《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》是武漢光迅科技股份有限公司於2013年3月11日申請的專利，該專利申請號為2013100110558，公布號為CN103018825A，公布日為2013年4月3日，發明人是徐來、趙小博、胡家艷、馬衛東。
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》公開了一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，包括陣列波導光柵晶片、金屬底板，陣列波導光柵晶片固定在金屬底板上，金屬底板上同陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分分割線對應區域設定有第一彈片，固定陣列波導光柵晶片第二部分的金屬底板區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片，所述金屬底板由第一彈片、第二彈片將其分隔為金屬底板第一部分、金屬底板第二部分和金屬底板第三部分，所述第一彈片使金屬底板第一部分與金屬底板第二部分之間在受力情況下相對移動；第二彈片使金屬底板第二部分與金屬底板第三部分之間在受力情況下可相對移動；該發明增強陣列波導光柵光譜的中心波長穩定性，擴大其工作溫度範圍。
2021年6月24日，《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
（概述圖為《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵
- 公布號：CN103018825A
- 申請人：武漢光迅科技股份有限公司
- 發明人：徐來、趙小博、胡家艷、馬衛東
- 申請號：2013100110558
- 申請日：2013年3月11日
- 公布日：2013年4月3日
- 地址：湖北省武漢市江夏區藏龍島開發區潭湖路1號
- 代理機構：武漢科皓智慧財產權代理事務所（特殊普通合夥）
- 代理人：張火春
- Int. Cl.：G02B6/12(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
光纖通信技術發展極為迅速，其中WDM（Wavelength Division Multiplexing波分復用）系統是當前最常見的光層組網系統，它通過復用與解復用實現多路信號傳輸。基於PLC（Planar Lightwave Circuit，平面光波線路）技術的AWG（Arrayed Wavelength Grating，陣列波導光柵）是WDM系統中一種重要的實現復用/解復用器件，其做法為在矽晶圓上沉積二氧化矽膜層，再利用光刻工藝及反應式離子蝕刻法製作AWG。相對於FBG（Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵）和TFF（Thin Film Filter，薄膜濾光片），AWG具有集成度高、波長通道數目多、通道間隔小、無需使用光隔離器，易於批量自動化生產等優點。
傳統的矽基二氧化矽波導AWG晶片，其波導折射率對於溫度比較敏感，從而導致當工作環境溫度發生變化時，AWG晶片回響光譜的中心波長會隨之發生改變，如圖7所示，關係基本呈線性關係，中心波長隨溫度的漂移約為0.011納米/攝氏度，對於100吉赫茲波長間隔或間隔更窄的DWDM系統而言，這種AWG是不適用的。為了將AWG的中心波長固定在目標值，不受工作環境溫度的影響，一種方法是使用加熱片和溫控電路將晶片溫度固定在某一恆定值，稱為有熱AWG（Thermal AWG）。但這樣做會相應增加了系統功耗，並需預留供電接口和監控接口，限制了使用的靈活性。
無熱AWG則不使用加熱片和溫控電路，依靠自身的特殊材料結構或機械結構來實現AWG光譜中心波長不隨工作環境溫度變化而變化的目的。傳統的依靠機械結構來實現溫度補償的無熱AWG，其實現原理是：在AWG晶片輸入平面波導處切割，將晶片分離為兩部分，用金屬補償桿連線輸入波導部分，或者可以用光纖代替輸入波導，但切割處需在AWG晶片輸入波導與輸入平面波導交界處，在桿熱脹冷縮的驅動下改變晶片兩部分相對位置來補償波長隨溫度的漂移。由於金屬桿的熱膨脹是線性的，所以這種無熱的補償方法是對波長的溫度特性進行線性補償，而矽基二氧化矽波導的折射率隨溫度變化有一個二次項的係數，如圖8所示實際的AWG波長-溫度曲線並不是線性的，而是一個開口向上的拋物線形，加上各輸出通道波長相應的不一致性，器件在-40攝氏度～80攝氏度波長偏移基本達到了60皮米以上。因此這種補償方法只能在有限的溫度範圍內保持波長的穩定性，對於室外等較大溫度變化範圍的套用則難以滿足。
