CN103884450B - 一种光电温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成光电子技术领域，具体为一种光电温度传感器。本发明要解决的技术问题是：降低光电温度传感器对光源的要求从而降低整个温度传感系统的成本。本发明由光源、光学温度传感部分和光电探测部分组成，光学温度传感部分由非对称马赫-曾德干涉仪实现。所述非对称马赫-曾德干涉仪的两臂具有非对称几何结构且两臂的光学相位差在-2π～2π的范围内，其中两臂的非对称几何结构通过选取不同类型的波导，如脊型波导、沟道波导、条形波导等，或者通过选取不同结构参数的同一类型的波导来实施。所述非对称马赫-曾德干涉仪波导为非良导体材料波导或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导，非良导体材料包括介质、有机物等。

Description

一种光电温度传感器

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，具体为一种光电温度传感器。

背景技术

集成光电子技术领域的光电温度传感器由于其尺寸小、抗干扰性强等特点而受到广泛的研究。光电温度传感器由光源、温度传感部分和光电探测部分组成，其中温度传感部分是光电温度传感器的核心研究内容。目前现有技术中已有多种可集成的光电温度传感器，例如：微环谐振腔，布拉格反射式波导，多模干涉仪MMI等。由于受到温度传感系统结构的限制，现有技术温度传感部分按传感原理分为两大类，监测传感系统光学传输或反射谱峰值的漂移、监测传感系统在某一固定波长下传输或反射光强的变化。这两种监测方案都需要采用窄线宽的激光器光源或宽带光源与高分辨率光谱仪的结合，使得整个温度传感系统价格过于昂贵，实用性较差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：降低光电温度传感器对光源的要求从而降低整个温度传感系统的成本。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光电温度传感器，包括光源1、光电探测器3，其特征在于，所述光电温度传感器还包括由非对称马赫-曾德干涉仪实现的光学温度传感部分2；所述光学温度传感部分2由分束器4、第一波导臂5、第二波导臂6和合束器7组成；所述第一波导臂5和第二波导臂6具有非对称的几何结构、不同的有效折射率n_eff和相近的归一化有效色散系数所述λ为马赫-曾德干涉仪中所传播的光波波长；所述非对称马赫-曾德干涉仪的第一波导臂5和第二波导臂6之间的光学相位差在-2π～2π的范围内。

优选地，所述马赫-曾德干涉仪采用的波导为非良导体材料波导或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。

优选地，所述非良导体材料包括介质和有机物。

优选地，所述非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导包括银与硅、金与硅。

优选地，所述非对称几何结构通过选取不同类型的波导来实施。

优选地，所述不同类型的波导包括脊型波导、沟道波导和条形波导。

优选地，所述第一波导臂5与第二波导臂6几何结构的非对称性通过选取同一类型但结构参数不同的波导来实施。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光电温度传感器的设计方法，所述方法步骤如下：

选择马赫-曾德干涉仪两波导臂需要使用的波导结构类型；

优化两波导臂的波导结构参数，使所述波导结构参数满足如下公式 $\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n_{\mathrm{eff}1}^0}\·\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}1}}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}2}^0}\·\frac{\∂n_{\mathrm{eff}2}}{\∂\mathrm{\λ}}\\ \frac{n_{\mathrm{eff}2}^0}{n_{\mathrm{eff}1}^0}=\frac{L_1}{L_2}\end{array}\right.;$

确定温度传感灵敏度；

根据光程差OLD公式

$\begin{array}{c}\mathrm{OLD}=(n_{\mathrm{eff}1}^0+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}1}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}1}}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT})\·L_1-(n_{\mathrm{eff}2}^0+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}2}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ\λ}+\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}2}}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT})\·L_2\\ =(\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}1}}{\∂T}\·L_1-\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}2}}{\∂T}\·L_2)\·\mathrm{\ΔT}\end{array}$ 确定两波导臂臂长；

