CN107707301B - 一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置 - Google Patents

一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置 Download PDF

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Abstract

一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，涉及集成光学领域；阵列波导光栅芯片、转换波导阵列、输入光纤和线阵图像传感器；其中，阵列波导光栅芯片为锥柱段结构；转换波导阵列为圆柱结构；转换波导阵列的轴向一端与阵列波导光栅芯片的轴向大端固定连接；阵列波导光栅芯片固定安装在阵列波导光栅芯片的轴向小端；线阵图像传感器设置在转换波导阵列的轴向另一端的外侧；线阵图像传感器的轴向另一端与外部采样电路连接；本发明在有限体积内实现AWG光输出线阵信号的实时测量，为微小型光纤光栅传感器解调仪、法布里‑珀罗传感器解调仪提供技术支撑，也可用于光通信链路监控等领域。

Description

一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置
技术领域
本发明涉及一种集成光学领域，特别是一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置。
背景技术
阵列波导光栅(AWG)是光密集波分复用(DWDM)网络中的关键器件，在光通信中应用广泛。近年来AWG也逐渐被应用到光纤光栅传感器、法布里-珀罗传感器波长解调中，通过AWG各波导输出光强度来实现对目标传感器中心波长的解调。但是，目前AWG各波导输出光信号是通过与芯片连接的光纤导出的，在光强探测时采用光电探测器在光纤输出端进行测量，导致解调装置光纤数量多、电路复杂、体积庞大，不易进行便携式应用。
采用以CCD为代表的集成光电探测器可以有效降低光强探测电路的体积，以实现微小型解调装置。但是，AWG输出端波导阵列的长度大，波导间隔与CCD等集成光电探测器的像元间隔并不匹配，通过透镜耦合复杂程度高，光损耗和体积均难以符合应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，在有限体积内实现阵列波导光栅芯片光输出线阵信号的实时测量，为微小型光纤光栅传感器解调仪、法布里-珀罗传感器解调仪提供技术支撑，也可用于光通信链路监控等领域。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，包括阵列波导光栅芯片、转换波导阵列、输入光纤和线阵图像传感器；其中，阵列波导光栅芯片为锥柱段结构；转换波导阵列为圆柱结构；转换波导阵列的轴向一端与阵列波导光栅芯片的轴向大端固定连接；阵列波导光栅芯片固定安装在阵列波导光栅芯片的轴向小端；线阵图像传感器设置在转换波导阵列的轴向另一端的外侧；线阵图像传感器的轴向另一端与外部采样电路连接。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述的转换波导阵列包括n个输入波导、n个输出波导和n条光波导；其中，n个输入波导沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列与阵列波导光栅芯片接触端的内壁上；n个输出波导沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列与线阵图像传感器接触端的内壁上；n为不小于4的正整数；每个对应的输入波导与输出波导之间通过一条光波导固定连接。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，相邻两个输入波导的间距为127μm；相邻两个输出波导的间距为25kμm；其中，k为不小于1的正整数。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述线阵图像传感器包括n个探测像元；n个探测像元沿竖直方向均匀设置在线阵图像传感器朝向转换波导阵列一端的内壁；且n个探测像元与n个输出波导一一对应。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述输出波导所在转换波导阵列的端面与探测像元所在线阵图像传感器的端面平行；且转换波导阵列与线阵图像传感器相距0-90μm。