發明內容
專利目的
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》的目的在於克服專利背景中存在的缺陷，提供一種可以實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵。
技術方案
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》採用的技術方案是：
一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，包括陣列波導光柵晶片、金屬底板，所述陣列波導光柵晶片固定在金屬底板上，陣列波導光柵晶片切割成陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分，金屬底板上同陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分分割線對應區域設定有第一彈片，固定陣列波導光柵晶片第二部分的金屬底板區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片，所述金屬底板由第一彈片、第二彈片將其分隔為金屬底板第一部分、金屬底板第二部分和金屬底板第三部分，所述第一彈片使金屬底板第一部分與金屬底板第二部分之間在受力情況下相對移動；第二彈片使金屬底板第二部分與金屬底板第三部分之間在受力情況下可相對移動；所述金屬底板第一部分和金屬底板第三部分之間且位於陣列波導光柵晶片下方區域設定有挖空區域，第一溫度補償桿跨過挖空區域設定且兩端分別固定於金屬底板第一部分和金屬底板第三部分；位於狹縫上方的金屬底板第二部分上設定有一個螺紋孔，所述螺釘設定於其中，所述螺釘底部穿過狹縫與金屬底板第三部分緊密貼合，所述第一溫度補償桿的熱膨脹係數大於陣列波導光柵晶片和金屬底板的熱膨脹係數。
所述第一彈片是設定在金屬底板第一部分與金屬底板第二部分之間且位於陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分之間的分割線中心區域下方的金屬板連線部分。所述陣列波導光柵第一部分固定在金屬底板第一部分上，陣列波導光柵第一部分包含輸入波導和一部分輸入平面波導陣列波導；陣列波導光柵第二部分固定在金屬底板第二部分上，陣列波導光柵第二部分包含剩餘輸入平面波導、陣列波導、輸出平面波導和輸出波導。所述金屬底板與陣列波導光柵晶片的的熱膨脹係數相對保持一致。所述陣列波導光柵晶片採用矽基底材料，金屬底板採用銦鋼。所述陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分之間的切縫內填充有折射率與陣列波導光柵晶片波導折射率保持一致的匹配膠。所述第一溫度補償兩端設定有螺紋分別同金屬底板第一部分和金屬底板第三部分上的通孔相匹配，第一溫度補償桿、金屬底板第一部分、金屬底板第三部分由螺母夾緊。
一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，包括陣列波導光柵晶片、金屬底板，所述陣列波導光柵晶片固定在金屬底板上，陣列波導光柵晶片切割成陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分，金屬底板上同陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分分割線對應區域設定有第一彈片，固定陣列波導光柵晶片第二部分的金屬底板區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片，所述金屬底板由第一彈片、第二彈片將其分隔為金屬底板第一部分、金屬底板第二部分和金屬底板第三部分，所述第一彈片使金屬底板第一部分與金屬底板第二部分之間在受力情況下相對移動；第二彈片使金屬底板第二部分與金屬底板第三部分之間在受力情況下可相對移動；所述金屬底板第一部分、金屬底板第二部分、金屬底板第三部分之間且位於陣列波導光柵晶片下方區域設定有挖空區域，金屬底板第二部分設定有一個通孔和一個盲孔，第一溫度補償桿穿過通孔兩端分別與金屬底板第一部分、金屬底板第三部分固定；第二溫度補償桿一端同金屬底板第一部分固定，另一端頂入盲孔與其底部緊密貼合；所述第二溫度補償桿的熱膨脹係數大於第一溫度補償桿的熱膨脹係數。
所述第一彈片是設定在金屬底板第一部分與金屬底板第二部分之間且位於陣列波導光柵晶片第一部分和陣列波導光柵晶片第二部分之間的分割線中心區域下方的金屬板連線部分。所述金屬底板第一部分上設定有通孔，第二溫度補償桿同其配合的一端上刻有螺紋同該通孔相匹配且由螺母夾緊；所述第一溫度補償兩端設定有螺紋分別同金屬底板第一部分和金屬底板第三部分上的通孔相匹配且由螺母夾緊。所述第一溫度補償桿可以採用不鏽鋼，所述第二溫度補償桿可以採用鋁合金。
