CN1238041A - 集成干涉仪 - Google Patents

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Abstract

一种集成在硅－绝缘体芯片(它包括通过绝缘材料层(3)与基质(2)分开的硅层(1))上的干涉仪，该光学芯片具有集成在上面的光纤连接装置(13)，用于把光学芯片连接到一个或多个光纤(6)上，该光纤连接装置(13)包括形成在基质(2)上的沟槽(5)，用于放置光纤(6)；波导装置(4)，用于向光纤连接装置(13)或从光纤连接装置(13)传输光，波导装置(4)包括一个或多个形成在所述硅层(1)内的肋状波导(9)；和至少一个相位调制器(14)，用于改变沿着芯片上的肋状波导(9)传输的光的相位，该结构是这样的，即形成干涉仪，其中沿着不同光路传播的光可以组合，而且至少一个光路的有效光路长度可以通过相位调制器(14)改变。

Description

集成干涉仪
本发明涉及集成在光学芯片上的干涉仪。
为了进行高精度和高灵敏度测量，光学干涉测量法是非常成熟的技术。在这一技术中的关键部件是干涉仪，它以如下方式工作。从激光光源发出的光分成两束分开的光束。一束光照向被测对象(干涉仪的测量光路)，而另一束光与周围的环境屏蔽(干涉仪的参考光路)。通过测量光路的光束与通过参考光路的光束比较获得附加的相移φ。该相移与被测量成正比并代表该信号。通过在干涉仪的输出端把测量光束与参考光束重新组合来确定所述信号的数值。根据两束光是同相或异相，出现相长或相消干涉，产生正弦强度图样(条纹)。因为只有两束光干涉，这种类型的干涉仪称为双-光束干涉仪。干涉仪的输出关于相位是非线性的，对于相位的微小变化的灵敏度在φ=0附近为零，而在φ=π/2附近最大(90°相移点)。因此，需要进行某种信号处理以便保持固定的高灵敏度和把相移恢复成线性形式。完成这一任务的最简单方法是利用参考光路引入主动反馈以便保持恒定的相移为φ=π/2(主动零差)。这需要主动元件，虽然在一些应用中是可行的，但是在另一些应用中可能是不希望的或是不可行的。
由于传递函数关于相位的周期性特性，不能进行绝对相位测量。开关仪器也导致参考损失。
使用单模激光器的测量技术称为相干方法。虽然使用这一方法可以获得非常高的灵敏度，但是在实际使用中具有许多严重的不足之处。因为在相干方法中激光波长实际上作为校准参考，所以它必须稳定或者被监测以便进行高精度测量。例如二极管激光器必须进行温度控制以便获得高度波长稳定性。在多数情况下，还需要光学隔离器以便阻断从传感器反射进入激光器的光，该反射光将导致频率不稳定，从而导致测量系统的信噪比下降。光学隔离器和稳定特征增加了系统的成本和复杂性。
如果需要包括例如光纤Fabry-Perot类型传感器的传感器在距离激光光源一段距离处操作，还会产生许多问题。在这种情况下，干涉在该远处的传感器上发生，而且原始的相位信息变换为振幅信号，该振幅信号沿着光纤传输回到检测器。因此，电源的任何波动或由于老化或环境变化引起的沿着光纤引入的附加损失将直接影响测量结果。而且，对于远距离操作，信号处理方法需要能够在相当宽的范围内调整激光光源的辐射波长。例如，可以使用上述的主动零差技术，而且主动反馈所需要的相移由波长移动产生，该波长移动将在具有非零光程差(OPD)的干涉仪中引入相移。所需要的大调整范围可以使用分布反馈(DFB)或者分布式Bragg(DBR)激光器获得。然而，这些激光器昂贵而且大多数都需要光学隔离器拦截反射光。虽然调整范围相对大，但是实际上局限于几纳米，由于这一事实又引起其他困难。为了获得进行允许远距离操作的信号处理方法所必须的相移(大约为2π弧度或更大)，OPD必须至少为几毫米长。这意味着形成Fabry-Perot腔的两个反射面也分开几毫米。与100μm-150μm数量级的OPD(例如可能在下面将描述的白光方法中)比较，环境温度的相同变化将导致这两个反射面之间距离的变化，该距离变化比振幅大一至两个数量级。因为通过两个反射面之间的距离的相同变化检测将要测量的信号(例如施加压力的变化)，由于环境温度变化导致的误差信号在较大的腔中更为显著。
