CN114188818A - 一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法，微环包括微环本体、微加热器、热敏电阻层、光敏电阻层、上直波导、下直波导、直通端、下载端以及输入端；微环本体在具有绝缘体硅晶片上使用电子束光刻的方式来进行定义图案，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺对顶层硅层进行刻蚀得到；微加热器通过电子束外延和剥离工艺制备在微环本体的下方；热敏电阻层通过半导体刻蚀集成在微加热器的下方；光敏电阻层集成在下载端光栅上层。本发明提出的方法免疫输入光功率不稳定的影响，不需要额外的光电探测器，降低了波长锁定的成本，控制电路简单，可用于大规模微环阵列波长锁定，为提高微环的波长锁定稳定性提供了解决方案。

Description

一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法

技术领域

本发明属于波长锁定技术领域，具体涉及一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法。

背景技术

微环(微环谐振器)由于其光谱选择性、紧凑的占地面积和低功耗，应用于光子集成领域激光器、滤波器、开关、调制器、波长复用器/解复用器等多个领域。基于微环的光谱选择特性设计的光子器件通常容易受到温度变化的影响，温度的变化使得微环谐振波长左右漂移，则会导致谐振波长与信号波长不对准，就会影响器件的工作质量。此外由于制造误差常常导致所设计的微环谐振波长与实际谐振波长之间存在偏差，也会一定程度影响光子器件的工作质量。在实际应用中，为了消除温漂和制造误差的影响，微环的波长失调问题需要通过波长锁定方法来解决,但是现有的波长锁定方法存在一些问题：

首先，当输入光功率由于激光器输出波动或者耦合效率变化等其他因素产生波动时，带来的直通端光功率变化与微环谐振波长偏移导致的光功率变化无法区别，因此输入光功率波动一定程度上会影响波长锁定质量；其次，由于微环直通端的光功率传输谱为一个对称的谱线，当波长失调时，无论谐振波长是位于信号波长的左边还是右边，直通端光功率值都会比最小值水平高，就会无法判断应该增加加热功率还是减小加热功率，需要复杂的算法进行判断失调位置，增加了光电子控制的复杂性；再次，传统方法监测波长失调引起的参数变化都需要光电探测器来进行光电转换，增加了波长锁定的成本，也不利于大规模微环阵列的片上集成；最后，现有方法波长锁定精度不够高，通常只能锁在目标波长0.04-0.1nm范围内，一定程度上会影响光子器件的工作质量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法，在微环上集成光敏电阻来探测锁定状态，集成热敏电阻来探测微环环境温度，经外围控制电路配合成熟的PID控制算法来精确控制加热器加热功率稳定微环的环境温度来保持微环的谐振波长与信号波长始终一致。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环，包括微环本体、微加热器、热敏电阻层、光敏电阻层、上直波导、下直波导、直通端、下载端以及输入端；

微环本体在具有绝缘体硅晶片上使用电子束光刻的方式来进行定义图案，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺对顶层硅层进行刻蚀得到；

微加热器通过电子束外延和剥离工艺制备在微环本体的下方；

热敏电阻层通过半导体刻蚀集成在微加热器的下方；

光敏电阻层集成在下载端光栅上层，贴合覆盖下载端的光栅保证对下载端输出光强度的精确检测。

进一步的，微加热器占微环周长的二分之一，以保证精确调控微环的环境温度。

进一步的，热敏电阻层长度与微加热器相等，便于对微环整体环境温度的精准探测。

本发明还包括一种微环波长锁定系统，包括激光器、微环、检测单元、MCU控制单元以及加热器驱动单元；

微环具体采用本发明提供的微环；

激光器发射光信号通过光栅耦合的方式进入微环的输入端；

检测单元包括热敏电阻检测单元以及光敏电阻检测单元；热敏电阻检测单元包括热敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；热敏电阻检测单元包括光敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；

加热器驱动单元包括热调驱动电路以及12位DAC芯片；

热敏电阻检测单元用于通过检测热敏电阻的阻值获取微环的环境温度信息；

光敏电阻检测单元用于通过检测光敏电阻的阻值获取微环的波长锁定状态；

MCU控制单元用于对检测单元数据处理和控制加热器驱动单元；

加热器驱动单元用于控制微加热器加热功率。

本发明还包括基于提供的波长锁定系统的波长锁定方法，包括以下步骤：

S1、全局扫描得到最佳环境温度，以预设的步长依次增加微加热器的功率，在某一加热功率下，微环的谐振波长与输出微环的信号波长一致，记此加热功率下微环的环境温度为最佳环境温度；

