CN103955247B - 一种稳定微环谐振器光谱的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定微环谐振器光谱的装置，给微环谐振器的PIN结通入一电流后，通过检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量，再将电压变化量经信号处理单元和FPGA控制单元处理后，生成用于稳定微环谐振器光谱的电压驱动信号，具有设计工艺简单、易操作的特点。在实际的配置中，PIN结实时检测每个微环开关的工作温度，解决了因微环数目多而无法定位的问题，且不需要额外的功能器件，同时具有温度检测速度快和低成本的优点，能够适应当前光通信系统高速发展的需要。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种稳定微环谐振器光谱的装置。
背景技术
随着光通信系统向高速、高容量、低损耗、低成本的方向发展，对光学器件提出了越来越高的要求。近几年，随着光波导工艺技术的提高，光子集成技术倍受关注。微环谐振器具有高品质因数(Q值)、结构紧凑、集成度高、与现有CMOS工艺兼容等优点，在光通信网络中有着广泛的应用前景。
在硅基材料中，主要的物理效应有载流子色散效应、热光效应等。载流子色散效应指的是载流子的注入或抽取导致光波导中自由载流子的变化引起折射率的变化，具有高速、偏振不敏感、折射率变化大等优势，在微环中可以利用载流子色散效应实现高速开关或调制。热光效应是利用光波导的折射率随温度变化而发生变化，从而改变微环的谐振波长。现有CMOS工艺的加工精度很难实现与理想设计完全匹配，可以通过热光效应来弥补工艺误差所导致的谐振波长漂移问题。然而，微环谐振器对温度极为敏感，其开关光谱易受芯片温度的影响，进而劣化微环光开关的工作性能。为了稳定微环谐振器的开关光谱，不仅需要高精度的调节电路，而且需要对微环工作温度进行及时有效的控制。
在现有技术中，由于微纳光学器件的尺寸很小，只有微米量级，在这么小的尺度内进行温度的监控是一大难点。近年发展起来的复合材料光学集成器件，利用其对温度不敏感的特殊材料特性，可以实现温度性质稳定的光学器件，但复合材料的加工工艺不能与CMOS工艺兼容，且成本高昂。因此在硅基材料中，为了实现对微环谐振器工作温度的精准控制，采用在微环器件的上方覆盖一层金属薄膜进行加热，虽然现有的加工工艺已能够将微加热器和PIN结制作在微环谐振器芯片中，但并不能在微环芯片中集成温度传感器，检测出微环芯片的工作温度，并通过温度的改变量来稳定微环谐振器的光谱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稳定微环谐振器光谱的装置，通过检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量来稳定微环谐振器的光谱，具有设计工艺简单和低成本的特点。
为实现上述发明目的，本发明一种稳定微环谐振器光谱的装置，其特征在于包括：
一微环谐振器，包括加热器和PIN结，通过源表功能模块加载给PIN结上的电流实现微环谐振器的开或关，同时检测微环谐振器的温度变化；
一信号处理单元，包括放大、整形、滤波电路和高精度的模拟/数字转换器(AD)，用于将源表功能模块反馈的电压变化量ΔU依次经过放大、整形、滤波处理后输入到高精度的模拟/数字转换器(AD)，将模拟信号转换成数字信号反馈给FPGA控制单元；
一FPGA控制单元，用于生成a路的开关驱动信号，同时接收来自信号处理单元的数字信号，通过对数字信号进行拟合、分析输出b路的电压驱动信号；a路的开关驱动信号输入给源表功能模块，b路的电压驱动信号输入给加热器驱动单元模块；
一源表功能模块，包括电流型数字/模拟转换器(DA)和电压跟随器；源表功能模块接收到a路的开关驱动信号后，通过高精度的DA转换成恒定电流i，再将恒定电流i输入到微环谐振器的右半臂PIN结；同时检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量ΔU，并将电压变化量ΔU反馈给信号处理单元；
一加热器驱动单元，包括DA和外围匹配电路；加热器驱动单元接收到b路的电压驱动信号后，先通过高精度的DA转换成模拟电压驱动信号，再将模拟电压驱动信号经过外围匹配电路实现阻抗匹配后加载到微环谐振器的加热器，通过改变加载到加热器两端的电压产生热量来调节微环谐振器温度变化；