使用称为白光干涉法的相关技术可以克服上述问题。不是使用相干激光源，而是使用谱段宽度Δλ比激光的谱段宽度大得多的宽谱段光源。光源的相干长度lc与谱段宽度有关，近似关系式为lc～λpeak 2/Δλ，其中λpeak为辐射曲线的中心波长。通常，对于超发光Super-luminescent的二极管(SLD)Δλ的范围为～30nm至～50nm，分别产生55和35nm之间的短相干长度。这意味着如果故意使光程差(OPD)比光源的相干长度大得多(OPD＞＞lc)，那么通过干涉仪的两束光再次相遇时不彼此发生干涉。实际上，选择OPD比相干长度大约大三倍就足够了，导致最小OPDs大约为100μm至160μm。由被测量对象产生的附加相移可以只使用一个干涉仪(传感干涉仪)恢复。然而，通过把传感干涉仪的输出输入到OPDP与传感干涉仪的OPDs(|OPDP-OPDs|＜＜lc)的第二干涉仪(处理干涉仪)，可以使得两束光的一部分再次同相。为了利用白光干涉仪的优点，考虑波长范围是有利的。在通过OPDs＞＞lc的传感干涉仪之后，来自宽谱段光源的光包含许多对应于在相应的波长相长和相消干涉的最大值和最小值。这称为通道式谱段。OPD的变化将导致干涉条件的变化，结果导致整个通道式谱段的相移。因此，信号信息在波长范围内编码，而且系统的任何强度波动都不影响测量结果。
如果处理干涉仪与传感干涉仪的OPD刚好一样，因为两个通道式谱段的形状刚好相同而且位于相同的波长位置，则产生最大传输。任何对于条件OPDs=OPDP的偏离将导致清晰度的降低，直到下降为对应于|OPDP-OPDs|＞＞lc的零。该结果是Gaussian-型包络线下的正弦条纹图样，最大值(中心条纹)出现在OPDs=OPDP处。如果处理干涉仪是校准的，通过识别中心条纹可以测量绝对相位。
上述的白光方法具有许多优点：对于强度波动不敏感，因为信号信息编码在波长范围内；波长稳定性要求与相干方法相比大约小两个数量级，因为有效OPD等于OPDs-OPDP，白光方法是10μm数量级，相反相干方法是大约为1mm；而且可以使用象SLD’s或多模激光的光源，这些光源对于后反射不敏感，使得不需要使用光纤隔离器。较小的传感器腔意味着大大降低了温度横向灵敏度。
通常，在白光干涉方法中处理干涉仪由分离的元件构成，使用固定在转换级或光纤相位调制器上的反射镜以便改变OPDP。转换级提供有限的最大调制速度，因此只能用于测量相对低频率的信号。在全光纤形式的处理干涉仪中，很难达到和保持OPDP与OPDs匹配在～10微米范围内。也需要温度稳定性以便防止OPDP的热漂移。而且，这种处理干涉仪对于环境的变化象声波和振动非常敏感。这在低信号频率严重降低了信噪比。在处理干涉仪和光纤之间的接口也需要精确地对准。总之，如上所述的白光系统的传统实现方法提供了白光方法与相干方法比较所具有的所有主要优点。而且，处理干涉仪的分离实施包括分离的光源、检测器和耦合器，使得不能以低成本生产，所以限制了这些系统的适当的市场应用。
本发明的目的在于通过提供能够克服或避免这些缺点的集成干涉仪而克服这些不足。
根据本发明，提供了一种集成在光学芯片上的干涉仪，该光学芯片包括通过绝缘材料层与基质分开的硅层，光学芯片具有：用于把光学芯片连接到一个或多个光纤上的光纤连接装置，该光纤连接装置通过在基质上形成沟槽而设置，用于放置光纤；波导装置，用于向光纤连接装置或从光纤连接装置传输光，波导装置通过形成在所述硅层上的肋状波导而设置；和至少一个相位调制器，用于改变沿着芯片上的肋状波导传输的光的相位，该结构是这样的，即形成干涉仪，干涉仪中沿着不同光路传播的光可以组合而且至少一个光路的有效路径长度可以通过相位调制器改变。
