具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

通常波导的折射率会随着温度的变化而变化，这将影响AWGR原中心波长的聚焦位置，具体可从的光栅衍射方程来解释：

N_sd_a(sinθ_i+sinθ_o)+N_wΔL＝mλ

其中，N_s和N_w分别为平板波导区和阵列波导的等效折射率，d_a为相邻阵列波导在平板波导区的间隔，θ_i和θ_o是信号在输入平板波导区和输出平板波导区的衍射角，ΔL是相邻阵列波导的长度差。m为衍射级次，λ是真空信道波长。

对光栅衍射方程进行微分，可得在θ_i＝θ_o＝0附近，聚焦(或衍射)位置随波长的变化率为：dx/dλ＝RΔLN_g/(N_sd_aλ_c)，其中x表示信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置。R表示平板波导区的长度，λ_c是中心输入波导到中心输出波导对应的中心波长。当θ_i＝θ_o＝0时，对应于中心波长λ_c，其衍射方程简化为N_w0ΔL＝mλ_c，其中N_w0为阵列波导在中心波长λ_c处的等效折射率。两边微分可得色散系数为：dλ/dN_w0＝λ_c/N_w0。

假设波导的等效折射率随温度变化的导数C为常数，即dN_w/dT＝C，则可推导出信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦中心位置随温度的变化率dx/dT为：

dx/dT＝(dx/dλ)*(dλ/dN_w)*dN_w/dT＝RΔLN_g/(N_sd_aN_w0)*C

其中，N_g为阵列波导的群折射率，T表示环境温度。

由此可知，AWGR信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置变化随环境温度的变化率与波导的等效折射率对温度的导数成线性关系。

以二氧化硅波导为例，其等效折射率随温度变化的导数C通常为8～10x10^-6/K，此处取C＝10^-5/K，参照下文表1基于二氧化硅AWGR的设计参数，得到信号聚焦输出的中心位置随温度变化的系数为dx/dT＝0.23um/K。。

即是说，环境温度每变化1K，则该基于二氧化硅的AWGR的信号在垂直于输出波导延伸方向的聚焦位置平移0.23um。如果将与平板波导区相连的输出波导端面(或输入波导端面)设计成一个平面，作为平场型阵列波导光栅路由器AWGR，而输出波导(或输入波导)在某种装置的驱动下沿这个平面随温度变化同步平移(如上例，每变化1°的温差，平移0.23um)，则原信道波长将会从原输出波导正常输出，从而弥补AWGR由于温度变化带来的波长漂移，便解决了阵列波导光栅路由器由于环境温度变化引起中心波长偏移的问题。

以下通过一个具体案例对本发明关于平场型阵列波导光栅路由器的设计作进一步说明。

为了方便说明，这里基于二氧化硅(SiO₂)材料平台，以平聚焦场型阵列波导光栅路由器为例说明设计方法。平输入场型阵列波导光栅路由器是一种与之完全对称的结构，可以采用相同的设计方法。该方法同样适用于氮化硅、绝缘体上硅和磷化铟等材料平台的设计制作。

首先基于硅基二氧化硅材料平台，设计并优化16×16标准罗兰圆型AWGR的结构参数，其中表1列出了具体的设计参量。

表1 16×16标准罗兰圆型AWGR的主要设计参数

依据表1中的主要参数，设计16×16标准罗兰圆型AWGR的版图形貌如图3所示。标准罗兰圆型AWGR都是基于罗兰圆结构进行设计，所有的输入波导端口和聚焦输出波导端口都位于罗兰小圆弧上，且入口阵列波导101和出口阵列波导102处的各条阵列波导中心的位置等间隔地排列在罗兰大圆弧上，且相邻阵列波导的长度差为常数，具有完全轴对称性。这种罗兰圆型结构被证明能够满足二阶成像条件，从消除全波段像差的角度来说，罗兰圆结构是最优的结构之一。

本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器，将与输入平板波导区3或者输出平板波导区5其一相连的输入波导或输出波导端面设置为平面，作为平场型阵列波导光栅路由器110的切割面103，将切割面103所在的平板波导区作为平场型平板波导区。当输入波导端口或聚焦输出波导端口不在罗兰小圆弧上，而是位于同一个平面上时，如图1-图2和图4所示，势必会影响AWGR的成像条件。

为了减小平场型AWGR各信道的像差，提高器件整体的性能，本发明只将输入平板波导区或输出平板波导区其中一侧设计为平场型平板波导区。并且基于像差理论，采用Stigmatic Points设计方法，通过适当调整入口阵列波导(101)或出口阵列波导102上相邻阵列波导之间的间距，位置以及相邻阵列波导的长度差，对几个关键信道波长完全消像差。考虑到最多调整的参量只有三个，所以最多只能消除三个信道波长的像差。

