CN116608950A - 一种光谱分析装置、方法以及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱分析装置、方法以及校准方法，装置包括第一级滤波器和第二级滤波器，第一级滤波器的一输出端连接第二级滤波器的输入端，第二级滤波器的输出端连接探测器阵列；其中，第一级滤波器包括微环谐振器和MZI结构；MZI结构包括相移器，通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；微环谐振器包括相移器，通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长；第二级滤波器包括输出通道固定的多输出滤波器，第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。本方案基于可调+固定两级交织滤波器架构，减少光电探测器数量，通过MZI调控实现分辨率可调功能，第一级滤波器的滤波带宽可调，可以动态调控频谱分析的分辨率，实现灵活滤波。

Description

一种光谱分析装置、方法以及校准方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种光谱分析装置。

背景技术

OSA(Optical Spectrum Analysis，光谱分析仪)是用于测量光谱的精密仪器，通常可以根据光谱进行进一步分析。广泛应用于光学测量领域，例如激光和发光二极管等光源的表征；光学系统测试，例如光纤通信网络中的波分复用系统；测量光学系统或设备的波长相关透射率或反射率等。

现有的光谱分析仪主要是片外的台式光谱仪，例如基于光栅的光谱分析仪，将输入的多色光通过衍射光栅在空间上分散，然后发送到多通道光电探测器阵列上，例如以光电二极管阵列或一维CCD传感器，探测后得到分析结果；基于光栅的光谱分析仪普遍体积较大，同时此类方案中使用阵列光电转换器，成本较高；

又如傅里叶光谱仪，这类光谱仪基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。傅里叶光谱分析仪所需要光电转换器少，但是需要活动部件，稳定性相较光栅型差，不容易集成；集成方案中，片上可调滤波器结构不容易实现大的波长扫描范围，同时校准也比较难。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种光谱分析装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种光谱分析装置，包括第一级滤波器和第二级滤波器，第一级滤波器的一输出端连接第二级滤波器的输入端，第二级滤波器的输出端连接探测器阵列；其中，

所述第一级滤波器包括微环谐振器和MZI结构；所述MZI结构包括相移器，通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；所述微环谐振器包括相移器，通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长；

所述第二级滤波器包括输出通道固定的多输出滤波器，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

本发明创造基于第一级可调滤波器和第二级固定滤波器两级交织滤波器架构，减少光电探测器数量。本发明是光谱分析设备中的集成方案，优于现有技术的集成方案，实现分辨率可调功能，第一级滤波器的滤波带宽可调，可以动态调控频谱分析的分辨率，实现灵活滤波。带有MZI结构的可调微环谐振器可以通过控制MZI补偿实时测量过程中损耗，耦合改变引起的误差。

作为优选方案，实现稀疏交织滤波功能，通过两级滤波器稀疏交织设计，第一级滤波器的FER大于第二级滤波器的FSR，以避免色散FSR失配缺陷，以提高波长范围。

作为优选方案，所述光谱分析装置还包括至少一个监测端口。

作为优选方案，所述第一级滤波器包括微环谐振器和至少两个MZI结构，微环谐振器和每一MZI结构均配置有相移器。

作为优选方案，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

作为优选方案，所述光谱分析装置包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第四端口为探测器阵列的输出端口，其中第一端口、第二端口和第三端口分别连接第一滤波器的不同端口，第一端口、第二端口和第三端口中至少一个为待测光信号输入端，至少一个为监测端口。

进一步提出一种光谱分析方法，采用光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器配置，过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长。

进一步提出几种片上校准方法，包括：

一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对完成校准。

一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的实时校准方法，所述光谱分析装置包括连接第一端口和第二端口的第一MZI，以及连接第三端口的第二MZI，方法包括以下步骤：

第三端口输入特性已知的宽谱光源，调控第一MZI的相移器使第二端口探测功率最大，调控第二MZI相移器，再次获取使第二端口探测功率最大，同时探测器阵列的探测功率和为最小；调控微环谐振器上的相移器，确保第二端口的探测功率不变，对比预设或预校准数值，确定芯片工作状态稳定；