本发明的其他特征通过下面的描述及说明书的附加权利要求书将更加清楚。
下面将结合附图进一步描述本发明，只是以举例的方式。其中：
图1是描述用于本发明的最佳实施例中的光波导类型的透视图；
图2描述用于本发明的最佳实施例中的相位调制器的这种波导的截面图；
图3A和3B分别是用于本发明的最佳实施例中的光纤连接器的侧视图和平面图；
图4是使用根据本发明第一实施例的集成干涉仪的传感系统的示意图；
图5描述用于图4所示结构的光电检测器的输出信号；
图6是图4所示传感系统的变换结构的示意图；
图7A和7B分别是描述用于本发明的最佳实施例中时光学元件安装到光学芯片上的平面图和截面图；
图8是利用根据本发明的第二实施例的集成干涉仪的传感系统的示意图；以及
图9是描述把光源或光检测器安装在光学芯片上的变换方法的截面图。
这里描述的干涉仪以图1所示类型的硅-绝缘体芯片为基础。形成这种类型芯片的方法在名称为“Reduced defect density insilicon-on-insulator structures formed by oxygenimplantation in two steps”的论文中有介绍，作者是J.Morgailet al.发表于Appl.Phys.Lett.,54,p526,1989。该论文描述了形成非常大尺寸的集成(VLSI)硅-绝缘体薄片的方法。这种薄片的硅层通过例如外延生长而增加，以便使得它适合于形成这里描述的集成干涉仪的基础。
图1也示出了形成在这种芯片上的光波导。该芯片包括硅层1，它通过二氧化硅层3与硅基质2分开。肋状波导4形成在硅层1上。对这种形式波导的更详细描述在名称为“Low Loss Single ModeOptical Waveguides with Large Cross-Section in Silicon-on-insulator”中给出，作者是J.Schmidtchen et al，发表在Electronic Letters,27,p1486,1991上和PCT专利说明书WO95/08787中。
在WO95/08787描述并示于图1中的类型的波导是用于在两个不同的集成在芯片上的元件之间传输光的。这种类型的波导提供单模低损耗(对于波长范围为1.2微米至1.6微米通常为0.5dB/cm)波导，尺寸通常为3至4微米数量级，该波导可以与光纤耦合，而且与其他集成化元件匹配。这种形式的波导也可以容易地由传统的硅-绝缘体薄片(如WO95/08787中所描述的)生产，而且生产成本相当低。
这里描述的集成干涉仪包括集成在这种芯片上的许多元件。提供光纤连接器用于把芯片与一个或多个光纤连接，而且至少提供一个相位调制器，用于调制在芯片上的波导中传输的光。
共同PCT申请PCT/GB96/01068描述了光纤连接器的适当的形式。这种光纤连接器在本说明书的图3A和3B中示出。
如图3A和3B所示，V-形沟槽5形成在硅基质2上。这种V-形沟槽可以通过KOH类型刻蚀例如CsOH刻蚀高精度形成在硅上，因为沟槽的表面在硅内部沿着特定的晶面刻蚀而成。这样可以通过适当的掩膜技术精确控制沟槽的宽度而精确确定沟槽5的深度。这种沟槽的一个特点是它没有垂直的端面，因为端面5A本身由硅内部的晶面形成，如图3A所示，端面5A相对于垂直方向倾斜35°。这意味着位于沟槽5内的光纤6不能与形成在基质2的表面上的波导4的端部接合。
为了解决这一问题，肋状波导4这样形成，即它突出在沟槽5的端面5A之上，以便使得波导4的端部可以紧密靠近位于沟槽5中的光纤6的芯6A的端部。如果沟槽5的深度大约为60微米，那么波导4的突出部分的长度将为大约80微米。
