CN113639795A - 原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法，系统包括：CLIPP通过测量光波导在不同频率的导纳变化量，联立不同测试频率下的函数关系同时原位监测集成光波导器件的光功率、温度；反馈控制电路根据信号读出电路得到的导纳变化量反馈控制集成光波导器件温度和光功率。方法包括：选取多个驱动频率，分别拟合温度、光功率与导纳变化量的二元函数关系；读取驱动频率下的CLIPP的导纳变化量，反推出集成光波导器件的温度和光功率；利用信号读出电路得到的集成光波导器件温度和光功率，PID调节器反馈调节温度控制器提供给TEC的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法。
背景技术
集成光波导器件泛指由半导体材料经微纳加工制成的具有单一功能的光学器件，包括：定向耦合器、任意波导光栅、光波导集成探测器、微环谐振腔等，该类器件以光波导为主体，尺度在纳米或微米量级，可大规模集成。集成光波导芯片由多种集成光波导器件构成以实现特定的功能，例如：路由、光束相位控制等。
集成光波导器件需要实时温度监测并对温度进行反馈控制，确保集成光波导器件工作在合适的温度区间，从而以最优性能运行。常见的温度监测方式为将商用温度传感器固定在集成光波导芯片附近。这种方式无法实现集成光波导器件温度的原位监测，无法准确地得到集成光波导器件的温度。
集成光波导器件也需要实时监测波导内光功率并对光功率进行反馈控制，来抵消光集成波导器件的加工误差、环境波动(温度波动、湿度波动和机械振动)以及集成光波导器件间的串扰，确保集成光波导器件以最优性能运行。传统光波导中光功率的监测方式为通过定向耦合器将光波导中的一部分光分束到波导集成光电探测器中，通过测得的光功率和定向耦合器分束比计算出光波导中的光功率。传统光波导中光功率监测方式插入损耗较大，无法实现光波导器件的大规模集成。
表面态吸收(SSA)是一种广泛存在于半导体材料中的物理效应，该效应可以吸收光子能量小于半导体材料带隙(即亚带隙)的光。亚带隙波长的光照射到半导体材料表面后，价带电子通过吸收一个光子跃迁至表面态，或者表面态的电子吸收一个光子跃迁至表面态，从而形成自由载流子，引起半导体材料导纳的变化。带间跃迁光吸收是一种半导体材料的价带电子吸收光子能量大于半导体材料带隙的光后直接跃迁到导带的效应，表面态吸收与带间跃迁光吸收相比很微弱。因此，半导体材料对亚带隙波长的光吸收远小于对光子能量大于半导体材料带隙的光吸收。
非接触集成光子探针(CLIPP)是一种基于SSA效应的光功率监测器，可以实现光波导内光功率原位非侵入式监测。光波导由于表面态而吸收光子，产生电子和空穴，引起光波导导纳的改变。采用跨阻放大、锁相解调的信号读出电路，可以非侵入式地测量光波导的导纳变化量，从而测量集成光波导器件的光功率。温度的改变也会引起光波导的导纳发生变化，利用同样的信号读出电路可以得到温度引起的光波导导纳变化量，从而测量得到集成光波导器件的温度。
商用温度传感器固定的位置与集成光波导器件之间存在温度差时，商用温度传感器无法准确监测光波导的实际温度；光波导的温度发生改变时，会造成CLIPP依据导纳变化量监测得到的光波导的光功率不准确。
发明内容
本发明提供了一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法，本发明依据温度或光功率引起的光波导的导纳变化量，可以同时准确地监测得到集成光波导器件的温度和光功率，并对集成光波导器件的温度和光功率进行反馈控制，详见下文描述：
一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统，所述系统包括：CLIPP、信号读出电路和反馈控制电路，
所述CLIPP通过测量光波导在不同频率的导纳变化量，联立不同测试频率下的函数关系同时原位监测集成光波导器件的光功率、温度；
反馈控制电路根据信号读出电路得到的导纳变化量反馈控制集成光波导器件温度和光功率。
其中，所述CLIPP由光波导、光波导底部的氧化层、衬底、光波导顶部和两侧的氧化层及最上层的金属电极组成。
进一步地，所述信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成，
所述跨阻放大器将不同驱动频率的正弦信号通过金属电极的一端输入，另一端输出信号，通过跨阻放大器放大后输入到锁相放大器中，经锁相放大器解调得到不同驱动频率下的CLIPP导纳值；
通过测量不同光功率、温度下CLIPP在不同驱动频率的导纳值，减去无光条件下CLIPP在对应驱动频率的导纳值，得到不同光功率、温度的CLIPP的导纳变化量与驱动频率关系。
其中，所述反馈控制电路包括：温度控制仪、半导体制冷器、温度传感器、激光器、光功率计、比例/积分/微分调节器，用于反馈控制集成光波导器件的温度和光功率。
一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的方法，所述方法包括以下步骤：
改变集成光波导器件的温度和波导光功率，利用信号读出电路读取不同驱动频率下CLIPP的导纳变化量，选取多个驱动频率，分别拟合温度、光功率与导纳变化量的二元函数关系；
信号读出电路实时读取驱动频率下的CLIPP的导纳变化量，利用Yf＝Yf(T,P)反推出集成光波导器件的温度和光功率；
