聚合物AWG器件研究內容綜述

李德祿 馬杰

吉林醫藥學院物理教研室，吉林省吉林市 132013

聚合物AWG器件研究內容綜述

李德祿 馬杰

吉林醫藥學院物理教研室，吉林省吉林市 132013

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

聚合物AWG；材料；結構設計；工藝

AWG的信道波長受環境溫度影響較大,這主要是由于材料折射率隨溫度變化而改變。硅基質AWG 的溫度相關波長漂移達0.0125nm/℃。雖然采用溫控單元可穩定波長,但這增加了AWG 器件的成本, 同時也限制了其應用范圍。因此, 對無熱化(Athermal) AWG 的研究是目前這一領域的另一個重要方面。文獻[1]報道了一種肋狀結構的無溫控AWG, 基底為Si, 波導材料為高摻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系數僅為0.7pm/℃, 為普通SiO2AWG的1/16。這種器件只需采用常規的薄膜沉積和反應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結構[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, AWG 的溫度相關性在10℃～90℃范圍內可減小到3pm/℃。在SiO2芯層上方采用具有負熱光系數的聚合物材料作為上包層[3], AWG 器件的中心波長溫度相關漂移在26℃～100℃范圍內可減小到0.21nm, 偏振相關波長漂移從0.15nm 減小到0.05nm, 此方法的優點是可以同時抑制溫度和偏振敏感性。另外，對芯區與包層的折射率高差值( Δ)的優化，K.Maru 等人提出一種高Δ差值( 1.5%) 波導、小尺寸、無溫控AWG[4]。他們用反應離子蝕刻法在第一個平板波導內蝕刻出楔形溝并填充硅樹脂, 用來補償波導陣列的溫度相關性。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。結果表明, 器件的溫度相關波長漂移在0℃～65℃范圍內僅為0.03nm, 約為無此種楔形溝結構的AWG 的1/20。后來, 他們在此基礎上, 同時引入楔形溝和分段的芯區[5], 分別用于消除由于高出波導而增加的橫向、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。這種結構可以用影印平版印刷和反應離子蝕刻技術實現。另一類很有前景的技術是全聚合物無溫控AWG[6]。與硅基質AWG 相比, 聚合物材料的AWG 的主要優勢是低成本。

因此，為了實現聚合物AWG器件的溫度不敏感性或無熱化，在材料方面，制作AWG的波導材料應具有溫度依賴性小、熱穩定性好等特點。當前，采用氟化聚合物作為AWG的波導材料，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的熱穩定性較好，初步的測試結果表明，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定性。

另一方面，也可通過采用某些特殊的結構設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(CTE)的聚合物襯底和具有負的熱光系數(CTO)的聚合物波導材料，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用。在Kobayashi等人做法的啟發下，Lee等人只把聚合物AWG器件的陣列波導區與硅襯底進行分離，而包括信道波導區在內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、提高器件的熱穩定性的新方法。這種方法是把原來所設計的硅基底設計成聚合物的基底，聚合物具有負的熱光系數(典型值為-10-4/ ℃)和正的線脹系數(幾十個ppm/K)，因此在室溫和高溫下聚合物的陣列波導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”科學技術研究項目資助，項目編號：吉教科2011——421

李德祿，博士，副教授，主要從事波導光電子器件的研究工作。