这种结构可以通过使用各向异性浸蚀液(例如上面提到的KOH类型刻蚀或它的一种变形)而制成，所述各向异性浸蚀液形成沟槽5，并且在形成沟槽的端面5A的同时下部切割光波导4的端部而不损坏波导，以便后者保持伸出在沟槽的端面5A之外。这依赖于所使用的选择地浸蚀基质材料也就是硅的浸蚀液，有利于二氧化硅绝缘层3。这样在浸蚀过程中硅波导4的下面被二氧化硅绝缘层3保护。通过在肋状波导上提供保护层例如二氧化硅，例如通过等离子体增强化学蒸汽沉积方法，肋状波导4的上面和侧面在这一过程中也被保护。这一保护层也可以用于保护肋状波导的端面以便保护端面不受损坏和防止浸蚀液浸蚀硅波导。这一保护层在生产过程的后续阶段去掉。
也可以使用适合于硅-绝缘体技术的其他类型光纤连接器。
上面提到的WO95/08787也描述了用于集成干涉仪中的适当形式的调制器。这样的调制器示于本说明书的图2中。它包括跨越如图1所示的肋状波导形成的二极管形式的掺杂结，而且设置金属化接触点7，用于连接到可以向二极管提供调制电压的电子驱动装置。
图2是结的截面图，可以看到两个重掺杂(大约≥1019掺杂原子/cm3)区域8A和8B形成在肋状波导4的侧面上；一个区域8A是n-掺杂，而另一个区域8B是p-掺杂。两个重掺杂区域8A和8B之间的区域9是p或n轻掺杂，或者标称的不掺杂。这样的二极管称为正本负二极管。选择结8A、8B和9的掺杂浓度，以便当正偏压加到二极管上时自由载流子注入区跨越区域9延伸(电子从n-型区域8A注入区域9，空穴从p-型区域8B注入区域9)。掺杂区域8A和8B沿着由期望的装置互作用长度确定的肋状波导4的长度延伸。其他结构的掺杂区域也可以，例如它们可以形成在肋状波导4的侧面的硅层1内，而不是形成在肋状波导的侧面内。
对加到结上的正向偏压的调制在二极管结的长度上调制肋状波导4中的自由载流子的浓度，结果调制肋状波导中的折射率。顺序地，该折射率调制又调制肋状波导4的模型传播常数，引起调制肋状波导的有效折射率和有效传播长度。波导的有效长度调制又调制进入装置的光与离开装置的光之间的相位差。因此，装置起光学相位调制器的作用。
也可以使用适用于硅-绝缘体技术的其他类型的调制器，例如以硅-绝缘体肋状波导为基础的热调制器。
图4描述了集成在包括上述元件的光学芯片12A上的干涉仪。来自宽谱段光源10例如超发光二极管(SLD)或边缘发光二极管(E-LED)(通常波长范围为40nm)的光进入波导4内并通过光纤连接器13(如同图3所示的那样)耦合到单模光纤6中，以便传输到传感头11中，象例如作为传感干涉仪的反射式Fabry-Perot(Fizeau)型腔。这样的传感头可以用于测量宽范围的参数，一个例子是测量压力波动，例如内燃机的汽缸内的压力波动。在传感头11内感应的相移φs与要测量的参数例如压力成正比。光学返回信号沿着同一光纤6传输并耦合回到芯片12A，并作为具有光程差(OPDP)的非平衡Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的输入，以便匹配传感头11的光程差(OPDs)。Mach-Zehnder干涉仪作为处理干涉仪。两个相位调制器14(图2所示的类型)包括在MZI中以便在MZI中产生附加的相移φP。在MZI的双相输出处，光被两个光电检测器15接收。
包围在虚线框12A中的所有元件(Si波导4、光纤连接器13和相位调制器14)都集成在芯片上。然而，在最佳结构中，光源10和检测器15也安装在芯片上，如同虚线框12B所示。如果光源10和/或检测器15不设置在芯片上，将需要附加的光纤连接器(未示出)以便把芯片12A上的波导4连接到引向光源10和/或检测器15的光纤上。
可以有几种方法取出与相移φs成正比的信号。
当处理干涉仪的光程差与传感干涉仪的光程差相近时，输出强度是普通形式A+B*COS(φd)，其中φd=φp-φs是对应于OPD差的相位差。输出作为φp的函数示意性示于图5中。可以测量相位φd或根据φs通过改变φp把相位φd锁定为固定值(接近于零)。