改善效果
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》具有如下優點：
1、該發明相對於傳統的無熱陣列波導光柵而言，利用不同工作溫度範圍內產生不同補償效果的方式達到分段溫度補償的目的，從而增強了陣列波導光柵光譜的中心波長的穩定性，擴大了無熱陣列波導光柵的工作溫度範圍；
2、該發明克服了相關技術中輸入波導替換成光纖、在組裝後輸入端相對陣列波導光柵晶片懸空的缺點，其陣列波導光柵基本保持完整，並粘接於同一塊金屬底板上，從而避免了陣列波導光柵兩部分在垂直於金屬底板方向上相對位移，大大降低了損耗變化的風險；
3、該發明技術方案具有成本低、工藝簡單的優點。
附圖說明
圖1、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第一種實施例的無熱陣列波導光柵結構示意圖；
圖2、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第一種實施例的無熱陣列波導光柵從室溫升溫時發生形變的局部示意圖；
圖3、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第一種實施例的無熱陣列波導光柵在降溫後發生形變的局部示意圖；
圖4、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第二種實施例的無熱陣列波導光柵結構示意圖；
圖5、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第二種實施例的無熱陣列波導光柵從室溫升溫時發生形變的局部示意圖；
圖6、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第二種實施例的無熱陣列波導光柵降溫後發生形變的局部示意圖；
圖7、相關技術未做溫度補償的陣列波導光柵器件中心波長隨環境溫度的變化曲線；
圖8、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》線性溫度補償的陣列波導光柵器件中心波長隨環境溫度的變化曲線；
圖9、《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》陣列波導光柵器件中心波長隨環境溫度的變化曲線；
其中，101：陣列波導光柵晶片；102：陣列波導光柵晶片第一部分；103：陣列波導光柵晶片第二部分；104：分割線；105：金屬底板；106：金屬底板第一部分；107：金屬底板第二部分；108：金屬底板第三部分；109：第一彈片；110：第二彈片；111：第一溫度補償桿；112：螺釘；401：第二溫度補償桿；402：通孔；403：盲孔。
技術領域
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》涉及一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵（Athermal Arrayed Wavelength Gratings，簡稱AAWG或無熱AWG），屬於通信領域。
權利要求
1、一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，包括陣列波導光柵晶片（101）、金屬底板（105），所述陣列波導光柵晶片（101）固定在金屬底板（105）上，其特徵在於：陣列波導光柵晶片（101）切割成陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103），金屬底板（105）上同陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103）分割線對應區域設定有第一彈片（109），固定陣列波導光柵晶片第二部分（103）的金屬底板（105）區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片（110），所述金屬底板（105）由第一彈片（109）、第二彈片（110）將其分隔為金屬底板第一部分（106）、金屬底板第二部分（107）和金屬底板第三部分（108），所述第一彈片（109）使金屬底板第一部分（106）與金屬底板第二部分（107）之間在受力情況下相對移動；第二彈片（110）使金屬底板第二部分（107）與金屬底板第三部分（108）之間在受力情況下可相對移動；所述金屬底板第一部分（106）和金屬底板第三部分（108）之間且位於陣列波導光柵晶片（101）下方區域設定有挖空區域，第一溫度補償桿（111）跨過挖空區域設定且兩端分別固定於金屬底板第一部分（106）和金屬底板第三部分（108）；位於狹縫上方的金屬底板第二部分（107）上設定有一個螺紋孔，螺釘（112）設定於其中，所述螺釘(112)底部穿過狹縫與金屬底板第三部分（108）緊密貼合，所述第一溫度補償桿（111）的熱膨脹係數大於陣列波導光柵晶片（101）和金屬底板（105）的熱膨脹係數。
