CN100465677C - 具有减小了温度依赖性的光学装置 - Google Patents

Abstract

具有改进了中心波长温度稳定性的光学设备。在一实施例中，AWG具有多个沿着光路插入的沟槽。该沟槽包括一种或多种补偿材料，该补偿材料总体上校正AWG基底材料的Q阶温度依赖性。Q≥2或者补偿材料的数量至少为2，或者二者兼备。

Description

具有减小了温度依赖性的光学装置

技术领域

本发明一般地涉及光栅装置，尤其涉及用于使该装置绝热的技术。

背景技术

计算机和通信系统在通信线路带宽上的要求不断增加。众所周知，光纤比传统的同轴线路提供高得多的带宽。此外，光纤波导中的单一光信道使用该光纤可用带宽的一小部分。在波分复用(WDM)光通信系统中，多个光波长载波沿着单根光纤传送独立的通信信道。通过向一根光纤中传送几个不同波长的信道，光纤的带宽能力得到有效利用。

利用阵列波导光栅(AWG)装置已经实现了纤维光学上的多路复用和去复用。AWG是一平面结构，其包括设置在输入和输出耦合器之间且相互并排排列的波导阵列，并且这些波导如同分光计中的衍射光栅那样共同作用。每个波导与其最近相邻波导在长度上相差预先确定的固定量。输出耦合器的输出构成了多路复用和去复用装置的输出。在操作中，当将多个独立不同的波长施加到该装置的独立不同的输入端口时，它们被组合并传送到一输出端口。相同的装置还可实现多路去复用功能，其中将该设备一个输入端口上的多个输入波长，彼此分离并直接引导到预定的不同的输出端口中的一个。AWGs还能实现路由选择功能，其中信号到达多路输入端口并根据预先定义的映射路由至多路不同的输出端口。这样的AWGs的结构和操作在本领域中是熟知的。例如参见，“PHASAR-based WDM-Devices：Principles，Design and Applications”，M KSmit，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Vol.2，No.2，June1996，以及美国专利.No.5,002,350和WO97/23969，这里参照引用其全部内容。

波分复用器和去复用器要求对相邻波导之间的有效光程长度差的精确控制。该有效光程长度差被定义为波导中基模的有效折射率和相邻波导之间的物理路径长度差的乘积。对于目前可用的波分复用器和去复用器，波导中基模有效折射率和相邻波导之间的物理路径长度差都典型地与温度相关。在传统的集成光复用器和去复用器装置中，形成阵列波导的介质具有显著的温度依赖性，这导致中心传输波长的改变，其可能超过传输带宽。结果，在特定装置操作温度范围(例如从0℃左右到70℃左右)内的温度变化导致波长偏移，该波长偏移与标准的精确度要求相比是不可接受的。因此，通常在温度控制的环境下运行所提供的相位阵列型的复用/去复用器光学装置。典型的，提供具有加热元件的控制电路，用于将该装置保持在高于最大额定操作温度的一稳定温度。但是使用加热元件以实现有源绝热是不合需要的，因为它增加了装置的总成本、尺寸和复杂性，减小了装置的寿命，且消耗相当多的能量。它通常还要求有源的灵敏的控制电路，其甚至依赖于装置的实际水平/垂直取向而操作不同。还可使用珀耳帖(Peltier)冷却器，但是它们面临许多相同的不足。

在传统的具有包括多个二氧化硅波导和二氧化硅包层的相位阵列光栅的波分复用器中，信道波长的变化作为温度的函数主要依赖于作为温度的函数的波导的有效折射率的正变化。折射率对二氧化硅基材料，在补偿作为温度的函数的折射率的正变化的工作中，已采用了具有作为温度的函数的折射率的负变化的聚合物包层材料折射率。然而，这种配置的问题在于，随着温度的变化，纤芯和包层之间的折射率率差发生变化，并且，在最差的情况中，光不能被引导到波导中。结果，具有包括聚合物包层的相位阵列型光栅的光复用器/去复用器装置会不适合在宽的周围环境温度范围内使用。

另一个建议的方案，用于保持在相位阵列中相邻波导之间相对恒定的有效光程长度差，包括在相位阵列中或者在将该相位阵列与输入或输出光纤相耦合的板条形区域中，使聚合物在三角形或新月形沟槽中定位。可以选择聚合物，使得其具有有效折射率作为温度的函数的负变化折射率，用于补偿二氧化硅波导芯段的有效折射率作为温度的函数的正变化，从而抑制由于在预定操作温度范围内操作温度的变化而产生的信道波长的偏移。可以将该聚合物沟槽分成一个以上依次接收光能的沟槽，以减少穿过每个沟槽的自由空间传播长度。

充填有聚合物的沟槽的使用能够充分改进绝热效果。典型的被以这种方式绝热的AWGs能够实现在典型的-5至+70℃的操作温度范围内的小到0.03至0.05nm的中心信道波长的漂移。然而这还不够好。该漂移将该装置的适用范围仅限于规定的温度范围内，仅限于具有大约100GHz或更高信道间隔的系统，该变化是能够容忍的。它们不容易使用，例如，在可能结冰的温度的气候下的室外设备范畴内，或在要求宽的通带并且信道间隔小于约100GHz的系统中。

另一个主要的已经被研究用于绝热的技术类别实际上是机械的，例如包括用于使该装置的元件相对于彼此主动定位的的温度控制调节器的技术。这些可能包括，例如，根据周围环境温度相对于输入板条形区域调整该输入波导的横向位置的双金属调节器。这些技术通常复杂而昂贵，因为该制造公差通常是非常严格的。

因此，急切需要在较宽温度范围上显示出比以前已经可能的或实用的好得多的绝热的阵列波导光栅装置，而不需要温度受控制的环境，并且不需要复杂和严格的制造公差的机械方法。

在存在聚合物填充沟槽的绝热方法中，二氧化硅基的波导材料和聚合物补偿材料的折射率的变化都假定成与温度成线性关系。典型地忽略任何更高阶的影响。大部分表征材料的折射率随温度而改变的参考文献，也仅仅描述当在远离聚合物的玻璃化转变温度的温度下测量时该二者之间为线性关系。申请人已经发现，该关系通常不是精确的线性关系，并且这些变化相对于该线性关系的偏离是造成在这些装置中观察到不理想的绝热的主要部分的原因。因此，在本发明的一个方面，概略地说明，材料的选择至少考虑到材料的二阶影响。结果，可以以好得多的精度，或者，例如在-30℃至+70℃的宽的多的温度范围内，或者两者同时，将聚合物补偿材料识别为用于补偿该波导材料内有效光程长度的变化。

在本发明的另一方面，再次大致描述，将两种不同的补偿材料用于填充多个沟槽或插入到光路中的补偿区域。这两种补偿材料的光程长度对温度曲线被表征到至少二阶特性，与基底波导材料一样。将这两种补偿材料以适当的比例放置在不同数量的沟槽中，以产生要求使整个光程长度的温度依赖性对于一阶和二阶均精确地最小化的有效相互作用长度的比例。该技术可推广至任何数目的不同补偿材料，并抵消光程长度对任意阶特性的温度依赖性。

在本发明的一方面，大致描述，光学设备具有多个通带和一个中心波长，并且该关于中心波长温度的第一至Q阶导数，在0℃至+70℃、-5℃至+70℃、-30℃至+70℃或-50℃至+90℃的温度范围内实际上等于零，Q>＝2。该设备可包括多个从输入端口向输出端口穿过多种材料传输光能的光路，每种材料具有与其它材料不同的有效折射率温度依赖性。可替换地或者附加地，该设备可包括与输入和输出端口的单独一个光通信的波导，以及根据温度相对于该阵列波导光栅调整波导物理位置的温度补偿元件。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有包括穿过一材料系统的多个光路，每个光路具有与相邻光路相差一相应有效光程长度差的相应有效光程长度，并且相对于每个光程长度差的温度的第一至的Q阶导数，在0℃至+70℃、-5℃至+70℃、-30℃至+70℃或-550℃至+90℃的温度范围内实际上等于零，Q>＝2。该设备可包括多个从输入端口向输出端口穿过多种材料传输光能的光路，每种材料具有与其它材料不同的有效折射率温度依赖性。另外，每个第x种材料可具有沿每条光路的相应的总物理传播距离，它与沿相邻的一条光路穿过该第x种材料的总物理传播距离相差一相应的物理路程长度差ΔLx，每个ΔLx相对于整个温度范围内的温度实际上保持为常数。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有穿过一材料系统的多个光路，每个光路至少穿过三种材料，每种材料具有与其它材料不同的有效折射率温度依赖性，每个光路具有与相邻光路相差一相应的有效光程长度差的相应有效光程长度，并且相对于每个光程长度差的温度的第一至第Q阶导数，在0℃至+70℃、-5℃至+70℃、-30℃至+70℃或-50℃至+90℃的温度范围内实际上等于零，Q>＝l。在一实施例中，每个第x种材料沿每个光路具有相应的总物理传播距离，该相应的总物理传播距离与沿一相邻光路的穿过该第x′种材料的总物理传播距离相差一相应的物理路程长度差ΔL_x，每个ΔL_x在整个该温度范围内的温度实际上保持为常数。