然后，根据预设两个MZI上相移器电压，调控微环共振器上相移器进行扫描，与预设值进行对比，确定开机状态；

运行时：第三端口工作在预设电压下输入宽谱光源，第二端口连接探测器探测功率，如果探测器探测功率改变，则第一级滤波器工作状态偏离，需要进行校准。

一种光谱分析装置校准方法，采用扫描带宽动态调控方法，包括以下步骤：

通过调节耦合系数对第一级滤波器调谐，调谐时分析光电探测器输出电流和光电探测器阵列输出电流比值的变化，若比值变化，则表示输入待测光信号不是平整的；

引入片上宽带光源，对片上进行快速准实时测试，关闭输入待测光信号或者采用隔离器进行空间复用，单独监视通路存在，可以保证可调谐部分工作期间稳定。

本发明提出的以上三种校准方法是基于可调谐微环谐振器和固定通道的多输出滤波器(如AWG)级联结构实现，保证片上器件的稳定工作所需要的校准功能，同时保证光学大带宽情况下的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种光谱分析装置

图2是第一级滤波器和第二级滤波器的滤波曲线示意图；

图3是FSR1改变之后的滤波曲线图；

图4是调控MZI结构后的第一级滤波器的滤波曲线图；

图5是第二级滤波以及稀疏扫描的数值模拟图；

图6是第一级滤波器的具体结构图；

图7是开机测试中预设值和实际输出值的比对曲线图；

图8是一种片上实时校准方法的硬件配置图；

图9是微环谐振器不同耦合系数后的滤波曲线图；

图10是图9虚线处不同的耦合系数对应的不同探测功率折线图；

图11是调控耦合系数数值模拟图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

名词解释：

FSR:自由光谱程，此处表示滤波器频谱上两个透过的峰之间的波长距离；

Coupling coefficient：耦合系数；

Phase：相位。

实施例1

参考附图1，一种光谱分析装置，具体实施为一种芯片，本方案将提出一种结构简单的光谱分析芯片，包括第一级滤波器和第二级滤波器，第一级滤波器的一输出端连接第二级滤波器的输入端，第二级滤波器的输出端连接探测器阵列；其中，

所述第一级滤波器包括微环谐振器和MZI结构；所述MZI结构包括相移器，通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；所述微环谐振器包括相移器，通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长；

所述第二级滤波器包括输出通道固定的多输出滤波器，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

其中第一级滤波器需要满足相位可调以及梳状滤波两个条件，本实施例中采用一种可调谐微环谐振器，基于相位可调配置第一层滤过的光信号，通过第二级滤波器输出通道固定的多输出滤波器实现两级交织的滤波器架构，减少光探测器的数量。

作为一种可选的实施方式，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。优选采用第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR的技术方案，本方案提出选择FSR1>FSR2，该方式可以实现稀疏扫描，适合波长扫描范围大，具有高色散的情况，可以提高光谱仪的波长范围。

作为一种可选的实施方式，所述第一级滤波器实施为微环谐振器。通过该结构，解释两级交织滤波的原理。

如图2和图3所示，图2的a是微环谐振器的滤波曲线，FSR1如图所示；图2的b是通过控制微环谐振器上的相移器进行调谐后的滤波曲线，其中不同的调制相位用不同的数字代替分别是1，2，…，N。

光信号经过第一级滤波器滤波后进入第二级滤波器，其中FSR1>＝FSR2，滤波曲线如图2的c，不同的峰对应不同的输出通道，第二级滤波器是输出通道固定的多输出滤波器。由此输入光信号经过两级滤波，波长信号会被第一级滤波器的相移器配置和第二级滤波器的输出通道唯一确定，实现光谱分析。

第二级滤波器为多输出滤波器，可选择阵列波导光栅(AWG)或者锯齿光栅(EDG)或者其他具有同类功能的滤波器。

作为一种优选的方案，所述第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR，FSR1>FSR2。上文公开的方案中提到FSR1>＝FSR2，在FSR1＝FSR2情况下，由于色散的原因，FSR1并不是一个常量，它会随着波长而变化，特别是对于波长扫描范围大的情况下，FSR1会有较明显的变化，记为FSR1’。如图3中，FSR1’<FSR1＝FSR2，这种情况下，第一级滤波器中的两个标号为1的不同波长的信号在第一级滤波器的同一配置下会进入第二级滤波器的同一个通道，造成混叠，使得光谱分析出错，无法正常工作。当FSR1>FSR2，则避免了色散FSR失配，提高波长扫描范围。

