CN116613616A - 一种微环谐振器波长锁定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微环谐振器波长锁定系统及方法，包括：微环谐振器以及与微环谐振器连接的动态反馈装置；其中，微环谐振器集成有压电控制层；动态反馈装置用于获取微环谐振器的波长参数，并基于波长参数，通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；压电控制层用于将目标电压转换为应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。本发明通过在微环上集成一层压电材料，可以利用应力‑光学效应，通过施加正负偏压实时调节微环谐振器波导层的有效折射率，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种微环谐振器波长锁定系统及方法。
背景技术
微环谐振腔由于其高度灵敏的波长选择性，面积小，功耗低，便于大规模集成等优点，在激光器、滤波器、光缓存、调制器、光开关、光路由、传感器、波分复用/解复用领域，都有广泛的应用。然而，由于微环的工作波长限制在谐振腔的谐振波长处，带宽很窄。在实际应用中，基于微环的器件通常容易受到温度变化、输入激光变化、工艺偏差和噪声的影响，使得微环谐振波长左右漂移而与信号波长对不准，影响器件灵敏度和稳定性。
因此，微环谐振器在实际使用过程中，通常需要对微环的谐振波长进行动态监测调整并实时锁定，用来消除或者减弱工艺偏差、噪声、温度等随机因的影响。但是现有得多种微环波长锁定方法仍然存在着功耗大、速度慢、不能实时动态双向调整波长的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微环谐振器波长锁定系统及方法，以缓解了现有微环波长锁定方法中存在的功耗大、速度慢、不能实时动态双向调整波长的问题技术。
第一方面，本发明实施例提供了一种微环谐振器波长锁定系统，其中，系统包括：微环谐振器以及与微环谐振器连接的动态反馈装置；其中，微环谐振器集成有压电控制层；动态反馈装置用于获取微环谐振器的波长参数，并基于波长参数，通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；压电控制层用于将目标电压转换为应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。
进一步地，其中，动态反馈装置包括依次连接的光电转换模块、处理模块、控制模块以及输出模块；其中，光电转换模块与微环谐振器连接，输出模块与压电控制层连接；其中，光电转换模块用于将微环谐振器输出的光信号转换为电信号，并将电信号输出至处理模块；处理模块用于将接收到的电信号转换为数字信号，并获取波长参数，并将数字信号以及波长参数输出至控制模块；控制模块用于根据波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；输出模块用于输出目标电压至压电控制层。
进一步地，其中，微环谐振器包括依次连接的输入端、微环本体以及下载端；其中，压电控制层集成在微环本体上，光电转换模块集成在下载端。
进一步地，其中，压电控制层包括电极层和压电层；电极层用于接收控制模块输出的电压；压电层用于将接收到的电压转换为应力。
进一步地，其中，微环本体包括衬底、波导底包层、波导层、波导顶包层；其中，波导底包层设置在衬底的顶面，波导顶包层设置在波导底包层顶面，波导层设置于波导底包层与波导顶包层中间；压电控制层设置于波导顶包层顶面，用于将接收到的电压转换为应力，并向波导顶包层释放应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率。
进一步地，其中，微环本体的波导层为硅波导或氮化硅波导。
进一步地，其中，微环本体的波导层为硅波导，波导层通过下述方式得到：在绝缘体上硅衬底定义波导图案；采用蚀刻工艺对顶层硅层进行刻蚀，得到波导层。
进一步地，其中，微环本体的波导层为氮化硅波导；波导层通过下述方式得到：对硅片进行热氧化以形成带有二氧化硅包覆层的衬底；采用低压化学气相沉积的方式沉积得到氮化硅波导层；采用蚀刻工艺对氮化硅波导层进行蚀刻，得到波导层。
第二方面本申请实施例还提供了一种微环谐振器波长锁定方法，其中，该方法应用于上述任意一项的微环谐振器波长锁定系统，该方法包括：获取微环谐振器的波长参数；基于波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；将接收到的所述目标电压转换为应力，以改变所述微环谐振器的有效折射率，以对所述微环谐振器的输出波长进行锁定。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供了一种微环谐振器波长锁定系统，其中，系统包括：微环谐振器以及与微环谐振器连接的动态反馈装置；其中，微环谐振器集成有压电控制层；动态反馈装置用于获取微环谐振器的波长参数，并基于波长参数，通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；压电控制层用于将目标电压转换为应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。