一種基于集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置。包括集成光波導耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和處理器；集成光波導耦合器的兩個輸出端分別連接第一光電探測器和第二光電探測器的輸入端，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接處理器。該裝置采用集成光波導耦合器將待解調(diào)信號光的波長信息轉(zhuǎn)化為功率信息，能實現(xiàn)信號的動、靜態(tài)解調(diào)；由于集成器件的穩(wěn)定性更優(yōu)，該裝置的抗擾動性能好，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且成本低。
【專利說明】—種基于集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于波長解調(diào)【技術(shù)領域】，更具體地，涉及一種基于集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代傳感監(jiān)測領域，以波長調(diào)制作為基本原理進行傳感的技術(shù)是一大熱點。所謂波長調(diào)制，就是將物理量的信息轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL信息，這種方法具有很強的抗干擾能力(如抗光源波動、光纖彎曲損耗、相位模糊等)。波長調(diào)制傳感的典型例子有:光纖光柵傳感、氣體環(huán)境監(jiān)測、激光光源穩(wěn)定性監(jiān)測等。其中，光纖光柵傳感的原理如下:采用寬譜光源入射，光纖光柵會將其中心波長附近極窄譜寬的光信號反射回去，光纖光柵的中心波長與光柵周期和模有效折射率有關，而這兩者受外界物理量(如溫度、應力、壓強等)的影響，所以最后表現(xiàn)為反射波長隨外界物理量變化而變化，從而攜帶了待監(jiān)測的物理量信息。
[0003]在“波長調(diào)制-解調(diào)”傳感機制中，波長作為信息載體，攜帶了待傳感的物理量信息(或者波長本身作為一種信息)。因為現(xiàn)有的光電探測器都是光強探測型，波長信息不可能直接獲取，所以如何簡單、高效、精確地將波長信息提取出來成為一個亟待解決的問題?，F(xiàn)有的解調(diào)方案有以下幾種:光譜儀法、可調(diào)諧Fabry-Perot濾波器法、非平衡Mach-Zender儀法、色散元件分光法和光纖耦合器法。但是它們存在以下問題:(I)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本高。如光譜儀法使用的光譜儀價格昂貴，可調(diào)諧Fabry-Perot濾波器法和非平衡Mach-Zender儀法需要引入可調(diào)諧器件，色散元件分光法需要引入分光器件和高分辨率的CCD。(2)器件可靠性及穩(wěn)定性差，實用性不高。對于引入可調(diào)諧器件的方案，可調(diào)諧部分必然會帶來不穩(wěn)定因素(如壓電器件的老化、熱電器件的熱穩(wěn)定性等)，對于色散元件分光法，各分立器件(分光光柵、準直光路、CCD等)需要精確的定位和校準，對于光纖耦合器方案，光纖擾動帶來的偏振態(tài)改變會導致解調(diào)精度的劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置，抗擾動性能好，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且成本低，能實現(xiàn)信號的動、靜態(tài)解調(diào)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種波長解調(diào)裝置，其特征在于，包括集成光波導耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和處理器；所述集成光波導耦合器的兩個輸出端分別連接所述第一光電探測器和所述第二光電探測器的輸入端，所述第一光電探測器和所述第二光電探測器的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述處理器；所述集成光波導耦合器用于將待解調(diào)信號光轉(zhuǎn)化為兩路信號光輸出；所述第一光電探測器和所述第二光電探測器分別用于接收所述集成光波導耦合器輸出的兩路信號光，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；所述模?shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號；所述處理器用于利用數(shù)字電信號得到待解調(diào)信號光的波長。[0006]優(yōu)選地，所述處理器用于利用數(shù)字電信號計算得到P’ = (P1-P2)/(P^P2),并根據(jù)P’與待解調(diào)信號光波長的關系，得到待解調(diào)信號光的波長，其中，P1和P2分別為所述集成光波導耦合器輸出的兩路信號光的光功率。
[0007]優(yōu)選地，所述集成光波導耦合器包括Si襯底、SiO2包層和Si芯層；所述31芯層包括第一單模光波導和第二單模光波導，分別由短直波導、S形波導和長直波導構(gòu)成，其中，S形波導由兩段曲率半徑相同的圓弧形波導連接構(gòu)成；所述第一單模光波導和所述第二單模光波導相互平行且互為中心對稱；所述第一單模光波導與所述第二單模光波導的脊寬分別為W1和W2,內(nèi)脊高分別為H1和H2，外脊高分別為hi和K27W1 = W27H1 = Hyh1 =h2 = k -H1,k 為 0.5 ~0.85。
[0008]優(yōu)選地，WJPW2為 2.5 ~4.5 μ m。
[0009]優(yōu)選地，H1和H2為8~10 μ m。
[0010]優(yōu)選地，所述集成光波導稱合器的稱合區(qū)長度為200~400 μ m。
[0011]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果: [0012]1、采用集成光波導耦合器將待解調(diào)信號光的波長信息轉(zhuǎn)化為功率信息，由于光功率直接反映波長信息，能實現(xiàn)信號的動、靜態(tài)解調(diào)。
[0013]2、集成光波導耦合器的制造工藝成熟、流程簡單，可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，由于集成器件的穩(wěn)定性更優(yōu)，波長解調(diào)裝置的抗擾動性能好，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例的波長解調(diào)裝置示意圖；