2、如權利要求1所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述第一彈片（109）是設定在金屬底板第一部分（106）與金屬底板第二部分（107）之間且位於陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103）之間的分割線（104）中心區域下方的金屬板連線部分。
3、如權利要求1或2所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述陣列波導光柵第一部分（102）固定在金屬底板第一部分（106）上，陣列波導光柵第一部分（102）包含輸入波導和一部分輸入平面波導陣列波導；陣列波導光柵第二部分（103）固定在金屬底板第二部分（107）上，陣列波導光柵第二部分（103）包含剩餘輸入平面波導、陣列波導、輸出平面波導和輸出波導。
4、如權利要求1或2所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述金屬底板（105）與陣列波導光柵晶片（101）的的熱膨脹係數相對保持一致。
5、如權利要求4所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述陣列波導光柵晶片（101）採用矽基底材料，金屬底板（105）採用銦鋼。
6、如權利要求1或2所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於:所述陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103）之間的切縫內填充有折射率與陣列波導光柵晶片（101）波導折射率保持一致的匹配膠。
7、如權利要求1或2所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述第一溫度補償（111）兩端設定有螺紋分別同金屬底板第一部分（106）和金屬底板第三部分（108）上的通孔相匹配，第一溫度補償桿（111）、金屬底板第一部分（106）、金屬底板第三部分（108）由螺母夾緊。
8、一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，包括陣列波導光柵晶片（101）、金屬底板（105），所述陣列波導光柵晶片（101）固定在金屬底板（105）上，其特徵在於：陣列波導光柵晶片（101）切割成陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103），金屬底板（105）上同陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103）分割線對應區域設定有第一彈片（109），固定陣列波導光柵晶片第二部分（103）的金屬底板（105）區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片（110），所述金屬底板（105）由第一彈片（109）、第二彈片（110）將其分隔為金屬底板第一部分（106）、金屬底板第二部分（107）和金屬底板第三部分（108），所述第一彈片（109）使金屬底板第一部分（106）與金屬底板第二部分（107）之間在受力情況下相對移動；第二彈片（110）使金屬底板第二部分（107）與金屬底板第三部分（108）之間在受力情況下可相對移動；所述金屬底板第一部分（106）、金屬底板第二部分（107）、金屬底板第三部分（108）之間且位於陣列波導光柵晶片（101）下方區域設定有挖空區域，金屬底板第二部分（107）設定有一個通孔（402）和一個盲孔（403），第一溫度補償桿（111）穿過通孔（402）兩端分別與金屬底板第一部分（106）、金屬底板第三部分（108）固定；第二溫度補償桿（401）一端同金屬底板第一部分（106）固定，另一端頂入盲孔（403）與其底部緊密貼合；所述第二溫度補償桿（401）的熱膨脹係數大於第一溫度補償桿（111）的熱膨脹係數。