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述探测像元的光电响应大于0.8W/A；线阵图像传感器的帧扫描速率大于1KHz。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述转换波导阵列的插入损耗小于9dB。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述光信号集成测量装置包括阵列波导光栅芯片、线阵图像传感器和输入光纤；阵列波导光栅芯片水平放置；输入光纤与的阵列波导光栅芯片轴向小端固定连接；线阵图像传感器设置在阵列波导光栅芯片轴向大端的外侧。
在上述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，所述的阵列波导光栅芯片包括n个输出波导；n个输出波导沿竖直方向均匀固定安装在阵列波导光栅芯片轴向大端的内壁；所述线阵图像传感器包括n个探测像元；n个个探测像元沿竖直方向均匀固定安装在线阵图像传感器靠近阵列波导光栅芯片一端的内壁；n个输出波导与n个探测像元一一对应。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了线阵光电探测器作为阵列波导光栅芯片的集成探测元件，提高了阵列波导光栅芯片探测的效率和集成度，为基于阵列波导光栅芯片的便携式装置奠定了基础；
(2)本发明采用了转换波导阵列用于匹配阵列波导光栅芯片和集成光电探测器像元阵列，实现了不同规格光阵列-阵列耦合，提高了测量准确性；
(3)本发明采用了波导-像元直接耦合技术，避免了复杂光路导致的光信号损耗，降低了系统集成难度，实现了阵列光波导输出强度测量。
附图说明
图1为本发明光信号集成测量装置示意图；
图2为本发明输出波导与探测像元位置关系示意图；
图3为本发明光信号集成测量装置其它形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提出一种基于直耦技术的阵列波导输出光信号集成探测技术，旨在在有限体积内实现阵列波导光栅芯片1光输出线阵信号的实时测量，为微小型光纤光栅传感器解调仪、法布里-珀罗传感器解调仪提供技术支撑，也可用于光通信链路监控等领域。
如图1所示为本发明光信号集成测量装置示意图，由图可知，一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，包括阵列波导光栅芯片1、转换波导阵列2、输入光纤3和线阵图像传感器4；其中，阵列波导光栅芯片1为锥柱段结构；转换波导阵列2为圆柱结构；转换波导阵列2的轴向一端与阵列波导光栅芯片1的轴向大端固定连接；阵列波导光栅芯片1固定安装在阵列波导光栅芯片1的轴向小端；线阵图像传感器4设置在转换波导阵列2的轴向另一端的外侧；线阵图像传感器4的轴向另一端与外部采样电路连接。其中，转换波导阵列2包括n个输入波导2-1、n个输出波导2-2和n条光波导2-3；其中，n个输入波导2-1沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列2与阵列波导光栅芯片1接触端的内壁上；n个输出波导2-2沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列2与线阵图像传感器4接触端的内壁上；n为不小于4的正整数；每个对应的输入波导2-1与输出波导2-2之间通过一条光波导2-3固定连接。线阵图像传感器4包括n个探测像元4-1；n个探测像元4-1沿竖直方向均匀设置在线阵图像传感器4朝向转换波导阵列2一端的内壁；且n个探测像元4-1与n个输出波导2-2一一对应。
其中，探测像元4-1的光电响应大于0.8W/A；线阵图像传感器4的帧扫描速率大于1KHz；相邻两个输入波导2-1的间距为127μm；相邻两个输出波导2-2的间距为25kμm；其中，k为不小于1的正整数。转换波导阵列2的插入损耗小于9dB。
如图2所示为输出波导与探测像元位置关系示意图，由图可知，输出波导2-2所在转换波导阵列2的端面与探测像元4-1所在线阵图像传感器4的端面平行；且转换波导阵列2与线阵图像传感器4相距L为0-90μm。