如图4所示，平聚焦场型阵列波导光栅路由器包括输入波导2，输入平板波导区3，阵列波导区4和输出平板波导区5。光信号从输入波导2入射至输入平板波导区3，基于基尔霍夫衍射，发散至入口阵列波导101，然后经阵列波导区4中不同长度的阵列波导传输，到达出口阵列波导102位置，最后不同波长的光信号将由于干涉而聚焦在同一输出平面103的不同位置处。

根据对称性，在输入平板波导区和输出平板波导区建立如图4所示的直角坐标系YOZ和Y’O’Z’。其中，原点O和O’分别位于入口阵列波导101和出口阵列波导102中心(即阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导)位置处，作为坐标原点，Y或Y’轴和Z或Z’轴分别垂直和平行于入口阵列波导101或出口阵列波导102的法线。

定义光程函数为：

F(w，λ)＝N_s(|SP(w)|+|P′(w)D|)+N_wL(w)-mλG(w)

式中，F(w，λ)表示波长为λ的光信号在阵列波导区4中第w个阵列波导的光程函数，w是阵列波导区4中的阵列波导的编号，w＝1,2,…,N_wg，S和D分别为平场型阵列波导光栅路由器(110)的信号输入端口的位置和平场型阵列波导光栅路由器(110)的信号输出聚焦成像的位置，其中D在Z轴的坐标为常数。P(w)和P′(w)表示阵列波导w中心在输入/输出平板波导区的位置，L(w)是阵列波导w的长度，G(w)表示从P(w)到中心阵列波导(P(0,0))的阵列波导数，对于中心阵波导有G(w)＝0。P(0,0)是位于原点O处；N_w表示阵列波导的等效折射率。，N_s表示输入/输出平板波导区的等效折射率。λ表示真空信道波长。

定义像差(光程差)函数为如下表达式：

ΔF(w,λ)＝N_s(|SP(w)|-|SO|+|P′(w)D|-|DO′|)+N_w(L(w)-L(O))-mλG(w)

其中，ΔF(w,λ)表示波长为λ的光信号在阵列波导区4中第w个阵列波导和中心阵列波导的光程函数之差。O表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导在入口阵列波导101的位置，即YOZ坐标系的原点O处，O′表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导在出口阵列波导102的位置，即Y’OZ’坐标系的原点O’处。YOZ坐标系的Z轴沿波导延伸方向，Y轴沿入口阵列波导101的波导阵列排布方向。

其中对于标准罗兰圆型的AWGR，有L(w)＝(w-N_halfwg)×ΔL+L(O)，L(O)和N_halfwg分别表示阵列波导区4中处于中心的一条阵列波导的长度和编号。

实施例1

本实例采用两点法(2stigmatic points)设计平场型阵列波导光栅路由器。

如图4所示，保持输入平板波导区的标准罗兰圆不变(即P(w)不变)，第一步给定初始输入波导的位置S，这里选取中心输入波导CH#8(可以不是中心输入波导)；然后选择需要消像差的两个波长λ1和λ2(本实例选取λ1＝1.5374μm和λ2＝1.5461μm)，假定λ1和λ2沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的D1和D2处，其中D1，D2在Z’轴的坐标相同(Z’＝R)。

由于两点法不改变阵列波导的长度(即L(w)保持不变)，对每一根阵列波导，相邻阵列波导中心间的光程差函数均应满足以下方程组：

其中，△F(w，λ₁)表示波长为λ₁的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₂)表示波长为λ₂的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；N_S1，N_S2分别表示输入/输出平板波导区在波长为λ₁和λ₂时的等效折射率，N_w1、N_w2分别表示阵列波导在波长为λ₁和λ₂时的等效折射率；D1、D2分别表示λ₁和λ₂沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的位置。λ₁和λ₂对应于两个不同的信道波长。

针对每一条阵列波，依次求解上述方程组，确定出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布P′(w)，注意不再是等间距的均匀分布，如图5(a)所示。由两点法确定的出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布与标准罗兰圆AWGR的出口阵列波导102的各条阵列波导中心的位置分布仅有略微的偏差。

接着在Z’＝R成像平面，R表示平板波导区的长度。确定其他信道波长λ_i的成像点D_i。D_i位置的选择，满足在所有阵列波导中最大绝对值像差取值最小。

然后假定以某一成像点Do(这里是中心成像点CH#8)作为输入点，反向传播，与确定成像点D_i的方法一样确定其他输入波导端面的位置，其中输入波导端面的位置均分布在原罗兰圆上。

