CN111051829B - 光电芯片、包括其的测量系统和用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电芯片(1)，包括以下元件：光入口(11)；波长敏感型的光学滤波器(20)；用于测量第一光强度的第一光电元件(30)，特别是第一光电二极管，所述第一光电元件(30)布置为使得经由光入口(11)穿过光电芯片(1)并且被滤波器(20)透射的光撞击第一光电元件(30)；以及用于测量第二光强度的第二光电元件(40)，特别是第二光电二极管，所述第二光电元件(40)布置为使得经由光入口穿过光电芯片(1)并且被滤波器(20)反射的光(50)撞击第二光电元件(40)。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及一种光电芯片、一种包括光电芯片的测量系统和一种用于评估使用光电芯片的光纤Bragg光栅的反射光谱的方法。
在使用光的测量技术应用中，在许多情况下需要评估用于测量的光的反射光谱或透射光谱。例如，光在其光谱特性上受例如光纤Bragg光栅的光栅的光学元件的影响，并且评估已经受到这种影响的光的光谱特性。光的光谱特性包括例如取决于波长的强度的最小值或最大值。
背景技术
已知通常在用于各个光学和电气/电子元件的共用晶片上或晶片中的光电芯片，光学和电气或电子元件布置在光电芯片上或光电芯片中并且以混合的光学和电气系统的形式互连。
图4示出了常规光电芯片101的示例。将光波导110插入到芯片101中，所述光波导的插入端形成用于入射光150的光入口111。入射光150例如是在其从光源(未示出)到光入口111的传播路径上其光谱特性已经改变的光，其中芯片101的一些或全部另外的元件用于测量感兴趣的光谱特性或光谱特性变化。通常，入射光150的强度的与波长相关的最大值受到形成在光波导110中的光纤Bragg光栅(未示出)的影响或偏移。
进入芯片101的光150被分束器120分成第一光部分151和第二光部分152。第一光部分151随后在其透射中通过光学滤波器130，该光学滤波器执行取决于波长的对光的滤波。离开光学滤波器130的经滤波的光153撞击滤波器光电二极管140，在所述滤波器光电二极管处，经滤波的光根据其强度生成电测量信号。
第二光部分152撞击参考光电二极管160，在所述参考光电二极管处，第二光部分根据其强度生成电参考信号。第二光部分152未进行滤波。例如在评估电路(未示出)中，将测量信号的值除以参考信号的值。经由光学滤波器130的校准模型，可以从由此获得的商中推导出光波导110内的光纤Bragg光栅的波长。
光电芯片101尤其由于分束器120而具有相对复杂的结构，并且由于分束器120而导致灵敏度低。其中降低了光电芯片101的复杂性和/或改善了灵敏度的解决方案是理想的。
发明内容
本公开的实施例提供了一种具有权利要求1的特征的光电芯片。此外，本公开的实施例提出了一种具有权利要求8的特征的测量系统，其使用本文公开的光电芯片。此外，本公开的实施例提供一种具有权利要求9的特征的用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法，其中使用了本文公开的光电芯片。
根据实施例，提出了一种包括以下元件的光电芯片：光入口；波长敏感型的光学滤波器；用于测量第一光强度的第一光电元件，特别是第一光电二极管，所述第一光电元件布置为使得经由光入口进入光电芯片并且被光学滤波器透射的光撞击第一光电元件；以及用于测量第二光强度的第二光电元件，特别是第二光电二极管，所述第二光电元件布置为使得经由光入口进入光电芯片并且在光学滤波器处被反射的光撞击第二光电元件。
本文所公开的测量系统的特征在于本文所述的光电芯片以及耦合到光入口的光波导，所述光波导包括至少一个光纤Bragg光栅。
一种用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法，所述光纤Bragg光栅设置在光波导中，并且光波导的端部插入本文所述的光电芯片的光入口，该方法包括：通过第一光电元件测量经由光入口进入并且通过光学滤波器的光的透射强度；通过第二光电元件测量经由光入口进入并且在光学滤波器处反射的光的反射强度；将透射强度除以反射强度以获得比值；将所述比值与所述光学滤波器的模型关联，以获得与反射光谱相关联的值。
因此，在透射和反射中均利用了滤波器元件，即波长敏感型的光学滤波器。在滤波器元件处反射的光直接用于测量参考强度。滤波器表面因此用作分束器。
对经由光入口进入并且通过光学滤波器的光与经由光入口进入并且在光学滤波器处反射的光一起进行节能。事实是没有使用单独的分束器或衰减光强度的类似的光学元件，与常规的光电芯片相比，本文所述的光电芯片的效率增加了一倍。
此外，节省的分束器元件降低了制造成本，例如制造芯片时的材料成本以及可能的人工成本。
以波长倒数的方式，将与出现在第一光电元件处的波长相关的透射函数施加到第二光电元件。因此，将在各光电元件处测量的两个强度的相除可以产生改善的信噪比。
在光电芯片、测量系统和/或方法的实施例中，光学滤波器是波长敏感型的透射滤波器或边缘滤波器。
