CN109883557B - 基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪及测量方法,集成光学自相关仪包括基片、输入波导、分路器、连接波导、固定延时器、可调延时器、可调延时器接口、第一连接器、合路器、输出波导、硒化钼薄膜、片上电极、第二连接器和控制器。本发明利用硒化钼材料的双光子吸收特性，通过简单的结构，就可以实现片上集成光学自相关仪，实现对片上脉冲宽度的测量。

Description

基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪及测量方法

技术领域

本发明涉及集成脉冲宽度测量，特别是一种基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪及测量方法。

背景技术

超短光脉冲在光通讯、非线性光纤、光传感等领域有广泛应用，集成光学的兴起使得超短脉冲在集成芯片上也发挥重要作用，而在集成芯片上实现对超短脉冲的测量能够更好的了解片上的脉冲特性，对各种片上应用都有重要价值。一种关键的技术是光学自相关测量，即利用脉冲本身测量其脉宽。

目前能够在集成芯片上实现脉冲自相关测量的方法主要有2种：

方法1，是利用硅探测器的双光子吸收，结合光子晶体慢光效应实现对脉冲宽度的测量，这种方法需要一排探测器阵列，时间分辨率较差，且只能用在半导体波导材料中。

方法2，是利用纳米线或光子晶体波导产生二次谐波或三次谐波，通过波导上方的显微镜和相机观察不同延时位置的谐波光强，从而实现对脉冲宽度的测量，这种方法需要用到外部的显微镜和相机，并不能实现完全的片上集成。

总之，以上的几种方法或者在波导材料上有限制，或者无法实现完全片上集成，因此，需要一种对波导材料不明感，且能够完全片上集成的集成自相关测试方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪及测量方法，利用硒化钼材料的双光子吸收特性，通过简单的结构，就可以实现片上自相关仪，实现对片上脉冲宽度的测量。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特点在于：该装置包括基片、输入波导、分路器、连接波导、固定延时器、可调延时器、可调延时器接口、第一连接器、合路器、输出波导、硒化钼薄膜、片上电极、第二连接器和控制器，所述的输入波导、分路器、连接波导、固定延时器、可调延时器、可调延时器接口、合路器、输出波导、硒化钼薄膜和片上电极都制备在所述的基片上，沿输入光脉冲的传播方向依次是所述的输入波导和分路器，该分路器将输入光分成上支路和下支路，所述的上支路经所述的连接波导、固定延时器、连接波导进入所述的合路器，所述的下支路经所述的连接波导、可调延时器、连接波导进入所述的合路器，所述的合路器合成一路经所述的输出波导和硒化钼薄膜输出，所述的可调延时器通过可调延时器接口和第一连接器与所述的控制器相连，所述的硒化钼薄膜覆盖所述的在输出波导上，所述的硒化钼薄膜的宽度超过所述的输出波导的宽度，波导两侧的硒化钼薄膜覆盖在所述的基片上，波导两侧的硒化钼薄膜分别通过一个片上电极经第二连接器与所述的控制器相连；

所述的可调延时器是级联2x2开关结构，共N级，N是大于2的自然数，第j级中两路的延时分别是Δt和Δt+2^j-1Δt，Δt是一个固定延时，这样可调延时器6的最小延时是NΔt，最大延时是NΔt+(2^N-1)Δt。

所述的输入波导、分路器、连接波导、固定延时器、可调延时器、合路器、输出波导都工作在横电(TE)模式或横磁(TM)模式。最佳工作模式为横电模式。

所述的分路器是50:50的1x2耦合器。

所述的合路器是50:50的2x1耦合器。

所述的固定延时器是一段固定长度的波导，波导引入的延时等于可调延时器最大延时和最小延时的平均值。

所述的硒化钼薄膜是通过化学气相沉积(CVD)制备的薄膜，其带隙在1.1eV(体材料)至1.57eV(单层)之间。

所述的第一连接器和第二连接器是连接可调延时器与控制器、片上电极与控制器的电学连接部件，可以是带有导线的金属探针，金属探针与片上接口或电极相连，导线与控制器相连，也可以是通过引线键合方式将片上接口或电极与印制电路板相连，再通过印制电路板上的电学接口与控制器相连。