装置启动后，由FPGA控制单元输出a路开关驱动信号到源表功能模块，经源表功能模块中的DA转换后生成恒定电流i，再将恒定电流i输入到微环谐振器的右半臂PIN结控制微环谐振器的开或关；PIN结在输入电流后能检测出微环谐振器的温度变化量，得到由温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量ΔU，将电压变化量ΔU经过信号处理单元的放大、整形、滤波、AD处理后得到数字信号，数字信号输入到FPGA控制单元，经拟合、分析后，输出b路的电压驱动信号加载到加热器驱动单元模块，b路的电压驱动信号经加热器驱动单元的DA转换后生成模拟电压驱动信号，与加热器驱动单元的外围匹配电路实现阻抗匹配后加载到微环谐振器的加热器，通过改变加载到加热器两端的电压产生热量来调节微环谐振器温度变化，从而保持微环谐振器的光谱稳定。
进一步地，所述a路的开关驱动信号在FPGA控制单元对数字信号进行分析之前输入给源表功能模块。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明稳定微环谐振器光谱的装置，给微环谐振器的PIN结通入一电流后，通过检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量，再将电压变化量经信号处理单元和FPGA控制单元处理后，生成用于稳定微环谐振器光谱的电压驱动信号，具有设计工艺简单、易操作的特点。在实际的配置中，PIN结实时检测每个微环开关的工作温度，解决了因微环数目多而无法定位的问题，且不需要额外的功能器件，同时具有温度检测速度快和低成本的优点，能够适应当前光通信系统高速发展的需要。
同时，本发明稳定微环谐振器光谱的装置还具有以下有益效果：
(1)、本发明通过检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量来稳定微环谐振器的光谱，具有设计工艺简单、易操作的特点。
(2)、本发明中PIN结实时检测每个微环开关的工作温度，解决了因微环数目多而无法定位的问题，且不需要额外的功能器件，具有温度检测快和低成本的优点。
附图说明
图1是本发明稳定微环谐振器光谱的装置架构图；
图2是图1所示微环谐振器中PIN结随温度变化的电压-电流关系图；
图3是图1所示微环谐振器中PIN结的电压随温度变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明稳定微环谐振器光谱的装置架构图。
图2是图1所示微环谐振器中PIN结随温度变化的电压-电流关系图。
图3是图1所示微环谐振器中PIN结的电压随温度变化关系图。
在本实施例中，以波长为1.55um处色散为0且只支持TE基膜的脊型波导结构为例，脊型波导左臂两侧重掺杂P型杂质，在脊型波导右臂的左侧重掺杂N型杂质、右侧重掺杂P型杂质，为了增加导电性，中间的本征I区进行了N型杂质的轻度掺杂。如图1所示，一种稳定微环谐振器光谱的装置，包括：
一微环谐振器1，包括加热器和PIN结，通过源表功能模块4加载给PIN结上的电流实现微环谐振器1的开或关，同时检测微环谐振器1的温度变化；
一信号处理单元2，包括放大、整形、滤波电路和高精度的模拟/数字转换器(AD)，用于将源表功能模块4反馈的电压变化量ΔU依次经过放大、整形、滤波处理后输入到AD，将模拟信号转换成数字信号反馈给FPGA控制单元3；
一FPGA控制单元3，用于生成a路的开关驱动信号，同时接收来自信号处理单元2的数字信号，通过对数字信号进行拟合、分析输出b路的电压驱动信号，a路的开关驱动信号输入给源表功能模块4，b路的电压驱动信号输入给加热器驱动单元模块5，a路的开关驱动信号在FPGA控制单元3对数字信号进行分析之前输入给源表功能模块4；
一源表功能模块4，包括电流型数字/模拟转换器(DA)和电压跟随器；源表功能模块4接收到a路的开关驱动信号后，通过高精度的DA转换成恒定电流i，再将恒定电流i输入到微环谐振器1的右半臂PIN结；同时检测微环谐振器1因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量ΔU，并将电压变化量ΔU反馈给信号处理单元2；
一加热器驱动单元5，包括DA和外围匹配电路；加热器驱动单元5接收到b路的电压驱动信号后，先通过高精度的DA转换成模拟电压驱动信号，再将模拟电压驱动信号经过外围匹配电路实现阻抗匹配后加载到微环谐振器1的加热器，通过改变加载到加热器两端的电压产生热量来调节微环谐振器1温度变化。
本实施例中，由于光波导的加工工艺存在误差，为了使微环谐振器1的波长在理想的状态，在PIP两端加上一个合适的电压V＝4V，通过热光效应来弥补工艺的误差。
设温度只在小范围内做波动，在初始状态下，微环谐振器稳定地工作在310K，FPGA控制单元3输出一个a路的开关驱动信号给源表功能模块4中通过高精度DA后转换成1mA恒定电流，输入到微环谐振器的PIN结中，则PIN结的电流与电压之间的关系为I＝Is(eVq/kT-1)，其中I是流过PIN结的电流，Is是反向饱和电流，V是PIN两端的电压，q是元电荷，k是波尔茨曼常数，T是PIN结的绝对温度。即温度一定时，PIN结通过的电流随电压呈指数递增；当温度升高时，如图2所示，其I-V曲线向上移动。同时，从上式可以看出，当输入电流一定时，PIN结两端的电压与所处的温度呈线性关系，在310K温度处的输出电压为0.84V，因此可以以此电压为基准判断电压的变化，从而得到温度的变化量。当温度增加时，其两端的电压下降，如图3所示，电压下降1.2mV，表明温度上升1K。从图3表明，只要检测PIN结两端的电压，就可以得到温度信息，电压与温度具有很好的线性度，这保证了PIN结探测微环谐振器1温度的可靠性及准确性。