在本发明的另一方面，大致描述，一种阵列波导光栅设备，具有多个从输入到输出的光路，包括一基底材料和至少一个补偿区域，该至少一个补偿区域总体上包括与光路相交的至少第一和第二补偿材料，并具有相互不同且与基底材料不同的有效折射率温度依赖性。在一实施例中，第一补偿区域包括第一和第二补偿材料。第一和第二补偿材料可设置在第一补偿区域的不同层中。可替换地，第一补偿区域可进一步包括第三补偿材料，其中第一补偿材料设置在该第一补偿区域内的下层，第二补偿材料设置在第一补偿区域内的中间层，第三补偿材料设置在第一补偿区域内的上层，并且其中第二补偿材料具有高于第一和第三补偿材料的折射率。阵列波导光栅设备在基底材料中包括一下包层、叠加在下包层区域上的芯层和叠加在芯层上的上包层，并且第二补偿材料实质上可与基底材料中的芯层共面。

在另一实施例中，大致描述，补偿区域之一可包括第一补偿材料而不是第二补偿材料。在该实施例中，至少一个补偿区域可总体地包括多种包含第一和第二补偿材料的补偿材料，在该多种补偿材料中的所有补偿材料与光路相交，并具有相互不同的且与基底材料不同的有效折射率温度依赖性，并且其中每个补偿区域只包括一种补偿材料。

在上述实施例中的任一个中，大致描述，第一补偿材料可包括多种子材料的合成物，该合成物的有效折射率温度依赖性为第一补偿材料的有效折射率。该子材料可以分层以形成该合成物。可替换地，该第一种子材料可以与基底材料一样，并且第二种子材料具有与基底材料和该合成物不同的有效折射率温度依赖性。

在一实施例中，补偿材料之一可进一步补偿基底材料的双折射。

在本发明的另一方面，大致描述，阵列波导光栅设备具有多个个从输入到输出的光路，包括基底材料和多个补偿区域，至少一个补偿区域的第一子集包括第一补偿材料，至少一个沟槽的第二子集包括第二补偿材料，其中第一和第二补偿材料具有相互不同且与基底材料不同的有效折射率温度依赖性。在一实施例中，基底材料可包括二氧化硅，并且第一和第二补偿材料可以是聚合物。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有多个穿过一材料系统的光路，每个光路穿过X种材料，并且其中

$\left(\begin{array}{cccc}{n}_{\mathrm{1,0}}& n_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& n_{1,X-1}\\ n_{\mathrm{2,0}}& n_{\mathrm{2,1}}& \·\·\·& n_{2,X-1}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ n_{Q,0}& n_{Q,1}& \·\·\·& n_{Q,X-1}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_0\\ \mathrm{\Δ}{L}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\Δ}{L}_{X-1}\end{array}\right)$

实质上等于零，其中每个n_q，x为相对于每个第x种材料的有效折射率温度的第q阶导数，其中每个ΔL_x为相邻光路之间的材料x的全部物理路径长度增加量，其中Q>＝2或X>＝3或者二者兼备。在一实施例中，X>＝Q+1。在该X种材料由基底材料和X-1种补偿材料组成的情况下，该设备可包括形成在基底材料中的至少X-1个补偿区域，每个补偿区域仅包括其中一种补偿材料，该补偿区域被分配给实际上与补偿材料的全部物理路径长度增加量ΔL_x成比例的X-1种补偿材料。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有穿过基底材料的多个光路，该基底材料具有包含一种不同材料并与该光路相交的第一沟槽，，第一沟槽的上游和下游边缘中的至少一个相对于垂直方向倾斜5至20度之间的倾斜角。基底材料可进一步具有与光路相交的第二沟槽，其中第一和第二沟槽的上游和下游边缘都相对于垂直方向倾斜5至20度之间的倾斜角。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有穿过在其中形成有多个补偿区域的基底材料的多个光路，该补偿区域包括用于补偿基底材料有效折射率的热依赖性的补偿材料，并且其中这些补偿区域沿着光路以一间距连续设置，该间距从补偿区域的最上游一个到补偿区域的最下游一个线性变化。在一实施例中，单个光路将具有特殊波长的光能传输穿过该补偿区域，从补偿区域的最上游一个到补偿区域的最下游一个的间距变化大约等于该特殊波长的M倍，其中M为整数并优选为1。

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有阵列波导光栅装置，该装置具有经由阵列波导光栅与一输入端口光通信中的一输出端口，与输入和输出端口中的特定一个光通信的波导，以及用于根据下列函数对于每个k_q的预定值以及整个-5℃至+70℃的温度范围，相对于该阵列波导光栅横向调整波导的物理位置的温度补偿元件，

$y=\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{k}_q{T}^q,Q>=2.$

在一实施例中，其中Q＝2，其中阵列波导光栅装置近似在该全部温度下具有折射率

n＝n₀+n₁T+n₂T²，

k₁与k₂大致有这样的关系：

$\frac{k_1}{k_2}=\frac{n_{1g}}{n_{2g}},$

在本发明的另一方面，大致描述，光学设备具有阵列波导光栅装置，包括经由阵列波导光栅与输入端口光通信的输出端口，其中该设备具有包括一主通带的多个通带，该主通带具有一中心波长，并且其中该中心波长在-50℃至+90℃温度范围上变化小于70pm。在一实施例中，该中心波长在-50℃至+90℃温度范围上变化不高于40pm。可替换地，该主通带的中心波长在0℃至+70℃温度范围上变化小于20pm。在一实施例中，该中心波长在0℃至+70℃温度范围上变化不高于10pm。

附图说明

本发明通过具体实施例并结合下列附图进行说明，其中：

图1描绘了典型的用作波分去复用器的AWG的光谱响应。

图2是示出了在-5℃、+35℃和+75℃的环境温度下在常规AWG的单个信道内透射率的曲线图。

图3是对于无绝热、一阶绝热和二阶绝热的AWG的中心波长的偏移对温度的函数的代表性曲线图。

图4和4A描绘了具有本发明特征的AWG。

图5和5A描绘了在图4中板条形波导区域部分的不同实施例的截面图。

图6、7和8为三种不同材料的折射率与温度的关系曲线。

图9A-9F和10A-10D描绘了在图4的AWG的输入耦合区域内的补偿区域的不同排列。

图10描绘了在图4的AWG中的光路的光线近似(ray-approximations)。

图11A-11H描绘了在AWG的补偿区域内的补偿材料的不同排列。

图12描绘了结合本发明多方面的光学设备的一部分。

具体实施方式

以下的说明用于使得本领域的任何普通技术人员能够实现并使用本发明，并结合上下文给出了具体实施例和要求保护的范围。对所公开的实施例进行的各种变形对本领域技术人员来说是显而易见的，并且这里所定义的普遍原理也可应用到其它实施例和应用中而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不局限于所公开的这些实施例，而是使这里公开的原理和特征与最宽的范围相一致。

图1描绘了用作波分去复用器的典型AWG的光谱响应。曲线图描绘了在多个不同的输出信道中的每一个处观察到的透射率，所有这些全部叠加到一张曲线图中。可替换地，该曲线图描绘了用作波分复用器的该典型AWG光谱响应，从多个不同输入信道中的每个至公共输出的透射率叠加到一张曲线图中。每个透射率曲线具有在大约-5dB处达到峰值的一主瓣，并具有在信道间增加地改变的一中心频率f_c，并且相邻信道中心频率之间的间隔实质上相等。在不同的AWG实施例中该中心频率不需要相等地间隔。中心波长λ_c与中心频率之间的关系为λ_c＝c/f_c，其中c为光速。中心波长λ_c在这里被定义成透射率为对于平均偏振状态下峰值透射率的一半处的两个波长的平均值。

图2为示出了在环境温度为-5℃、+35℃和+75℃下，在常规AWG的单个信道中的透射率的曲线图。可以看出中心波长随着温度的增加而增加。该中心波长随温度的变化对于每个信道近似相同，因此，对大多数AWG设计，对一个信道的中心波长的变化的分析就代表了该设计中的所有信道。对于此处讨论的目的，中心信道在输入和输出中都使用。中心波长随温度的偏移在多路复用/解复用器应用中是有问题的，因为输入的光能没有偏移。根据技术要求，对于给定的信道输入光能的绝大部分集中在相应AWG通带的主瓣内，从而通带波长发生偏移，信道损失变得重要。可以看出，在预定温度范围内，例如0℃至70℃之间，损失是可以接受的，但是超出该范围是不可接受的。可替换地，可以看出，在预定信道波长间隔(允许有较宽的通带的AWG设计)之上该损失可能是可接受的，但是对于较窄的信道间隔(要求具有较窄通带的AWG设计)是不可接受的。在滤波应用中，在通带的中心波长内的偏移能导致合成信号超出技术要求，并且对下游的元件是不适当的。