图4是第一级滤波器的输出结果展示，其中，实线phase1是初始相位情况下微环谐振器的滤波曲线，虚线phase2是控制相移器调整相位，改变了谐振波长后的滤波曲线。图4的a是没有MZI结构，仅通过微环谐振器实现相移的图，图4的b是有MZI结构改变耦合系数的图。

图5为第二级滤波以及稀疏扫描的数值模拟图，图中宽的虚线展示的是第二级滤波器的滤波曲线，该滤波曲线的FSR小于第一级微环谐振器的FSR。结合第一级滤波器调整相位之后的滤波曲线，直观展现了两级滤波稀疏交织的关系。

作为一种可选的实施方式，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

作为一种可选的实施方式，所述光谱分析装置包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第四端口为探测器阵列的输出端口，其中第一端口、第二端口和第三端口分别连接第一滤波器的不同端口，第一端口、第二端口和第三端口中至少一个为待测光信号输入端，至少一个为监测端口。

进一步，所述第一级滤波器包括微环谐振器和至少两个MZI结构，微环谐振器和每一MZI结构均配置有相移器。第一级滤波器包括四个端口，端口A，端口B，端口C和端口D，其中端口A连接第一端口，端口B连接第二端口，端口C连接第三端口和端口D连接第二级滤波器，下面提出几种可选的第一级滤波器的结构方案，包括：

(一)两个MZI结构，分别为连接端口A和端口B的MZI-a1结构，连接端口C和端口D的MZI-a2结构，MZI-a1结构和MZI-a2结构之间的环形波导，环形波导有上下两相移器，MZI-a1结构和MZI-a2结构各自包含一相移器。

连接在MZI-a1结构其中一波导线上的MZI-a2结构，其中MZI-a1结构通过分束器连接一环形波导，具体参考图6的a。

(二)三个MZI结构，分别为连接端口A和端口B的MZI-b1结构，连接端口C和端口D的MZI-b2结构，位于MZI-b1结构和MZI-b2结构中间的MZI-b3，连接MZI-b1结构和MZI-b2结构的第一环形波导，连接MZI-b2结构和MZI-b3结构的第二环形波导，两环形波导有上下两相移器，MZI-b1结构、MZI-b2和MZI-b3结构各自包含一相移器，具体参考图6的b。

(三)两个MZI结构，分别为连接四个端口的MZI-c1结构，连接在MZI-c1结构其中一波导线上的MZI-c2结构，其中MZI-c1结构通过分束器连接一环形波导，MZI-c1结构和MZI-c2结构各自包含一相移器，环形波导包含一相移器，具体参考图6的c。

实施例2：

基于实施例1的装置的基础上，以可调谐微环谐振器作为具体的第一级滤波器的工作方案作为举例，进一步公开若干种光谱分析装置的校准方法。

第一种，外部预校准方法，采用光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；如图7，如果与预设值一致，则为正常工作状态，如果为图7的a所示，探测结果与预设值相关性较好，可以平移谱线得到，则需要调整微环共振器相移器进行校准；如果为图7的b所示，几乎没有相关性，则判定为无法正常工作。

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，获取第二级滤波器响应信息，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准。

第二种，采用上述公开的光谱分析装置的实时校准方法，在进行长时间连续测试时，可以采用片上光探测器和片上宽带光源实现实时校准，以上述公开的第一种第一级滤波器结构为例，所述光谱分析装置包括连接第一端口和第二端口的第一MZI，以及连接第三端口的第二MZI，方法包括以下步骤：

硬件配置：第二端口接入探测器；

第三端口输入特性已知的宽谱光源，调控第一MZI的相移器使第二端口探测功率最大，进一步调控第二MZI的相移器，再次取得第二端口探测功率最大，同时探测器阵列的探测功率和应为最小；调控微环谐振器上的相移器，此时第二端口的探测功率应该不变，对比预设或预校准数值，确定芯片工作状态稳定；

然后，根据预设两个MZI上相移器电压，调控微环谐振器上相移器进行扫描，与预设值进行对比，确定开机状态；

运行时：第三端口工作在预设电压下输入宽谱光源，第二端口连接探测器探测功率，如果探测器探测功率改变，则第一级滤波器工作状态偏离，需要进行校准。其中第一级滤波器工作状态包括滤波响应、插入损耗等。

