CN112665749B - 一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，包括：光源、输入波导、罗兰圆、曲面光栅、输出波导及光电探测器。罗兰圆内部为硅材料的自由传播区域；曲面光栅的反射面由多个子曲面构成；罗兰圆与曲面光栅的反射面的中心相切相交。输入波导及输出波导设置在罗兰圆上。光源发出的光信号经输入波导入射至曲面光栅的反射面，经曲面光栅反射、聚焦后从输出波导输出至光电探测器。本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，结构简单，整体尺寸可微型化到300μm×100μm，大大优化了空间使用效率，降低了制造成本。通过调节罗兰圆半径、输入波导位置、输出波导位置等参数，可实现超宽带光谱运行，降低了对光源工作波长范围的要求。

Description

一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器。
背景技术
硅光芯片拥有小尺寸、高集成度、低成本、低功耗等优点，被广泛应用于光通信等领域。由于硅材料较高的热-光系数，导致其光学特性随温度有较大变化，因此需要对硅光芯片进行温度监控。
现有的用于硅光芯片的温度传感器，包括外置温度传感器和内置温度传感器。外置温度传感器的缺点在于，硅光芯片的核心波导被包裹在二氧化硅包层中，外置温度传感器不能迅速、精确地探测硅光芯片核心波导的温度变化。常见的内置温度传感器有两种结构，其中一种内置的硅光芯片的温度传感器包含N级非对称马赫-曾德干涉仪、多个分束器、多个合束器，导致其尺寸较大，制造成本较高。另一种内置的硅光芯片温度传感器，其由硅波导及微环波导构成，其缺点在于对光源要求高，必须是工作在特定波长范围的光源。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的硅光芯片温度传感器结构复杂、需要工作在特定波长范围的光源的技术问题，提供了一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，包括：光源、输入波导、罗兰圆、曲面光栅、输出波导及光电探测器；
所述罗兰圆内部为硅材料的自由传播区域；
所述曲面光栅的反射面由多个子曲面构成；所述罗兰圆与所述曲面光栅的反射面的中心相切相交；
所述输入波导及所述输出波导设置在所述罗兰圆上；
所述光源发出的光信号经所述输入波导入射至所述曲面光栅的反射面，经所述曲面光栅反射、聚焦后从所述输出波导输出至所述光电探测器。
进一步的，所述曲面光栅所在的光栅圆半径为罗兰圆半径的二倍。
进一步的，所述输出波导为单通道或多通道。
进一步的，所述输出波导的通道数为1-20。
进一步的，所述子曲面的面积为曲面光栅的反射面的面积的1/20～1/10。
本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器至少具备以下有益效果或优点：
本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，罗兰圆内部为硅材料的自由传播区域；曲面光栅的反射面由多个子曲面构成；罗兰圆与曲面光栅的反射面的中心相切相交；输入波导及输出波导设置在所述罗兰圆上；光源发出的光信号经输入波导入射至曲面光栅的反射面，经曲面光栅反射、聚焦后从输出波导输出至光电探测器。由于每个输出波导接收到的来自于自由传播区域的光信号，是宽带光信号相互干涉的结果，因此每个输出波导输出光信号的波长与自由传播区域材料的折射率相关。自由传播区域的材料是硅，硅具有较高的热-光系数,温度变化会引起硅折射率改变，进一步引起输出波导输出的光信号波长变化，探测输出光信号的波长即可传感硅光芯片的内部核心温度。本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，结构简单，整体尺寸可微型化到300μm×100μm，大大优化了空间使用效率，降低了制造成本。通过调节罗兰圆半径、输入波导位置、输出波导位置等参数，可实现超宽带光谱运行，降低了对光源工作波长范围的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器输出光谱图；
图3为本发明实施例提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器温度从 25℃变化到70℃光谱变化示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-输入波导，2-罗兰圆，3-曲面光栅，4-子曲面，5-输出波导。
具体实施方式