图3，曲线310，是中心波长偏移作为温度的函数的典型曲线图。该曲线图用于典型的二氧化硅AWG，该二氧化硅AWG相对于9×10^-6量级的温度具有一阶变化。虽然温度极端值在图3中看不到，但是中心波长在-5℃至+70℃的环境温度范围内偏移了0.8nm。

对于AWG，中心波长λ_c由下式得到

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}{m}$                    (式2)

其中，n_eff为波导中的有效折射率，ΔL为阵列中相邻波导之间的长度增加量，m为光栅的阶数。中心波长的温度依赖性源自n_eff和ΔL都随温度变化，虽然n_eff的温度依赖性通常更为重要。实际上，如下所解释的，ΔL的温度依赖性能够与n_eff的温度依赖性结合在一起而不丧失太多的精确度。

为了改进AWG的绝热特性，常规技术包括在AWG的部分光路中替代不同材料。尤其是，常规技术包括穿过玻璃蚀刻沟槽并用聚合物进行填充。该沟槽限定了聚合物材料的“区域”，其如在此处所使用的那样涉及从波导平面上方观察的二维区域。聚合物通常选择具有对于温度沿与玻璃相反方向变化的有效折射率，虽然如果进行如下所述的其他调节的话，也可以使用具有与玻璃相同的方向变化的有效折射率的聚合物来替代。温度依赖性被仅仅以线性方式建模(也就是，一阶)，从而能够将接下来的分析用来选择或制造一目标聚合物。尤其是，在已经通过刻蚀穿过玻璃波导的沟槽并用聚合物填充该沟槽而进行了常规的绝热处理的AWG中，中心波长由下式得到

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{n_g\mathrm{\Δ}{L}_g+n_p\mathrm{\Δ}{L}_p}{m}$                   (式3)

其中n_g和n_p分别为玻璃和聚合物的有效折射率，ΔL_g为在纵向地接收光能的玻璃段的整个物理长度上相邻波导之间的增加量，并且ΔL_p为在纵向接收光能的聚合物段的整个物理长度上相邻波导之间的增加量。然后将参数n_g和n_p建模成具有随温度的线性变化，即：

n_g＝n_0g+n_1gT和n_p＝n_0p+n_1pT                            (式4)

其中

n_0x＝n_x|_T＝0和 $n_{1x}={\frac{{\mathrm{dn}}_x}{\mathrm{dT}}|}_{T=0},$ x＝g和x＝p                    (式5)

因此，每种材料被表征为两个折射率项，0阶项n_0x和一阶项n_1x。

对于绝热特性，λ_c为常数，也就是        $\frac{{\mathrm{d\λ}}_c}{\mathrm{dT}}=0$              (式6)

所以假定                              $\frac{\mathrm{d\Δ}{L}_g}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{d\Δ}{L}_p}{\mathrm{dT}}=0$       (式7)

因为ΔL的贡献是可忽略不计的或因为它们的贡献已经被并入到有效折射率中，于是绝热特性要求                      $\frac{{\mathrm{dn}}_g}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_g+\frac{{\mathrm{dn}}_p}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_p=0$       (式8)

代入n_g和n_p得到           n_1gΔL_g+n_1pΔL_p＝0                (式9)

或                                $\frac{\mathrm{\Δ}{L}_p}{\mathrm{\Δ}{L}_g}=-\frac{n_{1p}}{n_{1g}}$              (式10)

从而，如果选择关于温度线性化的变量为n_1p的特殊聚合物，那么，常规技术将得到比例

该比例是阵列中相邻波导之间的全部聚合物物理长度增加量对阵列中相邻波导之间的全部玻璃物理长度增加量的比例。然后可以将该比例用来确定光路中全部所要求的聚合物长度，然后根据其它原理可以将其分为多个填有聚合物的沟槽。根据该线性绝热技术制得的AWG能显示出类似如图3中曲线320的中心波长温度的依赖性。可以看出这样的装置可具有比曲线310所代表的的方案更好的绝热特性，但是它在-5℃至+70℃温度范围上还有大约40pm的变化。

注意到，在T＝0℃时在(式4)中计算了n_g和n_p的温度依赖性的线性泰勒展开式，但任何其它计算温度T₀可被选择替代。严格地说，该泰勒展开式仅仅在或接近一特殊温度时是有效的。理想地，n_0x和n_1x的值将通过仅仅使数据拟合为一直线来确定，仅仅取非常靠近所选择的温度处的数据，在该所选择的温度处，要求最优化的温度稳定性。典型地，这或者是所要求的操作温度范围的中心，或者可能是期望的最普通的操作温度。然而，仅仅依赖于与单一温度非常接近的数据，设计者可能错过从线性向所期望的操作温度范围的端点的很大偏离。实际上，因此，设计者可能使用在整个期望的操作温度范围内的数据以决定n_0x和n_1x的值。这样一种策略能改进最后得到的装置对操作温度范围端点的温度稳定性，但是仅仅是以在操作温度范围的中心处的温度稳定性为代价的。其他设计者在中心稳定性和对操作温度范围端点的稳定性之间的折衷中可能选择其它平衡。

但是，可以看出，这些策略的需求原因在于不论是聚合物还是玻璃的有效折射率关于温度的变化都不是完全线性的。如果这些数值被建模成二次方程(也就是，如果考虑二阶项)，那么：

n_g＝n_0g+n_1gT+n_2gT²和n_p＝n_0p+n_1pT+n_2pT²                    (式11)

其中n_0x＝n_x|_T＝0， $n_{1x}={\frac{{\mathrm{dn}}_x}{\mathrm{dT}}|}_{T=0},$ 和 $n_{2x}={\frac{{d^{2}n}_x}{d{T}^2}|}_{T=0},$ x＝g和x＝p　　　(式12)

因此我们可写成          $\frac{{\mathrm{dn}}_g}{\mathrm{dT}}=n_{1g}+2{\mathrm{Tn}}_{2g}$                     (式13)

和                   $\frac{{\mathrm{dn}}_p}{\mathrm{dT}}=n_{1p}+2{\mathrm{Tn}}_{2p}$                        (式14)

将这些代入(式8)用于绝热特性得到

(n_1g+2Tn_2g)ΔL_g+(n_1p+2Tn_2p)ΔL_p＝0                         (式15)

或者按照T重新排列并合并，

2T(ΔL_g n_2g+ΔL_p n_2p)+(ΔL_g n_1g+ΔL_p n_1p)＝0                  (式16)

这样，一旦考虑到玻璃和聚合物折射率的二阶依赖性，可以看出实际的绝热特性不仅仅要求

ΔL_g n_1g+ΔL_pn_1p＝0                                        (式17)

还要求

ΔL_gn_2g+ΔL_pn_2p＝0                                     (式18)

二阶多项式，单种聚合物

图4说明了一种AWG波分复用器/去复用器，其通过计入了二阶温度依赖性来进行绝热。它包括一基底或“底板(die)”(未示出)，其上设置有由仅仅示出了一部分的信道波导418的阵列组成的阵列波导光栅415(也可称作棱镜区域)，其在两个平面型(板条形)波导耦合区域413和414之间光学耦合。至少输入波导412光学耦合到第一板条形波导413的输入面419上用于输入复用的输入信号，多个输出波导410(仅部分示出)光学耦合到第二板条形波导414的输出面420用于输出向该底板的表面输出的各个波长信道输出。在一实施例中，输入和输出波导412和410优选集成到与光栅415和两个耦合区域413和414相同的底板上，但是在另一实施例中，它们可以是例如，光纤，或者透镜系统。板条形波导区域413和414的几何形状都是熟知的，并且例如在美国专利No.6,768,842中描述的，在这里引用作参考。图4中的装置通过简单地翻转光能传播方向可以被用作多路复用器而不是多路去复用器。同样，在一些实施例中，与第一板条形波导413的输入表面419光通信的的波导412由沿着面419不同位置的多个波导取代。典型地，将“微调(vernier)”校正程序用来确定这些波导中的一个，它沿面419的位置提供最佳的性能，并且其仅仅是用于普通通常操作的波导。在该实施例中，图4中的波导412可被看作从多个波导中挑选出的一个。在又一实施例中，该装置用作同时使用多路输入和多路输出的路由器。