可以利用应力-光学效应，通过施加正负偏压实时调节微环谐振波长向左或者向右移动；而且压电材料具有双稳态特性，静态功耗几乎为零，能耗低，如采用传统的集成加热器的方法功耗都在毫瓦量级，而采用压电材料进行波长锁定的功耗在纳瓦或者微瓦量级；并且，不存在热串扰问题，保证器件可靠性。压电材料实时控制微环波长漂移。欲保护点为将压电材料集成到微环谐振器中，用作微环波长锁定。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种采用上传下载型微环的另一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种采用全通型微环的另一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种微环本体的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种压电控制层的布局示意图；
图6为本发明实施例提供的一种微环谐振器波长锁定方法的流程图；
图7为本发明实施例还提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
目前，微环谐振腔由于其高度灵敏的波长选择性，面积小，功耗低，便于大规模集成等优点，在激光器、滤波器、光缓存、调制器、光开关、光路由、传感器、波分复用/解复用领域，都有广泛的应用。微环谐振腔通常包含直波导与闭合环形波导两部分，光由输入波导的输入端输入时，传播至直波导与环形波导相邻处，部分以倏逝波的形式耦合进入环形波导。然而，由于微环的工作波长限制在谐振腔的谐振波长处，带宽很窄。在实际应用中，基于微环的器件通常容易受到温度变化、输入激光变化、工艺偏差和噪声的影响，使得微环谐振波长左右漂移而与信号波长对不准，影响器件灵敏度和稳定性。因此，微环谐振器在实际使用过程中，通常需要对微环的谐振波长进行动态监测调整并实时锁定，用来消除或者减弱工艺偏差、噪声、温度等随机因的影响。
现有的多种对微环的谐振波长进行锁定的方法，比如对微环做热隔离或者是采用补偿的方法来消除温度变化对微环的影响、在微环上集成加热器或将微环耦合到马赫-曾德尔干涉器的一条“臂”上，使得温度变化导致的微环有效光学长度变化与干涉器的有效光学长度变化相抵消，从而实现补偿。但是，上述方法仍然会收到温度的变化或是需要引入新材料才能实现对微环波长进行锁定。
基于此，本发明实施例提供了一种微环谐振器波长锁定系统，可以通过在微环上集成压电材料的方法，通过压电效应，结合动态反馈系统，实现对微环波长的动态锁定。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种微环谐振器波长锁定系统进行详细介绍。
本发明实施例提供了一种微环谐振器波长锁定系统，图1示出了一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图，如图1所示，包括：微环谐振器01以及与微环谐振器01连接的动态反馈装置02；其中，微环谐振器01集成有压电控制层011；
在实际应用中，动态反馈装置02用于获取微环谐振器的波长参数，并基于波长参数，通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；
压电控制层011用于将目标电压转换为应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率并调整谐振波长，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。
具体地，在实际应用中，可以由连接在上述微环谐振器前端的激光器发射光信号，并通过预设的光栅以耦合的方式进入微环谐振器微环的输入端，使满足微环谐振器的谐振条件的光进入微环，而不满足谐振条件的光则沿直通端传输。
如果在受外界因素干扰时，比如温度升高的情况，微环谐振器的谐振波长发生漂移，温度升高时一般为红移，即微环谐振波长增大。动态反馈装置可以通过将微环谐振器输出端的光信号转换成电信号，并利用预设的算法进行处理将电信号转换成数字信号，通过相应的参数锁定算法来确定需要施加在压电控制层上的电压，从而得到所要输出的电压参数，并将相应的电压输出到压电控制层。压电控制层可以通过压电效应，将应力施加到微环谐振器，从而引起微环波导层折射率的变化，从而实现微环谐振波长的调整和锁定。
本发明实施例通过在微环谐振器上集成一层压电材料，利用应力-光学效应，可以实现通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压，并将目标电压转换为应力，以改变微环谐振器的有效折射率对通过施加正负偏压实时调节微环谐振波长向左或者向右移动，并且由于压电材料具有双稳态特性，静态功耗几乎为零，能耗低，如采用传统的集成加热器的方法功耗都在毫瓦量级，而采用压电材料进行波长锁定的功耗在纳瓦或者微瓦量级，并且不存在热串扰问题，可以有效的保证器件的可靠性。
在实际应用中，微环谐振器可以有多种形式，如：全通型微环谐振器和上传下载型微环谐振器。本发明实施例还提供了另一种微环谐振器波长锁定系统，在上述实施例的基础上实现，图2示出了一种采用上传下载型微环的另一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图，如图2所示：
上述动态反馈装置02包括依次连接的光电转换模块021、处理模块022、控制模块023以及输出模块024；
