CN115220151A - 基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，本申请的基于微环谐振腔游标效应的硅基光波导解调器件解决了传统波长解调系统结构复杂，器件相互独立，器件之间用光纤连接导致系统鲁棒性差的问题，整个结构采硅光波导，将彼此分立的器件使用硅基光波导连接，实现了将原先彼此独立的各器件的片上集成。由于不再使用分立器件及光纤，本器件相较于现有的波长解调系统体积大幅缩小，实现了解调仪的微型化。
Description
技术领域
本申请属于半导体芯片技术领域，尤其是涉及一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件及解调方法。
背景技术
光传感器与很多其他类型传感器相比存在诸多优势，例如结构紧凑、重量轻、灵敏度高，特别是具有不受电磁干扰影响的特点。光传感系统依托于光纤，其传输距离很长，适合运用于空间规模较大的监控场景。目前光纤传感系统己经被广泛运用于监控石化设备、桥梁、建筑物等场景。作为光传感的终端，解调系统的架构模式也存在不同分支。根据光传感原理的不同分为光照强度解调、波长解调以及相位解调。
目前较为热门的光纤光栅传感器的工作原理为外界环境变化导致中心波长偏移，其配套解调系统原理为波长解调。除此之外，诸如法布里珀罗传感器等也是通过波长变化来进行监测的。根据实现方法的不同，可分为匹配光栅解调法、法布里珀罗波长滤波解调法以及波长可调谐扫描激光器法。其中匹配光栅解调法是选用一个与传感光纤光栅FBG1参数相近的光纤光栅FBG2(匹配光栅)作为检测器，使两个光栅的反射谱部分重叠。当光纤光栅受到外界变化微扰时，其输出反射谱会在一定范围内漂移；而解调光栅的反射谱是相对固定的，当传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有在两光栅反射谱重叠部分范围内的光波才能被反射，重叠面积与反射谱光强度成正比。可调谐扫描激光器法是将可调谐光输入光纤光栅，并周期性地扫描其输出波长以获取光纤光栅的反射谱(或透射谱)，由每次扫描反射光最强时的扫描电压可知相应的波长值。法布里珀罗波长滤波解调法与扫描激光光源原理类似，解调装置采用可调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时求出入射波长。基于以上三种技术的波长解调系统由于其光路较为复杂，系统内各个器件彼此分立，因此存在体积庞大的缺点。解调系统内部各光学元件之间用光纤连接，由于光纤本身的脆弱性导致系统整体鲁棒性较差。除此之外，各分立器件与光纤相连的连接处较多，导致系统整体损耗较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，包括硅基底材料已经成型在硅基底上的光学结构，所述光学结构包括：
光源、模斑转换器、第一微环、第二微环、定向耦合器及位于定向耦合器后端的光电二极管；
模斑转换器与第一微环，第一微环与第二微环之间通过硅基光波导形成光路；
所述第一微环上具有加热电极以控制第一微环的温度；
所述第二微环旁还设置有微环温度传感器，微环温度传感器用于检测第二微环的温度。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述微环温度传感器的形状为两个围绕所述第二微环的弧形。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述第二微环与定向耦合器之间也通过硅基光波导形成光路。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述硅基光波导为若干平行的线条，所述第一微环与第二微环位于相邻的两个所述硅基光波导之间，且第一微环与第二微环分别位于所述硅基光波导的两端。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述光学结构还包括环境温度传感器，环境温度传感器用于检测环境温度以确定第二微环的温漂。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述光源为半导体光放大器。
优选地，本发明的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，所述加热电极替换为电光材料。
本申请还提供一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调方法，使用上述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，包括以下步骤：
使光源接收外部光线或者自发光，光源输出的光经过模斑转换器耦合至硅基光波导中，进入第一微环，通过加热电极调节第一微环的温度，从而使第一微环后出射的光能够通过第二微环，并沿着第二微环后的硅基光波导出射，经过外接光学器件反射后原路返回硅基光波导，并通过过定向耦合器进入光电二极管；
通过微环温度传感器检测第二微环的温度，结合第二微环光线性质以计算第二微环的传输光谱；
通过加热电极或者电光材料调节第一微环的折射率，从而改变从第一微环出射的光线的传输光谱，通过第一微环和第二微环的传输光谱图得到光线依次通过第一微环和第二微环后输出的叠加光谱图，进而确定峰值波长。
本发明的有益效果是：
本申请的基于微环谐振腔游标效应的硅基光波导解调器件解决了传统波长解调系统结构复杂，器件相互独立，器件之间用光纤连接导致系统鲁棒性差的问题，整个结构采硅光波导，将彼此分立的器件使用硅基光波导连接，实现了将原先彼此独立的各器件的片上集成。由于不再使用分立器件及光纤，本器件相较于现有的波长解调系统体积大幅缩小，实现了解调仪的微型化。
本申请使用基于微环的游标效应作为波长解调原理，相较于传统的波长解调仪来说实现了对波长偏移的放大功能。例如传统的波长解调仪扫描光源中心波长偏移0.1nm时，系统输出的光中心波长也偏移0.1nm，而本器件的第一微环各峰中心波长偏移0.1nm时，系统输出的光中心波长偏移远大于0.1nm。
