CN111397660B - 一种多功能光子芯片检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能光子芯片检测系统，包括五个模块：信号输入模块主要用于输入光学和电学信号；光电耦合模块主要用于将光学和电学信号耦合进入光子芯片；数据采集模块主要用于采集光子芯片的输出数据，探测光子芯片附近的图像信息；环境控制模块主要用于控制光子芯片所在的环境参数；人机交互模块主要用于实现人与多功能光子芯片检测系统的对话。该系统通过交互界面进行控制，方便简单。可以实现光纤与光子芯片的自动耦合及手动耦合；可以对芯片周围的多种不同环境参数进行控制，以满足不同种类光子芯片检测的需要，同时还可以对多种光学和电学参量进行测试。

Description

一种多功能光子芯片检测系统

技术领域

本发明涉及芯片检测领域，特别是涉及一种可在多种环境参数下对光子芯片进行多参量测量的检测系统。

背景技术

光子芯片在光互连，光通信，生物化学分子传感等领域具有非常广泛的应用，因此，光子芯片的研究近年来得到了广泛关注。相比传统的电子芯片，光子芯片在通信速度、能耗、传感灵敏度、抗电磁干扰能力等多个方面都具有独到的优势，并且，可以进一步与电子器件实现单片集成，最终在片上实现信息的探测、采集、处理、运算、通信等一系列功能。可以预见：光子芯片未来将在人工智能、航空航天、物联网等领域具有非常广阔的应用前景。在光子芯片的开发和使用过程中，光电性能检测是不可或缺的重要环节，因此，对光子芯片检测系统的研发尤为重要。

目前已经报道了多项与光子芯片检测系统相关的专利。例如，2007年上海理工大学陈抱雪等人设计了基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法及装置(中国发明专利：200710038988.0)；2008年中国科学院半导体研究所徐海华等人设计了光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，通过控制光纤移动扫描出最大功率值点来进行对准(中国发明专利：200810224107.9)；2016年北京航空航天大学李惠鹏等人发明的一种光纤自动定位与放置装置的方法，基于图像处理技术放置光纤，如可将光纤放入铌酸锂基片的凹槽中(中国发明专利：201610270222.4)；2018年北京航空航天大学宋凝芳等人发明的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，用图像处理的方法确定输出点位置(中国发明专利：201810397010.1)。然而，上述发明专利并没有对光子芯片的测量环境(例如，温度、湿度、气体、气压、磁场、电场、照明光强等)进行控制。

在各种环境参数中，气体环境的控制是最具挑战的部分。目前，科研工作者在论文中进行了报道。例如，2010年Nebiyu A.Yebo等人对片上集成的光学乙醇蒸汽传感器的研究中(Optics Express,18,11,126035)，所采用的气室顶部为密封透明玻璃，光通过玻璃垂直耦合至芯片上，气室两侧有两个进气口及一个排气口，用于改变气室内的气体环境。2016年Guangcan Mi等人对片上集成的光学二氧化碳气体传感器的研究中(Optics Express,24,2,253386)，采用了Teflon气室进行气体环境控制，用两个流量控制器控制充入气体的两种气体的配比，芯片在气室中，由进出光纤接至激光器和探测器。然而，目前尚未有一种能模拟多种测量环境参数(温度、湿度、气体、气压、磁场、电场、照明光强)，并进行多参量(光学信号，电学信号)测量的光子芯片检测系统。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种多功能光子芯片检测系统。该系统可以对环境参数(湿度、气体、气压、温度、照明光强)进行控制，根据不同需要模拟光子芯片的使用环境，从而满足光子芯片各种光电性能检测的需要。同时，可以通过图像识别技术和输出参量比较法相结合来进行自动光电耦合。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多功能光子芯片检测系统，包括与人机交互模块相连的信号输入模块、光电耦合模块、数据采集模块和环境控制模块，所述信号输入模块包括激光器及探测器、偏振控制器和数字源表，用于输入光学和电学信号；