其中，光电转换模块021与微环谐振器01处理模块022连接，输出模块024与压电控制层011连接；
具体地，光电转换模块用于将微环谐振器输出的光信号转换为电信号，并将电信号输出至处理模块；
处理模块用于将接收到的电信号转换为数字信号，并获取波长参数，并将数字信号以及波长参数输出至控制模块；
控制模块用于根据波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；
输出模块用于输出目标电压至压电控制层。
在实际应用中，上述微环谐振器01还包括依次连接的输入端012、微环本体013以及下载端014；
其中，压电控制层集成在微环本体上，光电转换模块021集成在下载端014。
具体地，微环谐振器还包括第一直波导015、第二直波导016以及直通端017；微环本体013设置在第一直波导015与第二直波导016之间；第一直波导015的一端与输入端012连接，另一端与直通端017连接；第二直波导016与下载端连接014；
其中，第一直波导015用于将满足预设谐振条件的光信号输出至微环本体013，并将通过微环本体013的光信号通过第二直波导016输出至下载端014；
第一直波导还用于将不满足谐振条件的光信号沿直通端输出。
具体地，上述的上传下载型微环是另外一种常见的微环结构，由两根直波导和一个环形波导构成，称为上传-下载型微环，与全通型结构有所区别的是，满足共振条件的波长，会从下载端口输出，其他波长的光从直通端口输出。下载端口和直通端口的光谱互补。
同时，本发明实施例还提供了另一种微环谐振器波长锁定系统，在上述实施例的基础上实现，图3示出了一种采用全通型微环的另一种微环谐振器波长锁定系统的结构示意图，如图3所示：
在实际应用中，上述微环谐振器01还包括微环本体013以及与上述微环本体耦合的直波导031，直波导031还包括直波导输入端032和直波导直通端033；
其中，上述直波导输入端与上述的光电转换模块021连接。
在此实施例中，该微环谐振器由一条直波导和环形波导构成，该类型的微环结构又称为全通型。直波导中的输入光，经过中间耦合区域时，一部分光耦合到环形波导中，一部分光保留在直波导中。耦合到环形波导中的光，经过一个周长的传播后，又来到耦合区域，又会有部分光耦合到直波导中，部分光保留在环形波导中。如此反复。
具体地，本申请实施例还提供了一种微环本体的结构示意图，如图4所示，上述微环本体013包括衬底131、波导底包层132、波导层133、波导顶包层134；
其中，波导底包层132设置在衬底的顶面，波导顶包层134设置在波导底包层132顶面，波导层133设置于波导底包层132与波导顶包层134中间；
压电控制层011设置于波导顶包层顶面，用于将接收到的电压转换为应力，并向波导顶包层和波导层释放应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率。
具体地，上述微环本体的波导层为硅波导或氮化硅波导。
在实际应用中，压电控制层011中的电极层111和压电层112可以采用多种布局形式，参见本申请实施例提供的图5所示，其中，图5为压电控制层的布局示意图。
其中，压电控制层中的电极层111和压电层112具体的布置位置不限于本申请附图中的形式，也可以采用其他形式，具体形式在此不做限制。
当微环本体的波导层为硅波导时，波导层通过下述方式得到：
在具有绝缘体硅晶片上使用光刻的方式来进行定义波导层图案；
采用蚀刻工艺对顶层硅层进行刻蚀，得到所述波导层。
当微环本体的波导层为氮化硅波导时；波导层通过下述方式得到：
对硅片进行热氧化以形成带有二氧化硅包覆层的衬底；
采用低压化学气相沉积的方式沉积得到氮化硅波导层；
采用光刻和刻蚀工艺对所述氮化硅波导层进行图形化和蚀刻，得到所述波导层。
对应于上述系统实施例，本发明实施例提供了一种微环谐振器波长锁定方法，其中，该方法应用于上述的微环谐振器波长锁定系统，图6示出了一种微环谐振器波长锁定方法的流程图，如图6所示，该方法包括如下步骤：
步骤S601，获取微环谐振器的波长参数；
步骤S602，基于波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在压电控制层上的目标电压；
步骤S603，将接收到的目标电压转换为应力，以改变微环谐振器波导层的有效折射率，以对微环谐振器的输出波长进行锁定。
本发明实施例提供的数据操作装置，其实现原理及产生的技术效果和前述数据操作方法实施例相同，为简要描述，数据操作装置的实施例部分未提及之处，可参考前述数据操作方法实施例中相应内容。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，为该电子设备的结构示意图，其中，该电子设备包括处理器71和存储器72，该存储器72存储有能够被该处理器71执行的机器可执行指令，该处理器71执行该系统可执行指令以实现上述微环谐振器波长锁定系统。
在图7示出的实施方式中，该电子设备还包括总线73和通信接口74，其中，处理器71、通信接口74和存储器72通过总线连接。
