CN116938334A - 一种可集成于光子芯片上的波长检测装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可集成于光子芯片上的波长检测装置及测量方法，包括多组MZI，每组MZI包括两个非对称MZI，并为每个MZI配备一个光测量装置PD，用来测量MZI的输出光强；每组中的两个MZI具有相同的FSR，相位差设置为π/2。不同组MZI之间具有不同的FSR，将记录的不同组MZI配备的光测量装置PD值拟合成函数图像，根据所述函数图像的斜率区分不同光的波长。本发明的装置可放置于可调谐激光器的出口，通过小部分分光对其波长进行分辨，能够实现在整个波长范围内的高精度测量。本发明的装置在光通信、光传感和其他领域中具有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域 ，尤其涉及一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置及测量方法。
背景技术
在光通信系统中，光信号通过不同的波长进行传送。在一般的光通信系统中，使用的波长可多达几百个不同的波长。波长的准确性，对于信号准确的传送非常重要，因此，对波长进行监控是必不可少的，相应地，不可缺少的是在光通信系统中需要配备具有波长监控功能的器件或设备。
近年来，可调谐激光器被广泛应用于光通信领域，可调谐激光器与收发器、多路复用器、分路器等设备结合使用后，相对于固定波长网络，它提高了光通信系统的灵活性。但是由于可调谐激光器的电驱动信号与输出频率之间的关系受到多重因素的影响，在工作一段时间后，初始校准的可调谐激光器可能失准超过预定阈值，因此需要通过波长监测装置实现可调谐激光器的实时校准。
传统的光模块波长监控仪器为艾达龙(etalon)设备。在使用这种设备的情况下，可调谐激光器的输出通过光耦合将小部分光分光到波长监测装置，波长监测装置通过实时测量分光波长来实现对可调谐激光器波长的控制。同时由于艾达龙本身尺寸较大，属于一种独立设备，其无法集成到光子集成芯片上。
发明内容
针对上述现有技术的问题，本发明提出了一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，包括两个非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI），并且通过波导连接每个MZI终端有一个光测量装置PD，用来测量每个MZI的输出光强；这两个MZI具有相同的自由光谱范围（FSR），并且两个MZI相位差为π/2，由于第一个光电探测器测量值与第二个光电探测器测量值的比值可用于生成控制信号。该控制信号只与波长有关而与光功率无关，这使得它可以用于校准可调谐激光器。
优选地，两个MZI形成一组MZI，检测装置包括多组MZI。
更优选地，检测装置中设置两组MZI。
优选地，不同组MZI之间FSR值可为1.01-1.1之间的任意倍数关系。
更优选地，当所述检测装置中设置两组MZI时，一组MZI的FSR设置为另一组MZI的FSR的1.01倍。
采用本装置的波长测量方法包括以下步骤：
S1 光源通过分光器，分光器1，分光器2分为主路光源和4路支路光源，4路支路光源分别进入两组MZI;
S2 将记录的不同组MZI配备的光测量装置PD值，信号放大，滤波，AD 采样和信号处理，噪声滤除后拟合成函数图像，根据所述函数图像的曲率区分不同光波长。
本发明的有益技术效果：本发明提出了一种可集成于光子芯片上的波长检测装置及测量方法，此装置可放置于可调谐激光器的出口，通过小部分分光对其波长进行分辨。通过使用非对称MZI和不同的FSR和相位差，并通过信号处理建立函数拟合图表，实现了在整个波长范围内的高精度测量。该装置在光通信、光传感和其他领域中具有重要应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例的硅光测试结构图；
图2为图1的两个MZI的透射光谱；
图3为本发明另一实施例的硅光测试结构图；
图4为本发明的实施例中在不同波长通过图一时两个光测量装置PD的读数；
图5为本发明的实施例中在不同波长通过图三不同组同相位的两个MZI的透射光谱；
图6为本发明另一实施例在4400-4600微米波长范围内的拟合函数图像；
图7为本发明另一实施例在3800-4000微米波长范围内的拟合函数图像；
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示实施例中，包括有两个MZI，并且通过波导连接每个MZI终端有一个光测量装置PD，用来测量MZI的输出光强，第一个MZI和第二个MZI具有相同的自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）。在图1示出的装置中，当光束通过MZI时，不同波长的光具有不同的透射率，透射光光谱相对于光学频率周期性变化，可根据以下等式表达：
其中T表示端口传输光谱，表示MZI两臂之间的光学相位差。在这种情况下，对于保持在共同温度下并具有共同几何形状的臂，相位差可以确定为：
其中，n表示波导模式的有效折射率，ν示光频率，C是真空中的光速，表示臂长差。在这种情况下，可以通过改变MZI的臂长以引起/>的不同值。