当温度上升1K时，PIN结两端的电压将下降1.2mV，将此电压变化量ΔU经过信号处理单元2输入到FPGA控制单元3，从预先存储在FPGA内部的电压与温度的关系，FPGA可以分析出此温度的下降程度。在硅基材料中，硅的导热率为1.49W/(cm·K)，微环的尺寸为10um。为了使温度下降1K，PIP加热器产生的热量需减小约0.3278mW。在本实施例的设计中，PIP加热器的阻抗约为10k欧姆，为了少产生0.3278mW能量，通入到PIP加热器两端的电压需要减小0.4V，即此时从FPGA控制单元3发送b路的电压驱动信号到加热器驱动单元5，经过处理得到PIP加热器两端的电压为3.6V，随着热量的减小，温度持续下降，FPGA控制单元3发送出的b路的电压驱动信号也慢慢增加，最后回到初始状态。
当温度下降1K时，此时探测到PIN结两端的电压增加1.2mV，经过FPGA的分析后，增加PIP加热器两端的电压0.4V，即加热电压变为4.4V，产生的额外热量使温度升高。当温度因加热而上升0.5K时，PIN两端的电压减小0.6mV。此时只需产生额外的热量0.1639mW，加热电压变为4.2V。温度逐渐升高、探测到的电压变化减小，加热电压逐渐降低，最后都趋近于平衡状态。
由以上可知，通过高精度电路的设计实现，消除了温度变化对微环光谱的影响，获得稳定的微环光开关光谱。由于在单个微环开关中都能够集成PIN结和PIP加热器，实现了对每个微环的准确控制。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种稳定微环谐振器光谱的装置，其特征在于包括：
一微环谐振器，包括加热器和PIN结，通过源表功能模块加载给PIN结上的电流实现微环谐振器的开或关，同时检测微环谐振器的温度变化；
一信号处理单元，包括放大、整形、滤波电路和高精度的模拟/数字转换器(AD)，用于将源表功能模块反馈的电压变化量ΔU依次经过放大、整形、滤波处理后输入到高精度的模拟/数字转换器(AD)，将模拟信号转换成数字信号反馈给FPGA控制单元；
一FPGA控制单元，用于生成a路的开关驱动信号，同时接收来自信号处理单元的数字信号，通过对数字信号进行拟合、分析，然后输出b路的电压驱动信号；a路的开关驱动信号输入给源表功能模块，b路的电压驱动信号输入给加热器驱动单元模块；
一源表功能模块，包括电流型数字/模拟转换器(DA)和电压跟随器；源表功能模块接收到a路的开关驱动信号后，通过高精度的DA转换成恒定电流i，再将恒定电流i输入到微环谐振器的右半臂PIN结；同时检测微环谐振器因温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量ΔU，并将电压变化量ΔU反馈给信号处理单元；
一加热器驱动单元，包括DA和外围匹配电路；加热器驱动单元接收到b路的电压驱动信号后，先通过高精度的DA转换成模拟电压驱动信号，再将模拟电压驱动信号经过外围匹配电路实现阻抗匹配后加载到微环谐振器的加热器，通过改变加载到加热器两端的电压产生热量来调节微环谐振器温度变化；
装置启动后，由FPGA控制单元输出a路开关驱动信号到源表功能模块，经源表功能模块中的DA转换后生成恒定电流i，再将恒定电流输入到微环谐振器的右半臂PIN结控制微环谐振器的开或关；PIN结在输入电流后能检测出微环谐振器的温度变化量，得到由温度变化引起微环谐振器PIN结两端电压的变化量ΔU，将电压变化量ΔU经过信号处理单元的放大、整形、滤波、AD处理后得到数字信号，数字信号输入到FPGA控制单元，经拟合、分析后，输出b路的电压驱动信号加载到加热器驱动单元模块，b路的电压驱动信号经加热器驱动单元的DA转换后生成模拟电压驱动信号，与加热器驱动单元的外围匹配电路实现阻抗匹配后加载到微环谐振器的加热器，通过改变加载到加热器两端的电压产生热量来调节微环谐振器温度变化，从而保持微环谐振器的光谱稳定。
2.根据权利要求1所述的稳定微环谐振器光谱的装置，其特征在于包括，所述的a路的开关驱动信号在FPGA控制单元对数字信号进行分析之前输入给源表功能模块。
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Granted publication date: 20151202 |
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