所述光电耦合模块包括光学探针、电学探针、光学探针位移台、电学探针位移台、芯片位移台及位移台控制器，用于将光学和电学信号耦合进入芯片；

数据采集模块包括激光器及探测器、数字源表和CCD相机，用于采集芯片的输出数据，探测芯片附近的图像信息；

环境控制模块包括气瓶、输入气路、流量控制器、输出气路、废气储存装置、照明灯、加热/制冷台、加热制冷台控制器，用于控制芯片所在环境的参数；

人机交互模块包括电脑，一方面接收用户的指令，根据指令调用各个模块的程序；另一方面返回并显示信号、图像、环境信息的参数。

在信号输入模块中，来自激光器及探测器的输入信号经过偏振控制器后，通过光纤传输至光学探针，再由光学探针传输至芯片；在光电耦合模块中，光学探针固定于光学探针位移台上，电学探针固定于电学探针位移台上，芯片固定在芯片位移台上，光学探针位移台、电学探针位移台置于芯片位移台的周围，光学探针位移台、电学探针位移台和芯片位移台通过位移台控制器的命令移动；在数据采集模块中，来自于芯片的输出信号被传输至激光器及探测器和数字源表，CCD相机负责采集芯片的实时图像；在环境控制模块中，气瓶中的气体通过输入气路输入至光子芯片测量腔室中，通过流量控制器控制气体的流速，废气通过输出气路通入废气储存装置中等待安全处理，照明灯位于芯片的上方，加热/制冷台设置于芯片与芯片位移台之间；所述CCD相机、光学探针、电学探针、光学探针位移台、电学探针位移台、芯片、芯片位移台、照明灯和加热/制冷台均位于光子芯片测量腔室内。

进一步的，光电耦合模块通过调用程序来控制光学探针位移台、电学探针位移台和芯片位移台的位移，从而调整芯片与光学探针和电学探针的位置，各个方向上移动的距离能够通过交互界面人工控制，也可根据数据采集模块所得到数据进行自动耦合。

进一步的，所述光电耦合模块采用图像识别和测量值比较相结合的方法进行光学探针和电学探针与芯片的对准耦合，即通过光学探针、电学探针和芯片的实时图像控制位移台的移动，将光学探针、电学探针和芯片粗略地移动到最佳位置附近，再根据光学和电学测量值与最佳值的差距对位置进行精细的调整，最终达到精确对准的目的。

进一步的，所述环境控制模块能够实现对环境变量湿度、气体、气压、照明光强、温度的控制。

进一步的，所述气瓶、输入气路、流量控制器、输出气路、废气储存装置共同组成湿度、气体及气压控制装置，可控湿度范围在10-90％，可控气压范围在0-10atm，可输入输出的气体种类为一种或二种以上。

进一步的，所述加热/制冷台的可控温度范围在4.2K-480K。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.具有温度控制装置，湿度、气体及气压控制装置，和照明装置，可以根据实际需要灵活的改变光子芯片的环境参数，模拟在不同温度、湿度、气体、气压、照明光强等环境变量下的测量条件，以验证光子芯片在不同环境下的性能，可以适应不同光子芯片测量条件，特别是一些应用在特殊环境下的光子芯片的检测需求，这是现有的测量系统所无法满足的；

2.数据采集模块具有激光器及探测器、数字源表和CCD相机，故而可测量的参量并不是单一的，而是可以对多种光学信号和电学信号进行测量，使得系统可以满足不同类型光子芯片的测量需要，而不是局限于单一种类或原理的芯片；

3.通过图像识别技术与输出值比较的方法相结合来进行光电信号的芯片/探针耦合。图像识别技术使得光学探针或电学探针可以较为迅速的移动到最佳位置附近，而输出值比较的方法则使得探针可以精准地找到最佳耦合位置，两种方法的结合使得耦合更加方便、快速、精准。

附图说明

图1为实施例中各大模块的交互工作示意图。

图2为实施例中检测系统的组成结构示意图

图3为实施例中光电耦合模块自动耦合工作原理流程图。

图4为实施例中检测系统使用流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明多功能光子芯片检测系统主要由5个模块组成，分别为：信号输入模块；光电耦合模块；数据采集模块；环境控制模块；人机交互模块。信号输入模块主要用于输入光学和电学信号；光电耦合模块主要用于将光学和电学信号耦合进入芯片；数据采集模块主要用于采集芯片的输出数据，探测芯片附近的图像信息；环境控制模块主要用于控制芯片所在的环境参数；人机交互模块主要用于实现人与多功能芯片检测系统的对话。各个模块之间的关系见图1。

图2给出的是本发明的一种具体实施例，该系统的硬件结构组成包括加热/制冷台控制器1、位移台控制器2、激光器及探测器3、电脑4、数字源表5、偏振控制器6、光子芯片测量腔室7、光学探针8、照明灯9、CCD相机10、光学探针位移台11、输入气路12、流量控制器13、气瓶14、废气储存装置15、输出气路16、加热/制冷台17、芯片18、电学探针19、电学探针位移台20、芯片位移台21。其中，激光器及探测器3、偏振控制器6、数字源表5属于信号输入模块；光学探针8、电学探针19、光学探针位移台11、电学探针位移台20、芯片位移台21、位移台控制器2属于光电耦合模块；激光器及探测器3、数字源表5、CCD相机10属于数据采集模块；光子芯片测量腔室7、气瓶14、输入气路12、流量控制器13、输出气路16、废气储存装置15、照明灯9、加热/制冷台17、加热/制冷台控制器1属于环境控制模块；电脑4属于人机交互模块。

