光学仪器  2014, Vol. 36 Issue (3): 228-233   PDF    
引用本文
樊帅, 陈抱雪. 阵列波导光栅(AWG)与光纤列阵的自动化对接耦合技术研究[J]. 光学仪器 ,2014,36(3)228-233.  
FAN Shuai, CHEN Baoxue. Research on the automatic couple docking of arrayed waveguide grating and fiber array[J].Optical Instruments ,2014,36(3)228-233.  
阵列波导光栅(AWG)与光纤列阵的自动化对接耦合技术研究
樊帅1, 陈抱雪1,2,3     
1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093;
2. 上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海 200093;
3. 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
收稿日期: 2014-01-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61077042、60677032）；上海市重点学科资助项目（S30502）
作者简介：樊 帅（1988- ），男，硕士研究生，主要从事光波导方面的研究。E-mail：fanswzq@163.com
通讯作者：陈抱雪（1955- ），男，教授，主要从事超高速大容量光通信器件技术的研究。E-mail：bxchen@online.sh.cn
摘要：阵列波导光栅（AWG）与光纤列阵的对接耦合是AWG芯片模块化的核心工作。传统的对接耦合方法是利用手动调芯技术进行对接，但是这种技术存在耗时久，精度低等缺点。为此开发了一种采用质心调芯法和遗传算法的自动调芯耦合技术，该技术具有对准精度高、重复性好、效率高等优点。实验结果显示，使用这种自动调芯耦合技术制造出的48通道AWG器件每个通道的最大插入损耗为4.65 dB，满足目前最大插入损耗小于5 dB的行业标准。
关键词： 光波导技术     密集波分复用技术(DWDM)     阵列波导光栅(AWG)     自动调芯技术    
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

密集波分复用(DWDM)是实现大容量高速光纤通信的重要技术之一,构造DWDM系统的关键器件是复用/解复用器。阵列波导光栅(AWG)是一种在单一芯片上构造的光波导复用/解复用器件,具有信道间隔密、体积小、插入损耗小、均匀性好、易于与其它器件集成等优点,在波分复用通信技术中有重要应用[ 1,2,3 ]。由于石英波导具备和标准单模光纤模场匹配的特点,在硅基上制备石英AWG芯片已经成为主流技术,这种技术可以提供批量化生产工艺,易于成本控制,硅基石英AWG器件的发展十分迅速[ 4 ]。

AWG芯片的输入端和输出端必须分别与输入光纤列阵和输出光纤列阵对接固化,构成AWG模块后,方可导入光纤通信网络。目前常用的AWG芯片的输入端和输出端各有48个通道,每个通道的导波光模场直径约为6 mm,与光纤列阵实现多通道、高效率模场耦合对接十分困难,采用常规手动操作的高精度调整,技术要求很高,效率低,重复性差[ 5 ]。为了解决这个问题,本工作开发一种适用于AWG的自动调芯对接耦合技术。

1 AWG动作原理以及对接耦合

阵列波导光栅(AWG)芯片的基本结构和效应如图 1所示,主要由输入/输出波导、输入/输出平板波导和阵列波导组成。一束宽带光从输入波导的任一通道入射,经输入平板波导扩束后,耦合进入阵列波导。构成阵列波导的条波导的长度由内至外以ΔL长度逐根递增。对于一个确定波长的光波,到达阵列波导各通道输出端的相位也是由内至外以某个常量逐根递增。出射到输出平板波导的这个光波的等相位波前具有汇聚光弯曲波面的特征,汇聚焦点落在某根输出波导的入射通道上,经模耦合后由该通道的输出波导的出射端出射。由于波导色散,不同波长的光波的汇聚光弯曲波面具有不同的倾角,汇聚焦点将落在各自对应的输出波导的入射通道上。输出波导表现出波长路由效应,从AWG的某根入射通道入射的宽带光,以Δλ的波长间隔分波长后分别从AWG的输出波导的对应通道相邻出射。根据光波的互易原理,与上述分波过程相逆的操作可以实现多波长的合波。