通过锁定φd,φp是φs的度量，这样也是传感干涉仪的光程差变化即被测量对象的度量。调制处理干涉仪，产生误差信号，该误差信号被反馈以便锁定处理干涉仪的光程差到具有固定相位差的传感干涉仪的光程差。只要反馈足够快，这一方法直接跟踪信号相位(φs)而与光源10引起的强度波动、光纤6中的损耗及传感头11的反射率变化无关。这一方法(调制和锁定)要求调制速度比信号速度高得多。因此这一方法对于所述的集成干涉仪是可行的，但是在使用分离元件的现有技术的系统中由于有限的调制速度而不能使用。
输出信号也可以从MZI的双相输出端的差值信号(l1-l2)产生，然后把系统锁定在90°相移点。差值信号成功地去除任何DC信号而且90°相移点位于输出的零点。在这种情况下，输出不受任何强度波动或可能由相位调制器14引起的振幅调制的影响。这一方法也简化了信号处理。
通过根据改变φp而跟踪φs两种锁定技术都把系统锁定在固定点(即锁定在固定的φd)。因此，测量范围只依赖于处理干涉仪的相位调制范围。如果需要大的测量范围，可以使用热相位调制器或把热相位调制器与跨越波导的掺杂结形式的相位调制器组合。掺杂的相位调制器提供快速调制，而热相位调制器起低速锁定的作用。
使用相位计是另一种可行的处理方法，而且这一方法允许多路复用不只一个传感干涉仪。这一方法通过与固定相位参考(即固定相位φp)比较直接测量φd。对于这一方法，对于传感干涉仪的任何测量范围只需2π弧度的相位调制，只要相位差φd完全在光源的相干范围以内。而且，需要调制频率比要测量的信号频率高得多。由图2所示类型的集成相位调制器所提供的高速相位调制使得可以使用该方法，而如果用于传统的分离光学系统中这一方法将受到速度的限制。
在包括两个相位调制器14的情况下，MZI的相位调制器可以设置成伪推拉模式工作，虽然每个单独相位调制器只工作在一个方向上，即它总是通过施加驱动电流使得光路变短。因为干涉仪是路径不平衡的，即在两个光路之间有非零光程差，减小较短光路的光程将增大干涉仪的OPD。另一方面，较小较长光路的光程将减小干涉仪的OPD。这意味着干涉仪的OPD可以通过分别在较短光路或较长光路中驱动相位调制器来增加或减小。因此，通过电子方式设置两个相位调制器工作在不同的方向实现伪推拉，即一个以增加驱动电流驱动，而同时另一个以减小驱动电流驱动。以这种方式，这两个相位调制器可以看作单一的相位调制器。这一方法使整个相位调制范围加倍，而且降低了振幅调制对频率范围的比值。所述的结构与通常使用的推拉方式不同，通常使用的推拉方式中相位调制器可以两种方式驱动，即可以产生正的和负的相移。
如上所述，处理干涉仪和传感干涉仪的光程差必须匹配。通常，需要匹配到大约10微米范围内。
在图4所示的结构中，来自光源10的光直接传导到传感器11而且后反射光进入处理干涉仪。
然而，如同在图6所示的结构中，来自光源10的光可以首先进入处理干涉仪，把它的输出引导到传感器11，而且后反射光由检测器15检测。这一结构具有容易用于多路复用目的的优点，其中同一处理干涉仪被用于询问从几个传感器11接收的信号。图6以虚线示出了第二传感器11A和第二检测器15A与处理干涉仪连接，作为装这种结构的一个例子。应该注意在多路复用的情况下，不便于使用锁定在90°相移点的方法，而使用其他方法例如前面描述的使用相位计的方法取出信号。
如上所述，宽谱段光源10和检测器15也最好与其他元件集成在同一芯片上。光学元件与设置在光学芯片上的光波导的组装在本申请人的共同专利申请GB2307786A中进行了描述，而且这里参考附图7A和7B进一步进行描述。