所述的输入光脉冲是待进行自相关测试的光脉冲，中心波长在1500-1600nm之间。

利用上述集成光学自相关仪装置对输入光脉冲进行自相关测量的测量方法，包括以下步骤：

1)所述的控制器通过第二连接器和片上电极对硒化钼薄膜施加偏置电压；

2)所述的控制器将可调延时器的延时从小到大依次调节；

3)所述的控制器每调节一次可调延时器的延时，将所述的待测的光脉冲从所述的输入波导输入，记录光脉冲经过硒化钼薄膜后在薄膜中产生的光电流变化，制作延时-光电流曲线；

4)所述的控制器根据测得的延时-光电流曲线，利用自相关测试原理，计算输入光脉冲的脉冲宽度。

所述的施加在硒化钼薄膜上的偏置电压以不损坏薄膜为前提。

所述的控制器对光电流的测量分辨率是0.1nA。

所述的对光脉冲的自相关曲线宽度的最大测量范围是(2^N-1)Δt，可根据待测脉冲的估计宽度与需求的测量时间分辨率来确定所需的级数N和延时量Δt。

本发明的原理是利用硒化钼薄膜的双光子吸收特性，对波长在1550nm附近(光子能量约0.8eV)的光脉冲进行自相关测量。通过调节可调延时器，使得经过合路器合路后的两个光脉冲以不同的时间间隔通过硒化钼薄膜，而硒化钼薄膜由双光子吸收产生的光电流正比于两个光脉冲瞬时功率的乘积。因此通过改变延时，测量延时与平均光电流的曲线，就可以得到脉冲自相关测量曲线，再根据已有的自相关测试理论，就可以计算出脉冲的实际宽度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用硒化钼材料的双光子吸收特性，对波导材料无要求，可以是硅等半导体材料，也可以是氮化硅等绝缘体材料，拓展了集成自相关测量技术的应用平台。同时本发明可以完全的集成化。相比于背景技术中的方法1(硅探测器的双光子吸收结合光子晶体慢光效应的方法)，本发明可以在氮化硅等绝缘体上实现，应用范围更广。相比于背景技术中的方法2(二次谐波或三次谐波结合外部相机观察的方法)，本发明不需要额外的显微镜和相机系统，结构更简单，可以实现全集成。

附图说明

图1是本发明集成自相关仪装置的结构图

图中,1-基片，2-输入波导，3-分路器，4-连接波导，5-固定延时器、6-可调延时器、61-可调延时器接口、62-第一连接器、7-合路器、8-输出波导、9-硒化钼薄膜、10-片上电极、101-第二连接器和11-控制器。

图2是可调延时器的结构图

601-延时器输入波导，602-第一光开关2，61-可调延时器接口，603-第一上支路波导，604-第一下支路波导，605-第二光开关，606-第二上支路波导，607-第二下支路波导，608-最终光开关，609-延时器输出波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明集成光学自相关仪装置的结构图，由图可见，本发明集成光学自相关仪装置的构成是：基片1、输入波导2、分路器3、连接波导4、固定延时器5、可调延时器6、可调延时器接口61、第一连接器62、合路器7、输出波导8、硒化钼薄膜9、片上电极10、第二连接器101和控制器11。其中，输入波导2、分路器3、连接波导4、固定延时器5、可调延时器6、可调延时器接口61、合路器7、输出波导8、硒化钼薄膜9和片上电极10都制备在基片1上。沿输入光脉冲的传播方向依次经过输入波导2和分路器3，光脉冲被分路器3分成两路，分别经过连接波导4进入固定延时器5和可调延时器6，随后两路光脉冲在合路器7处合成一路，经过输出波导8和硒化钼薄膜9。可调延时器6通过可调延时器接口61和第一连接器62与控制器11相连。硒化钼薄膜9覆盖在输出波导8上，且宽度超过波导，波导两侧的硒化钼薄膜9覆盖在基片1上。波导两侧的硒化钼薄膜9分别与一个片上电极10相连，然后两个片上电极10分别通过两个第二连接器101与控制器11相连。