其中，在信号输入模块中，来自激光器及探测器3的输入信号经过偏振控制器6后，通过光纤传输至光学探针8，再由光学探针8传输至芯片18；使用者可通过人机交互模块输入指令，调用其相应的控制程序，使其根据需要不同向系统中输入不同强度、频率等的光信号与电信号。

在光电耦合模块中，光学探针8固定于光学探针位移台11上，芯片18固定在芯片位移台21上，两光学探针位移台分别置于芯片位移台21的左右两侧的上方，电学探针位移台20置于芯片位移台21的后侧上方。光学探针位移台11、电学探针位移台20和芯片位移台21根据位移台控制器2的命令移动；该模块拥有人工耦合和自动耦合两种功能，人工耦合主要是根据使用者在人机交互模块输入的移动指令而控制光电探针进行移动。自动耦合模块则采用图像识别和输出光电信号相结合的方法：首先通过光学探针位移台11、电学探针位移台20和芯片18的实时图像控制位移台的移动，使光学探针8或电学探针19粗略的移动到最佳位置，再根据所输出的光学信号或电学信号的值进行更精细的调整，使光学探针8或电学探针19与芯片18精准对准。耦合过程中的实时图像来自于数据采集模块。自动耦合的具体方法及流程见图3。

在数据采集模块中，自于芯片18的输出信号经过光纤传输至激光器及探测器3和数字源表5，CCD相机10则负责采集芯片18的实时图像；该模块主要接收来自人机交互模块的各种指令，根据指令采集所需的各项数据，并将这些数据反馈到人机交互模块中显示。

在环境控制模块中，气瓶14中的气体通过输入气路12输入至光子芯片测量腔室7中，流量控制器13用于控制气体的流速，废气则通过输出气路16通入废气储存装置15中等待安全的处理，照明灯9位于芯片18的上方，加热/制冷台17位于芯片18与芯片位移台21之间。该模块可根据使用者在人机交互模块输入的指令，对温度、湿度、气体、气压、照明光强等环境变量进行控制。可控制的温度范围在4.2K-480K；可控制的湿度范围在10-90％；可控制的气压范围在0-10atm；可输入输出的气体种类可以是一种，也可以是多种。

人机交互模块包括电脑4及交互程序。使用者可通过该模块对其余模块进行控制。各个模块之间通过该模块的总线进行数据交换。各模块之间连接关系和系统的工作流程见图1。使用者通过人机交互模块对其余四个模块进行控制，其余四个模块则接收来自人机交互模块的命令，并向其反馈相应数据，同时其余四个模块间的数据交换也通过人机交互模块进行。具体的，是信号输入模块与数据采集模块的激光器及探测器3、数字源表5；光电耦合模块的位移台控制器2；数据采集模块的CCD相机10；环境控制模块的流量控制器13、照明灯9、加热/制冷台控制器1分别通过数据连接线路与人机交互模块的电脑4相连接，并通过电脑4进行数据交换。

该系统的功能有：进行芯片18与光学探针8、电学探针19的自动耦合，进行芯片18与光学探针8、电学探针19的手动耦合，控制三种气体的气体环境，控制湿度，控制气压，控制照明光强，控制温度，输入波长1540-1590nm的激光，输入0-300V电压的电学信号，探测输出光信号的强度，探测输出电信号的电压、电流。

其中，自动耦合功能由光电耦合模块和数据采集模块协作进行，依据CCD相机10采集的光学探针8或电学探针19与芯片18的实时图像和激光器及探测器3所测量得到的光学或电学信号进行，具体原理如图3，而芯片18与光学探针8和电学探针19的位置，则通过位移台控制器2、芯片位移台21、光学探针位移台11、电学探针位移台20与相应程序配合来进行移动。手动耦合功能通过人机交互模块控制光电耦合模块进行，依赖于使用者通过电脑4输入的指令，使得位移台控制器2按照指令控制芯片位移台21与光学探针位移台11、电学探针位移台20移动。气体、气压、湿度、温度、照明光强的控制则由环境控制模块进行，通过电脑4对流量控制器13进行控制，以此来控制光子芯片测量腔室7内的气体环境，当气瓶14中的气体包括水蒸气时，可控制光子芯片测量腔室7内的湿度；通过电脑4控制照明灯9的光强来调节光子芯片测量腔室内7的照明光强；通过电脑4控制加热/制冷台控制器1来控制加热/制冷台17的温度，从而调节芯片18周围的温度。输入信号和探测值由人机交互模块分别控制信号输入模块和数据采集模块进行，激光器及探测器3的输入波长范围在1540-1590nm，可对输出光的光强进行探测，数字源表5的输入电压范围在0-300V电压，可对输出电信号的电压、电流进行控制。

