CN111256738B - 混合集成的光纤传感用光学器件 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种混合集成的光纤传感用光学器件，包括：光收发单元，用于发射、探测传感光信号；3×1型PLC芯片，与所述光收发单元相连，用于传感光信号的耦合分光合束；Y分支型铌酸锂波导芯片，与所述3×1型PLC芯片相连，用于对传感光信号进行相位调制后输出；镜片组，与所述Y分支型铌酸锂波导芯片相连，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑及偏振态调整；2×1型PLC芯片，与所述镜片组相连，用于对经镜片组处理后的传感光信号进行分光合束后输出携带有待测传感信息的光信号，再返回所述光收发单元完成探测；半导体制冷器，用于进行精确温度控制；以及可伐合金管壳，用于进行封装和氮气密封处理。

Description

混合集成的光纤传感用光学器件
技术领域
本公开涉及光纤传感和半导体技术领域，尤其涉及一种混合集成的光纤传感用光学器件。
背景技术
光纤传感器是前景广阔的传感与测量设备，具有体积小、重量轻、绝缘好、安全无源的特点，目前被验证比较成功的典型光纤传感器产品主要为以下几种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流电压传感器、光纤水听器、分布式光纤拉曼和布里渊传感器。
在光纤传感系统中，基本都有光学发射、调制、探测等功能的光学部件或组件，光纤传感系统的光路存在一些共性的问题，如：(1)很难进一步小型化：系统由分立元件构成，各自独自封装，因此系统体积大；(2)环境适应性和可靠性较差：光纤熔接点多、易于出现故障；(3)成本高，不利于工程化生产：每个分立元件都要与器件尾纤耦合，工序多且复杂、耦合效率低、系统重复性难以保证。研制光纤传感用集成光学器件有利于实现光纤传感器的小型化、标准化、低成本，有利于提高产品的可靠性。为了有效的解决以上问题，一个重要的技术途径就是采用光集成回路或光电子集成回路。
以光纤陀螺、光纤电流传感器为代表的光纤传感器为例，主要基于光纤干涉仪和相位调制解调的原理，光路上主要采用以超辐射发光二极管(SLD)为代表的宽谱光源，发射出基准光信号，采用铌酸锂电光相位调制器进行调制信号载波的产生，采用拉锥型光纤耦合器进行分光合光，采用光电探测器PIN管进行光学信号探测。目前光纤陀螺和光纤电流传感器主要由这些分立的单器件组合而成，连接方式由单模或保偏光纤熔接的方式，装配过程复杂，熔接可靠性差，工艺一致性很难保证，且不利于大规模生产和成本的降低。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种混合集成的光纤传感用光学器件，以缓解现有技术中光纤传感用光学器件的连接方式由单模或保偏光纤熔接的方式，装配过程复杂，熔接可靠性差，工艺一致性很难保证，且不利于大规模生产和成本的降低等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种混合集成的光纤传感用光学器件，包括：
光收发单元，用于发射、探测传感光信号；
3×1型PLC芯片，与所述光收发单元相连，用于传感光信号的耦合分光合束；
Y分支型铌酸锂波导芯片，与所述3×1型PLC芯片相连，用于对传感光信号进行相位调制后输出；
镜片组，与所述Y分支型铌酸锂波导芯片相连，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑及偏振态调整；
2×1型PLC芯片，与所述镜片组相连，用于对经镜片组处理后的传感光信号进行分光合束后输出携带有待测传感信息的光信号，再返回所述光收发单元完成探测；
半导体制冷器，用于进行精确温度控制；以及
可伐合金管壳，用于进行封装和氮气密封处理。
在本公开实施例中，所述光收发单元，包括：
SLD芯片，用于传感光信号的产生与发射；以及
光电探测器PIN芯片，用于传感光信号的探测，将光信号转换成电信号。
在本公开实施例中，所述镜片组，包括：
准直聚焦透镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑调整；以及
法拉第旋光镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号偏振态进行90度偏转。