在光电芯片、测量系统和/或方法的实施例中，光学滤波器的反射面相对于经由光入口进入光电芯片的光的传播方向是倾斜的，特别在与所述反射面相对于所述传播方向的垂直取向成10°至80°的角度范围内倾斜。
光学滤波器的反射面的倾斜能够使得第二光电元件以节省空间的方式布置在光电芯片内或光电芯片上，例如，与插入的光波导相邻。
在光电芯片、测量系统和/或方法的实施例中，从光入口到滤波器的光路，从滤波器到第一光电元件的光路，以及从滤波器到第二光电元件的光路各自不具有另外的光学元件。因此，在光电芯片中被评估光谱特性的光的强度不会受到任何明显的衰减，例如，在单独设置的分束器中发生的衰减。因此，能够提高灵敏度。
在光电芯片，测量系统和/或方法的实施例中，光电芯片还包括评估电路。将来自第一光电元件的第一测量信号和来自第二光电元件的第二测量信号提供给评估电路。测量信号的各个值与各个测量的光强度相关联。评估电路配置为将第一测量信号的值除以第二测量信号的值以获得比值。
与光电芯片集成的评估电路可以有助于光电测量系统中的进一步简化和/或紧凑化。
通常，评估电路配置为将比值与光学滤波器的模型关联，以获得与经由光入口进入的光的光谱相关联的值。该值例如表示经由光入口进入的光的取决于频率的强度最大值或强度最小值。光学滤波器的模型通常是适合于校准滤波器的目的的模型。光学滤波器的校准模型通常包括查找表。比值例如允许推导出形成在光波导中的光纤Bragg光栅的波长或波长偏移。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在下面的描述中对其进行了更详细的说明。如图所示：
图1是根据一个实施例的插入有光波导的光电芯片的示意图；
图2是根据一个实施例的还包括评估电路的光电芯片的框图；
图3是根据一个实施例的用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法的流程图；和
图4是常规光电芯片的示意图。
在下文中，将更详细地解释本发明的实施例。附图用于说明本发明的实施例的一个或更多个示例。
图1示出了根据一个实施例的整体由1表示的光电芯片的示意图。将光波导10的端部插入光电芯片1中，并且芯片1和光波导10一起构成测量系统，通过所述测量系统，例如能够评估形成在光波导10中的光纤Bragg光栅(未示出)的反射光谱。
光波导10的插入端的端面用于将光耦合到光电芯片1中。在本实施例中，这个端面表示用于光50进入光电芯片1的光入口11。也能够以另一种构造设置光入口11，并且以相应的方式将光波导10或其端面耦合到这个光入口11，使得入射光50可以在光电芯片1内传播。在这方面，芯片1形成自由光束光电系统。
入射光50沿传播方向A传播，并且撞击波长敏感型光学透射滤波器20，该光学透射滤波器仅允许光50的光谱部分作为透射光51通过。光50的非透射部分在光学滤波器20的反射面21处反射。
在所示的实施例中，至少光学滤波器20的反射面21相对于传播方向A是倾斜的。因此，反射光52(即未被允许作为透射光51通过的光50的部分)在由于反射面21的倾斜角度α产生的方向上传播。反射面21的倾斜角度α的角度范围的示例为10°至80°。
透射光51撞击第一光电元件30，所述第一光电元件例如形成为第一光电二极管。第一光电元件30的另外的示例包括光电晶体管或另一光敏半导体组件。透射光51根据强度在第一光电元件30中生成电信号。所述电信号作为第一测量信号61从第一光电元件30输出，如果需要可对所述第一测量信号进行放大，参照图2将进一步解释所述第一测量信号。
反射光52撞击第二光电元件40，所述第二光电元件进而例如形成为第二光电二极管。同样在此处，第二光电元件40的另外的示例包括光电晶体管或另一光敏半导体组件。同样，在这种情况下，反射光52在第二光电元件40中产生与反射光52的强度相对应的电信号。所述电信号作为第二测量信号62从第二光电元件40输出，如果需要可对所述第二测量信号进行放大，参照图2将进一步解释所述第二测量信号。
在该实施例中，光入口11和滤波器20之间的光路没有光学元件。同样，滤波器20和第一光电元件30之间的光路没有光学元件。此外，在光学滤波器20(更确切地反射面21)和第二光电元件40之间的光路没有光学元件。因此，入射光50、透射光51和反射光52各自以不受影响的方式传播。强度的影响最多由滤波器20执行，所述滤波器同时用作分束器。除了传播期间取决于介质的衰减外，没有另外的受光学元件的影响。
通过滤波器20处的反射，以波长倒数的方式，将与第一光电元件30处的波长相关的透射函数施加到第二光电元件40。
图2示出了还集成有评估电路60的光电芯片1的框图。将来自第一光电元件30的第一测量信号61和来自第二光电元件40的第二测量信号62提供给评估电路60。评估电路60将第一测量信号61的值除以第二测量信号62的值。在这种情况下，第二测量信号62用作参考信号。因此，获得的商是比值63。
如图2所示，比值63可以被直接输出。但是比值63也可以在评估电路60内部使用，以将比值63与滤波器20的模型关联，以获得与经由光入口11进入的光50的光谱相关联的值。滤波器20的模型例如是校准模型。因此获得的值例如可以直接或间接指示光波导10中的光纤Bragg光栅的波长。对于比值63，所述值可以例如附加地或替代地输出。