选取分束器、合束器、光源、光电探测器构建完整的温度传感器。

（三）有益效果

本发明所公开的温度传感器对系统中的光源及光电探测部分无特殊要求，只需在马赫-曾德干涉仪结构工作波长范围内工作；同时对马赫-曾德干涉仪的分束、合束部分的结构也没有特殊要求，采用定向耦合器结构、多模干涉仪结构、Y分支结构等均可实现所述温度传感器的马赫-曾德干涉仪合束及分束。

本发明公开的温度传感器可以降低集成光电温度传感器对窄线宽光源的需求，可以采用如LED、法布里-珀罗（F-P）激光器等低成本的宽谱光源来实现温度传感，从而大幅降低光电温度传感器的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一种光电温度传感器的光电温度传感器结构框图；

图2是根据本发明一种光电温度传感器一个实施例的非对称马赫－曾德干涉仪型光学温度传感部分示意图；

图3是根据本发明一种光电温度传感器一个实施例的两臂性能参数随结构参数的变化关系图；

图4是根据本发明一种光电温度传感器一个实施例的为精确匹配条件下非对称马赫－曾德干涉仪结构的能量传输谱（a）图，以及不同谱宽的光源入射时非对称马赫－曾德干涉仪输出的光强随温度变化关系（b）图；

图5是根据本发明一种光电温度传感器一个实施例的近似匹配条件下非对称马赫－曾德干涉仪结构的能量传输谱（a）图，以及不同谱宽的光源入射时非对称马赫－曾德干涉仪输出的光强随温度变化关系（b）图。

图中：1、光源；2、光学温度传感部分；3、光电探测器；4、分束器；5、第一波导臂；6、第二波导臂；7、合束器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

（一）基本工作原理

图1所示，本发明一种光电温度传感器由光源1、光学温度传感部分2、光电探测部分3组成，所述光学温度传感部分2利用非对称马赫-曾德干涉仪来实施。

所述非对称马赫-曾德干涉仪的光学温度传感部分2由分束器4、第一波导臂5、第二波导臂6和合束器7组成；所述第一波导臂5和第二波导臂6具有非对称的几何结构，不同的有效折射率n_eff，相近的归一化有效色散系数其中λ为马赫-曾德干涉仪中所传播的光波波长。

图2所示的是本发明一种光电温度传感器光学温度传感部分的一个具体实施例。其中分束器4、合束器7均采用定向耦合器结构实现，但并不局限于此结构，如多模干涉仪结构、Y分支结构等均可用于实施分束器与合束器。第一波导臂5采用条形波导结构、第二波导臂6采用沟道波导结构，从而使得两波导臂具有非对称的几何机构。同样，非对称的波导臂结构也不限于此，如脊型波导、混合表面等离子体波导等，仅需第一波导臂和第二波导臂的参数满足公式（1）即可用于实施本发明。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n_{\mathrm{eff}1}^0}\·\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}1}}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}2}^0}\·\frac{\∂n_{\mathrm{eff}2}}{\∂\mathrm{\λ}}\\ \frac{n_{\mathrm{eff}2}^0}{n_{\mathrm{eff}1}^0}=\frac{L_1}{L_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式（1）中n_eff1、n_eff2分别表示第一波导臂、第二波导臂的有效折射率，研究发现其近似表达为温度T、光波波长λ的线性函数。公式（1）中：分别表示基准工作点时第一波导臂、第二波导臂的有效折射率，基准工作点是指选作参照的某一确定温度及工作波长下的器件工作状态；分别表示第一波导臂、第二波导臂的有效色散系数；L₁、L₂分别表示第一波导臂、第二波导臂的长度。

在公式（1）的条件下，马赫-曾德干涉仪第一波导臂和第二波导臂的光程差OLD为：

$\begin{array}{c}\mathrm{OLD}=(n_{\mathrm{eff}1}^0+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}1}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}1}}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT})\·L_1-(n_{\mathrm{eff}2}^0+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}2}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ\λ}+\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}2}}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT})\·L_2\\ =(\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}1}}{\∂T}\·L_1-\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}2}}{\∂T}\·L_2)\·\mathrm{\ΔT}\end{array}$