至此，基于两点法的平聚焦场型阵列波导光栅路由器的各参数均已确定。图6(a)给出了由中心输入波导CH#8输入时本实例的像差曲线，由两点法设计的平场型阵列波导光栅路由器的像差ΔF＜0.05λ，满足理想成像条件ΔF＜0.25λ。

实施例2

本实例采用三点法(3stigmatic points)设计平场型阵列波导光栅路由器。

三点法与实施例1两点法设计平场型阵列波导光栅路由器的方法相同，只是出口阵列波导中心101的位置P′(w)以及阵列波导区4的相对长度L(w)由3个无像差点λ₁、λ₂和λ₃共同确定，本实例选取λ₁＝1.5374μm、λ₂＝1.5421μm和λ₃＝1.5461μm。即依次联立以下三个方程进行求解P′(w)和L(w)的值。

其中，△F(w，λ₁)表示波长为λ₁的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₂)表示波长为λ₂的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；△F(w，λ₃)表示波长为λ₃的光在阵列波导区中第w个阵列波导的像差函数；N_S1、N_S2、N_S3分别表示阵列波导在波长为λ₁、λ₂和λ₃时的等效折射率，N_w1、N_w2、N_w3分别表示阵列波导在波长为λ₁、λ₂和λ₃时的等效折射率。D₁、D₂、D₃分别表示λ₁和λ₂沿原标准罗兰圆AWGR(如图3)衍射角成像在聚焦平面的位置，λ₁、λ₂和λ₃分别是三种不同的信道波长。

图5(b)和图7分别给出了本实例相比于标准罗兰圆型AWGR，出口阵列波导102中的各条阵列波导位置P′(w)的分布和阵列波导区4中阵列波导w相对于处于中心的一条阵列长度L(w)-L(O)。其中出口阵列波导102中的各条阵列波导的分布，相较于原标准罗兰圆型AWGR，最边缘的阵列波导相差80μm，而且也不再均匀的分布在出口阵列波导102上；阵列波导相对长度也不再是随阵列波导数(w)线性增加。

相比于两点法，由三点法设计的平场AWGR实现了更低的像差(3.1×10^-4/λ，约提高了2个数量级)，如图6(b)所示。

图8和图9分别给出了两点法和三点法设计的平场型阵列波导光栅关于中心输入波导CH#8和边缘输入波导CH#16的频谱仿真结果。表2列出了仿真结果中的主要性能参数。

表2本发明平场型AWGR与标准罗兰圆型AWGR的性能比较

从仿真结果来看，本发明基于两点法和三点法的平场型阵列波导光栅路由器均能够保持良好的线性色散和聚焦效果。三点法设计的平场AWGR损耗更低，3dB带宽更大，其性能更接近标准罗兰圆型AWGR。

需要说明的是，两点法在版图的布局上更为简单。同时，合理的选取初始输入波导的位置S以及与需消像差的波长λ，对进一步降低器件整体像差，提高其性能十分关键。

关于温度补偿装置，以无源的温度补偿机制为例。如图10所示，对准基板114固定好所有的输入(平输入场型2)或输出波导(平输出场型6)，紧贴着切割面103。固定部件112和本发明AWGR芯片110相对位置固定不动。固定部件112和对准基板114选择与AWGR芯片热膨胀系数相同或相似的材料，这样可以忽略其热胀冷缩对补偿位移的影响。

伸缩杆113采用特定材料，如金属，合金或塑料等，利用其热膨胀或热收缩效应，在环境温度变化时产生一定的伸缩量控制对准基板114在切割面103内平动，从而带动输入(平输入场型2)或输出(平输出场型6)波导沿输入或输出端面平动。如果伸缩杆113的伸缩量刚好能够匹配AWGR所需的位移，即伸缩杆113的伸缩系数η与AWGR中心位置随温度变化的系数dx/dT相等，则器件的中心波长便保持不变。

材料的伸缩系数η与其长度L和材料的热膨胀系数α有关，近似满足η＝αL。因此，伸缩杆113在设计上十分地灵活，既可以先选择特定的材料，再确定需要的长度，也可以先确定好长度，再选择特定的材料，实际应用时要综合考虑器件的尺寸和现有的材料。下表给出了常见材料的热膨胀系数：

表3常见材料的热膨胀系数

如上，基于二氧化硅波导的AWGR中心位置随温度变化的系数dx/dT＝0.23(um/K)。如果伸缩杆113选择铝材料，则所需的长度大概为9.7mm。

最后将平场型阵列波导光栅路由器的芯片110与温度补偿装置111，以及输入光纤阵列1和输出光纤阵列7组合封装在一起，即可完成本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器的整体设计，如图1和图2所示。

以上结合附图详细描述了本发明温度不敏感的平场型阵列波导光栅路由器的实施方式。注意，以上实施案例是用来解释说明本发明的，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。