利用信号读出电路得到的集成光波导器件温度和光功率，PID调节器反馈调节温度控制器提供给TEC的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值。
其中，所述信号读出电路实时读取驱动频率下的CLIPP的导纳变化量，利用Yf＝Yf(T,P)反推出集成光波导器件的温度和光功率具体为：
测量驱动频率在不同频率下导纳变化与温度、光功率的关系，通过线性插值得到两个驱动频率下温度、光功率的导纳变化量扫描图；
测量得到两个驱动频率在相同温度、光功率下的导纳变化量，并形成两个恒定导纳变化量平面，之后对曲面进行截取，所获两条曲线在温度-光功率平面上的投影的交点即对应当前集成光波导器件的温度和光功率。
进一步地，所述PID调节器反馈调节温度控制器提供给TEC的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值具体为：
利用CLIPP监测得到的集成光波导器件温度和光功率，反馈控制电路根据温度及光功率的目标值与当前值之差，使用PID调节器调节温度控制仪的输出电流，控制集成光波导器件温度至目标值；
使用PID算法调节激光器输出功率，控制通过集成光波导器件的光功率至目标值。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、在本发明之前，利用CLIPP监测集成光波导器件的光功率没有考虑温度对导纳变化的影响，监测的光功率准确性会受温度的改变而变差。此外，集成光波导器件采用传统的监测方式无法实现原位温度监测，监测得到的集成光波导器件温度准确性较差。本发明通过监测多个驱动频率下CLIPP的导纳变化即可实现集成光波导器件的温度和光功率原位监测，降低测量复杂性的同时提高了监测温度和光功率的准确性；
2、采用反馈控制电路可以根据监测得到的温度和光功率反馈调节集成光波导器件的温度和光功率，控制集成光波导器件温度和光功率至设定值。
附图说明
图1为CLIPP结构示意图及光学显微镜照片：
其中，(a)为CLIPP结构示意图，硅波导宽度为480nm，厚度为220nm，硅波导底部氧化层和顶部氧化层厚度分别3μm和1μm，硅衬底厚度为725μm，最上层为钛/金电极，波导两端为光栅耦合器；(b)为CLIPP光学显微镜照片。
图2为CLIPP加工流程图；
图3为集成光波导器件温度和光功率同时原位监测和控制的系统示意图；
图4为无光时导纳与温度和、驱动频率的关系示意图；
其中，(a)为无光时不同驱动频率、温度下的导纳；(b)为驱动频率为1MHz时导纳与温度的关系。
图5为不同光功率、温度的CLIPP导纳变化与驱动频率关系示意图；
其中，(a)为温度为25℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系；(b)为温度为30℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系；(c)为温度为35℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系；(d)为温度为40℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系；(e)为温度为45℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系；(f)为温度为50℃时不同光功率下导纳变化量与驱动频率关系。
图6为导纳变化量与温度、光功率、驱动频率的关系示意图；
其中，(a)为不同驱动频率、温度、光功率下的导纳变化扫描图；(b)为驱动频率为1MHz时温度和光功率的共同影响得到的6nS导纳变化量和驱动频率为5MHz时温度和光功率的共同影响得到的15nS导纳变化量，联立解得对应条件下温度和光功率分别为31℃和-3dBm。
图7为集成光波导器件的温度反馈控制示意图。
其中，锁相解调带宽(BW)为3Hz。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法，该系统的总体技术方案为：
原位监测控制光波导器件温度和光功率的(即集成光波导器件温度和光功率同时进行原位监测和控制)系统包括：CLIPP 1、信号读出电路2和反馈控制电路3。
其中，CLIPP 1由光波导11、光波导底部的氧化层12、衬底13、光波导顶部和两侧的氧化层14及最上层的金属电极15组成，如图1所示。
信号读出电路2由跨阻放大器21和锁相放大器22组成，跨阻放大器22将不同驱动频率的正弦信号通过CLIPP 1的一个电极输入，正弦信号从CLIPP 1的另一个电极输出，通过跨阻放大器21放大后输入到锁相放大器22中，经锁相放大器22解调得到不同驱动频率下的CLIPP导纳值。
其中，反馈控制电路3由温度控制仪31、半导体制冷器(TEC)32、温度传感器33、激光器34、光功率计35和比例/积分/微分(PID)调节器36，用于反馈控制集成光波导器件的温度和光功率。
本系统的实现依赖于以下CLIPP 1的性质和反馈控制电路：
1、半导体材料制备的光波导的表面存在表面态吸收，CLIPP 1通过测量光波导的导纳变化量可以原位监测集成光波导器件的光功率；
2、温度会改变光波导的导纳，CLIPP 1通过测量光波导的导纳变化量可以原位监测集成光波导器件的温度；
3、温度、光波导中的光功率与CLIPP 1导纳变化量在不同的驱动频率(f)下具有不同的二元函数关系，温度(T)、波导光功率(P)为自变量，CLIPP 1导纳变化量(Y)为因变量，即Yf＝Yf(T,P)。测量CLIPP 1在不同频率的导纳变化量后，联立不同测试频率下的函数关系可以同时得到集成光波导器件的温度与光功率；