在本公开实施例中，所述SLD芯片数量为两个，相互备份，工作时只有一个SLD芯片发光；当一个SLD芯片故障时，启动另一个SLD芯片工作。
在本公开实施例中，所述SLD芯片，输出平均波长为850nm、1310nm或1550nm。
在本公开实施例中，所述调制解调模块，所述Y分支型铌酸锂波导芯片由质子交换工艺制作波导，偏振消光比高于60dB，调制半波电压小于4V，插入损耗小于2dB。
在本公开实施例中，其电气焊盘与封装管脚之间采用金丝键合的方式连接。
在本公开实施例中，可伐合金管壳采用内部充氮气、平行封焊的方式进行封装。
在本公开实施例中，采用一根光纤尾纤的方式输出传感光信号，当携带待测传感信息的光信号返回时，采用同一根光纤尾纤输入。
在本公开实施例中，当光电探测器PIN芯片上探测的光功率为零时，切换至另一个SLD芯片工作。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开混合集成的光纤传感用光学器件至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可以发挥硅基平面波导芯片低成本、低损耗、易于获取的优势和铌酸锂波导调制线性度好、频率响应特性好、偏振特性好的优势，综合优势最佳；
(2)可以使器件获得较宽的工作温度范围，在全温度工作范围下性能保持不变，提高器件性能和指标，增加器件的工作寿命；
(3)提高了系统工作的可靠性和工作寿命；
(4)使器件在湿度、水汽等恶劣条件下可以正常工作；
(5)可以显著提高光纤传感光路的集成度，减小体积和功耗，提高光路指标的一致性和工艺一致性，提高光路的环境适应性，降低产品成本，更利于产品的维护和工程安装。
附图说明
图1是本公开实施例的混合集成的光纤传感用光学器件的结构示意图。
图2是本公开实施例的混合集成的光纤传感用光学器件中传感光信号的传输流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
101、103-SLD芯片；
102-光电探测器PIN芯片；
104-3×1型PLC芯片；
105-Y分支型铌酸锂波导芯；
106-准直聚焦透镜；
107-法拉第旋光镜；
108-2×1型PLC芯片；
109-半导体制冷器；
110-输出尾纤；
111-可伐合金管壳；
112-外部的光纤传感系统；
201-第一光信号；
202-第二光信号；
203-第三光信号；
204-第四光信号；
205-第五光信号；
206-第六光信号；
207-第七光信号；
208-第八光信号；
209-第九光信号；
210-第十光信号；
211-第十一光信号；
212-第十二光信号；
213-第十三光信号；
214-第十四光信号；
215-第十五光信号；
216-第十六光信号。
具体实施方式
本公开提供了一种混合集成的光纤传感用光学器件，采用芯片混合集成的方案集成了光信号的发射、光信号调制、光信号探测以及耦合分光等功能，可以显著提高光纤传感光路的集成度，减小体积和功耗，提高光路指标的一致性和工艺一致性，提高光路的环境适应性、系统工作的可靠性和工作寿命，降低产品成本，更利于产品的维护和工程安装。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种混合集成的光纤传感用光学器件，结合图1至图2所示，所述混合集成的光纤传感用光学器件，包括：
光收发单元，用于发射、探测传感光信号；
所述光收发单元，包括：
SLD芯片，用于传感光信号的产生与发射；以及
光电探测器PIN芯片，用于传感光信号的探测，将光信号转换成电信号；
3×1型PLC(平面波导型光分路器)芯片，用于传感光信号的耦合分光合束；
Y分支型铌酸锂波导芯片，用于对传感光信号进行相位调制；
镜片组，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑及偏振态调整；
所述镜片组，包括：
准直聚焦透镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑调整；以及
法拉第旋光镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号偏振态进行90度偏转；
2×1型PLC芯片，与所述镜片组相连，用于对经镜片组处理后的传感光信号进行分光合束后输出携带有待测传感信息的光信号，再返回所述光收发单元完成探测；