当为0或π时，在这些特定值附近，透射率对波长响应的变化非常缓慢。因此，通过透射光谱来测量入射光的波长的准确度会有所下降。故在本发明提出的一实施例中，将两个MZI的相位差设置为π/2，在此种情况下，当一个MZI的测量精度较低时，另一个MZI具有较高的测量精度，其光功率变化处于相对直线升降的区域。图2示出了相位差为π/2两个该MZI的透射光谱，可以看出，在两个MZI中，通过相互补偿，可以确保在整个测量范围内获得一致的测量精度。
图4示出了在不同波长通过图1所示实施例的装置时，同一组两个光测量装置PD1和PD2的读数。从图4可以看到，在整个测量范围内，波长的测量精度是一致的。
由于透射光谱拥有cosine函数的重复性，因此同样的两个光测量装置PD读数组合，会在经过2π相位后重复，造成波长分辨困难。因此，在本发明的又一优选实施中，在图1的装置结构基础上，增加了另一组两个MZI，也即包括有四个MZI，如图3所示。该四个MZI（MZI1至MZI4）为非对称的，其中MZI1和MZI2为第一组，MZI3和MZI4为第二组。每组中的MZI具有相同的自由光谱范围（FSR），即MZI1和MZI2的FSR相同，MZI3和MZI4的FSR相同。为每个MZI配备一个光测量装置PD，用于分别测量四个MZI的输出光强。
在图3所示的实施例中，更优选的是设置不同组的MZI之间具有不同的FSR。优选可以设置不同组MZI之间的FSR倍数关系，例如，第一组的FSR可以设置为第二组的1.01倍。具体的倍数数值根据实际测量的需要进行设定。这样，两组MZI的出射光强可以分辨不同光波长范围，可以扩大探测器的分辨范围，并确保在整个测量范围内都提供高精度的测量结果。图5示出的是不同组同相位的两个PD在整个测量范围内的透射光谱。
在本发明中，为了提高测量范围，在其他的实施例中，提出了对MZI组数的灵活性设置。除了在上面实施例中设置两组MZI外，还可以设置多组MZI，每组包括两个MZI。如，为三组MZI、四组MZI等。通过集成更多组的MZI，可以进一步扩大波长测量范围。
每组MZI之间的FSR不同，所以在设置多组MZI的时候，优选可以设置不同组MZI之间的FSR为成比例的整数倍，例如第一组的FSR可以设置为第二组的1.01倍、第三组的1.1倍等等。具体的倍数数值根据实际测量的需要进行设定。
这样，通过第一组MZI的出射光强可以粗略分辨光波长范围，并利用第二组MZI进一步细分，可以扩大探测器的分辨范围，并确保在整个测量范围内都提供高精度的测量结果。
利用该系统进行波长测量的过程如下：
S1光源通过分光器，分光器1，分光器2分为主路光源和4路支路光源，4路支路光源分别进入两组MZI。
S2 将记录的不同组MZI配备的光测量装置PD值，信号放大，滤波，AD 采样和信号处理，噪声滤除后拟合成函数图像，根据所述函数图像的曲率区分不同光波长。
如图6和图7所示，分别表示在3800-4000微米波长范围和4400-4600微米波长范围的函数图像。
当然，上述实施例中各组MZI之间的FSR也可以是不成比例倍数设置的，只要能够满足不同组之间的FSR不同的要求即可，可根据实际测量范围和精度的需求进行设置。
本发明的测量装置可适用于基于氧化物上硅（Silicon-on-insulator）、氮化硅、氮氧化硅或者氧化硅作为波导结构的光芯片。
本发明MZI可替换为环形谐振器。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，包括两个非对称马赫-曾德尔干涉仪MZI，并且通过波导连接每个MZI终端有一个光测量装置PD，用来测量MZI的输出光强，两个MZI具有相同的自由光谱范围FSR，其特征在于：两个MZI的相位差设置为π/2。
2.根据权利要求1所述的一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，其特征在于：所述两个MZI形成一组MZI，所述检测装置可包括多组MZI。
3.根据权利要求2所述的一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，其特征在于：所述检测装置中设置两组MZI。
4.根据权利要求2-3任一项所述的一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，其特征在于：不同组MZI之间具有不同的FSR。
5.根据权利要求2-3任一项所述的一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，其特征在于：所述不同组MZI之间的FSR为1.01-1.1之间的任意倍数。
6.根据权利要求1所述的一种可集成于光子集成芯片上的波长检测装置，其特征在于：所述同组的两个MZI可替换为两个环形谐振器。
7.一种用于可集成于光子芯片上的波长测量方法，其特征在于：根据如权利要求1所述的可集成于光子集成芯片上的波长检测装置实现，包括以下步骤：
S1 光源通过分光器，分光器1，分光器2分为主路光源和4路支路光源，4路支路光源分别进入两组MZI;
S2 将记录的不同组MZI配备的光测量装置PD值，经过信号放大，滤波，AD 采样和信号处理，噪声滤除后拟合成函数图像，根据所述函数图像的曲率区分光的波长。
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