CN102692244B - 一种基于平面光波导的光传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于平面光波导的光传感系统，包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与所述光传感器连接的运算电路，所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括平面光波导、耦合光栅和PN结，所述耦合光栅将所述平面光波导输出的光信号耦合至所述PN结，所述PN结与所述运算电路连接。其有益效果是：通过COMS工艺将平面光波导与光传感器集成在同一芯片上，具有结构简单，易于加工和大规模生产的优点。

Description

一种基于平面光波导的光传感系统

【技术领域】

本发明涉及光传感领域，具体地涉及一种基于平面光波导的光传感系统。

【背景技术】

目前，光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支，在光通信、工业过程控制、环境监测和国家安全等众多方面都有着十分重要的应用。光传感技术可以解决电传感技术存在的灵敏度低、易受干扰、感应时间较长、检测某些化学气体不安全等方面的问题；相比之下，光传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点。因此在传感领域中，光传感占有越来越重要的地位。

近年来，作为传感器技术中十分重要的一员，光传感技术在许多应用领域得到了长足的发展，目前各种光传感器已广泛应用在各个行业。所谓光传感器就是以光为检测对象，将光信号转换成电信号的器件，通常是指紫外到红外波长范围的传感器，它是利用材料的光电效应制成的探测器，故也称为光电转换器。由于光传感技术具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点，目前光传感器件在光通信、环境监测等各个领域中得到了广泛的应用和发展。

现有技术基于光波导的光传感器有环形波导式光传感器等多种类型。

环型波导式光传感器主要由一个环型波导(如微环谐振腔)和一个直波导构成，环型波导置于敏感原件感应待测量最有效的位置，当待测量作用于敏感原件时，敏感元件的相应变化会导致环型波导中光波的某些性质(如相位和强度)发生改变，最后通过检测直波导中输出光的变化便可知道待测量的变化情况。

如附图1所示为简单的单波导耦合光学谐振腔的结构，其通过直接耦合器把光耦合出来，再反馈到一个输出端。AO、Ai分别是输入端和输出端场强，Ar、Al分别为耦合进和耦合出环型谐振腔的能量，通过比较这几个参数的基本关系，便可以得出光学谐振腔的基本特性。

现有技术基于光波导的传感器已经发展了很长时间，除了环形波导式光传感器，目前应用中的该类传感器还有很多。但是由于结构设计和生产工艺等方面一直没有重大突破，该类传感器一直受到光学器件尺寸和材料的限制，这类光传感系统的制备往往需要复杂的加工工艺流程(如光刻、电子束刻蚀或者纳米压印技术)且难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种在单一芯片上同时集成了光电性能的基于平面光波导的光传感系统。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种基于平面光波导的光传感系统，包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与所述光传感器连接的运算电路，所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括平面光波导、耦合光栅和PN结，所述耦合光栅将所述平面光波导输出的光信号耦合至所述PN结，所述PN结与所述运算电路连接。

作为实施例之一，所述平面光波导为微环谐振腔。

优选地，所述PN结的最上层设置有一层绝缘层。

优选地，所述绝缘层为二氧化硅材料。

本发明的有益效果是：通过COMS工艺将平面光波导与光传感器集成在同一芯片上，具有结构简单，易于加工和大规模生产的优点。

【附图说明】

图1，单波导耦合光学谐振腔的结构示意图。

图2，本发明传感单元的结构示意图。

图3，本发明PN结与耦合光栅的结构示意图。

图中，100平面光波导、101单模光纤、200耦合光栅、300PN结、400绝缘层。

【具体实施方式】

本发明提供一种基于平面光波导的光传感系统，包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与光传感器连接的运算电路，光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括平面光波导100、耦合光栅200和PN结300，所述耦合光栅200将平面光波导输出的光信号耦合至PN结300，PN结300与运算电路连接，运算电路对PN结300输出的信号进行计算得到待测量结果。