S2、局部保持最佳环境温度，通过MCU控制单元和PID控制算法，保持微环的环境温度稳定在最佳环境温度；

S3、阈值报警重启，若检测到光敏电阻的阻值增大时，返回到步骤S1重新寻找最佳环境温度。

进一步的，步骤S1具体为：

激光器发射单波长为λ的光信号，初始状态下，微加热器加热功率为0mw，微环谐振波长点为λ₀，热敏电阻阻值通过热敏电阻检测单元检测得到，并通过所采用的热敏电阻的阻值-温度关系换算出相应的微环环境温度T₀；

光敏电阻阻值通过光敏电阻检测单元检测得到；

以△P为步长依次增加微加热器加热功率至最大加热功率P_max，微环的谐振波长线性发生漂移，记录微环的环境温度T_n和光敏电阻的阻值R_n；在某一加热功率下，微环的谐振波长λ_m会与信号波长λ一致，下载端的输出光的光强会因此增大导致光敏电阻的阻值减小为R_m，记此加热功率下的微环环境温度为最佳环境温度T_m。

进一步的，步骤S2具体为：

使用MCU控制单元以及PID控制算法，以每次检测得到的微环环境温度T_n与最佳环境温度T_m差值作为误差值反馈信息，设置相应的比例、积分、微分参数保证微环的环境温度稳定在最佳环境温度，进而保持微环的谐振波长与信号工作波长一致，完成微环的波长锁定过程。

进一步的，步骤S3具体为：

设置光敏电阻电阻阈值，当微环的谐振波长与信号波长失准时，下载端的光强减小导致光敏电阻的阻值增大，当检测到光敏电阻的阻值超过或达到阈值时，说明最佳环境温度T_m失准，则返回步骤S1，重新寻找最佳环境温度并执行步骤S2，再次进行波长锁定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出来的波长锁定方法免疫输入光功率不稳定的影响，不需要额外的光电探测器，降低了微环波长锁定的成本，外围控制电路、算法简单，可用于大规模微环阵列波长锁定，为提高微环的波长锁定稳定性提供了解决方案。

2、本发明方法免疫输入光功率波动的影响，由于本发明在局部锁定过程中与输出光功率无关，设置的阈值报警重启功能也对输入光功率波动有很大的容忍性。

3、本发明提高了波长锁定稳定精度，本发明的锁定方法精度按照微环的谐振波长与温度的换算关系，将波长锁定在目标波长±0.002nm以内，相比现有波长锁定的0.1nm左右的精度理论上提高了50倍。

附图说明

图1是本发明的微环的结构示意图；

图2是本发明的微环的剖面图；

图3是本发明的微环波长锁定系统结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明，一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环，包括微环本体、微加热器、热敏电阻层、光敏电阻层、上直波导、下直波导、直通端、下载端以及输入端；

微环本体在具有绝缘体硅(SOI)晶片上使用电子束光刻(EBL)的方式来进行定义图案，采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺对顶层硅层进行刻蚀得到；

微加热器通过电子束外延和剥离工艺制备在微环本体的下方；微加热器占微环周长的二分之一，以保证精确调控微环的环境温度。

热敏电阻层通过半导体刻蚀集成在微加热器的下方；热敏电阻层长度与微加热器相等，便于对微环整体环境温度的精准探测。

光敏电阻层集成在下载端光栅上层，贴合覆盖下载端的光栅保证对下载端输出光强度的精确检测。

本发明还包括基于上述实施例所述微环的微环波长锁定系统，如图3所示，包括激光器、微环、检测单元、MCU控制单元以及加热器驱动单元；

微环具体采用上述实施例所述的微环；

激光器发射光信号通过光栅耦合的方式进入微环的输入端；

检测单元包括热敏电阻检测单元以及光敏电阻检测单元；如图3所示，热敏电阻检测单元包括热敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；热敏电阻检测单元包括光敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；