9、如權利要求8所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述第一彈片（109）是設定在金屬底板第一部分（106）與金屬底板第二部分（107）之間且位於陣列波導光柵晶片第一部分（102）和陣列波導光柵晶片第二部分（103）之間的分割線（104）中心區域下方的金屬板連線部分。
10、如權利要求8或9所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述金屬底板第一部分（106）上設定有通孔，第二溫度補償桿（401）同其配合的一端上刻有螺紋同該通孔相匹配且由螺母夾緊；所述第一溫度補償（111）兩端設定有螺紋分別同金屬底板第一部分（106）和金屬底板第三部分（108）上的通孔相匹配且由螺母夾緊。
11、如權利要求8或9所述的一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵，其特徵在於：所述第一溫度補償桿（111）採用不鏽鋼，所述第二溫度補償桿（401）採用鋁合金。
實施方式
- 實施例一
圖1是《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第一種實施例的無熱陣列波導光柵的結構示意圖。如圖1所示將陣列波導光柵晶片101固定在金屬底板105上，陣列波導光柵晶片101包括陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103，陣列波導光柵晶片第一部分102包含輸入波導和一部分輸入平面波導，陣列波導光柵晶片第二部分103包含剩餘輸入平面波導、陣列波導、輸出平面波導和輸出波導陣列波導光柵。金屬底板105上同陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103分割線104對應區域設定有第一彈片109，第一彈片109使金屬底板分隔成兩個部分，陣列波導光柵第一部分102固定在金屬底板左側分隔區域上，陣列波導光柵的其餘部分固定在金屬底板右側分隔區域上。所述金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108之間且位於陣列波導光柵晶片101下方區域設定有挖空區域，因此金屬底板左側分隔區域同陣列波導光柵晶片的輸入波導對應位置的下方區域為凸出，金屬底板右側分隔區域同陣列波導光柵晶片的輸出波導對應位置的下方區域為凸出部分，金屬底板右側分隔區域的凸出部分位置水平設定有一個未貫通的狹縫，該狹縫將金屬底板再次分隔成兩個部分。因此金屬底板被分隔成三個部分，即金屬底板第一部分106、金屬底板第二部分107、金屬底板第三部分108，其中，金屬底板第二部分107與金屬底板第三部分108之間是設定狹縫的未貫通區域進行連線，該部分形成金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間的相對薄弱的第二彈片110，該第二彈片110可以使得金屬底板第二部分107與金屬底板第三部分108之間在受力情況下可相對移動。金屬底板第一部分106與金屬底板第二部分107之間的金屬板材料僅保留陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103分割線104的中心區域下方的金屬板連線部分，該部分形成相對薄弱的第一彈片109，金屬底板第一部分106與金屬底板第二部分107之間的其它區域的金屬板材料切斷並且留有空隙，該第一彈片109與分割線104方向垂直，兩端分別連線金屬底板第一部分106與金屬底板第二部分107，第一彈片109可以使得金屬底板第一部分106與金屬底板第二部分107之間在受力情況下可相對移動。整個金屬底板105仍是一個整體，金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108之間為挖空區域。將第一溫度補償桿111跨過金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108之間的挖空區域設定，第一溫度補償桿111兩端分別固定於金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108。將第一溫度補償桿111一端固定在金屬底板第一部分106凸出部分側邊處，第一溫度補償桿111的另一端對應地固定在金屬底板第三部分108同一高度的側邊處，第一溫度補償桿111與第二彈片110方向垂直。該發明中第一溫度補償桿111的熱膨脹係數大於陣列波導光柵晶片101的熱膨脹係數，對於常用的陣列波導光柵晶片而言，其材料一般是矽基二氧化矽，第一溫度補償桿111可選用鋁合金、銅、不鏽鋼等。如圖1所示金屬底板第二部分107與金屬底板第三部分108之間的第二彈片110處設定有狹縫，在垂直狹縫的金屬底板第二部分107上出攻有一個螺紋孔，使用不帶頭的螺釘112旋入該螺紋孔，螺釘112底端一直通過狹縫頂到並緊貼金屬底板第三部分108。通過連線光譜儀微調螺釘112可調整陣列波導光柵晶片在室溫下的中心波長。波長調整完後可在金屬底板第二部分上的螺紋孔內點入固化膠後旋入螺釘，或者焊接進一步固定螺釘位置。