半导体制冷器，用于进行精确温度控制；以及
可伐合金管壳，用于进行封装和氮气密封处理。
所述SLD芯片数量为2个，相互备份，工作时只有一个SLD芯片发光，当一个SLD芯片故障时，启动另一个SLD芯片工作，提高器件的可靠性和使用寿命；
其中：所述两个SLD(超辐射发光二极管)芯片，输出平均波长为850nm、1310nm或1550nm，具有低发散角特点，通过直接耦合的方式将发射光耦合进入3×1型PLC(平面波导型光分路器)芯片104，所述两个SLD芯片101和103采用铅锡焊接的方式与半导体制冷器109连接在一起；3×1型PLC芯片104采用导热胶与半导体制冷器109连接在一起；光电探测器PIN芯片102与3×1型PLC芯片104采用直接耦合的方式光路连接，3×1型PLC芯片104的中间一路光波导截面与光电探测器PIN芯片102的光敏面直接对准，光电探测器PIN芯片102采用铅锡焊接的方式与半导体制冷器109连接在一起；
3×1型PLC芯片104输出波导与Y分支型铌酸锂波导芯片105的输入波导直接耦合，Y分支型铌酸锂波导芯片105的输出波导分支一通过准直聚焦透镜106与2×1型PLC芯片108直接耦合，Y分支型铌酸锂波导芯片105的输出波导分支二通过法拉第旋光镜107与2×1型PLC芯片108直接耦合，Y分支型铌酸锂波导芯片105通过导热胶与半导体制冷器109连接，2×1型PLC芯片108输出波导与输出尾纤110直接耦合，半导体制冷器109通过铅锡焊接方式与可伐合金管壳111连接，可伐合金管壳111的接线引脚通过金丝键合的方式与各个芯片的电气焊盘相连，可伐合金管壳111采用内部充氮气、平行封焊的方式进行封装。
所述Y分支型铌酸锂波导芯片由质子交换工艺制作波导，芯片偏振消光比高于60dB，调制半波电压小于4V，插入损耗小于2dB；
所述混合集成光学器件的所有部件全部以半导体制冷器为基底，并与半导体制冷器采用导热性好的方式连接；器件采用可伐合金进行封装，芯片的电气焊盘与封装管脚之间采用金丝键合的方式连接，器件采用氮气密封，平行封焊的方式进行封装；传感光信号从器件发出采用一根光纤尾纤的方式输出，当携带传感信息的光信号返回时，采用同一根光纤尾纤输入。
当该混合集成光学器件在系统中正常工作时，SLD芯片101发出第一光信号201，(此时SLD芯片103不工作)，第一光信号201通过3×1型PLC芯片104耦合分光输出第二光信号202，第二光信号202耦合进入Y分支型铌酸锂波导芯片105，在Y分支型铌酸锂波导芯片105中第二光信号202经过起偏处理，并进行电光相位调制后输出两路相同的第三光信号203和第四光信号204，其中第三光信号203经过准直聚焦透镜106后调整了光斑大小变为第五光信号205，第四光信号204通过法拉第旋光镜107旋转90度后变为第六光信号206；第五光信号205与第六光信号206均耦合进入2×1型PLC芯片108后耦合变为一束第七光信号207，第七光信号207耦合进入输出尾纤110变为第八光信号208，输出尾纤110与外部的光纤传感系统112相连，第八光信号208通过光纤传感系统112后，携带有待测的传感信息，变为第九光信号209；所述第九光信号209再经过输出尾纤110返回变为第十光信号210，第十光信号210耦合进入2×1型PLC芯片108，经过2×1型PLC芯片108后变为第十一光信号211和第十二光信号212，第十一光信号211通过准直聚焦透镜106后调整了光斑大小变为第十三光信号213，第十二光信号212通过法拉第旋光镜107旋转90度后变为第十四光信号214，第十三光信号213和第十四光信号214耦合进入Y分支型铌酸锂波导芯片105，经过Y分支型铌酸锂波导芯片105耦合后变为一路第十五光信号215，第十五光信号215耦合进入3×1型PLC芯片104，通过耦合分束后输出变为第十六光信号216，第十六光信号216进入光电探测器PIN芯片102后转化为电信号被探测到，至此完成整个传感信息的检测过程。
当光电探测器PIN芯片102上探测的光功率为零时，外部光纤传感系统切换至SLD芯片103发出第一光信号201，(此时SLD芯片101不工作)，此时工作流程与SLD芯片101正常工作时一致。
本公开实施例中，由SLD芯片实现传感光信号的产生与发射，由3×1型PLC芯片实现光信号发射、接收与Y分支型铌酸锂波导芯片之间的耦合分光与合束，由Y分支型铌酸锂波导芯片完成光信号的相位调制，由2×1型PLC芯片完成Y分支型铌酸锂波导芯片与输出尾纤之间传输光信号的耦合分光合束。