在众所周知的方式中，在阵列415的相邻信道波导418之间存在一恒定的预定有效光程长度差(典型地波导的物理长度从一个波导到下一个增加相同的增加量)，其决定了在第二板条形耦合器414的输出面420上的不同波长输出信道的位置。对其它AWG也是典型地，阵列中波导的物理长度从一个波导到下一个波导增加相同量的增加量，ΔL_g。

光能从输入波导412沿着多个光路向阵列波导418传播，每个从输入波导穿过板条形区域413到达各自阵列波导418。在通常情况下，这些光路受到诸如聚合物-玻璃的交界面处衍射、反射和折射效应一类因素的影响，其可能并不完全沿直线光线设置。因此，如这里所使用的，术语“光路”将意味着包含对有效光路长度产生任何明显程度的影响的所有特征。但是在许多配置中，光线近似光路对于这里的目的足够精确。

横切这些光路的是多个横向取向的沟槽(也称作凹槽、沟道或更普遍的，补偿区域)430，其中充填有具有其温度依赖性已知到二阶(即，n_0p、n_1p和n_2p是已知的)的有效折射率的聚合物。使沟槽430成形并制定尺寸，使得能量沿穿过该板条形区域413的光路穿过其传输的聚合物的总物理长度增加量，ΔL_p，同时满足上述(式17)和(式18)。

图5为板条形波导区域413沿着图4中的5-5’线的部分截面图。板条形波导包括用作下包层的基底510、叠加在该下包层510上并具有提高了的折射率的芯层512、和具有比芯层512低的折射率的上包层514。可以看出，沟槽430穿过上包层514和芯层512，并进入下包层510。在一实施例中，沟槽430的前端和后端边缘(上游和下游边缘，依据光能的流动方向)以一小角度θ倾斜，以有助于使回反射率最小化。θ优选在5和20度之间，并可以是正的或负的。在另一实施例中，前端和后端边缘实质上是垂直的(即，θ＝0)。

还可以看出，所有沟槽被以一常数间距x₀设置。该间距x₀被选择以有效地使损耗再耦合，并大约为55μm。常数间距可引入某些反射光栅特性，然而，在一实施例中，该间距在连续相邻沟槽之间稍微变化偏离x₀。反射光栅特性对于间距的规律是高灵敏的，然而再耦合效率不是。所以，稍微地偏离常数间距能够防止反射光栅特性而不使再耦合效果严重地劣化。在一实施例中，相对于常数间距的偏离是随机的。在一更优选的实施例中，如图5A所示，相对于常数间距的偏离是线性的，具有两个最上游沟槽之间的最小间距和两个最下游沟槽之间的最大间距。该间距总体改变为在AWG的中心信道内穿过该沟槽光栅的光的实际波长的大约M倍，其中M为整数并优选等于1。穿过该沟槽光栅的实际波长是真空中中心信道的波长，除以穿过构成该沟槽光栅的材料的光所经历的平均折射率。

图4的结构利用公知的技术来制造。在公知的方式中，传输波导和板条形波导被形成(例如使用标准光刻技术)为硅基底(可在沉积波导芯之前在该基底上提供氧化物层和/或包层)上的“芯”，并被覆盖在包层材料内，其可通过例如火焰水解沉积(FHD)或化学汽相沉积(CVD)的制造步骤完成。然后光刻蚀刻沟槽430，并利用体积控制注射分配器来施加聚合物补偿材料，并接着根据聚合物来选择热固化或使用光化辐射进行固化。可替换地，材料可通过喷涂或任何其它方法沉积到沟槽430中。

注意到在其它实施例中，不是所有充填有聚合物的沟槽都需要定位在第一板条形波导区域。在另一实施例中，它们被定位在波导阵列区域415中，或第二板条形区域414中，或跨越波导阵列415和板条413或414中的一个之间的边界的区域中。在又一实施例中，在任何所需要的组合中它们被分割在所有这些区域中。

上述关于图4、5和5A的描述假定沟槽填充材料为聚合物且光路的非沟槽段为二氧化硅。在其它实施例中，可以采用材料的不同组合。例如，由于大多数聚合物的折射率和二氧化硅的折射率趋向于与温度相反的方向变化，图4绘制了沟槽的顶部比底部宽的沟槽。即，与占据具有较短二氧化硅段的光路相比，聚合物填充占据具有较长二氧化硅段的较长段光路。这正好符合(方程式17)。根据该方程，如果n_1g和n_1p的符号相反，那么只有在相邻光路中聚合物填充段的物理长度增加量与相邻光路中二氧化硅段的物理长度增加量符号相同时-也就是，只有在沟槽随着其前进穿过阵列415向着较长波导418伸长时，方程才能被满足。在另一实施例中，如图4A所示，沟槽可充填有折射率随温度的变化与基底材料折射率随温度的变化符号相同的材料。在该情况下，沟槽430A在底部比在顶部宽，因为(式17)要求补偿材料从一个光路到下一个光路的物理长度增加量，以及基底材料从一个光路到下一个光路的物理长度增加量，具有相反的符号。许多其它的变型是显而易见的，其中一些将在下文中进一步论述。

二阶绝热技术需要关于玻璃和聚合物材料的有效折射率的温度依赖性的一阶和二阶项的知识。这些通常并不认为是在文献中可得到的。然而，它们能够通过在多个不同的温度下测量材料的有效折射率利用公知的曲线拟合技术将该数据代入二次方程用实验的方法来确定。要求至少将三个数值点代入二次方程，但优选使用远多于三个的数据点来开发最稳定的合成的装置。

高阶多项式，单种聚合物

上述技术可扩展到考虑有效折射率的更高阶温度依赖性，直到任意Q阶。这样做，上述方程可这样推广得到

$n_g=\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{qg}}{T}^q$ 和 $n_p=\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{qp}}{T}^q$                            (式19)

其中 $n_{\mathrm{qx}}={\frac{{d^{q}n}_x}{dT}|}_{T=0},$ x＝g和x＝p                         (式20)

从而可以写成

$\frac{{\mathrm{dn}}_x}{\mathrm{dT}}=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{qn}}_{\mathrm{qx}}{T}^{(q-1)},$ x＝g和x＝p                        (式21)

代入(式8)用于绝热特性得到

$\mathrm{\Δ}{L}_g\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{qn}}_{\mathrm{qg}}{T}^{(q-1)}+\mathrm{\Δ}{L}_p\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{qn}}_{\mathrm{qp}}{T}^{(q-1)}=0$                       (式22)

按照T的阶数重新整理并合并，得到

$\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}q(\mathrm{\Δ}{L}_g{n}_{\mathrm{qg}}+\mathrm{\Δ}{L}_p{n}_{\mathrm{qp}})T^{(q-1)}=0$                           (式23)

满足该方程的条件是

ΔL_gn_qg+ΔL_pn_qp＝0，所有q都在1和Q之间，包含1和Q。  (式24)

因此，在另一实施例中，将AWG以与图4所示相同的方式构造，除了选择聚合物、玻璃和ΔL使所有Q满足(式24)的要求。

计入机械温度依赖性

上述技术可进一步延伸至不仅仅计入有效折射率的温度依赖性，而且还计入ΔL的温度依赖性。在该情况下绝热特性要求

$\frac{{\mathrm{dn}}_g}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_g+\frac{{\mathrm{dn}}_p}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_p+n_g\mathrm{\α\Δ}{L}_{g}T+n_p\mathrm{\α\Δ}{L}_{p}T=0$                  (式25)

其中α为芯片的机械热膨胀系数。然而，由于在典型实施例中ΔL_p比ΔL_g小得多，可以将机械膨胀项并入n_1g而不损失太多的精确度。此外，如果n_1g以经验决定而不是从文献中获得，那么n_1g决定的值本来就包括机械膨胀项的影响。优选使用从与最终产品相同方式封装的芯片获得的数据来作出经验的确定，从而如果该最终产品的封装将影响由芯片显示出的机械膨胀，那么那些影响在测试时也存在芯片中。可替换地，基于经验的确定能够利用从未封装的芯片获得的数据来进行，依从层(compliant layer)将芯片从最终产品封装中分离。

附加的精确度可通过以适当的比例将机械膨胀项并入到下列一阶和二阶折射率项中获得：

n_1g＝n′_1g+n_0gα

n_2g＝n′_2g+n_1gα

n_1p＝n′_1p+n_0pα

n_2p＝n′_2p+n_1pα

这容易推广到更高阶多项式模型和一种以上的聚合物，其在其它地方有论述。

二阶多项式，两种聚合物

回到二次项绝热实施例，其可能难于确定满足方程(式17)和(式18)的聚合物，并且还满足其它所有商业制造的要求，例如低插入损耗、耐潮湿性、耐光性和长期可靠性。尽管文献报告了某些聚合物在它们的高于和低于玻璃转换温度的准线性区域内的折射率温度依赖性，并且尽管用于制造具有期望的一阶温度依赖性项的聚合物的机理已知，但是文献很少报告这些聚合物的二阶或非线性依赖性项。