該實施例中第一溫度補償桿111兩端分別固定於金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108，固定方式可在第一溫度補償桿111上刻有螺紋，穿過金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108上設定的通孔，並用螺母夾緊。也可用固化膠固定，或者也可以採用螺母夾緊和膠固化結合使用的方式使用。第一溫度補償桿111的熱膨脹係數大於金屬底板105的熱膨脹係數，可以採用不鏽鋼。
金屬底板105與陣列波導光柵晶片101材料的熱膨脹係數應相等或相近，相對於矽基二氧化矽材料的陣列波導光柵晶片而言，金屬底板105的合適材料可以採用銦鋼。若金屬底板105與陣列波導光柵晶片101材料的熱膨脹係數差異相對較大，其固定方式可選用適應度的固化膠，從而減小兩者之間的應力影響。固定後使用精密切割技術在第一彈片109處沿著第一彈片109垂直方向將陣列波導光柵晶片101切斷，使得陣列波導光柵晶片第一部分102與陣列波導光柵晶片第二部分103分開，成為兩個相對獨立的、可產生相對位移的兩部分。陣列波導光柵晶片第一部分102與陣列波導光柵晶片第二部分103之間的切縫內填有折射率與陣列波導光柵晶片波導折射率保持一致的匹配膠，該折射率接近1.45。
該實施例實現陣列波導光柵分段溫度補償的過程具體如下，如圖2所示，由於第一溫度補償桿111的熱膨脹係數大於陣列波導光柵晶片101和金屬底板105的熱膨脹係數，當溫度升高ΔT時，第一溫度補償桿111會分別對金屬底板105的金屬底板第一部分106和金屬底板105的金屬底板第三部分108施加一個向左和向右的推力，由於金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間有螺釘112頂住，故第二彈片110不會發生形變，即金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間沒有相對位移，而第一溫度補償桿111熱膨脹給金屬底板105帶來的形變全部施加在金屬底板105的金屬底板第一部分106和金屬底板105的金屬底板第二部分107之間的第一彈片109上，造成陣列波導光柵晶片第一部分102和第二部分103之間的相對位移Δx1。如圖3所示，由於第一溫度補償桿111的熱膨脹係數大於陣列波導光柵晶片101和金屬底板105的熱膨脹係數，當溫度降低ΔT時，第一溫度補償桿會分別對金屬底板105的金屬底板第一部分106和金屬底板105的金屬底板第三部分108施加一個向右和向左的拉力，此時第一彈片109會發生形變，而螺釘112則與金屬底板第三部分108脫離接觸，此時第二彈片110也會發生形變。在這種狀態下，第一溫度補償桿111的收縮給金屬底板105帶來的形變一部分造成金屬底板第一部分106和金屬底板第二部分107之間發生相對位移，即陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵月晶片第二部分103之間的相對位移為Δx2，另一部分造成金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間發生相對位移。可見
必然小於
，且設計調整第一彈片109和第二彈片110的厚度關係可控制與之間的差值。由於小於，導致陣列波導光柵在高溫和低溫下補償效果不同，高溫下補償效果較強，低溫下補償效果較弱。
- 實施例二
圖4是《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》第二種實施例的無熱陣列波導光柵溫度補償器結構示意圖，包括陣列波導光柵晶片101、金屬底板105，所述陣列波導光柵晶片101固定在金屬底板105上，其特徵在於：陣列波導光柵晶片101切割成陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103，金屬底板105上同陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103分割線對應區域設定有第一彈片109，固定陣列波導光柵晶片第二部分103的金屬底板105區域下方水平有一個未貫通的狹縫形成第二彈片110，所述第一彈片109、第二彈片110將金屬底板