聚合物AWG器件研究内容综述

李德禄 马杰

吉林医药学院物理教研室，吉林省吉林市 132013

聚合物AWG器件研究内容综述

李德禄 马杰

吉林医药学院物理教研室，吉林省吉林市 132013

聚合物AWG器件研究工作对国际国内光通信事业尤其是有机光电子器件的发展具有积极的促进作用。本文在查阅了大量文献基础上对聚合物AWG器件研究工作做出总结，为相关研究工作提供参考、借鉴。

聚合物AWG；材料；结构设计；工艺

AWG的信道波长受环境温度影响较大,这主要是由于材料折射率随温度变化而改变。硅基质AWG 的温度相关波长漂移达0.0125nm/℃。虽然采用温控单元可稳定波长,但这增加了AWG 器件的成本, 同时也限制了其应用范围。因此, 对无热化(Athermal) AWG 的研究是目前这一领域的另一个重要方面。文献[1]报道了一种肋状结构的无温控AWG, 基底为Si, 波导材料为高掺Ti 的SiO2材料,包层为SiO2。在TiO2浓度为66mol%、退火温度为900℃的情况下,器件的中心波长温度相关系数仅为0.7pm/℃, 为普通SiO2AWG的1/16。这种器件只需采用常规的薄膜沉积和反应离子蚀刻法就可制成。另外一种无热化AWG采用简单的混合波导结构[2], 其芯层为SiO2, 上包层为无机物- 有机物混合材料(HYBRIMER) 。精确控制混合材料的热光系数, AWG 的温度相关性在10℃～90℃范围内可减小到3pm/℃。在SiO2芯层上方采用具有负热光系数的聚合物材料作为上包层[3], AWG 器件的中心波长温度相关漂移在26℃～100℃范围内可减小到0.21nm, 偏振相关波长漂移从0.15nm 减小到0.05nm, 此方法的优点是可以同时抑制温度和偏振敏感性。另外，对芯区与包层的折射率高差值( Δ)的优化，K.Maru 等人提出一种高Δ差值( 1.5%) 波导、小尺寸、无温控AWG[4]。他们用反应离子蚀刻法在第一个平板波导内蚀刻出楔形沟并填充硅树脂, 用来补偿波导阵列的温度相关性。这些楔形沟以适当间隔分开以减小衍射损耗, 且每个沟有合适的弯度, 避免额外的相位误差引起的串扰。结果表明, 器件的温度相关波长漂移在0℃～65℃范围内仅为0.03nm, 约为无此种楔形沟结构的AWG 的1/20。后来, 他们在此基础上, 同时引入楔形沟和分段的芯区[5], 分别用于消除由于高出波导而增加的横向、纵向衍射损耗, 使得由于无热化引起的额外损耗从2.4dB 减少到0.9dB, 器件插入损耗为2.0～2.3dB。这种结构可以用影印平版印刷和反应离子蚀刻技术实现。另一类很有前景的技术是全聚合物无温控AWG[6]。与硅基质AWG 相比, 聚合物材料的AWG 的主要优势是低成本。

因此，为了实现聚合物AWG器件的温度不敏感性或无热化，在材料方面，制作AWG的波导材料应具有温度依赖性小、热稳定性好等特点。当前，采用氟化聚合物作为AWG的波导材料，其光损耗已容易降至0.2～0.5dB/cm[7]。具有10-5量级的模式双折射材料如氟化丙烯酸酯(fluorinated acrylate)、硅树脂(silicon resin)等也已合成出来[8]。Min等人也报道了一种由热解温度可达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热稳定性，其插入损耗5.5～11dB，串扰小于-27dB[9]。我们目前初步合成的新型氟化聚酯材料PDFBT的热稳定性较好，初步的测试结果表明，其光损耗约为0.4dB/cm，热解温度可达435 ℃，低于此温度，该聚合物的失重接近于零，在高达120℃下可长期稳定工作。这说明用这一氟化聚合物材料制备的AWG将会具有良好的热稳定性。