图7A和7B示出了包括与光波导4精确对准的光源10例如多模激光二极管或SLD的组件，其中光波导4是一种肋状波导形式，以便在二者之间提供低损耗耦合(损耗最好低于1-3dB)。该组件形成在硅-绝缘体芯片上。光源10放置在形成于硅-绝缘体芯片上的凹槽内，该凹槽由侧壁16和17、端部壁18及基础支撑部19形成。
光源10与肋状波导4的横向对准(沿着X-轴方向)通过把光源10的侧面10A支撑在凹槽的侧壁16上实现(如图7所示)。垂直对准(沿着Y-轴方向)通过把光源10的侧面10B支撑在凹槽的基础支撑部19上实现，如图7B所示，凹槽的基础支撑部19由形成在凹槽的任意一侧的二氧化硅层3内的平台形成。在所示出的结构中，侧壁16和基础支撑部19彼此大体垂直，而且每一个都大体上平行于波导4的光轴(波导4的光轴沿着Z-轴方向)。
最好通过把光源10的侧面10C支撑在突出部18A上，所述突出部18A设置在凹槽的端部壁18上，把光源10也沿着Z-轴调整，以便精确确定光源10与肋状波导4之间的间隔。
应该理解光电检测器15也可以类似的方式集成在光学芯片上。另一种把光源或光电检测器安装在芯片上的方法在本申请人的共同专利申请GB9702559.7(公开号_________)中进行了描述，而且这里参考图9进一步进行描述。
图9示出了硅层1、二氧化硅层3和硅基质2。肋状波导4形成在硅层1内并且终止于凹槽21内的面4A，所述凹槽21形成在硅层1内。凹槽21的对边上，面22形成在硅层1的侧面上。面22镀有铝(或其他的光学反射镀层)并且与波导4的轴成一角度。这样从波导4的面4A出射的光照射在面22上并被反射，以便再被向安装在凹槽21上方的光电检测器15传输，例如光电二极管。
上面描述的集成干涉仪比使用零散的光学元件构成的干涉仪具有显著的优点。把不同的元件集成在硅-绝缘体光学芯片上提供了以低成本大批量生产这种装置的可能。如在PCT专利申请WO95/087087中所描述的那样，这种硅-绝缘体薄片可以由传统的用于制造非常大尺寸的集成电路的薄片制造，所以可以非常低的成本制造。而且，可以利用这种硅-绝缘体光学芯片的特性，以便使得其他元件，例如光波导、光纤连接器、相位调制器、光源和光检测器，可以容易地集成在上述的同一芯片上。使用其他技术这种集成不能容易地实现，或者是不可能的。
这种元件可以集成在单一芯片上的事实带来许多优点：
A)因为在制造芯片过程中各个元件彼此自动地对准，所以避免了必须精确定位分离的元件；
B)因为在制造集成电路过程中能够精确地确定OPDP，所以容易满足匹配OPDP与OPDs的要求，而且可以高度可重复的方式制造集成干涉仪；
C)该技术适用于比较稳定形式的光源，例如超发光或边缘发光二极管，或者不需要高度稳定的光源的结构；
D)因为安装在单一芯片上，所以装置尺寸小、更坚固，而且具有较好的热和环境稳定性；
E)所使用的技术适用于光纤，所以避免了必须在芯片与光纤之间进行复杂而昂贵的连接；
F)该技术适用于如上所述的集成相位调制器，所以使得能够主动控制干涉仪的光程差；
G)该技术允许使用简单的处理技术而且能够处理更宽的信号带宽；
H)该技术能够从许多光学传感器询问信号，包括以Bragg栅为基础的传感器；
I)使用硅-绝缘体芯片提供了把光路和电信号处理电路集成在同一芯片上的潜力；
J)低成本生产的潜力。
这里描述的技术，基于使用硅-绝缘体光学芯片和把不同的光学元件集成在上面，称为ASOCTM技术(ASOC是Bookham Technology Ltd的商标)。其他的技术，例如那些基于Ⅲ-Ⅴ半导体、玻璃或铌酸锂的技术，或者是不易于达到上述的集成程度，或者根本不能达到那样的集成程度。
应该理解除了上述的Mach-Zehnder干涉仪以外，也可以使用所述的ASOCTM元件形成其他形式的干涉仪，例如Michelson或者Fabry-Perot干涉仪。