由公式（2）可见，此时两臂的光程差是温度的函数，不随入射光波长的变化而变化。因此对于可以形成导模传播的任意入射光波长，这一结构均可实现有效的温度传感，其传感的灵敏度由第一波导臂和第二波导臂的有效热光系数及臂长决定。

公式（1）是精确匹配式，通过满足公式（1）的条件可获得最优化的温度传感性能。若没有精确满足公式（1）——如公式（3）所示，虽性能会有所降低，但仍可实现有效的温度传感。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n_{\mathrm{eff}1}^0}\·\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}1}}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}1}^0}\·\frac{\∂n_{\mathrm{eff}2}}{\∂\mathrm{\λ}}\≈0\\ n_{\mathrm{eff}1}^0\·L_1-n_{\mathrm{eff}2}^0\·L_2\∈[-\mathrm{\λ},\mathrm{\λ}]\end{array}\right.---\left(3\right)$

将定义为归一化有效色散系数，基于上述分析可以归纳出本发明所公开的温度传感器的一般设计步骤：

第一步、选择马赫-曾德干涉仪两臂需要使用的波导结构类型；

第二步、优化两臂的波导结构参数，使之满足公式（1）；

第三步、根据实际应用需要，确定所需的温度传感灵敏度，并根据公式（2）确定两臂臂长；

第四步、选取分束合束结构、光源、光电探测器构建完整的温度传感器。

（二）精确匹配实施例

图2所示为非对称马赫-曾德干涉仪一个实施例的结构示意图。若采用绝缘体上硅SOI材料体系设计加工器件，两臂归一化有效色散系数、有效热光系数随波导宽度的变化关系如图3所示，基准工作点选在T=25℃、λ=1550nm处，其中波导厚度H=220nm、沟道宽度W3=100nm、沟道位于沟道波导中心。根据上述设计步骤，选择条形波导宽度为W₁=500nm、沟道波导总宽度W₂=580nm使两臂的归一化色散系数相近。再根据应用场景需求选择合适的臂长以获得所需的温度传感灵敏度，本实施例设计一种工作在0～100℃范围内的温度传感器，根据所述温度传感范围的需求，选择两臂臂长分别为L₁=90μm，L₂=123.54μm。

在上述结构参数下，此非对称马赫-曾德干涉仪结构在不同温度下的光波能量传输谱如图4（a）所示，区别于传统马赫-曾德干涉仪的传输谱随温度变化呈现出水平漂移，此结构的特征在于随着温度的变化器件的传输谱呈现出整体上下平移。当不同谱宽的光源入射到这一结构中时，其输出到光电探测器中的光强如图4（b）所示。由图可见无论是采用100nm谱宽的LED光源还是采用0.1nm线宽的激光光源，此结构的输出光强总是随温度变化呈单调变化，从而实现有效温度传感。进一步来讲，随着入射光源谱宽的变化，器件对温度的响应曲线几乎完全重合，说明此结构对光源的谱宽没有要求，可以采用低成本的LED作为光源来实施本发明所公开的温度传感器，因此采用此结构的温度传感器成本将大幅降低。

此处需要说明的是，本实施例采用的是SOI材料体系来演示本发明，但并不局限于此，集成光电子所采用的非良导体材料（如硅、锗、III-V族半导体材料等）或非良导体材料与金属结合的材料体系（如银与硅、金与硅等）均可用于实施本发明。

