對(duì)同一樣品做了11次拆卸重裝的反復(fù)調(diào)芯,采樣光纖輸出功率的變化不大于±0.1 dB,涉及自動(dòng)調(diào)芯的過(guò)程費(fèi)時(shí)均小于120 s,顯示了良好的重復(fù)性和很高的工作效率。調(diào)芯完畢后,用360 nm紫外光輻照紫外固化劑,直至AWG芯片與兩端的光纖列陣對(duì)接固化為止。為了提升器件對(duì)接固化的可靠性,實(shí)施的后道加固工序還包括1 h紫外紅外輻照、5 h 50 ℃氛圍中的紫外輻照深固化、以及5 h 80 ℃加熱老化。圖3為完成的裸器件樣品實(shí)物照片。樣品器件的波長(zhǎng)路由特性的測(cè)試采用常規(guī)光譜技術(shù)［9］,使用了Agilent公司出品的86140A型光譜儀,測(cè)試波長(zhǎng)范圍為1 520～1 570 nm,采樣間隔為0.1 nm,環(huán)境溫度是25 ℃,器件與光譜儀的連接采用了光纖對(duì)接熔融燒結(jié)技術(shù)［10］。圖4給出了48個(gè)通道的實(shí)測(cè)插入損耗譜,器件各信道的1 dB帶寬約為0.3 nm、3 dB帶寬約為0.5 nm、20 dB帶寬約為1.2 nm、30 dB帶寬約為1.7 nm,相鄰信道的串?dāng)_為-22 dB,非相鄰信道的串?dāng)_為-24 dB。表1是實(shí)測(cè)得到的器件的48個(gè)通道的中心輸出波長(zhǎng)及其插入損耗,顯示相鄰信道的波長(zhǎng)間隔是0.8 nm,最大插入損耗是-4.65 dB,平均插入損耗是-2.83 dB。上述測(cè)試指標(biāo)中與對(duì)接耦合有關(guān)的數(shù)據(jù)是最大插入損耗,對(duì)照目前最大插入損耗小于-5 dB的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示了本工作開(kāi)發(fā)的自動(dòng)對(duì)接耦合技術(shù)的有效性。

圖3器件樣品照片

Fig.3The photo of device sample圖4實(shí)測(cè)的插入損耗譜

Fig.4The measured insertion loss spectrum

表1樣品器件各信道的中心輸出波長(zhǎng)及其插入損耗

Tab.1The center output wavelength and insertion loss in each pass of the sample

通道波長(zhǎng)/nm插入損耗/dB通道波長(zhǎng)/nm插入損耗/dB通道波長(zhǎng)/nm插入損耗/dB11 527.50-3.01171 540.10-2.42331 552.90-2.8121 528.30-3.51181 540.90-2.60341 553.70-2.2931 529.10-3.57191 541.70-2.20351 554.50-2.2441 529.80-3.11201 542.50-2.28361 555.30-2.5151 530.60-4.27211 543.30-2.51371 556.10-2.8161 531.40-3.06221 544.10-2.87381 556.90-2.2371 532.20-4.65231 544.80-2.46391 557.70-2.1981 532.90-3.41241 545.60-2.59401 558.50-2.5791 533.70-2.86251 546.40-2.55411 559.30-2.58101 534.60-2.7826 1 547.20-2.80421 560.10-2.17111 535.30-3.5127 1 548.00-2.44431 560.90-2.84121 536.10-2.64281 548.80-3.22441 561.70-3.12131 536.90-4.05291 549.60-2.78451 562.50-2.70141 537.70-2.73301 550.40-2.63461 563.40-2.74151 538.50-2.40311 551.20-2.58471 564.20-2.83161 539.30-2.76321 552.00-2.89481 565.00-3.17

3結(jié)論實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了一種新型的自動(dòng)調(diào)芯耦合技術(shù),它采用了加權(quán)機(jī)制和遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)光柵和光纖列陣的自動(dòng)耦合對(duì)接。由48通道硅基陣列波導(dǎo)光柵芯片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)操作簡(jiǎn)單,精度高,耗時(shí)短且重復(fù)性高,制作出的樣品的每個(gè)通道最大插入損耗滿足目前國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),可用于AWG器件的工業(yè)化制造。參考文獻(xiàn)：

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