图8示出了使用Michelson干涉仪的结构的示意图。在所示的结构中，来自集成在芯片上的宽谱段光源10的光进入波导4。然后通过光纤连接器13把光从波导4耦合到光纤6中，光纤6与传感器头11相连，例如Fabry-Perot类型的传感器。沿着光纤6返回的光包含关于由将要测量的信号产生的相移φs的信息。来自光纤的光通过光纤连接器13耦合回到芯片上并进入光程差等于2neffΔL(其中neff波导4的有效传播折射率，ΔL是如图所示的实际路径差)的Michelson干涉仪。如图所示，Michelson干涉仪是反射结构的，具有两个从Y-结延伸的光路并且每个光路由反射镜20终止(该反射镜可以通过在肋状波导的端面上镀金属膜形成)。从Michelson干涉仪返回的光被也集成在芯片上的光电二极管15接收。通过使用设置在Michelson干涉仪的两个光路中的相位调制器14，可以确定相移φs。这种结构可以用于需要大光程差例如几毫米的应用中。
还应该理解，如果需要，可以把不只一个光源设置在光学芯片上。
如所述的集成干涉仪具有广泛的应用，其中将要分析的信号编码为光程差或光程差的变化。
如这里所描述的集成干涉仪可以与许多种传感器及仪器一起使用。距离测量是显然的例子，但是许多其他参数的测量也可以归结为两个光路之间的差值的测量，例如压力的测量(用受要测量的压力作用的薄膜的运动调制一个路径长度)，温度测量(用受要测量的温度影响的物体的热膨胀和/或折射率变化调制一个路径长度)，测量加速度或任何其他可以归结为或转换为OPD变化的量。压力传感器的一个具体的应用是测量内燃机的汽缸中的压力波动。
还应该理解这里所描述的集成干涉仪结构可以用于询问其他类型的传感器，例如刻在光纤上的Bragg光栅。Bragg光栅用于测量应力或温度，而且信号编码为从光栅返回的光的波长移动。使用OPD＞0的非平衡集成干涉仪，输入波长变化Δλ根据Δφ=2πOPD/λ2Δλ在两束光之间产生相移Δφ。这一相移可以使用上述信号处理方法中的一种提取出来。因为灵敏度(单位波长变化产生的相移)与干涉仪的OPD成正比，所以使用Michelson干涉仪比使用MZI有利。
这里描述的集成干涉仪也可以其他装置中，诸如开关(用于把光学信号从一个波导切换到另一个波导)和WDM(波分复用)装置，例如用于分离多波长光以便一个波长的光沿着一个波导传播，而另一波长的光沿着另一波导传播。
权利要求书
1．一种集成在光学芯片上的干涉仪，该光学芯片包括通过绝缘材料层与基质分开的硅层，光学芯片具有：用于把光学芯片连接到一个或多个光纤上的光纤连接装置，该光纤连接装置包括形成在基质上的沟槽，用于放置光纤；波导装置，用于向光纤连接装置或从光纤连接装置传输光，波导装置包括形成在所述硅层内的肋状波导；而且至少一个肋状波导包括相位调制器，用于改变沿着所述至少一个肋状波导传输的光的相位，该结构是这样的，即形成干涉仪，其中沿着不同光路传播的光可以组合，而且至少一个光路的有效光路长度可以通过相位调制器改变。
2．如权利要求1所述的干涉仪，其中光源和/或光检测器也集成在光学芯片上。
3．如权利要求2所述的干涉仪，其中光源和/或检测器安装在形成于芯片上的定位沟槽内，所述定位沟槽至少具有两个非平行的定位表面，所述光源和/或光检测器的相应表面支撑在所述的至少两个非平行的定位表面上，以便把光源和/或光检测器与芯片上的波导对准。
4．如权利要求1、2或3所述的干涉仪，其中所述的相位调制器是跨越肋状波导形成的掺杂结形式。
5．如前述权利要求中任意一项所述的干涉仪，其中所述的相位调制器是热调制器。
6．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成Mach-Zehnder干涉仪。
7．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成处理从通过光纤连接的远距离传感装置接收的信号。