在本发明的一个方面，将两种不同的聚合物串联用于使组合的有效折射率绝热。用下标‘A’和‘B’表示这两种聚合物，上述(式3)和(式8)可重写成

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{n_g\mathrm{\Δ}{L}_g+n_A\mathrm{\Δ}{L}_A+n_B\mathrm{\Δ}{L}_B}{m}$                          (式26)

$\frac{{\mathrm{dn}}_g}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_g+\frac{{\mathrm{dn}}_A}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_A+\frac{{\mathrm{dn}}_B}{\mathrm{dT}}\mathrm{\Δ}{L}_B=0$                       (式27)

代入前式得到

(n_1g+2Tn_2g)ΔL_g+(n_1A+2Tn_2A)ΔL_A+(n_1B+2Tn_2B)ΔL_B＝0

并按照T重新排列和合并项，

2T(ΔL_gn_2g+ΔL_An_2A+ΔL_Bn_2B)+(ΔL_gn_1g+ΔL_An_1A+ΔL_Bn_1B)＝0

因此，对于使用两种聚合物并考虑了三种材料(玻璃和聚合物A和B)的有效折射率的二阶依赖性的温度依赖性，这样选择玻璃、聚合物和ΔL就足够了：

ΔL_gn_1g+ΔL_An_1A+ΔL_Bn_1B＝0           (式28)

和ΔL_gn_2g+ΔL_An_2A+ΔL_Bn_2B＝0         (式29)

对于玻璃和两种聚合物，n₁和n₂的值可用先前描述的实验方法决定，这样就剩下仅仅决定适当的物理长度增加量。方程(式28)和(式29)仅仅提供了与三个未知长度ΔL_g，ΔL_A和ΔL_B有关联的两个方程，因此，仅推导得到下列相对长度：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_A}{\mathrm{\Δ}{L}_B}=-\frac{(\frac{n_{1B}\·n_{2g}}{n_{1g}}-n_{2B})}{(\frac{n_{1A}\·n_{2g}}{n_{1g}}-n_{2A})}$                             (式30)

和 $\mathrm{\Δ}{L}_g=-\mathrm{\Δ}{L}_A\·\frac{\left(n_{1A}\right)}{\left(n_{1g}\right)}-\mathrm{\Δ}{L}_B\·\frac{\left(n_{1B}\right)}{\left(n_{1g}\right)}$                       (式31)

连同(式26)(T＝0处)，其限定了这三个ΔL以便得到期望的中心波长，三个方程使该三个ΔL相互关联。以矩阵形式，这三个方程可表示成：

$\left(\begin{array}{ccc}{n}_{0g}& n_{0A}& n_{0B}\\ n_{1g}& n_{1A}& n_{1B}\\ n_{2g}& n_{2A}& n_{2B}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_g\\ \mathrm{\Δ}{L}_A\\ \mathrm{\Δ}{L}_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}m{\mathrm{\λ}}_c\\ 0\\ 0\end{array}\right)$                       (式32)

从而，现在能唯一地计算出这三个ΔL为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_g\\ \mathrm{\Δ}{L}_A\\ \mathrm{\Δ}{L}_B\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{n}_{0g}& n_{0A}& n_{0B}\\ n_{1g}& n_{1A}& n_{1B}\\ n_{2g}& n_{2A}& n_{2B}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}m{\mathrm{\λ}}_c\\ 0\\ 0\end{array}\right)$                      (式33)

包括两种聚合物的AWG实施例具有与图4和5相同的结构，但是某些沟槽430用聚合物A填充，剩余的用聚合物B填充。在一实施例中，将聚硅氧烷(硅烷弹性体)用作聚合物A和B。聚硅氧烷A被设计用来与玻璃的折射率匹配，而聚硅氧烷B被设计成比采用聚合物A具有更高的玻璃转换温度。在一个实施例中，聚合物A沟槽可全部聚集在一起，但在另一实施例中，它们散布在聚合物B沟槽之间。不同的沟槽分配有一种或另一种聚合物，使得当从具有较短波导418的路径向具有较长波导418的路径横向穿过光路移动时，光能遭遇的聚合物A的总物理路径长度从每个路径到下一个相邻的路径增加ΔL_A的增加量，光能遭遇的聚合物B的总物理路径长度从每个路径到下一个相邻的路径增加ΔL_B的增加量，并且光能遭遇的无沟槽段的总物理路径长度从每个路径到下一个相邻的路径增加ΔL_g的增加量，其中ΔL_A，ΔL_B和ΔL_g由上述(式33)给出。

作为一实施例，假定要求使中心波长温度依赖性为如图3中的曲线310所示的AWG二次绝热。假定该AWG主要是二氧化硅，并且该二氧化硅材料的折射率在整个以及超过所要求的-30℃至+70℃的操作温度范围的多个温度下测得。然后将该数据拟合T的二次函数，得到零阶、一阶和二阶系数如下：

 

n<sub>0g</sub>	1.4529
		n<sub>1g</sub>	9.1e-6
n<sub>2g</sub>	1.36e-8

图6为具有由引入的上述系数定义的二次多项式函数的实验数据的曲线图。可以看出，对二阶多项式的拟合看上去非常好，比用相同数据拟合的直线要好。还可以看出，折射率随温度正变化(n_1g>0)，并且当从上面看时该曲线有一点凹(n_2g>0)。

为了使该AWG绝热，选择两种聚合物，聚合物A和聚合物B。聚合物A的折射率在整个以及超过所要求的-30℃至+70℃的操作温度范围的多个温度处测得，并将该数据拟合T的另一二次函数。得到零阶、一阶和二阶系数如下：

 

n<sub>0A</sub>	1.4797
		n<sub>1A</sub>	-3.04e-4
n<sub>2A</sub>	1.36e-7

图7为具有由引入的上述系数定义的二次多项式函数的聚合物A的实验数据的曲线图。还可以看出，聚合物A的折射率随温度负变化(n_1A<0)，并且当从上面看时该曲线有一点凹。

类似的，聚合物B的折射率在整个以及超过所要求的-30℃至+70℃的操作温度范围的多个温度处测得，并将该数据拟合T的又一二次函数一致。得到零阶、一阶和二阶系数如下：

 

n<sub>0B</sub>	1.5095
		n<sub>1B</sub>	-1.63e-4
n<sub>2B</sub>	-7.96e-7

图8为具有由引入的上述系数定义的二次多项式函数的聚合物B的实验数据的曲线图。还可以看出，该聚合物B的折射率也随温度负变化(n_1B<0)，并且当从上面看时该曲线有一点凸。

可以从图7和8的曲线看出，如果提供足够的光程百分比，两种聚合物可能抵消图6中的二氧化硅温度依赖性的线性项，因为图7和8中的曲线沿与图6中的相反方向倾斜。还可从图7和8中曲线的凹度/凸度看出，同样如果提供合适的比例，两种聚合物也可能具有使二氧化硅的温度依赖性平滑的效果。事实上，这是真实的。利用上述为二氧化硅和两种聚合物材料确定的一阶和二阶系数，并利用上述(式33)，计算ΔL如下：

 

ΔL<sub>g</sub>	33.8μm
		ΔL<sub>A</sub>	0.62μm
ΔL<sub>B</sub>	0.66μm

利用上述三种材料并基于上述ΔL制造的AWG显示出如图3中曲线330所示的中心波长温度依赖性。可以看出，该装置显示出在扩大了的温度范围-30℃至+70℃内，作为温度的函数的中心波长的偏移变化不大于大约5pm，显示出在传统的线性绝热装置上的巨大改进。因此，可以看出，使用两种聚合物并且以这里所述的二阶为特征的AWG，能够实现比传统装置大得多的温度范围，或密集得多的捆扎信道，或二者兼备。

ΔL_A与ΔL_B的比由(式30)给出。如果使沟槽成型并确定尺寸，使得沿着每个给定的光路，在该给定光路内，所有沟槽具有相同的聚合物传播距离，那么，(式30)中的距离比ΔL_A/ΔL_B减化为仅仅是充填有聚合物A的沟槽数量与充填有聚合物B的沟槽数量之比。在上述实例中，所期望的ΔL_A与ΔL_B之比可通过利用大约23个充填有聚合物A的沟槽和25个充填有聚合物B的沟槽实现。

任意阶多项式，任意种材料

上述分析可被扩展至任意Q阶的建模多项式，并扩展至具有任意X种不同材料的材料体系。通过对每种材料x写出下式来实现：

$n_x=\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_{q,x}{T}^q$                                    (式34)