本申请的器件的制作可以很好适配mems工艺，相较于现在常见的解调仪中各个器件有更强的环境稳定性(可靠性、鲁棒性)，可大规模量产(降低单个成本)。此外，由于硅的坚固性，本传器件对于装配的要求相较传统波长解调仪中各个分立器件及光纤来说大大降低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例1的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件的一种实施方式结构示意图；
图2是本申请实施例2的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件的另一种实施方式结构示意图；
图3是图2所示的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件的光路图；
图4是效果实施例中第一微环处于初始状态时第一微环的传输光谱图；
图5是效果实施例中第二微环的传输光谱图；
图6是效果实施例中整个系统的传输光谱图；
图7是效果实施例中第一微环在加热电极工作下各个峰中心波长向右偏移0.1nm时的传输光谱图；
图8是效果实施例中第一微环在加热电极工作下各个峰中心波长向右偏移0.2nm时的传输光谱图；
图9是效果实施例中第一微环在加热电极工作下各个峰中心波长向右偏移0.3nm时的传输光谱图；
图4-图9中横轴为波长，纵轴为透射率。
图中的附图标记为：
1-半导体光放大器；
2-硅基底；
3-模斑转换器；
4-硅基光波导；
5-温度传感器；
6-加热电极；
71-第一微环；
72-第二微环；
8-温度传感器；
9-定向耦合器；
10-光电二极管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，如图1所示，包括硅基底材料2已经成型在硅基底上的光学结构，所述光学结构包括：
光源1、模斑转换器3、第一微环71、第二微环72、定向耦合器9及位于定向耦合器9后端的光电二极管10，
模斑转换器3与第一微环71，第一微环71与第二微环72之间通过硅基光波导4形成光路；
所述第一微环71上具有加热电极6以控制第一微环71的温度；
所述第二微环72旁还设置有微环温度传感器8，微环温度传感器8用于检测第二微环72的温度。
进一步地，所述微环温度传感器8的形状为两个围绕所述第二微环72的弧形，以提高温度检测的精准度。
进一步地，所述第二微环72与定向耦合器9之间也通过硅基光波导4形成光路。
进一步地，所述硅基光波导4为若干平行的线条，所述第一微环71与第二微环72位于相邻的两个所述硅基光波导4之间，且第一微环71与第二微环72分别位于所述硅基光波导4的两端。这种布置方式能够极大地降低整个结构的长度。
进一步地，所述光学结构还包括环境温度传感器5，环境温度传感器5用于检测环境温度以确定第二微环72的温漂，所述环境温度传感器5位于整个结构的长度方向的边缘。
进一步地，所述光源1为半导体光放大器。
如图3所示，整个结构依托于硅基底材料2，光源1输出的光经过模斑转换器3耦合至硅基光波导4中。光沿硅基光波导4行进至第一微环71处，发生耦合效应，光的波长满足谐振方程时，光全部进入微环并逆时针行进至右侧硅基光波导4处，发生耦合效应，光全部进入硅基光波导4。光延硅基光波导行进至右上方第二微环72处，发生耦合效应，光的波长满足谐振方程时，光全部进入微环并顺时针行进至右侧硅基光波导4处，发生耦合效应，光全部进入硅基光波导4。光沿着硅基光波导出射，经过外接光学器件(如F-P腔传感器、光纤布拉格光栅等)反射后原路返回硅基光波导4。返回的光经过定向耦合器9进入光电二极管10。
作为一种可替代的实施方案，所述加热电极6替换为电光材料，利用电光效应调制第一微环71折射率。
实施例2
本实施例提供一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调方法，使用实施例1的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，包括以下步骤：
使光源1接收外部光线或者自发光，光源1输出的光经过模斑转换器3耦合至硅基光波导4中，进入第一微环71，通过加热电极6调节第一微环71的温度，从而使第一微环71后出射的光能够通过第二微环72，并沿着第二微环72后的硅基光波导4出射，经过外接光学器件反射后原路返回硅基光波导4，并通过定向耦合器9进入光电二极管10；
通过微环温度传感器8检测第二微环72的温度，结合第二微环72光线性质以计算第二微环72的传输光谱；
通过加热电极6或者电光材料调节第一微环71的折射率，从而改变从第一微环71出射的光线的传输光谱，通过第一微环71和第二微环72的传输光谱图得到光线依次通过第一微环71和第二微环72后输出的叠加光谱图，进而确定峰值波长。
光在微环中实现谐振的条件是：谐振波长的整数倍等于微环的光程，即，
Mλm＝neffL
其中，M为任意正整数，λm表示第M阶谐振波长，L为微环谐振腔的周长(微环本身的光线性质决定)，neff为谐振腔波导的有效折射率(为微环本身的光线性质决定。)。
效果实施例
以第一微环和第二微环初始起始波长1540nm，带宽10nm，第一微环的FSR为0.9nm，第二微环的FSR为1nm。
当第一微环处于初始状态时(常温下)，第一微环传输光谱如图4所示，第二微环的传输光谱如图5所示，此时系统的传输光谱，如图6所示。
第一微环与第二微环在波长为1549nm处光强均达到最大值，因此系统传输光谱于1549nm处存在光强极大值峰。
当加热电极工作，改变第一微环温度从而使第二微环的各个峰中心波长向右偏移0.1nm时，系统传输光谱如图7所示。
第一微环和第二微环在波长为1541nm处光强极大值重合，故系统传输光谱中于此处存在光强极大值峰。
当加热电极工作，改变第一微环温度从而使第一微环的各个峰中心波长向右偏移0.2nm时，系统传输光谱如图8所示。：
此时，第一微环和第二微环在波长为1542nm处光强极大值重合，故系统传输光谱中于此处存在光强极大值峰。
当加热电极工作，改变第一微环温度从而使第一微环的各个峰中心波长向右偏移0.3nm时，系统传输光谱如图9所示.