图 1 阵列波导光栅的基本结构和效应 Fig. 1 The basic structure and effects of AWG

AWG芯片的模块化工艺的第一步是实现AWG输入波导与输入光纤列阵以及AWG输出波导与输出光纤列阵的多通道光波对接耦合和光路固化。固化后的器件插入损耗由两部分组成,一部分是AWG芯片本身固有的各类损耗,另一部分是输入/输出两端光纤列阵与AWG芯片的对接耦合损耗,对接耦合损耗的大小与对接耦合操作有关。调芯时,对列阵的每个通道的插入损耗进行实时测量并对调芯操作实施伺服反馈,这种方法在理论上是可行的,但由于AWG通道数高达48路以上,探测器的大幅增加受调芯系统成本的限制,缺乏实际可行性。因此可考虑采用类似于波导光分路器芯片封装时采用的双芯调芯方法,即取相隔一定距离的两路通道的输出作为采样信号,其它通道的对接耦合靠器件加工时对各通道几何位置的精密控制来保证。输入/输出光波导列阵的位置精度由高精度掩膜板经光刻工艺来保证,误差达到小于0.1 mm的水平,高档次光纤列阵产品也可以达到±0.1 mm的间隔精度,事实上，目前采用双芯调芯方法已不存在光分路器芯片封装工艺上的障碍。

由于光分路器芯片的两路采样输出具有十分接近的光功率,影响权重几乎相同。要使双芯调芯达到多芯调芯同样的效果,只须控制两个联立要素,即:一个是两路采样信号的输出功率之和趋于最大,另一个是同时追求两路采样信号的输出功率之差趋于最小。AWG的情况与波导光分路器不同,AWG的每个通道输出不同的波长,受光源谱分布的影响,两路采样信号的输出功率通常有较大的差异,影响权重差异大。若简单地按照波导光分路器的双芯调芯规则来处理,输出功率较大的那路通道信号会出现“谦让耦合效率”的现象,导致两路采样信号的输出功率之差趋于最小的规则被过度执行,结果是“伪对准”。此时,AWG的两路采样通道和光纤列阵的两路采样通道没有达到两两对准的精度要求,其它所有通道的对接耦合随之失准。为了解决这个问题,本工作开发了一种适合于光纤列阵与AWG芯片对接耦合的新的自动调芯技术,该技术的特点是在自动调芯程序中导入了加权机制,用以平衡两个采样通道信号的权重。

本工作开发的适用于AWG芯片对接耦合的自动调芯方法分为两个步骤,第一个步骤是通过自动调芯分别测定两个采样通道的单口最大输出功率,第二步骤是自动加权调芯。自动调芯流程见图 2,设光纤芯1 为定标光纤,如图 2(a)所示,先做光纤芯1与波导芯1的自动调芯,调芯机制是质心调芯法[ 6,7 ],得到通道1的最大输出功率P1max (λ1)以及对应的光纤芯1的第一个位置坐标(x1,y1),再做图 2(b)所示的光纤芯2与波导芯2的自动调芯,得到通道2的最大输出功率P2max (λ2)以及对应的光纤芯1的第二个位置坐标(x2,y2),由下式:

图 2 自动调芯流程 Fig. 2 The automatic aligning process
得到一个新坐标(x3,y3),然后如图 2(c)所示那样指定光纤芯1平移到达位置(x3,y3),由几何关系可知,此时两根光纤芯的连线与两波导芯的连线的交点是两连线各自的中点。至此完成第一个步骤的自动调芯。

第二个步骤是对θ角进行自动伺服调整,同时伴有自动空间平移调整以达到如图 2(d)所示的双芯对接耦合效果,该过程采用遗传法自动调芯方法[ 8 ]。列阵对接双芯耦合的优劣用失配度函数来评价,失配度函数要兼顾评价两个通道的插入损耗和均匀性。实际操作时得到的是采样信号的光功率,它与插入损耗成反比,均匀性用两个采样信号功率的相对差值来表示。对于AWG调芯,必须考虑前述两个采样信号的影响权重不同的问题,这里导入了均匀性加权系数α,均匀性指标用 |P1(λ1)－αP2(λ2)| 来描述。P1(λ1)和P2(λ2)分别是两个采样通道的输出光功率,它们与对应谱线的输入光功率的比值采用分贝表示时即为插入损耗,这里α用第一个步骤中测得的P1max (λ1)和P2max (λ2)按α=P1max(λ1)/P2max(λ2)算出。另外,插入损耗和均匀性这两个因素在评价函数中应该具有相同的影响作用,为此导入了平衡系数β,按β=1/[P1max(λ1)+P2max(λ2)]算出。于是失配度函数δ用下式定义:

显然,P1(λ1)和P2(λ2)越接近P1max (λ1)和P2max (λ2)、以及P1(λ1)与αP2(λ2)的差异越小则失配度函数δ越小。于是,通过建立众多个体的集合形成种群,每个个体在调芯系统中对应产生相应的P1(λ1)和P2(λ2),将它们代入式(2)做失配度评价,即可按适者生存的遗传法则通过一代一代的选择再生、交叉、变异等基因操作不断进化,直至收敛于最佳耦合位置。