加热器驱动单元包括热调驱动电路以及12位DAC芯片；

热敏电阻检测单元用于通过检测热敏电阻的阻值获取微环的环境温度信息；

光敏电阻检测单元用于通过检测光敏电阻的阻值获取微环的波长锁定状态；

MCU控制单元用于对检测单元进行数据处理和控制加热器驱动单元；

加热器驱动单元用于控制微加热器加热功率。

激光器发射特定波长光信号通过光栅耦合的方式从输入端耦合到下直波导，当光信号波长与微环的谐振波长一致时，大部分光就会从下直波导与微环的耦合处耦合进入微环继续传播，后从上直波导与微环耦合处耦合出微环，沿着上直波导通过光栅耦合的方式从下载端耦合出，此时下载端的光强就会增大影响光敏电阻的电阻值；反之，当光信号波长与微环的谐振波长有偏差时，光会大部分从直通端耦合出来，此时下载端的光强保持不变处于较低值水平，光敏电阻的电阻值不会有变化，因此可以通过检测光敏电阻的阻值来监测微环的谐振波长与信号波长的锁定状态。由于微环的谐振波长与其环境温度呈线性关系，因此施加给微加热器动态变化的加热功率可以消除微环环境温度漂移和制造误差引起的波长失调问题，施加不同的加热功率对应不同的微环环境温度，集成在微环上的热敏电阻阻值和微环环境温度是一一对应关系，通过检测热敏电阻的阻值来得到微环的环境温度信息，只要保证微加热器加热功率始终处于谐振波长与信号波长对齐时刻水平，就可以完成波长锁定过程。

本发明还包括基于上述实施例的波长锁定方法，具体包括：

S1、全局扫描得到最佳环境温度，具体为：

激光器发射单波长λ的光信号，初始状态下，微加热器加热功率为0mw，微环谐振波长点为λ₀，热敏电阻的阻值可以用简单串联电位器与热敏电阻电路以及12位ADC芯片精确探测到，通过热敏电阻的阻值—温度关系公式换算出此时的微环环境温度为T₀，初始状态下信号波长λ与微环谐振波长λ₀存在波长差，光会大部分从直通端耦合出，下载端的输出光的光强很小，光敏电阻会呈现高阻值状态，光敏电阻的阻值通过光敏电阻检测单元检测得到；

以△P为步长依次增加微加热器加热功率至最大加热功率P_max，这个过程中微环的谐振波长也会线性发生漂移，每个过程都记录微环的环境温度T_n和光敏电阻的阻值R_n。在某一加热功率下，微环的谐振波长λ_m会与信号波长λ一致，此时刻光会大部分耦合进入微环再经上直波导耦合出来，下载端的输出光的光强会因此增大导致光敏电阻的阻值急剧减小记为R_m，记此加热功率下的微环环境温度为最佳环境温度T_m。

S2、局部保持最佳环境温度，具体为：

保证微环环境温度稳定在步骤S1全局搜索到的最佳环境温度T_m即可实现微环的波长锁定过程。微环的环境温度恒温控制使用常用的MCU(STM32F4)以及经典的PID控制算法来完成，以每次探测得到的微环环境温度T_n与最佳环境温度T_m差值作为误差值反馈信息，设置合适的比例、积分、微分参数保证微环的环境温度快速稳定在最佳环境温度，进而保持微环的谐振波长与信号工作波长一致，完成微环的波长锁定过程。

S3、阈值报警重启，具体为：

基于微环的光子器件在长时间运行过程中，会出现波导折射率变化等因素导致微环谐振波长变化，或者入射激光器的发射波长也会发生漂移变化，导致微环的谐振波长与信号波长失准，影响微环的工作质量。为此，可以设置光敏电阻电阻阈值报警检测模块，当微环的谐振波长与信号波长失准时，下载端的光强减小导致光敏电阻的阻值急剧增大，通过设置合适的阈值，当检测到光敏电阻的阻值超过或达到阈值时，说明最佳环境温度T_m失准，则重新回到步骤S1寻找最佳环境温度，随后再次进行波长锁定。