下面以微环谐振腔作为平面光波导为例对本发明进行详细说明，参看附图2：输入的光信号通过单模光纤101耦合到微环谐振腔中；然后，在波导结构的耦合区域，Ai的一部分Ar被耦合进谐振腔中，谐振腔选择一定频率的光波进行反馈震荡形成Al，再通过部分的反射端耦合出信号Ao，经过微环谐振腔的调制，Ao的某些性质(如相位)相比Ai发生了变化；最后，输出光信号进入耦合光栅200中，耦合光栅200改变光信号的传输方向并耦合到耦合光栅200下层的PN结300中，PN结300与耦合光栅200的结构示意图参看附图3，最上方的周期性结构即耦合光栅200，耦合光栅200下方是作为光检测结构的PN结300，耦合光栅200可以由SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)构造，也可以由高分子聚合物如BCB、SV8、PMMA等制成；PN结300为在P型基底上注入N阱制作而成，PN结300上面布置了一层二氧化硅作为绝缘层400。

本发明的工作原理是：首先，光传感系统中平面光波导100对入射光信号进行调制处理形成输出光信号；然后，在平面光波导100后端布置耦合光栅200，改变平面光波导100输出光信号的传输方向并将其耦合到耦合光栅200下的PN结300中，PN结300对耦合进去的光信号进行光电转换，通过CMOS工艺布置相应的运算电路，对光检测器输出的电信号按照既定算法进行运算处理，最终得出待测量。

应当理解，本发明的平面光波导可以采用各种类型的波导结构，微环谐振腔只是其中之一，尽管工作原理不同，这些波导结构的共同点在于：当外界的待测量作用于临近波导的敏感元件时，敏感元件的变化会通过某些效应使这些波导结构的特征发生改变，从而使波导中传输的光信号的某些性质发生变化。从数学角度来看，这些光波导结构相当于对入射的光信号进行了不同性质的调制。本发明通过设计PN结300作为光检测器，以感应调制后的光信号，并将之转换成便于运算分析的电信号，作为光检测器的光电二极管、光晶体管等均可以作为实施例之一。最后，可以根据相关算法运用基本的运算模块搭建运算电路，对光检测器输出的电信号进行运算处理，从而得出传感器的待测量。

由上述说明可知，使用根据本发明的解决方案可以将平面光波导和光电器件如光电二极管(photo diode)、光晶体管(photo transistor)等结合在一起，一方面，使得光传感系统能够探测更多人们感兴趣的信息；另一方面，由于平面光波导本身具有制作简单和便于集成的优点，通过微纳米加工工艺，便可以在单一芯片上集成更加复杂的光电性能。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (3)

1.一种基于平面光波导的光传感系统，包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与所述光传感器连接的运算电路，其特征在于：所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括平面光波导、耦合光栅和PN结，所述耦合光栅将所述平面光波导输出的光信号耦合至所述PN结，所述PN结与所述运算电路连接；所述PN结对耦合进去的光信号进行光电转换，所述运算电路对所述PN结输出的电信号按照既定算法进行运算处理，最终得出待测量，所述平面光波导通过微纳米加工工艺集成于CMOS芯片上，所述运算电路通过CMOS工艺布置于CMOS芯片上；

所述平面光波导为微环谐振腔；所述耦合光栅将所述平面光波导输出的光信号耦合至所述PN结通过下述方式实现：输入的光信号Ai通过一单模光纤耦合到所述微环谐振腔；然后，在所述平面光波导的耦合区域，光信号Ai的一部分被耦合进入微环谐振腔内，微环谐振腔选择一定频率的光波进行反馈震荡形成信号Al，再通过部分的反射端耦合出信号Ao，经过所述微环谐振腔的调制，信号Ao的性质相比信号Ai发生了变化；最后，所述信号Ao进入所述耦合光栅中，所述耦合光栅改变信号Ao的传输方向并耦合到耦合光栅下层的所述PN结中。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的光传感系统，其特征在于：所述PN结的最上层设置有一层绝缘层。

3.根据权利要求2所述的一种基于平面光波导的光传感系统，其特征在于：所述绝缘层的材料为二氧化硅。