2 实验和结果

实验采用韩国PPI公司出品的密集波分48通道硅基石英波导AWG芯片,相邻通道位置间隔是127 μm,工作波段是1 550 nm窗口,波长间隔的设计值是0.8 nm。为了增大对反射波的耗损,输入/输出两端面做了8°斜面研磨抛光。48通道单模光纤列阵采用了国产商用产品,端面是8°斜面,相邻通道间隔也是127 μm。调芯设备采用本项目自主开发的每端空间六维步进控制的自动调芯仪[ 8 ]。

AWG芯片和光纤列阵上架后,首先完成输入/输出两端芯片光轴与光纤光轴的平行度调整。但是,直接调整光轴十分困难,流行的方法是通过调整芯片端面与光纤列阵端面的平行度来间接控制,8°斜面的误差为±0.3°,端面调平后,光轴平行度的最大误差是0.6°。端面调平采用了简单有效的反射光评价方法,当两个端面足够靠近时,从上表面入射到两个斜端面上的632.8 nm激光束的反射光在远离样品约2 m的屏上一般显示两个不重叠的光点,调整两个端面的相对空间方位,使得两个光点重叠时,可判定为两个端面互相平行。平行度调整后做端面间隔调整,间隔是通过显微监测、步进驱动来控制,最小步长为0.05 μm,通过视屏放大图像监测可控制间隔在1 μm左右。计算机记录空间位置后,做初调通光,输出端光纤列阵横移退避直至露出AWG芯片的输出端面,供近红外成像显微镜观察输出状况。输入端光纤接通中心波长为1 550 nm、带宽为60 nm、带宽功率为5 mW的LED光源,鼠标操作平移扫描输入光纤与AWG芯片输入通道的相对空间位置,直至AWG芯片出射端面的近红外显微CCD成像显示出射通道光斑为止。此时退避的输出端光纤列阵按照计算机指令复位,从输出端光纤列阵中选择两根足够分离的光纤作为采样光纤,两根采样光纤的输出端分别接入双口光功率计的两个输入端口。鼠标操作平移扫描输出光纤列阵,直至功率计受光,初调通光结束,反馈光路形成。在此状态下,利用毛细管效应,在输入/输出两端的端面间隙内渗满折射率匹配、低吸收的专用紫外固化剂。此时启动上述自动调芯程序完成两端并行调芯。实验对同一样品做了11次拆卸重装的反复调芯,采样光纤输出功率的变化不大于±0.1 dB,涉及自动调芯的过程费时均小于120 s,显示了良好的重复性和很高的工作效率。

调芯完毕后,用360 nm紫外光辐照紫外固化剂,直至AWG芯片与两端的光纤列阵对接固化为止。为了提升器件对接固化的可靠性,实施的后道加固工序还包括1 h紫外-红外辐照、5 h 50 ℃氛围中的紫外辐照深固化、以及5 h 80 ℃加热老化。图 3为完成的裸器件样品实物照片。

图 3 器件样品照片 Fig. 3 The photo of device sample

样品器件的波长路由特性的测试采用常规光谱技术[ 9 ],使用了Agilent公司出品的86140A型光谱仪,测试波长范围为1 520～1 570 nm,采样间隔为0.1 nm,环境温度是25 ℃,器件与光谱仪的连接采用了光纤对接熔融烧结技术[ 10 ]。图 4给出了48个通道的实测插入损耗谱,器件各信道的1 dB带宽约为0.3 nm、3 dB带宽约为0.5 nm、20 dB带宽约为1.2 nm、30 dB带宽约为1.7 nm,相邻信道的串扰为-22 dB,非相邻信道的串扰为-24 dB。表 1是实测得到的器件的48个通道的中心输出波长及其插入损耗,显示相邻信道的波长间隔是0.8 nm,最大插入损耗是-4.65 dB,平均插入损耗是-2.83 dB。上述测试指标中与对接耦合有关的数据是最大插入损耗,对照目前最大插入损耗小于-5 dB的行业标准,实测数据显示了本工作开发的自动对接耦合技术的有效性。

图 4 实测的插入损耗谱 Fig. 4 The measured insertion loss spectrum

表 1 样品器件各信道的中心输出波长及其插入损耗 Tab. 1 The center output wavelength and insertion loss in each pass of the sample

3 结 论

实验开发了一种新型的自动调芯耦合技术,它采用了加权机制和遗传算法来实现阵列波导光栅和光纤列阵的自动耦合对接。由48通道硅基阵列波导光栅芯片的实验结果表明,该技术操作简单,精度高,耗时短且重复性高,制作出的样品的每个通道最大插入损耗满足目前国际行业标准,可用于AWG器件的工业化制造。

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