4、反馈控制电路3可以根据信号读出电路2得到的导纳变化量反馈控制集成光波导器件温度和光功率。
原位监测控制光波导器件温度和光功率的方法包括以下步骤：
首先，改变集成光波导器件的温度和波导光功率，利用信号读出电路2读取不同驱动频率下CLIPP 1的导纳变化量，选取多个合适的驱动频率，例如1MHz和5MHz，分别拟合温度、光功率与导纳变化量的二元函数关系。
之后，信号读出电路2可以实时读取这些驱动频率下CLIPP 1的导纳变化量，利用Yf＝Yf(T,P)反推出集成光波导器件的温度和光功率。
利用信号读出电路2得到的集成光波导器件温度和光功率，PID调节器36反馈调节温度控制器提供给TEC(半导体制冷器)的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值，例如25摄氏度和5mW。
实施方式一
CLIPP 1的加工流程图如图2所示。首先，利用扫描电子束曝光(SEBL)定义光波导的结构，通过感应耦合等离子体刻蚀(ICP)转移电子束曝光胶图形至器件层加工出光波导11，利用有机溶剂去除刻蚀后的残胶；之后利用离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积二氧化硅层作为光波导上包层；最后，利用紫外光刻套刻金电极15图案，利用溅射沉积钛金，通过在有机溶剂中抬离，去除多余的光刻胶和金属，加工出钛金电极15。
实施方式二：
集成光波导器件的光功率发生改变时，表面态吸收效应会导致光波导的导纳发生变化；集成光波导器件的温度发生改变时，温度引起的光波导的载流子数量和迁移率变化也会导致光波导的导纳发生变化。基于以上光波导的性质，利用CLIPP 1可以实现集成光波导器件的温度和光功率监测。
图3为集成光波导器件温度和光功率同时原位监测和控制的装置示意图。锁相放大器22输出一个频率可调的正弦电压信号，该信号通过CLIPP 1的一端钛金电极输入，由另一端钛金电极输出，经跨阻放大器(TIA)21放大为电压信号后通入锁相放大器22中，输出信号经锁相放大器22解调，得到CLIPP 1的导纳。通过测量不同光功率、温度下CLIPP 1在不同驱动频率的导纳值，减去图4所示的无光条件下CLIPP 1在对应驱动频率的导纳值，得到不同光功率、温度的CLIPP的导纳变化量与驱动频率关系，如图5所示。
实施方式三：
集成光波导器件温度和光功率的同时监测：
测量驱动频率在1MHz、5MHz下导纳变化与温度、光功率的关系，通过线性插值可以得到图6(a)所示的两个驱动频率下温度、光功率的导纳变化量扫描图。测量得到1MHz、5MHz两个驱动频率在相同温度、光功率下的导纳变化量，并形成两个恒定导纳变化量平面，之后对图6(a)中的曲面进行截取，所获两条曲线在温度-光功率平面上的投影(如图6(a)所示)的交点即对应当前集成光波导器件的温度和光功率，如图6(b)所示。
实施方式四：
集成光波导器件温度和光功率的控制：
利用CLIPP 1监测得到的集成光波导器件温度和光功率，反馈控制电路3根据温度及光功率的目标值与当前值之差，使用PID调节器36调节温度控制仪31的输出电流，控制集成光波导器件温度至目标值，如图7所示；使用PID算法调节激光器输出功率，控制通过集成光波导器件的光功率至目标值。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (7)
1.一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统，其特征在于，所述系统包括：CLIPP、信号读出电路和反馈控制电路，
所述CLIPP通过测量光波导在不同频率的导纳变化量，联立不同测试频率下的函数关系同时原位监测集成光波导器件的光功率、温度；
反馈控制电路根据信号读出电路得到的导纳变化量反馈控制集成光波导器件温度和光功率。
2.根据权利要求1所述的一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统，其特征在于，所述CLIPP由光波导、光波导底部的氧化层、衬底、光波导顶部和两侧的氧化层及最上层的金属电极组成。
3.根据权利要求1所述的一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统，其特征在于，所述信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成，
所述跨阻放大器将不同驱动频率的正弦信号通过金属电极的一端输入，另一端输出信号，通过跨阻放大器放大后输入到锁相放大器中，经锁相放大器解调得到不同驱动频率下的CLIPP导纳值；
通过测量不同光功率、温度下CLIPP在不同驱动频率的导纳值，减去无光条件下CLIPP在对应驱动频率的导纳值，得到不同光功率、温度的CLIPP的导纳变化量与驱动频率关系。
4.根据权利要求1所述的一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统，其特征在于，所述反馈控制电路包括：温度控制仪、半导体制冷器、温度传感器、激光器、光功率计、比例/积分/微分调节器，用于反馈控制集成光波导器件的温度和光功率。
5.一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