如图3所示为光信号集成测量装置其它形式示意图，由图可知，还可以对光信号集成测量装置进行定制，另一种形式的光信号集成测量装置包括阵列波导光栅芯片1、线阵图像传感器4和输入光纤3，省略了转换波导阵列2，直接将所需间距的n个输出波导2-2设置在阵列波导光栅芯片1内部；阵列波导光栅芯片1水平放置；输入光纤3与的阵列波导光栅芯片1轴向小端固定连接；线阵图像传感器4设置在阵列波导光栅芯片1轴向大端的外侧。其中，阵列波导光栅芯片1包括n个输出波导2-2；n个输出波导2-2沿竖直方向均匀固定安装在阵列波导光栅芯片1轴向大端的内壁；所述线阵图像传感器4包括n个探测像元4-1；n个个探测像元4-1沿竖直方向均匀固定安装在线阵图像传感器4靠近阵列波导光栅芯片1一端的内壁；n个输出波导2-2与n个探测像元4-1一一对应。
光信号集成测量的步骤主要包括：
步骤1：采用间距变化的转换波导阵列2，将间距为X的阵列波导光栅芯片1输出端n个输入波导2-1转换为间距为Y的输出波导2-2。
步骤2：调节带有转换波导阵列2的阵列波导光栅芯片1与线阵图像传感器4的相对位置，使转换波导阵列2输出端贴近线阵图像传感器4。
步骤3：阵列波导光栅芯片1输入端通过输入光纤3接入宽带光信号，使转换波导阵列2中各光波导2-3均有光信号输出，微调带有转换波导阵列2的阵列波导光栅芯片1与线阵图像传感器4间的相对位置，使转换波导阵列2中任意波导的输出光斑均位于单个不同探测像元4-1的有效区域内。
本发明公开的阵列波导光栅芯片1的光输出端为转换波导阵列2，通过输入光纤3可以接收尾纤输入或透镜耦合的波导输入；线阵图像传感器4可以为CCD、光电二极管阵列、线阵图像传感器及其它光学敏感器件，其工作波长应覆盖阵列波导光栅芯片1输出光信号波长；转换波导阵列2输入端为平行波导阵列，其波导间距与阵列波导光栅芯片1输出端波导阵列间距一致，通过弯曲波导低损耗改变波导阵列间距，在输出端形成间距改变后的平行波导阵列。
转换波导阵列2可以与阵列波导光栅芯片1共同制备于同一基底上，也可以分别制备并进行光学耦合及固定。转换波导阵列2与阵列波导光栅芯片1的光学耦合可以为直接耦合、消逝场耦合、透镜耦合。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，其特征在于：包括阵列波导光栅芯片(1)、转换波导阵列(2)、输入光纤(3)和线阵图像传感器(4)；其中，阵列波导光栅芯片(1)为锥柱段结构；转换波导阵列(2)为圆柱结构；转换波导阵列(2)的轴向一端与阵列波导光栅芯片(1)的轴向大端固定连接；阵列波导光栅芯片(1)固定安装在阵列波导光栅芯片(1)的轴向小端；线阵图像传感器(4)设置在转换波导阵列(2)的轴向另一端的外侧；线阵图像传感器(4)的轴向另一端与外部采样电路连接；
所述的转换波导阵列(2)包括n个输入波导(2-1)、n个输出波导(2-2)和n条光波导(2-3)；其中，n个输入波导(2-1)沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列(2)与阵列波导光栅芯片(1)接触端的内壁上；n个输出波导(2-2)沿竖直方向均匀设置在转换波导阵列(2)与线阵图像传感器(4)接触端的内壁上；n为不小于4的正整数；每个对应的输入波导(2-1)与输出波导(2-2)之间通过一条光波导(2-3)固定连接；
相邻两个输入波导(2-1)的间距为127μm；相邻两个输出波导(2-2)的间距为25kμm；其中，k为不小于1的正整数；
所述线阵图像传感器(4)包括n个探测像元(4-1)；n个探测像元(4-1)沿竖直方向均匀设置在线阵图像传感器(4)朝向转换波导阵列(2)一端的内壁；且n个探测像元(4-1)与n个输出波导(2-2)一一对应；
所述输出波导(2-2)所在转换波导阵列(2)的端面与探测像元(4-1)所在线阵图像传感器(4)的端面平行；且转换波导阵列(2)与线阵图像传感器(4)相距L为0-90μm。
2.根据权利要求1所述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，其特征在于：所述探测像元(4-1)的光电响应大于0.8W/A；线阵图像传感器(4)的帧扫描速率大于1KHz。
3.根据权利要求2所述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，其特征在于：所述转换波导阵列(2)的插入损耗小于9dB。
4.根据权利要求3所述的一种阵列波导光栅输出光信号集成测量装置，其特征在于：所述光信号集成测量装置包括阵列波导光栅芯片(1)、线阵图像传感器(4)和输入光纤(3)；阵列波导光栅芯片(1)水平放置；输入光纤(3)与的阵列波导光栅芯片(1)轴向小端固定连接；线阵图像传感器(4)设置在阵列波导光栅芯片(1)轴向大端的外侧。
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