所述的输入波导2、分路器3、连接波导4、固定延时器5、可调延时器6、合路器7、输出波导8都工作在横电(TE)模式或横磁(TM)模式。优选的，上述器件都工作在横电模式。

所述的分路器3是50:50的1x2耦合器。

所述的合路器7是50:50的2x1耦合器。

所述的固定延时器5是一段固定长度的波导，波导引入的延时等于可调延时器6最大延时和最小延时的平均值。

所述的可调延时器6是级联2x2开关结构，共N级，N是大于2的自然数。第j级中两路的延时分别是Δt和Δt+2^j-1Δt，Δt是一个固定延时。这样可调延时器6的最小延时是NΔt，最大延时是NΔt+(2^N-1)Δt。

所述的硒化钼薄膜9是通过化学气相沉积(CVD)制备的薄膜，其带隙在1.1eV(体材料)至1.57eV(单层)之间。优选的制备的硒化钼薄膜的层数在3-5层。

所述的第一连接器62和第二连接器101是连接可调延时器6与控制器11、片上电极10与控制器11的电学连接部件，可以是带有导线的金属探针，金属探针与片上接口61或电极10相连，导线与控制器11相连，也可以是通过引线键合方式将片上接口61或电极10与印制电路板相连，再通过印制电路板上的电学接口与控制器11相连。

所述的输入光脉冲是待进行自相关测试的光脉冲，中心波长在1500-1600nm之间。

利用上述集成光学自相关仪装置对输入光脉冲进行自相关测量的测量方法，包括以下步骤：

1)所述的控制器11通过第二连接器101和片上电极10对硒化钼薄膜9施加偏置电压；

2)所述的控制器11将可调延时器6的延时从小到大依次调节；

3)所述的控制器11每调节一次可调延时器6的延时，将所述的待测的光脉冲从所述的输入波导2输入，记录光脉冲经过硒化钼薄膜9后在薄膜中产生的光电流变化，制作延时-光电流曲线；

4)根据测得的延时-光电流曲线，利用自相关测试原理，计算输入光脉冲的脉冲宽度。

所述的施加在硒化钼薄膜9上的偏置电压以不损坏薄膜为前提。优选的，施加的偏置电压是0.1V。

所述的控制器11对光电流的测量分辨率是0.1nA。

所述的对光脉冲的自相关曲线宽度的最大测量范围是(2^N-1)Δt，可根据待测脉冲的估计宽度与需求的测量时间分辨率来确定所需的级数N和延时量Δt。优选的，级数N等于10，延时量Δt＝20fs。

图2是可调延时器的结构图，采用级联光开关结构，光信号经过延时器输入波导601进入第一光开关602，第一光开关602根据可调延时器接口61的控制信号将光信号输出到第一上支路波导603或第一下支路波导604，随后进入第二光开关605，第二光开关605根据可调延时器接口61的控制信号将光信号输出到第二上支路606或第二下支路波导607，以此类推，在最后一级最终光开关608将信号输出到延时器输出波导609。每一级中，上支路波导的延时固定为Δt，下支路波导的延时是Δt+2^j-1Δt，其中j是级数。通过控制每一级的光开关使得光信号进入上支路或下支路，就能决定光信号的总延时。

本发明利用硒化钼材料的双光子吸收特性，对波导材料无要求，可以是硅等半导体材料，也可以是氮化硅等绝缘体材料，拓展了集成自相关测量技术的应用平台。同时本发明可以完全的集成化。相比于背景技术中的方法1(硅探测器的双光子吸收结合光子晶体慢光效应的方法)，本发明可以在氮化硅等绝缘体上实现，应用范围更广。相比于背景技术中的方法2(二次谐波或三次谐波结合外部相机观察的方法)，本发明不需要额外的显微镜和相机系统，结构更简单，可以实现全集成。