本发明针对现有技术中存在的硅光芯片温度传感器结构复杂、需要工作在特定波长范围的光源的技术问题，提供了一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
参见图1，本发明实施例提供了一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，包括：光源、输入波导1、罗兰圆2、曲面光栅3、输出波导5及光电探测器。罗兰圆2内部为硅材料的自由传播区域。曲面光栅3的反射面由多个子曲面 4构成，具体的，子曲面4的面积为曲面光栅3的反射面的面积的1/20～1/10。罗兰圆2与曲面光栅3的反射面的中心相切相交；曲面光栅3所在的光栅圆半径为罗兰圆2半径的二倍。输入波导1及输出波导5设置在罗兰圆2上。光源发出的光信号经输入波导1入射至曲面光栅3的反射面，经曲面光栅3 反射、聚焦后从输出波导5输出至光电探测器。
本发明实施例所提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，由于每个输出波导5接收到的来自于自由传播区域的光信号，是宽带光信号相互干涉的结果，因此每个输出波导5输出光信号的波长与自由传播区域材料的折射率相关。自由传播区域的材料是硅，硅具有较高的热-光系数(1.8×10-4K-1),因此温度变化会引起硅折射率改变，进一步引起输出波导5输出的光信号波长变化。通过光电探测器探测输出光信号的波长即可传感硅光芯片的内部核心温度。
其中，单模四通道输出波导5的输出光谱如图2所示。高斯型光谱输出适用于波长测量的传感器。四个通道可同时运行，进行温度探测；也可独立运行进行温度探测。本发明实施例输出不限于四通道，可实现N通道输出， N从1到20均可。图3展示了温度从25℃变化到70℃时，输出光谱的漂移情况。
本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器至少具备以下有益效果或优点：
本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，罗兰圆内部为硅材料的自由传播区域；曲面光栅的反射面由多个子曲面构成；罗兰圆与曲面光栅的反射面的中心相切相交；输入波导及输出波导设置在所述罗兰圆上；光源发出的光信号经输入波导入射至曲面光栅的反射面，经曲面光栅反射、聚焦后从输出波导输出至光电探测器。由于每个输出波导接收到的来自于自由传播区域的光信号，是宽带光信号相互干涉的结果，因此每个输出波导输出光信号的波长与自由传播区域材料的折射率相关。自由传播区域的材料是硅，硅具有较高的热-光系数,温度变化会引起硅折射率改变，进一步引起输出波导输出的光信号波长变化，探测输出光信号的波长即可传感硅光芯片的内部核心温度。本发明提供的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，结构简单，整体尺寸可微型化到300μm×100μm，大大优化了空间使用效率，降低了制造成本。通过调节罗兰圆半径、输入波导位置、输出波导位置等参数，可实现超宽带光谱运行，降低了对光源工作波长范围的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，其特征在于，包括：光源、输入波导、罗兰圆、曲面光栅、输出波导及光电探测器；
所述罗兰圆内部为硅材料的自由传播区域；
所述曲面光栅的反射面由多个子曲面构成；所述罗兰圆与所述曲面光栅的反射面的中心相切相交；
所述输入波导及所述输出波导设置在所述罗兰圆上；
所述光源发出的光信号经所述输入波导入射至所述曲面光栅的反射面，经所述曲面光栅反射、聚焦后从所述输出波导输出至所述光电探测器；自由传播区域的材料是硅，硅具有较高的热-光系数,温度变化会引起硅折射率改变，进一步引起输出波导输出的光信号波长变化，探测输出光信号的波长即可传感硅光芯片的内部核心温度。
2.根据权利要求1所述的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，其特征在于，所述曲面光栅所在的光栅圆半径为罗兰圆半径的二倍。
3.根据权利要求1所述的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，其特征在于，所述输出波导为单通道或多通道。
4.根据权利要求3所述的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，其特征在于，所述输出波导的通道数为1-20。
5.根据权利要求1所述的中阶梯光栅硅光芯片温度传感器，其特征在于，所述子曲面的面积为曲面光栅的反射面的面积的1/20~1/10。
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