其中 $n_{q,x}={\frac{{d^{q}n}_x}{dT}|}_{T=0}$                                (式35)

并将中心波长方程改写为

mλ_c＝n₀ΔL₀+n₁ΔL₁+...+n_x-1ΔL_x-1                   (式36)

(其中在该方程中n和ΔL的下标表示材料号)。然后可以将绝热方程重写成下列矩阵形式

N·ΔL＝0                                       (式37)

其中 $N=\left(\begin{array}{cccc}{n}_{\mathrm{1,0}}& n_{\mathrm{1,1}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& n_{1,X-1}\\ n_{\mathrm{2,0}}& n_{\mathrm{2,1}}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& n_{2,X-1}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ n_{Q,0}& n_{Q,1}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& n_{Q,X-1}\end{array}\right)$                        (式38)

$\mathrm{\&Delta;L}=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{L}_0\\ \mathrm{\&Delta;}{L}_1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \mathrm{\&Delta;}{L}_{X-1}\end{array}\right)$                                      (式39)

并且ΔL_x为相邻光路之间材料x的总物理路径长度增加量。在这些论述中，X种材料之一为“基底”材料，其构成装置的块体，并在其中形成有补偿区域。剩下的X-1种材料有时在这里称作“补偿材料”，因为它们用于补偿基底材料的绝热性。在上面描述的这些实施例中，基底材料为二氧化硅，补偿材料全部为聚合物。由于在其它实施例中是不需要的，因此在这里不对聚合物材料和玻璃材料进行区分。

在X未知时，方程(式36)与(式37)结合得到Q+1个方程系统，当系统中材料X的数量值大于用于对该材料建模的多项式的最高阶项Q时，其具有唯一的解。因此，如果期望使用Q阶多项式对该材料进行建模，那么如果将Q+1种不同材料用在该材料系统中，则能够唯一计算得出ΔL的值。

如果在材料系统中使用X＝Q种材料，那么只有在det(N)＝0(即(式38)中的矩阵N的行之一是其它行的线性组合)时，(式37)才有解。例如，对于折射率温度依赖性的二阶模型(Q＝2)，仅仅使用两种材料(X＝2)(例如，一种二氧化硅和和一种聚合物)，那么(式37)要求：

$\frac{n_{1p}}{n_{2p}}=\frac{n_{1g}}{n_{2g}}$                                           (式40)

根据这些参数值，可设计一满足(式40)的聚合物以产生具有中心波长对温度的关系实质上平坦(对于二阶)的单种聚合物AWG。

如果在材料系统中使用X<Q种材料，那么(式37)要求(式38)中的矩阵N中的具有第一下标比q＝X-1大的所有行是第一X-1行的线性组合。这在系数之间的关系上设设置了额外的限制。

因此，在(X＝Q和X<Q)的情况下，除对于不同材料指定了物理路径长度增加量之间的相互关系之外，绝热方程还确定了不同材料的折射率温度依赖性的泰勒展开的系数之间的相互关系。当不必要排除一个解时，附加的规定会使满意的材料的鉴别变得相当复杂。

然而，尽管没有发现符合泰勒展开系数关系的材料，但是还可以通过选择ΔL值较大地改进得到的装置的绝热，以在关键的温度范围上优化中心波长的误差。可以将数值误差最小化分析用于该目的，其找出在关键温度范围上在(式36)中使λ_c的变化最小化的向量ΔL＝(ΔL₀，ΔL₁，...，ΔL_x-1)^T。该课题上的许多变化是可能的，例如给实验数据加权，以对全部的关键温度范围上的一段产生更大的影响。

如果可使用多于Q+1(即，X>Q+1)种材料，那么多个解是可能的，并且可以根据其它标准来选择其中一个。

应当理解，上述关于中心波长的(式36)和在更普遍情况下的关于绝热特性状态的(式37)形成了对于特殊数量的材料和多项式折射率模型的特殊阶数的所有其他方程。如同这里使用的，只要这里的方程推广到一特殊的数值参数，那么就意味着该方程表示对于该参数的每个值的肯定的教导。例如，由于(式36和37)推广到参数Q和X，因此这些方程就意味着表示对于每个Q和X值的组合的方程的肯定的教导。

非多项式函数类型建模

在上述的大部分描述中，假设用于对不同材料的非线性折射率温度依赖性建模的该函数类型是多项式。然而，还有可能出现一种或多种材料不能简单的用多项式表示，或者可能要求非常高阶的多项式来足够精确地建模，或者仅仅可能要求比提供的补偿材料数量更高阶的多项式(X<Q+1)。这些情况可能会导致，例如，对于聚合物显示出在所期望的操作温度范围内围绕某一温度附近折射率相对急剧的变化。具有在期望的操作温度范围内的玻璃转变温度的聚合物可经常显示出这样的急剧变化，并可能受益于利用非多项式函数模型建模。在这些情况中，使用三种(或更多种)材料系统以使波长误差在整个该温度范围内最小化同样是有益的。

至少提供两种方法来实现它。首先，如果对于一种或多种材料经验获得的折射率温度依赖性数据与一个或多个非多项式函数类型吻合得很好，那么它还可能通过将该非多项式函数类型代入恰当的绝热方程(式8，23，27或37)中来得到近似形式的ΔL的解。如果该函数类型排除代数近似形式的解，或对于一种或多种材料的折射率温度依赖性不存在预定函数类型的解，那么可以将传统的数值优化程序用来得到ΔL的最优绝热数值解。在两种情况下，也可能通过将非线性函数类型用于一种或多种材料的折射率温度依赖性的建模，或利用至少三种材料，或二者兼备，在较宽温度范围的绝热中获得重要的改进。

沟槽类型和尺寸的者虑

图4中所示沟槽430均以弯曲的三角形显示，这些三角形越靠近图的底部越窄(占据光路中较短的纵向段)，越靠近图的顶部越宽(占据光路中较长的纵向段)。在该形状基础上的许多变形是可能的。已经讨论了一种变型，即，在补偿材料的折射率随温度变化与基底材料折射率随温度变化方向相同的情况下，可以使该沟槽翻转，将三角形的较窄端朝向图中的顶端，较宽的一端靠近底部。在另一变型中，在使用两种不同的补偿材料，这两种材料的折射率随温度彼此沿相反的方向变化的一实施例中，分配给第一补偿材料的沟槽可以如图4所示取向，而可以使分配给第二补偿材料的沟槽翻转。对于特殊材料的沟槽取向(所有沿着光路的沟槽的集合)依赖于特殊材料的ΔL的符号：由于ΔL把物理路径长度描绘成从图4中AWG的底部向顶部前进的增加量，因此特殊材料的负的ΔL要求沟槽这样定向，使得底部附近比顶部附近宽。

至少两种原理指导可能的许多变型：第一，在插入到光路中的全部材料的集合中，在相邻光路之间沿着光路的纵向方向上相遇的每种材料的长度的增加量实质上应当等于为上述材料计算出的ΔL；第二，应当使该沟槽的上游和下游边缘成形并取向，使对光能的折射、反射和衍射影响最小化。前述的原理可通过为每种材料形成单独三角形沟槽来满足。假定该补偿材料不提供如沟槽区域413的剩余部分那样的平面波导，然而单个沟槽可容许太多的光以致不能垂直地逸出波导。通过将该三角形分成多重沟槽，每个沟槽可更窄。更重要的，当适当地选择该多重沟槽之间的距离时，由于沟槽中的衍射引起的一些损耗被作为导引的光相长性地再次耦合到后续的沟槽的波导下游中。

图9A-9F描绘了许多可在不同的实施例中使用的不同的沟槽构造。在图9A中，聚合物A和B被并排沉积在一单个三角形沟槽中。在图9B中，每种聚合物A和B分配两个沟槽。该沟槽这样排列以便输入光能在到达任何聚合物B沟槽之前穿过所有聚合物A沟槽。在图9C中，聚合物A和B被并排沉积在一单独三角形沟槽中，第三种聚合物，聚合物C被沉积在一单独的沟槽中。聚合物A/B三角形和聚合物C三角形取向相反。在图9D中，聚合物A和B被沉积在两个独立的取向相反的三角形沟槽中。在图9E中，每种聚合物A和B分配两个沟槽，其中聚合物B沟槽插入在聚合物A沟槽之间。图9F强调了选择广泛的变化形状的自由度，用于充填一特殊材料，只要在该材料的整个区域的集合内满足对于该特殊材料所确定的物理路径长度增加量ΔL。在该图中，聚合物A的整体三角形被以任意的分段边界分成三个独立的区域910、912和914；但是这三个区域的集合仍然满足物理路径长度的增加量ΔL_A。许多其它的变型是可能的。