105分隔為金屬底板第一部分106、金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108，所述金屬底板第一部分106、金屬底板第二部分107、金屬底板第三部分108之間且位於陣列波導光柵晶片101下方區域設定有挖空區域，該實施例與圖1第一種實施方案不同之處在於，金屬底板第二部分107凸出延伸至同金屬底板第一部分和金屬底板第三部分相當的位置，金屬底板第二部分107凸出延伸位置同金屬底板第一部分106和金屬底板第二部分107均相距離有空間距離，金屬底板第二部分107打有一個通孔402和一個盲孔403，第一溫度補償桿111穿過通孔402，左右兩端分別與金屬底板第一部分106、金屬底板第三部分108固定。有第二溫度補償桿401與金屬底板第一部分106固定，第二溫度補償桿401另一端頂入盲孔403中，並與盲孔403的底部緊密貼合。第二溫度補償桿401的熱膨脹係數α2應大於第一溫度補償桿111的熱膨脹係數α1，第一溫度補償桿111採用不鏽鋼，第二溫度補償桿401可選用熱膨脹係數較大的鋁合金材料。第一溫度補償桿111和第二溫度補償桿401同金屬底板相固定方式可以採用膠固定。也可以採用金屬底板第一部分106上同第二溫度補償桿401固定的位置設定有通孔，第二溫度補償桿401同其配合的一端上刻有螺紋同該通孔相匹配，且由螺母夾緊；第一溫度補償桿111兩端上設定有螺紋，與金屬底板第一部分106、金屬底板第三部分108上設定的通孔相匹配後，由螺母夾緊。在第二實施例中，金屬底板第二部分107沒有設定螺紋孔，無需螺釘112頂入金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間的狹縫。
如圖5所示，當溫度升高ΔT時，由於第二溫度補償桿401的熱膨脹係數α2大於第一溫度補償桿111的熱膨脹係數α1，故第二溫度補償桿401的伸長量ΔTα2大於第一溫度補償桿111的伸長量ΔTα1，從而帶動金屬底板第一部分106和金屬底板第三部分108同時向左側偏移，相對於金屬底板第二部分107來說偏移量為ΔTα2，令此時陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列光柵晶片第二部分103之間的相對位移為Δx1。此時溫度補償效果可視作由第二溫度補償桿401的熱膨脹引起，第一溫度補償桿111對溫度補償效果沒有貢獻。
當溫度降低ΔT時，如圖6所示，由於第二溫度補償桿401的熱膨脹係數α2大於第一明溫度補償桿111的熱膨脹係數α1，故第二溫度補償桿401的收縮量ΔTα2大於第一溫度補償桿111的收縮量ΔTα1，此時第二溫度補償桿401與金屬底板第二部分107上的盲孔403底部脫離接觸，不再起到溫度補償的作用。在這種狀態下，第一溫度補償桿111的收縮給金屬底板105帶來的形變一部分造成金屬底板第一部分106和金屬底板第二部分107之間發生相對位移，即陣列波導光柵晶片第一部分102和陣列波導光柵晶片第二部分103之間的相對位移為Δx2，第一溫度補償桿111的收縮給金屬底板105帶來的形變另一部分造成金屬底板第二部分107和金屬底板第三部分108之間發生相對位移。必然小於。此時溫度補償效果可視作由第一溫度補償桿111的收縮引起，第二溫度補償桿401對溫度補償效果沒有貢獻。設計調整第一彈片109和第二彈片110的厚度關係、第一溫度補償桿111和第二溫度補償桿401的長度和材料的選擇均可控制與之間的差值。
《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》相對於傳統的無熱陣列波導光柵全工作溫度範圍內線性補償而言，該方法利用不同工作溫度範圍內產生不同補償效果的方式達到分段溫度補償的目的，如圖9所示，在高於室溫的工作範圍內溫度補償效果較強，處於過補償狀態，而在低於室溫的工作範圍內溫度補償效果較弱，處於欠補償狀態，此時在全溫度工作範圍內器件波長-溫度曲線為兩個開口向上拋物線的底部拼接，遠遠小於圖8所示線性補償情況下的波長偏移，器件在-40攝氏度～80攝氏度波長偏移可在20皮米左右，從而進一步增強了陣列波導光柵光譜的中心波長的穩定性，擴大了無熱陣列波導光柵的工作溫度範圍。雖然該發明已經詳細地示出並描述了相關的特定的實施例參考，但該領域的技術人員能夠應該理解，在不背離該發明的精神和範圍內可以在形式上和細節上作出各種改變。這些改變都將落入該發明的權利要求所要求的保護範圍。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種實現分段溫度補償的無熱陣列波導光柵》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