本公开混合集成的光纤传感用光学器件，采用芯片混合集成的方案集成了光信号的发射、光信号调制、光信号探测以及耦合分光等功能，可以显著提高光纤传感光路的集成度，减小体积和功耗，提高光路指标的一致性和工艺一致性，提高光路的环境适应性、系统工作的可靠性和工作寿命，降低产品成本，更利于产品的维护和工程安装，具体有点如下：1、采用双光源芯片的设计，正常工作时只由一个SLD光源芯片发光，当系统判断SLD光源工作不正常时，可切换至另一SLD光源芯片工作，提高了系统工作的可靠性和工作寿命。2、采用硅基平面波导与铌酸锂波导混合集成的方式，可以发挥硅基平面波导芯片低成本、低损耗、易于获取的优势和铌酸锂波导调制线性度好、频率响应特性好、偏振特性好的优势，综合优势最佳。3、采用半导体制冷器给混合集成芯片进行高精度温控，可以使器件获得较宽的工作温度范围，在全温度工作范围下性能保持不变，提高器件性能和指标，增加器件的工作寿命。4、采用氮气封装和可伐合金平行封焊的方式，使器件在湿度、水汽等恶劣条件下可以正常工作。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开混合集成的光纤传感用光学器件有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种混合集成的光纤传感用光学器件，基于超辐射发光二极管芯片光信号产生、基于3×1型PLC芯片光信号光发射与探测耦合分光合束、基于Y分支型铌酸锂波导芯片的光信号调制载波产生、基于法拉第旋光镜的偏振光信号旋转、基于2×1型PLC芯片的光信号耦合输出、基于半导体制冷器的全器件精确温度控制。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合集成的光纤传感用光学器件，包括：
光收发单元，用于发射、探测传感光信号；所述光收发单元，包括：SLD芯片，用于传感光信号的产生与发射；以及光电探测器PIN芯片，用于传感光信号的探测，将光信号转换成电信号；所述SLD芯片数量为两个，相互备份，工作时只有一个SLD芯片发光；
3×1型PLC芯片，与所述光收发单元相连，用于传感光信号的耦合分光合束；
Y分支型铌酸锂波导芯片，与所述3×1型PLC芯片相连，用于对传感光信号进行相位调制后输出；
镜片组，与所述Y分支型铌酸锂波导芯片相连，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑及偏振态调整；所述镜片组，包括：准直聚焦透镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号进行光斑调整；以及法拉第旋光镜，用于对Y分支型铌酸锂波导芯片输出的传感光信号偏振态进行90度偏转；
2×1型PLC芯片，与所述镜片组相连，用于对经镜片组处理后的传感光信号进行分光合束后输出携带有待测传感信息的光信号，再返回所述光收发单元完成探测；
半导体制冷器，用于进行精确温度控制；以及
可伐合金管壳，用于进行封装和氮气密封处理；
所述2×1型PLC芯片输出波导与输出尾纤直接耦合，输出尾纤与外部的光纤传感系统相连，采用一根光纤尾纤的方式输出传感光信号，当携带待测传感信息的光信号返回时，采用同一根光纤尾纤输入。
2.根据权利要求1所述的混合集成的光纤传感用光学器件，当一个SLD芯片故障时，启动另一个SLD芯片工作。
3.根据权利要求1所述的混合集成的光纤传感用光学器件，所述SLD芯片，输出平均波长为850nm、1310nm或1550nm。
4.根据权利要求1所述的混合集成的光纤传感用光学器件，所述调制解调模块，所述Y分支型铌酸锂波导芯片由质子交换工艺制作波导，偏振消光比高于60dB，调制半波电压小于4V，插入损耗小于2dB。
5.根据权利要求1所述的混合集成的光纤传感用光学器件，其电气焊盘与封装管脚之间采用金丝键合的方式连接。
6.根据权利要求1所述的混合集成的光纤传感用光学器件，可伐合金管壳采用内部充氮气、平行封焊的方式进行封装。
7.根据权利要求2所述的混合集成的光纤传感用光学器件，当光电探测器PIN芯片上探测的光功率为零时，切换至另一个SLD芯片工作。
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