Claims (8)

1.一种基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于：包括：基片(1)、输入波导(2)、分路器(3)、连接波导(4)、固定延时器(5)、可调延时器(6)、可调延时器接口(61)、第一连接器(62)、合路器(7)、输出波导(8)、硒化钼薄膜(9)、片上电极(10)、第二连接器(101)和控制器(11)，所述的输入波导(2)、分路器(3)、连接波导(4)、固定延时器(5)、可调延时器(6)、可调延时器接口(61)、合路器(7)、输出波导(8)、硒化钼薄膜(9)和片上电极(10)都制备在所述的基片(1)上，沿输入光脉冲的传播方向依次是所述的输入波导(2)和分路器(3)，该分路器(3)将输入光分成上支路和下支路，所述的上支路经所述的连接波导(4)、固定延时器(5)、连接波导(4)进入所述的合路器(7)，所述的下支路经所述的连接波导(4)、可调延时器(6)、连接波导(4)进入所述的合路器(7)，所述的合路器(7)合成一路经所述的输出波导(8)和硒化钼薄膜(9)输出，所述的可调延时器(6)通过可调延时器接口(61)和第一连接器(62)与所述的控制器(11)相连，所述的硒化钼薄膜(9)覆盖所述的输出波导(8)上，所述的硒化钼薄膜(9)的宽度超过所述的输出波导(8)的宽度，波导两侧的硒化钼薄膜(9)覆盖在所述的基片(1)上，波导两侧的硒化钼薄膜(9)分别通过一个片上电极(10)经第二连接器(101)与所述的控制器(11)相连；

所述的可调延时器(6)是级联2x2开关结构，共N级，N是大于2的自然数，第j级中两路的延时分别是Δt和Δt+2^j-1Δt，Δt是一个固定延时，这样可调延时器(6)的最小延时是NΔt，最大延时是NΔt+(2^N-1)Δt。

2.根据权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的输入波导(2)、分路器(3)、连接波导(4)、固定延时器(5)、可调延时器(6)、合路器(7)和输出波导(8)工作在横电(TE)模式或横磁(TM)模式。

3.根据权利要求2所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的输入波导(2)、分路器(3)、连接波导(4)、固定延时器(5)、可调延时器(6)、合路器(7)和输出波导(8)都工作在横电模式。

4.根据权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的分路器(3)是50:50的1x2耦合器，所述的合路器(7)是50:50的2x1耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的固定延时器(5)是一段固定长度的波导，波导引入的延时等于可调延时器(6)最大延时和最小延时的平均值。

6.根据权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的第一连接器(62)和第二连接器(101)是连接可调延时器(6)与控制器(11)、片上电极(10)与控制器(11)的电学连接部件，是带有导线的金属探针，金属探针与可调延时器接口(61)或片上电极(10)相连，导线与控制器(11)相连；也可以是通过引线键合方式将可调延时器接口(61)或片上电极(10)与印制电路板相连，再通过印制电路板上的电学接口与控制器(11)相连。

7.根据权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪,其特征在于所述的输入光脉冲是待进行自相关测试的光脉冲，中心波长在1500-1600nm之间。

8.利用权利要求1所述的基于硒化钼双光子吸收的集成光学自相关仪对输入光脉冲进行自相关的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)所述的控制器(11)通过第二连接器(101)和片上电极(10)对所述的硒化钼薄膜(9)施加偏置电压；

2)所述的控制器(11)将所述的可调延时器(6)的延时从小到大依次调节；

3)所述的控制器(11)每调节一次可调延时器(6)的延时，将待测光脉冲从所述的输入波导(2)输入，记录光脉冲经过硒化钼薄膜(9)后在薄膜中产生的光电流变化，制作延时-光电流曲线；

4)所述的控制器(11)根据测得的延时-光电流曲线，利用自相关测试原理，计算输入光脉冲的脉冲宽度。

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