系统的使用流程见图4。首先将芯片18固定在芯片位移台21上。然后封闭光子芯片测量腔室7以保持腔内环境的稳定。接下来向芯片18输出耦合所需要的信号并开始自动耦合，自动耦合完成后视耦合的情况选择是否进行手动耦合调整。接着根据检测需要设置环境参数，设置完成后向芯片18输出检测所需要的信号，并采集数据。检测完成后，排出光子芯片测量腔室7内废弃至废弃收集箱，打开光子芯片测量腔室7的门，取出芯片18。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多功能光子芯片检测系统，其特征在于，包括与人机交互模块相连的信号输入模块、光电耦合模块、数据采集模块和环境控制模块，所述信号输入模块包括激光器及探测器(3)、偏振控制器(6)和数字源表(5)，用于输入光学和电学信号；

所述光电耦合模块包括光学探针(8)、电学探针(19)、光学探针位移台(11)、电学探针位移台(20)、芯片位移台(21)及位移台控制器(2)，用于将光学和电学信号耦合进入芯片(18)；

数据采集模块包括激光器及探测器(3)、数字源表(5)和CCD相机(10)，用于采集芯片(18)的输出数据，探测芯片(18)附近的图像信息；

环境控制模块包括气瓶(14)、输入气路(12)、流量控制器(13)、输出气路(16)、废气储存装置(15)、照明灯(9)、加热/制冷台(17)、加热/制冷台控制器(1)，用于控制芯片(18)所在环境的参数；

人机交互模块包括电脑(4)，一方面接收用户的指令，根据指令调用各个模块的程序；另一方面返回并显示信号、图像、环境信息的参数；

在信号输入模块中，来自激光器及探测器(3)的输入信号经过偏振控制器(6)后，通过光纤传输至光学探针(8)，再由光学探针(8)传输至芯片(18)；在光电耦合模块中，光学探针(8)固定于光学探针位移台(11)上，电学探针(19)固定于电学探针位移台(20)上，芯片(18)固定在芯片位移台(21)上，光学探针位移台(11)、电学探针位移台(20)置于芯片位移台(21)的周围，光学探针位移台(11)、电学探针位移台(20)和芯片位移台(21)通过位移台控制器(2)的命令移动；在数据采集模块中，来自于芯片(18)的输出信号被传输至激光器及探测器(3)和数字源表(5)，CCD相机(10)负责采集芯片(18)的实时图像；在环境控制模块中，气瓶(14)中的气体通过输入气路(12)输入至光子芯片测量腔室(7)中，通过流量控制器(13)控制气体的流速，废气通过输出气路(16)通入废气储存装置(15)中等待安全处理，照明灯(9)位于芯片(18)的上方，加热/制冷台(17)设置于芯片(18)与芯片位移台(21)之间；所述CCD相机(10)、光学探针(8)、电学探针(19)、光学探针位移台(11)、电学探针位移台(20)、芯片(18)、芯片位移台(21)、照明灯(9)和加热/制冷台(17)均位于光子芯片测量腔室(7)内，光电耦合模块通过调用程序来控制光学探针位移台(11)、电学探针位移台(20)和芯片位移台(21)的位移，从而调整芯片(18)与光学探针(8)和电学探针(19)的位置，各个方向上移动的距离能够通过交互界面人工控制，也可根据数据采集模块所得到数据进行自动耦合，所述光电耦合模块采用图像识别和测量值比较相结合的方法进行光学探针(8)和电学探针(19)与芯片(18)的对准耦合，即通过光学探针(8)、电学探针(19)和芯片(18)的实时图像控制位移台的移动，将光学探针(8)、电学探针(19)和芯片(18)粗略地移动到最佳位置附近，再根据光学和电学测量值与最佳值的差距对位置进行精细的调整，最终达到精确对准的目的。

2.根据权利要求1所述的一种多功能光子芯片检测系统，其特征在于，所述环境控制模块能够实现对环境变量湿度、气体、气压、照明光强、温度的控制。

3.根据权利要求1所述的一种多功能光子芯片检测系统，其特征在于，所述气瓶(14)、输入气路(12)、流量控制器(13)、输出气路(16)、废气储存装置(15)共同组成湿度、气体及气压控制装置，可控湿度范围在10-90％，可控气压范围在0-10atm，可输入输出的气体种类为一种或二种以上。

4.根据权利要求1所述的一种多功能光子芯片检测系统，其特征在于，所述加热/制冷台(17)的可控温度范围在4.2K-480K。

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