为了便于讨论，图9A-9F的绘制将沟槽描绘为三角形。然而，可以理解的是，只有当光路相互平行时，严格的三角形补偿区域才能提供在不同的光路上的常数ΔL_x。图10示出了对于光路中的几条，穿过图4中AWG的板条区域413的光线近似(虚线1010)，可以看出，光从输入波导412的入口点向板条413的弧形输出表面呈放射状传播，而不是平行的传播。为了为每个沟槽提供一穿过不同光路的常数ΔL_x，可使用弯曲的三角形沟槽形状。

图10A示出了这样一种配置。该图示出三个沟槽，每个具有弯曲的三角形形状，以便不同的光路的光线近似经历穿过每个沟槽的恒定物理路径长度增加量。每个沟槽的前边缘(例如，沟槽1012的边缘1018)形成为具有从输入波导412的入口点沿一个横向方向稍微偏移的中心点的弧形，每个沟槽的后边缘(例如，沟槽1012的边缘1020)形成为具有从输入波导412的入口点沿另一横向方向稍微偏移的中心点的另一弧形。图10A中示出了三条光线近似路各径1022、1024和1026。图10A中大致同心的沟槽排列具有这样的问题，从沟槽边缘反射回的光能将在输入波导412的入口点处再次大致地聚焦并回到波导412。如图5所示的倾斜沟槽边缘可缓解该问题。可替换地或附加的，该沟槽可如图10A所示形成为同心，但具有从波导412的入口点偏移的中心点。在该情况下，反射的光能将聚焦在另一点1028，远离波导412。注意到，在图10B所示排列中光路光线近似不是放射状的穿过该沟槽。要求几何计算来决定沟槽的合适形状，以提供穿过不同光路的一常数物理路径长度增加量。

图10C示出了另一种可能的排列，其中补偿区域具有一拉长的矩形形状，而不是弯曲的三角形形状。为了在图的顶部的光路比底部光路提供更大的物理相互作用长度，矩形相对于中心光路1030倾斜一锐角φ₁。注意到在图10C中，光路由于补偿区域中的较高折射率补偿材料引起的折射弯曲是明显的。这些影响在计算穿过补偿区域的每个光路的实际物理路径长度时应当被考虑，这些影响在其它排列中也存在，虽然在这里不必要在图中清楚地显示出。

图10D示出了基于图10C中排列的一种变型，其中沟槽更加三角形化，并且以相对于中心光路1030更大的锐角φ₂定向。同样，几何计算将决定合适的三角形锥度和合适的定向角φ₂，以便提供一穿过不同光路的常数物理路径长度增加量。许多其它的变型将是显然的。

补偿材料结构的变化

用来充填沟槽430的补偿材料的结构和含量也可能变化。图11A-11H示出了许多这些变化。这些图是其中一单个沟槽的截面图，例如，穿过板条波导413的中心光路取截面。图5中示出的基本结构在图11A中再现。可以看出，沟槽430向下延伸直到低于平面波导413的芯水平面512，并完全充填材料A。波形1110象征传播能量的垂直光强度分布，其大致是高斯形并且大致集中在芯层512内。可以看出，材料A沟槽向下延伸以便实质上影响所有传播的光能。图11B为图9A中的排列的截面图，其中两种材料并排沉积在一个单独沟槽内。

在图11F中，将该沟槽蚀刻成与图11A中大致相同的深度，但是将材料充填为两层。首先，材料U被沉积在沟槽430的底层1120，然后，另一种材料V被沉积在顶层1122。在沉积材料V之前使材料U固化或者以其他方式稳定化，以便使两种材料U和V折射率特性之间的相互作用最小化或消除。由于材料U仅仅影响沿着光路传播的能量的一部分α，而剩余的能量被材料V影响，因此沟槽430中材料U和V的结合有效地形成了一种复合补偿材料，该复合补偿材料对于某些α的值具有由给定的αdn_v/dT+(1-α)dn_U/dT的有效折射率温度依赖性。因此，图11F的结构提供了一种用于制造具有期望的折射率温度依赖性的复合补偿材料的机理。例如，如果期望使用具有特殊有效折射率温度依赖性dn_A/dT和物理路径长度增加量ΔL_A的补偿材料A，那么可以通过图11F所示使两种不同材料U和V分层来形成这样一种材料，并且相对厚度和深度适于获得合适的α值。当补偿材料以这种方式制造时，参数α可被用来只是近似地决定有效折射率温度依赖性。优选地，合成的材料的折射率温度依赖性以与上述描述的使用纯填充材料的相同的方式用实验方法决定。就象这里所用的，术语“材料”可由一种或多种其它材料(其有时在这里指“子材料”，)制成，或者混合在一起，或者分层，或者以其它方式结合，以得到该整体“材料”。在图11F中，它们被分层。

如图11F所示的补偿材料结构还可被自然的用来满足这里的绝热方程。也就是说，如果使用两种补偿材料A和B，那么不是对不同的补偿区域整体地分配材料A或材料B，而是将类似于图11F的结构用于使全部补偿区域的每一个都同时包含层叠的材料A和材料B。在数学上，通过将每个物理路径长度增加量ΔL_x取代为比该物理路径长度增加量短(沿传播方向)的材料X的有效路径长度增加量，可以在方程中反映该影响。也就是说，可用ΔL_Aeff＝αΔL_A和ΔL_Beff＝(1-α)ΔL_B替代上述方程中的ΔL_A和ΔL_B。一旦用上述方程计算出期望的ΔL_Aeff和ΔL_Beff值，由于两种材料共用相同的沟槽，因此认为ΔL_A＝ΔL_B，从而可以计算出ΔL_x和α。可替换地，通过用αdn_A/dT替代dn_A/dT和用(1-α)dn_B/dT替代dn_B/dT，可以在方程中反映该影响。然后，将上述方程用来计算ΔL_A和ΔL_B的值，并再次认为ΔL_A＝ΔL_B，可计算出α值。

根据材料U和V的折射率，图11F的结构可能由于光能在穿过沟槽430时不合要求地垂直向上或向下导引而产生插入损耗。该缺点可通过用如图11G所示的以多个超薄层沉积材料U和V，替代图11F中所示的仅仅两个层来减小。可替换地，如图11H所示，可将复合材料填充到采用了三个层的沟槽430中：第一层1130整个沉积在玻璃材料的下包层510中，第二层1132以与芯层512实质上一致的深度沉积在沟槽内，第三层1134整个位于上包层514内。这三层可充填有不同的材料U、V和W，或者可以将层1134内的材料选择为与层1130中的相同。层1132中的材料具有比层1130和1134中的材料高的折射率，以便在光能穿过沟槽430时连续引导光能。图11H的沟槽430中的所有“材料”具有由α_Udn_U/dT+α_vdn_v/dT+(1-α_U-α_v)dn_w/dT近似给出的有效折射率温度依赖性。

在图11C中，沟槽430仅仅部分地向下延伸进入芯层512。该变化可被认为与图11F中的类似，在图11F中下部材料U是沟槽430底部下方的基底材料块。如果方程显示补偿材料A应当沿着光路中长度为L的一段插入，那么可以将不同的材料V仅插入部分深度，而不是沿长度L的该段插入。然后，该“材料”A在这里被认为是由材料V和沟槽430底部下方的基底材料块构成的分层合成物。

图11D示出了与图11C中相同的原理，但在图11D中，该沟槽仅仅被向下蚀刻穿过上包层514。该实施例导致较小的α值，但在其它方面与图11C类似。在图11E中，该沟槽被向下蚀刻仅仅穿过上包层514的一部分。该实施例导致比图11D更小的α值，但在其它方面也与图11C和11D中的类似。可以认识到，任何数量的不同材料可被以图11A-11H所示的方法结合以产生有效材料，并且这些附图中描绘的结构本身能够相互结合以产生用于充填沟槽430的其它实施例。许多变型将是显而易见的。

机械补偿

这里所描述的用于改进光栅装置绝热的技术并不限于在温度补偿区域中不同材料的插入。一些技术还可用于改进其它绝热结构，包括机械结构。众所周知，例如使将光能传送进入或输出AWG耦合区域的输入或输出端口的输入/输出波导横向移动，AWG的通带也将偏移。还已知将输入/输出波导粘附于温度依赖定位结构，例如双金属条，以使波导的横向位置相对于耦合区域自动地随着温度移位，以补偿AWG的剩余部分的温度依赖性。然而，与其它传统结构一样，仅仅考虑了一阶温度影响。

图12示出了AWG的一部分，其利用本发明的特征实现机械中心波长的稳定。尤其，图12示出了输入耦合区域413和将光能耦合进耦合区域413的输入端面419的输入光纤412。光纤本身不粘附于输入端面419，而是粘附于曲臂1210的一端。臂1210的另外一端被粘附于集成有输入耦合区域413的基片1212。臂1210这样构成并定向以便使光纤412根据环境温度相对于基片1212横向(即，图中所示的y方向)定位。例如，可将双金属致动器用于臂1210中。与传统的机械绝热系统不一样，臂1210的形状和结构对Q阶温度-依赖中心波长偏移进行补偿，其中Q>＝2。尤其，臂1210将光纤412保持在如下式给定的横向位置y处：