另一方面，也可通过采用某些特殊的结构设计和工艺方法尽量地减小AWG的温度依赖性。Keil等人曾报道一个全聚合物AWG器件，通过适当选择具有正的热胀系数(CTE)的聚合物衬底和具有负的热光系数(CTO)的聚合物波导材料，获得了良好的温度不敏感性[10,11]。Gao等人也利用了类似的方法来减小AWG的温度依赖[12]。Kobayashi等人试图通过把聚合物AWG薄层从硅衬底上分离开来以减小因热应力而引起的双折射。但是这种柔软的聚合物AWG薄层因其封装非常困难而难以进行实际应用。在Kobayashi等人做法的启发下，Lee等人只把聚合物AWG器件的阵列波导区与硅衬底进行分离，而包括信道波导区在内的其余部分仍然固定在硅衬底上，如此做既可减小AWG的温度依赖，又可对器件进行封装，并使器件的温度依赖波长漂移由-0.1nm/ ℃减小到 0.01nm/ ℃[12]。目前，我们正在研究另外一种减小全聚合物AWG器件的温度依赖性、提高器件的热稳定性的新方法。这种方法是把原来所设计的硅基底设计成聚合物的基底，聚合物具有负的热光系数(典型值为-10-4/ ℃)和正的线胀系数(几十个ppm/K)，因此在室温和高温下聚合物的阵列波导和衬底温度依赖波长漂移为负值[13]，相互抵消，因此很大程度地减少了室温和高温下聚合物的温度依赖波长漂移。与上面提到的方法相比，这一方法具有简单实用等特点。

上述情况说明，减小聚合物AWG器件的温度依赖性、提高热稳定性及对工艺公差的研究可提高我国在聚合物AWG器件方面的研究水平，并可对同类器件的研制提供实用参考价值，具有十分重要的意义和实用价值。

[1] HIROTA H, ITOH M, OGUMA M, et al.Athermal Arrayed-Waveguide Grating Multi/ Demultiplexers Composed of TiO2-SiO2 Waveguides on Si[J].IEEE Photon Technol Lett, 2005, 17(2) :375-377

[2] KANG E, KIMW, KIM D, et al.Reducing the Thermal Dependence of Silica-Based Arrayed-Waveguide Grating Using Inorganic-Organic Hybrid Materials [J].IEEE Photon Technol Lett, 2004,16(12):2625-2627

[3] KIM D, HAN Y, SHIN J, et al.Suppression of Temperature and Polarization Dependence by Polymer Overcladding in Silica-Based AWG Multiplexer[C].OFC 2003,1 :61-62

[4] MARU K, MATSUI K, ISHIKAWA H, et al.Super-high-Δathermal arrayed waveguide grating with resin-filled trenches in slab region [J].Electron.Lett., 2004,40(6): 374-375

[5] MARU K, ABE Y, ITO M, et al.2.5%-Δ Silica-Based Athermal Arrayed Waveguide Grating Employing Spot-Size Converters Based on Segmented Core[J].IEEE Photon Technol Lett, 2005,17(11):2325-2327

[6] KEIL N,YAOHH, ZAWADZKI C, et al.Polarization and temperature behavior of allpolymer arrayed-waveguide gratings[C].ECOC2003

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[8] L.Eldada and L.W.Shacklette,“Advances in polymer integrated optics,” IEEE J.Select.Topics Quantum Electron., 6, 54 (2000)

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[10] N.Keil, H.H.Yao, C.Zawadzki, J.Bauer, M.Bauer, C.Dreyer, and J.Schneider,“Athermal all-polymer arrayed waveguide grating multiplex”er ,Electron.Lett., 37(9), 579-580 (2001)

[11] N.Keil, H.H.Yao, and C.Zawadzki,“Athermal polarization-independent arrayed waveguide grating (AWG) multiplexer using an all-polymer appro”ac Ah,ppl.Phys.B, 73, 619-622 (2001)

[12] J.Kobayashi, Y.Inoue, T.Matsuura, and T.Maruno, “Tunable and polarization-insensitive arrayed-waveguide grating multiplexer fabricated from fluorinated polyi”m iIdEeICs,E Trans.Electron., E81-C, 1020-1026 (1998)

[13]J.M.Lee, J.T.Ahn, S.Park, and M.H.Lee, “Athermalized polymeric arrayed-waveguide grating by partial detachment from a Si substrate,” ETRI Journal, 26(3), 281-284 (2004).

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.021

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目资助，项目编号：吉教科2011——421

李德禄，博士，副教授，主要从事波导光电子器件的研究工作。