如图9为MZI中不同相移下的滤波曲线图，图中分别展示相位角2rad、1.5rad、1rad、0.5rad、0rad的滤波曲线。

图10为图9虚线处不同的MZI内相移下对应的不同探测功率，MZI内相移器可以改变耦合效率，从而使得探测到的功率发生改变，此时第二端口探测功率将发生改变。

在实时校准中，如果微环谐振器的耦合或者损耗发生改变会引起探测器测量的强度会发生改变，这时可以通过调节MZI中相移器使得耦合系数恢复，进行校准。如果是温度等影响了MZI中相移器造成的耦合系数改变引起的变化，可以通过调节温控，或者微调MZI内相移器进行校准。

第三种，采用扫描带宽动态调控方法，包括以下步骤：

以上述公开的三种第一级滤波器结构可以通过调控耦合系数来实现滤波形状的调控，从而实现扫描带宽(即频谱分辨率)的按需优化。

通过调节耦合系数对第一级滤波器调谐，调谐时分析光电探测器输出电流和光电探测器阵列输出电流比值的变化，若比值变化，则表示输入待测光信号不是平整的。

引入片上宽带光源，对片上进行快速准实时测试，关闭输入待测光信号或者采用隔离器进行空间复用，单独监视通路存在，可以保证可调谐部分工作期间稳定。此时测试仅需关闭输入一小会儿，其中隔离器实施为环形器。

图11为调控耦合系数数值模拟图，实线为调控MZI之前微环谐振器的滤波曲线，虚线为调制之后的微环谐振器滤波曲线，可以看出，通过调制MZI控制微环谐振器耦合系数可以实现更高的分辨率，反之也可以实现粗扫。

实施例3：

一种光谱分析方法，采用所述的光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器配置，过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光谱分析装置，其特征在于，包括第一级滤波器和第二级滤波器，第一级滤波器的一输出端连接第二级滤波器的输入端，第二级滤波器的输出端连接探测器阵列；其中，

所述第一级滤波器包括微环谐振器和MZI结构；所述MZI结构包括相移器，通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；所述微环谐振器包括相移器，通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长；

所述第二级滤波器包括输出通道固定的多输出滤波器，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

2.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR。

3.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述光谱分析装置还包括至少一个监测端口。

4.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述第一级滤波器包括微环谐振器和至少两个MZI结构，微环谐振器和每一MZI结构均配置有相移器。

5.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述光谱分析装置包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第四端口为探测器阵列的输出端口，其中第一端口、第二端口和第三端口分别连接第一滤波器的不同端口，第一端口、第二端口和第三端口中至少一个为待测光信号输入端，至少一个为监测端口。

7.一种光谱分析方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的一种光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器配置，过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

通过控制MZI结构的相位改变微环谐振器的耦合系数；通过控制相移器调整微环谐振器输出的谐振波长。

8.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用权利要求6所述的光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准。

9.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用权利要求6所述的一种光谱分析装置的实时校准方法，所述光谱分析装置包括连接第一端口和第二端口的第一MZI，以及连接第三端口的第二MZI，方法包括以下步骤：

第三端口输入特性已知的宽谱光源，调控第一MZI的相移器使第二端口探测功率最大，调控第二MZI相移器，再次获取使第二端口探测功率最大，同时探测器阵列的探测功率和为最小；调控微环谐振器上的相移器，确保第二端口的探测功率不变，对比预设或预校准数值，确定芯片工作状态稳定；

然后，根据预设两个MZI上相移器电压，调控微环共振器上相移器进行扫描，与预设值进行对比，确定开机状态；

运行时：第三端口工作在预设电压下输入宽谱光源，第二端口连接探测器探测功率，如果探测器探测功率改变，则第一级滤波器工作状态偏离，需要进行校准。

10.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用扫描带宽动态调控方法，包括以下步骤：

通过调节耦合系数对第一级滤波器调谐，调谐时分析光电探测器输出电流和光电探测器阵列输出电流比值的变化，若比值变化，则表示输入待测光信号不是平整的；

引入片上宽带光源，对片上进行快速准实时测试，关闭输入待测光信号或者采用隔离器进行空间复用，单独监视通路存在，保证可调谐部分工作期间稳定。