此时，第一微环和第二微环在波长为1543nm处光强极大值重合，故系统传输光谱中于此处存在光强极大值峰。
以此类推，第一微环各峰中心波长每向右偏移0.1nm，整个器件的输出光中心波长向右偏移1nm，实现了10倍偏移放大功能。
根据游标效应，我们可以通过调节第一微环的各峰中心波长使整个器件的出射波长发生改变，当解调器件的波长选择性与传感器的波长选择性匹配时，光经过反射被光电二极管接收，从而实现波长解调。游标效应指：每个微环谐振腔的传输光谱都是具有周期性最大值的梳状反射谱，但是两个微环谐振腔反射率最大值周期性出现的波长(频率)不同，在使用时只有同时处于两个微环谐振腔光谱最大反射率位置上的模式才能够具有较低的损耗，因此最有可能形成光的谐振放大；需要进行波长调谐时，可以采用电调谐或者热调谐的办法使其中一个微环谐振腔的传输光谱发生红移或蓝移，使得不同波长的反射峰发生重合，这样传输波长就实现了切换。这种调节机制被称为游标效应，一个微环谐振腔的谐振峰的细微改变，就可依次使间隔较远的谐振峰与另外一个微环谐振腔的另外的谐振峰重合，进而使对应于间隔较远的波长的模式实现激射；若同时调节两个微环谐振腔也可以实现波长在小范围内的调谐功能。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，包括硅基底材料(2)已经成型在硅基底上的光学结构，所述光学结构包括：
光源(1)、模斑转换器(3)、第一微环(71)、第二微环(72)、定向耦合器(9)及位于定向耦合器(9)后端的光电二极管(10)；
模斑转换器(3)与第一微环(71)，第一微环(71)与第二微环(72)之间通过硅基光波导(4)形成光路；
所述第一微环(71)上具有加热电极(6)以控制第一微环(71)的温度；
所述第二微环(72)旁还设置有微环温度传感器(8)，微环温度传感器(8)用于检测第二微环(72)的温度。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述微环温度传感器(8)的形状为两个围绕所述第二微环(72)的弧形。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述第二微环(72)与定向耦合器(9)之间也通过硅基光波导(4)形成光路。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述硅基光波导(4)为若干平行的线条，所述第一微环(71)与第二微环(72)位于相邻的两个所述硅基光波导(4)之间，且第一微环(71)与第二微环(72)分别位于所述硅基光波导(4)的两端。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述光学结构还包括环境温度传感器(5)，环境温度传感器(5)用于检测环境温度以确定第二微环(72)的温漂。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述光源(1)为半导体光放大器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，其特征在于，所述加热电极(6)替换为电光材料。
8.一种基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调方法，使用权利要求1-7任一项所述的基于微环谐振腔游标效应硅基光波导解调器件，包括以下步骤：
使光源(1)接收外部光线或者自发光，光源(1)输出的光经过模斑转换器(3)耦合至硅基光波导(4)中，进入第一微环(71)，通过加热电极(6)调节第一微环(71)的温度，从而使第一微环(71)后出射的光能够通过第二微环(72)，并沿着第二微环(72)后的硅基光波导(4)出射，经过外接光学器件反射后原路返回硅基光波导(4)，并通过过定向耦合器(9)进入光电二极管(10)；
通过微环温度传感器(8)检测第二微环(72)的温度，结合第二微环(72)光线性质以计算第二微环(72)的传输光谱；
通过加热电极(6)或者电光材料调节第一微环(71)的折射率，从而改变从第一微环(71)出射的光线的传输光谱，通过第一微环(71)和第二微环(72)的传输光谱图得到光线依次通过第一微环(71)和第二微环(72)后输出的叠加光谱图，进而确定峰值波长。
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