（三）近似匹配实施例

对于图2所示的结构，按上述精确匹配实施例设计的结构参数在实际加工中会存在着一定的工艺误差使得公式（1）所描述的精确匹配条件无法满足，而是满足公式（3）所描述的近似匹配条件。考虑了工艺误差后器件在不同温度下的能量传输谱如图5（a）所示。由图可见此时非对称马赫-曾德干涉仪的光波能量传输谱随温度的变化关系与精确匹配时类似，其传输谱随温度变化仍呈现出整体上下平移。当不同谱宽的光源入射到所述非对称马赫-曾德干涉仪结构中时，其输出到光电探测器中的光强如图4（b）所示。由图可见无论是采用100nm谱宽的LED光源还是采用0.1nm线宽的激光光源，此非对称马赫-曾德干涉仪结构的输出光强总是随温度变化呈单调变化。进一步来讲，随着入射光源谱宽的变化，器件对温度的响应曲线存在一定的变化，因此在对光源的谱宽要求方面性能不如精确匹配时的器件。在实际应用中可以选取某一特定型号的低成本光源如LED等，这样光源就具有确定的谱宽，因此温度传感器对温度的响应曲线仍旧为一条固定的单调变化曲线，如图5（b）中的任意一条确定曲线，从而实现有效温度传感。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种光电温度传感器，包括光源(1)、光电探测器(3)，其特征在于，所述光电温度传感器还包括由非对称马赫-曾德干涉仪实现的光学温度传感部分(2)；所述光学温度传感部分(2)由分束器(4)、第一波导臂(5)、第二波导臂(6)和合束器(7)组成；所述第一波导臂(5)和第二波导臂(6)具有非对称的几何结构、不同的有效折射率n_eff和相近的归一化有效色散系数λ为马赫-曾德干涉仪中所传播的光波波长；所述非对称马赫-曾德干涉仪的第一波导臂(5)和第二波导臂(6)之间的光学相位差在-2π～2π的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述马赫-曾德干涉仪采用的波导为非良导体材料波导或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。

3.根据权利要求2所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述非良导体材料包括介质和有机物。

4.根据权利要求3所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导包括银与硅、金与硅。

5.根据权利要求2所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述非对称几何结构通过选取不同类型的波导来实施。

6.根据权利要求5所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述不同类型的波导包括脊型波导、沟道波导和条形波导。

7.根据权利要求2所述的一种光电温度传感器，其特征在于，所述第一波导臂(5)与第二波导臂(6)几何结构的非对称性通过选取同一类型但结构参数不同的波导来实施。

8.一种根据权利要求1所述的光电温度传感器的设计方法，所述方法步骤如下：

选择马赫-曾德干涉仪两波导臂需要使用的波导结构类型；

优化两波导臂的波导结构参数，使所述波导结构参数满足如下公式 $\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n_{eff1}^0}\·\frac{\∂n_{eff1}}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n_{eff2}^0}\·\frac{\∂n_{eff2}}{\∂\mathrm{\λ}}\\ \frac{n_{eff2}^0}{n_{eff1}^0}=\frac{L_1}{L_2}\end{array}\right.$

式中，分别表示基准工作点时第一波导臂、第二波导臂的有效折射率，基准工作点是指选作参照的某一确定温度及工作波长下的器件工作状态，分别表示第一波导臂、第二波导臂的有效色散系数，L₁、L₂分别表示第一波导臂、第二波导臂的长度；

确定温度传感灵敏度；

根据光程差OLD公式

$\begin{array}{c}OLD=(n_{eff1}^0+\frac{\∂n_{eff1}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}+\frac{\∂n_{eff1}}{\∂T}\mathrm{\Δ}T)\·L_1-(n_{eff2}^0+\frac{\∂n_{eff2}}{\∂\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}+\frac{\∂n_{eff2}}{\∂T}\·\mathrm{\Δ}T)\·L_2\\ =(\frac{\∂n_{eff1}}{\∂T}\·L_1-\frac{\∂n_{eff2}}{\∂T}\·L_2)\·\mathrm{\Δ}T\end{array}$ 确定两波导臂臂长；

式中，Δλ为光波波长的变化，ΔΤ温度的变化，和分别表示第一波导臂、第二波导臂的有效热光系数，即有效折射率随温度T的变化率；

选取分束器、合束器、光源、光电探测器构建完整的温度传感器。