$y=\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_q{T}^q,Q>=2$                                         (式41)

对于二阶补偿(Q＝2)，k₁和k₂可给出如下：

$\frac{k_1}{k_2}=\frac{n_{1g}}{n_{2g}}$                                                (式42)

注意到，还可将机械技术与将不同材料插入到光路中的技术相结合，其中Q＝1也能够满足。再者，许多其它的使用本发明特征的应用是可能的。

实际考虑

在使用了这里所描述的理念的实际装置中，可以认识到精确的符合上述提出的方程是不可能的或者在商业上是不必要的。例如，该装置会由于普通的制造公差而偏离方程。又例如，由于可得到的沟槽总数量是整数，充填一种聚合物的沟槽数量与充填其它聚合物的沟槽数量的比不会与上述得出的ΔL的比正好相等。由于任何这些原因造成的偏离上述提出的方程的实际装置在这里还被认为“实质上”满足方程。由于这样的装置还采用这里所教导的新颖概念，它们将被制造成具有比传统装置更好的绝热性能，虽然它们并不正好满足这些方程。

另外，尽管绝热性能可通过使用这里描述的方程和技术来进行优化，但是，应当认识到，即使一个实施例仅仅部分使用这里描述的方程和技术，或带有小的破坏因素，也可在绝热方面比传统方法取得很大的改进。例如，在利用Q>1阶多项式对折射率温度依赖性建模，且使用具有特殊数量种材料X的材料系统的情况下，(式37)可被用来求解最佳向量ΔL。但是可以利用近似方程

N·ΔL＝p                                          (式43)

替代，其中p为一小数值，其还产生具有实质上比可能使用传统方法更好的绝热性能的AWG。尽管线性、一种聚合物的解可能不能产生具有在-50℃至+90℃的温度范围上小于大约70pm，或在0℃至+70℃的温度范围上小于大约20pm的中心波长变化的AWG，但是使用(式37)开发的二阶、两种聚合物的实施例可能将该中心波长的变化降低到在-50℃至+90℃的温度范围上小于大约40pm，或在0℃至+70℃的温度范围上小于大约10pm。但是利用(式43)开发的实施例，其中p不是正好等于零但仍然相对小，还可将该中心波长的变化降低到低于上述传统的可得到的量，尽管其不能产生利用(式37)获得的最优结果。这样的实施例在这里仍被认为利用了这里描述的方程和技术的优点。

先前已经利用附图和说明书提供了本发明优选实施例的描述。但本发明并没有穷尽或局限于公开的发明具体形式。显然，许多改进和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，先前已经基于AWG多路复用器/多路去复用器描述了本发明，其还可应用于其它光学装置，例如，但不限于，诸如在Amersfoort的美国专利No.5,629,992中描述的那些自由空间光栅装置，该专利文献在这里并入参考。作为另一个例子，沟槽中的一种或多种材料可实现双折射补偿功能，或者附加到或取代热补偿(参见美国专利No.6，757,454，在这里并入参考)。另外，任何或全部在背景技术部分或该专利申请的任何其它部分所描述、建议或并入参考的变形也被明确地并入这里所描述的发明实施例作参考。选择并描述此处所描述的实施例是为了对本发明的原理及其实际应用进行最好的解释，并且从而使其他本领域技术人员能够将本发明的不同实施例和各种改进理解为适于预期的特殊使用。期望本发明范围由接下来的权利要求及其等效所限定。

Claims (26)

1.光学设备，包括经由一阵列波导光栅与一输入端口光通信的一输出端口，该设备具有包括主通带的多个通带，该主通带具有一中心波长；

其中该第一至第Q阶关于中心波长温度的导数在-5℃至+70℃的温度范围内实质上等于零，Q>＝2。

2.根据权利要求1的设备，其中第一至第Q阶的导数在-30℃至+70℃的温度范围内实质上等于零。

3.根据权利要求1的设备，包括多个将光能通过多种材料从输入端口传输到输出端口的光路，每种材料具有与其它材料不同的有效折射率温度依赖性。

4.根据权利要求1的设备，包括:

与该输入和输出端口的特定一个光通信的波导；

以及

一温度补偿元件，其依据温度相对于阵列波导光栅调整波导的物理位置。

5.光学设备，包括多个穿过材料系统的光路，每个光路具有与相邻光路相差一相应有效光路长度差的相应有效光路长度，

其中第一至第Q阶的关于每个光路长度差的温度的导数在-5℃至+70℃的温度范围内实质上等于零，Q>＝2。

6.根据权利要求5的设备，其中第一至第Q阶的导数在-30℃至+70℃的温度范围内实质上等于零。

7.根据权利要求5的设备，其中每个光路穿过多种材料，每种材料具有一与其它材料不同的有效折射率温度依赖性。

8.光学设备，包括穿过一材料系统的多个光路，每个光路至少穿过三种分离的材料，每种材料具有一与其它材料不同的有效折射率温度依赖性，每个光路具有与相邻光路相差一相应有效光路长度差的相应有效光路长度，

其中第一至第Q阶的关于每个光路长度差的温度的导数在-5℃至+70℃的温度范围内实质上等于零，Q>＝1。

9.根据权利要求8的设备，其中第一至第Q阶的导数在-30℃至+70℃的温度范围内实质上等于零。

10.阵列波导光栅设备，具有多个从输入到输出的光路，包括一基底材料和至少一个补偿区域，该至少一个补偿区域总的来说包括交叉该光路并具有相互不同且与基底材料不同的有效折射率温度依赖性的至少第一和第二补偿材料。

11.根据权利要求10的设备，其中光路顺序横过第一自由空间区、阵列波导光栅和第二自由空间区，

并且其中所述补偿区域中的至少一个设置在一个自由空间区中。

12.根据权利要求11的设备，其中每个特定的一个补偿区域设置在第一自由空间区或第二自由空间区中。

13.根据权利要求10的设备，其中所述补偿区域中的第一个补偿区域包括第一和第二补偿材料。

14.根据权利要求13的设备，其中第一和第二补偿材料设置在第一补偿区域的不同层上。

15.根据权利要求13的设备，其中第一补偿区域进一步包括一第三补偿材料，

其中该第一补偿材料设置在第一补偿区域内的较低层，该第二补偿材料设置在第一补偿区域内的中间层，该第三补偿材料设置在第一补偿区域内的较高层，

并且其中该第二补偿材料具有高于该第一和第三补偿材料的折射率。

16.根据权利要求15的设备，其中该阵列波导光栅设备在该基底材料中包括一下包层，叠加在该下包层区域上的一芯层，和叠加在该芯层上的一上包层，

其中该第二补偿材料实质上与该基底材料中的芯层共面。

17.根据权利要求10的设备，其中该补偿区域之一包括第一补偿材料而不包括第二补偿材料。

18.根据权利要求10的设备，其中至少一个该补偿区域总的来说包括包含第一和第二补偿材料的多种补偿材料，在该多种补偿材料中的所有补偿材料均交叉该光路并具有相互不同的且与该基底材料不同的有效折射率温度依赖性；

并且其中每个该补偿区域仅包括补偿材料中的一种。

19.根据权利要求10的设备，其中该第一补偿材料包括一多种子材料的合成物，该合成物的有效折射率温度依赖性是该第一补偿材料的有效折射率。

20.根据权利要求19的设备，其中该子材料分层形成该合成物。

21.根据权利要求19的设备，其中第一子材料与该基底材料相同，第二子材料具有与该基底材料不同的且与该合成物不同的有效折射率温度依赖性。

22.根据权利要求10的设备，其中该第一材料进一步补偿该基底材料的双折射。

23.阵列波导光栅设备，具有多个从输入到输出的光路，包括一基底材料和多个补偿区域，所述多个补偿区域的第一子集包括一第一补偿材料，并且所述多个补偿区域的第二子集包括一第二补偿材料，其中该第一和第二补偿材料具有相互不同的且与该基底材料不同的有效折射率温度依赖性。

24.根据权利要求23的设备，其中光路顺序横过第一自由空间区、阵列波导光栅和第二自由空间区，

并且其中在第一子集中的至少一个补偿区域设置在一个自由空间区中。

25.根据权利要求24的设备，其中在第一子集和第二子集中的每个特定的一个补偿区域设置在第一自由空间区或第二自由空间区中。

26.根据权利要求23的设备，其中该基底材料包括二氧化硅，且该第一和第二补偿材料为聚合物。

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