改变集成光波导器件的温度和波导光功率，利用信号读出电路读取不同驱动频率下CLIPP的导纳变化量，选取多个驱动频率，分别拟合温度、光功率与导纳变化量的二元函数关系；
信号读出电路实时读取驱动频率下的CLIPP的导纳变化量，利用Yf＝Yf(T,P)反推出集成光波导器件的温度和光功率；
利用信号读出电路得到的集成光波导器件温度和光功率，PID调节器反馈调节温度控制器提供给TEC的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值。
6.根据权利要求5所述的一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的方法，其特征在于，所述信号读出电路实时读取驱动频率下的CLIPP的导纳变化量，利用Yf＝Yf(T,P)反推出集成光波导器件的温度和光功率具体为：
测量驱动频率在不同频率下导纳变化与温度、光功率的关系，通过线性插值得到两个驱动频率下温度、光功率的导纳变化量扫描图；
测量得到两个驱动频率在相同温度、光功率下的导纳变化量，并形成两个恒定导纳变化量平面，之后对曲面进行截取，所获两条曲线在温度-光功率平面上的投影的交点即对应当前集成光波导器件的温度和光功率。
7.根据权利要求5所述的一种原位监测控制光波导器件温度和光功率的方法，其特征在于，所述PID调节器反馈调节温度控制器提供给TEC的电流以及激光器的输出光功率，调整集成光波导器件的温度和光功率至设定值具体为：
利用CLIPP监测得到的集成光波导器件温度和光功率，反馈控制电路根据温度及光功率的目标值与当前值之差，使用PID调节器调节温度控制仪的输出电流，控制集成光波导器件温度至目标值；
使用PID算法调节激光器输出功率，控制通过集成光波导器件的光功率至目标值。
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| CN202110908898.2A Active CN113639795B (zh) | 2021-08-09 | 2021-08-09 | 原位监测控制光波导器件温度和光功率的系统和方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113639795B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010031275A1 (zh) * | 2008-09-16 | 2010-03-25 | 中兴通讯股份有限公司 | 实现光模块波长锁定的控制装置和方法 |
| CN104034694A (zh) * | 2014-06-09 | 2014-09-10 | 大连理工大学 | 基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器 |
| CN108709585A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-10-26 | 北京中硕众联智能电子科技有限公司 | 一种人工皮肤及其检测压力、温湿度和调节温度的方法 |
| CN108803711A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-11-13 | 河南仕佳光子科技股份有限公司 | 一种宽温高稳定性温度自适应平坦化补偿装置 |
| CN110057446A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计 |
| CN110530355A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-12-03 | 北京航空航天大学 | 用于集成光波导陀螺谐振频率跟踪的高带宽信号检测方法 |
| CN112925122A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-08 | 华中科技大学 | 基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置及系统 |
| CN113140650A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-20 | 天津大学 | 一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器 |
-
2021
- 2021-08-09 CN CN202110908898.2A patent/CN113639795B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHAO WANG ETC.: "Characterization of Contactless Integrated Photonic Probes on Silicon Waveguides at Cryogenic Temperatures", 2021 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO), pages 1 - 2 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113639795B (zh) | 2023-10-27 |
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