由于在光路中不存在另外的分束器元件，并且对反射光52和透射光51进行了节能，因此与常规芯片101相比，针对比值61得出改善的信噪比。
图3示出了用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法的流程图，其中光纤Bragg光栅设置在光波导10中，并且其中光波导的端部光学耦合到，例如插入，根据本文所述的一个实施例的光电芯片1的光入口11。
根据该方法，首先在1001中，测量经由光入口进入、通过光学滤波器20并且作为透射光51撞击第一光电元件30的光50的透射强度。
在1002中，测量经由光入口进入、在光学滤波器20的反射面21处反射并且作为反射光52撞击第二光电元件40的光50的反射强度。
在1003中，将透射强度除以反射强度以获得比值。
在1004中，将比值与光学滤波器20的模型关联，以便获得与反射光谱相关联的值。
在这一点上应该注意的是，本文所述的方面和实施例可以适当地彼此组合，并且在本领域技术人员的能力范围内，在合理和可能的情况下，可以省略单个方面。本领域技术人员熟悉本文描述的方面的修改和添加。
Claims (11)
1.一种测量系统，包括光电芯片(1)，所述光电芯片包括：
光入口(11)；
波长敏感型的光学滤波器(20)；
用于测量第一光强度的第一光电元件(30)，所述第一光电元件(30)布置为使得经由光入口(11)进入光电芯片(1)并且被光学滤波器(20)透射的光撞击第一光电元件(30)；
用于测量第二光强度的第二光电元件(40)，所述第二光电元件(40)布置为使得经由光入口(11)进入光电芯片(1)并且在光学滤波器(20)处被反射的光撞击第二光电元件(40)，
从光入口(11)到滤波器(20)的光路，从滤波器(20)到第一光电元件(30)的光路，以及从滤波器(20)到第二光电元件(40)的光路各自不具有光学元件，
耦合到光入口(11)的光波导(10)，其中，所述光波导(10)包括至少一个光纤Bragg光栅。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第一光电元件(30)是第一光电二极管。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第二光电元件(40)是第二光电二极管。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述光学滤波器(20)是波长敏感型的透射滤波器或边缘滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量系统，其中，所述光学滤波器(20)的反射面(21)相对于经由光入口(11)进入光电芯片(1)的光的传播方向是倾斜的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的测量系统，其中，所述光学滤波器(20)的反射面(21)相对于经由光入口(11)进入光电芯片(1)的光的传播方向在与所述反射面相对于所述传播方向的垂直取向成10°至80°的角度范围内倾斜。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的测量系统，还包括评估电路(60)，将来自第一光电元件(30)的第一测量信号(61)和来自第二光电元件(40)的第二测量信号(62)提供给所述评估电路，其中测量信号(61、62)的各个值与各个测量的光强度相关联，
其中，所述评估电路配置为将第一测量信号(61)的值除以第二测量信号(62)的值以获得比值(63)。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其中，所述评估电路(60)还配置为将所述比值(63)与光学滤波器(20)的模型关联，以获得与经由光入口(11)进入的光(50)的光谱相关联的值。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述光学滤波器(20)的模型包括校准模型。
10.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述光学滤波器(20)的模型包括查找表。
11.一种用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法，其中，所述光纤Bragg光栅设置在光波导(10)中，并且其中所述光波导(10)的端部光学耦合到根据权利要求1至4中任一项所述的测量系统的光电芯片的光入口(11)，所述方法包括：
通过第一光电元件(30)测量经由光入口(11)进入并且通过光学滤波器的光(51)的透射强度；
通过第二光电元件测量经由光入口(11)进入并且在光学滤波器(20)处反射的光(52)的反射强度；
将所述透射强度除以所述反射强度以获得比值；以及
将所述比值与光学滤波器(20)的模型关联，以获得与反射光谱相关联的值。
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