其中，存储器72可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口74(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器71可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器71中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器71可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器71读取存储器72中的信息，结合其硬件完成前述实施例的微环谐振器波长锁定方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该机器可执行指令促使处理器实现上述微环谐振器波长锁定方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的微环谐振器波长锁定系统及控制方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的微环谐振器波长锁定方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另外，在本发明实施例的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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 (9)
1.一种微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述系统包括：微环谐振器以及与所述微环谐振器连接的动态反馈装置；其中，所述微环谐振器集成有压电控制层；
所述动态反馈装置用于获取所述微环谐振器的波长参数，并基于所述波长参数，通过预设的锁定算法计算所要施加在所述压电控制层上的目标电压；
所述压电控制层用于将所述目标电压转换为应力，以改变所述微环谐振器的有效折射率，以对所述微环谐振器的输出波长进行锁定。
2.根据权利要求1所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述动态反馈装置包括依次连接的光电转换模块、处理模块、控制模块以及输出模块；
其中，所述光电转换模块与所述微环谐振器连接，所述输出模块与所述压电控制层连接；
其中，所述光电转换模块用于将所述微环谐振器输出的光信号转换为电信号，并将所述电信号输出至所述处理模块；
所述处理模块用于将接收到的所述电信号转换为数字信号，并获取所述波长参数，并将所述数字信号以及所述波长参数输出至所述控制模块；
所述控制模块用于根据所述波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在所述压电控制层上的目标电压；
所述输出模块用于输出所述目标电压至所述压电控制层。
3.根据权利要求2所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述微环谐振器包括依次连接的输入端、微环本体以及下载端；
其中，所述压电控制层集成在所述微环本体上，所述光电转换模块集成在所述下载端。
4.根据权利要求2所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述压电控制层包括电极层和压电层；
所述电极层用于接收所述控制模块输出的电压；
所述压电层用于将接收到的电压转换为应力。
5.根据权利要求3所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述微环本体包括衬底、波导底包层、波导层、波导顶包层；
其中，所述波导底包层设置在所述衬底的顶面，所述波导顶包层设置在所述波导底包层顶面，所述波导层设置于所述波导底包层与所述波导顶包层中间；
所述压电控制层设置于所述波导顶包层顶面，用于将接收到的电压转换为应力，并向所述波导顶包层和波导层释放应力，以改变所述波导层的有效折射率。
6.根据权利要求5所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述微环本体的波导层为硅波导或氮化硅波导。
7.根据权利要求6所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述微环本体的波导层为硅波导，所述波导层通过下述方式得到：
在具有绝缘体硅晶片上使用光刻的方式来进行定义波导层图案；
采用蚀刻工艺对顶层硅层进行刻蚀，得到所述波导层。
8.根据权利要求6所述的微环谐振器波长锁定系统，其特征在于，所述微环本体的波导层为氮化硅波导；所述波导层通过下述方式得到：
对硅片进行热氧化以形成带有二氧化硅包覆层的衬底；
采用低压化学气相沉积的方式沉积得到氮化硅波导层；
采用光刻和刻蚀工艺对所述氮化硅波导层进行图形化和蚀刻，得到所述波导层。
9.一种微环谐振器波长锁定方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8中任意一项的微环谐振器波长锁定系统，所述方法包括：
获取微环谐振器的波长参数；
基于所述波长参数通过预设的锁定算法计算所要施加在所述压电控制层上的目标电压；
将接收到的所述目标电压转换为应力，以改变波导层的有效折射率，以对所述微环谐振器的输出波长进行锁定。
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2023
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