本发明提出在微环上集成光敏电阻来探测锁定状态，集成热敏电阻来探测微环温度，经外围控制电路实时调节微环上的微加热器加热功率来保持微环的谐振波长与信号波长始终一致。以此来消除微环的环境温度漂移以及制造误差等对微环谐振波长的影响，完成微环波长锁定过程。相比当前常用的波长锁定方法，本发明提出来的波长锁定方法免疫输入光功率不稳定的影响，不需要额外的光电探测器，降低了微环波长锁定的成本，外围控制电路、算法简单，可用于大规模微环阵列波长锁定，为提高微环的波长锁定稳定性提供了解决方案。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环，其特征在于，包括微环本体、微加热器、热敏电阻层、光敏电阻层、上直波导、下直波导、直通端、下载端以及输入端；

微环本体在具有绝缘体硅晶片上使用电子束光刻的方式来进行定义图案，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺对顶层硅层进行刻蚀得到；

微加热器通过电子束外延和剥离工艺制备在微环本体的下方；

热敏电阻层通过半导体刻蚀集成在微加热器的下方；

光敏电阻层集成在下载端光栅上层，贴合覆盖下载端的光栅保证对下载端输出光强度的精确检测。

2.根据权利要求1所述的一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环，其特征在于，微加热器占微环周长的二分之一，以保证精确调控微环的环境温度。

3.根据权利要求2所述的一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环，其特征在于，热敏电阻层长度与微加热器相等，便于对微环整体环境温度的精准探测。

4.一种微环波长锁定系统，其特征在于，包括激光器、微环、检测单元、MCU控制单元以及加热器驱动单元；

微环具体采用权利要求1-3任一项所述的微环；

激光器发射光信号通过光栅耦合的方式进入微环的输入端；

检测单元包括热敏电阻检测单元以及光敏电阻检测单元；热敏电阻检测单元包括热敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；热敏电阻检测单元包括光敏电阻检测电路以及12位ADC芯片；

加热器驱动单元包括热调驱动电路以及12位DAC芯片；

热敏电阻检测单元用于通过检测热敏电阻的阻值获取微环的环境温度信息；

光敏电阻检测单元用于通过检测光敏电阻的阻值获取微环的波长锁定状态；

MCU控制单元用于对检测单元数据处理和控制加热器驱动单元；

加热器驱动单元用于控制微加热器加热功率。

5.基于权利要求4所述波长锁定系统的波长锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、全局扫描得到最佳环境温度，以预设的步长依次增加微加热器的功率，在某一加热功率下，微环的谐振波长与输出微环的信号波长一致，记此加热功率下微环的环境温度为最佳环境温度；

S2、局部保持最佳环境温度，通过MCU控制单元和PID控制算法，保持微环的环境温度稳定在最佳环境温度；

S3、阈值报警重启，若检测到光敏电阻的阻值增大时，返回到步骤S1重新寻找最佳环境温度。

6.根据权利要求5所述的波长锁定方法，其特征在于，步骤S1具体为：

激光器发射单波长为λ的光信号，初始状态下，微加热器加热功率为0mw，微环谐振波长点为λ₀，热敏电阻阻值通过热敏电阻检测单元检测得到，并通过所采用的热敏电阻的阻值-温度关系换算出相应的微环环境温度T₀；

光敏电阻阻值通过光敏电阻检测单元检测得到；

以△P为步长依次增加微加热器加热功率至最大加热功率P_max，微环的谐振波长线性发生漂移，记录微环的环境温度T_n和光敏电阻的阻值R_n；在某一加热功率下，微环的谐振波长λ_m会与信号波长λ一致，下载端的输出光的光强会因此增大导致光敏电阻的阻值减小为R_m，记此加热功率下的微环环境温度为最佳环境温度T_m。

7.根据权利要求6所述的波长锁定方法，其特征在于，步骤S2具体为：

使用MCU控制单元以及PID控制算法，以每次检测得到的微环环境温度T_n与最佳环境温度T_m差值作为误差值反馈信息，设置相应的比例、积分、微分参数保证微环的环境温度稳定在最佳环境温度，进而保持微环的谐振波长与信号工作波长一致，完成微环的波长锁定过程。

8.根据权利要求5所述的波长锁定方法，其特征在于，步骤S3具体为：

设置光敏电阻电阻阈值，当微环的谐振波长与信号波长失准时，下载端的光强减小导致光敏电阻的阻值增大，当检测到光敏电阻的阻值超过或达到阈值时，说明最佳环境温度T_m失准，则返回步骤S1，重新寻找最佳环境温度并执行步骤S2，再次进行波长锁定。

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