8．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成处理干涉仪，用于处理从传感干涉仪接收的信号或发送至传感干涉仪的信号。
9．如权利要求7或8所述的干涉仪，其中所述的传感装置或传感干涉仪设置成传感参量，该参量的变化产生或能够变换成光程差的变化。

Claims (21)

1．一种集成在光学芯片上的干涉仪，该光学芯片包括通过绝缘材料层与基质分开的硅层，光学芯片具有：用于把光学芯片连接到一个或多个光纤上的光纤连接装置，该光纤连接装置包括形成在基质上的沟槽，用于放置光纤；波导装置，用于向光纤连接装置或从光纤连接装置传输光，波导装置包括一个或多个形成在所述硅层内的肋状波导；和至少一个相位调制器，用于改变沿着芯片上的肋状波导传输的光的相位，该结构是这样的，即形成干涉仪，其中沿着不同光路传播的光可以组合，而且至少一个光路的有效光路长度可以通过相位调制器改变。
2．如权利要求1所述的干涉仪，其中光源和/或光检测器也集成在光学芯片上。
3．如权利要求2所述的干涉仪，其中光源和/或检测器安装在形成于芯片上的定位沟槽内，所述定位沟槽至少具有两个非平行的定位表面，所述光源和/或光检测器的相应表面支撑在所述的至少两个非平行的定位表面上，以便把光源和/或光检测器与芯片上的波导对准。
4．如权利要求1、2或3所述的干涉仪，其中所述的相位调制器是跨越肋状波导形成的掺杂结形式。
5．如前述权利要求中任意一项所述的干涉仪，其中所述的相位调制器是热调制器。
6．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成Mach-Zehnder干涉仪。
7．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成处理从通过光纤连接的远距离传感装置接收的信号。
8．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，设置成处理干涉仪，用于处理从传感干涉仪接收的信号或发送至传感干涉仪的信号。
9．如权利要求7或8所述的干涉仪，其中所述的传感装置或传感干涉仪设置成传感参量，该参量的变化产生或能够变换成光程差的变化。
10．如权利要求8或9所述的干涉仪，其中所述的传感干涉仪是Fabry-Perot类型的腔。
11．如权利要求10所述的干涉仪，其中所述的Fabry-Perot类型的腔设置成测量压力。
12．如权利要求11所述的干涉仪，其中所述的Fabry-Perot类型的腔设置成测量内燃机的汽缸中的压力。
13．如权利要求7所述的干涉仪，其中所述的传感装置包括Bragg光栅结构。
14．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，连接到用于处理其输出的电处理装置上。
15．如权利要求14所述的干涉仪，其中所述的处理装置设置成利用相位锁定技术，以便把传感到的信号之间的相位差锁定为选择的值。
16．如权利要求14或15所述的干涉仪，其中所述的处理装置设置成利用由干涉仪产生的双相输出信号。
17．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，连接到白光光源上。
18．如权利要求9或17所述的干涉仪，其中所述的光程差大于白光光源的相干长度。
19．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，包括两个设置成工作在伪推拉状态的相位调制器。
20．如前述权利要求中任意一个所述的干涉仪，其中多个传感装置多路复用。
21．一种集成干涉仪，实质上如同前面参考附图所描述的那样。
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