[0015]圖2是集成光波導耦合器的立體圖；
[0016]圖3是集成光波導耦合器的波導結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是集成光波導耦合器的耦合區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實施例1的波長解調(diào)裝置的波長響應曲線；
[0019]圖6是本發(fā)明實施例2的波長解調(diào)裝置的波長響應曲線。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的波長解調(diào)裝置包括:集成光波導耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和處理器。集成光波導耦合器的兩個輸出端分別連接第一光電探測器和第二光電探測器的輸入端，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接處理器。
[0022]上述波長解調(diào)裝置的工作原理如下:外界待解調(diào)信號光進入集成光波導耦合器后，得到兩路攜帶波長信息的信號光輸出，它們分別被第一光電探測器和第二光電探測器接收并被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，模?shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，處理器利用數(shù)字電信號計算得到P’ = (P1-P2V(PJP2),其中，PJP P2分別為兩路信號光的光功率，由于P’與信號光波長λ在一定范圍內(nèi)呈近似線性關系P’ = f (λ)，而對于給定結(jié)構(gòu)的波導耦合器，f ( λ )可以通過光束傳播法(BeamPropagation Method, BPM)仿真得到，從而可以根據(jù)P’與信號光波長λ的關系，得到待解調(diào)信號光的波長。
[0023]如圖2和圖3所示，集成光波導耦合器為雙通道耦合器結(jié)構(gòu)，它包括第一單模光波導和第二單模光波導，分別由短直波導、S形波導和長直波導構(gòu)成(長、短均是相對的，以體現(xiàn)直波導的相對長度關系)，其中，S形波導由兩段曲率半徑相同的圓弧形波導連接構(gòu)成，S形連接用于減小模式轉(zhuǎn)換損耗。第一單模光波導和第二單模光波導相互平行且互為中心對稱。
[0024]如圖4所示，集成光波導耦合器采用SOI脊形波導結(jié)構(gòu)，包括硅基襯底、SiO2包層和Si芯層。第一單模光波導與第二單模光波導的脊寬分別為W1和W2,內(nèi)脊高分別為H1和H2，外脊高分別為Ill和h2，耦合區(qū)波導間距為d，上述參數(shù)的變化會對波長解調(diào)裝置的波長分辨率R造成影響。通過如下尺寸設計，可以得到較高的波長分辨率=W1 = W2為2.5?
4.5 μ m，H1 = H2 為 8 ?10 μ m，hi = h2 = k.H1, k 為 0.5 ?0.85，耦合區(qū)長度 L 為 200 ?400 μ m0
[0025]增大耦合區(qū)長度L，減小耦合區(qū)波導間距d，增大Ill和h2，能提高波長分辨率，但同時也會導致集成光波導耦合器的插入損耗增加，因此，上述參數(shù)的具體取值應根據(jù)實際需要來確定。
[0026]實施例1
[0027]利用含有上述集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置實現(xiàn)波長解調(diào)。其中，耦合區(qū)長度L = 400 μ m,稱合區(qū)波導間距d = I μ m,內(nèi)脊高H1 = H2 = 8 μ m,外脊高Ii1 = h2 = 6.5 μ m,脊寬Wi=W2Z3ymtj通過BPM仿真得到P’與信號光波長λ的關系如圖5所示，可以實現(xiàn)1535?1565nm波段(C波段)的近似線性探測。光電探測器靈敏度為10_5mW,輸入信號光功率為I?10mW，其理論波長分辨率約為1.1pm，實際應用中波長分辨率至少在IOpm量級(0.0lnm)。外界待解調(diào)信號光進入集成光波導耦合器后，處理器計算得到P’，根據(jù)P’與信號光波長λ的關系，得到待解調(diào)信號光的波長。
[0028]實施例2
[0029]利用含有上述集成光波導耦合器的波長解調(diào)裝置實現(xiàn)波長解調(diào)。其中，耦合區(qū)長度L = 200 μ m, I禹合區(qū)波導間距d = I μ m,內(nèi)脊高H1 = H2 = 8 μ m,外脊高Ii1 = h2 = 4 μ m,脊寬W1 = W2 = 3 μ m。通過BPM仿真得到P’與待解調(diào)信號光波長λ的關系如圖6所示，同樣可以實現(xiàn)C波段的近似線性探測，其理論波長分辨率約為4.6pm,盡管分辨率較低，但集成光波導耦合器的插入損耗也較小。外界待解調(diào)信號光進入集成光波導耦合器后，處理器計算得到P’，根據(jù)P’與信號光波長λ的關系，得到待解調(diào)信號光的波長。
[0030]本領域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種波長解調(diào)裝置，其特征在于，包括集成光波導耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和處理器； 所述集成光波導耦合器的兩個輸出端分別連接所述第一光電探測器和所述第二光電探測器的輸入端，所述第一光電探測器和所述第二光電探測器的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述處理器； 所述集成光波導稱合器用于將待解調(diào)信號光轉(zhuǎn)化為兩路信號光輸出；所述第一光電探測器和所述第二光電探測器分別用于接收所述集成光波導耦合器輸出的兩路信號光，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；所述模?shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號；所述處理器用于利用數(shù)字電信號得到待解調(diào)信號光的波長。
2.如權(quán)利要求1所述的波長解調(diào)裝置，其特征在于，所述處理器用于利用數(shù)字電信號計算得到P’ = (P1-P2)/(P^P2),并根據(jù)P’與待解調(diào)信號光波長的關系，得到待解調(diào)信號光的波長，其中，P1和P2分別為所述集成光波導耦合器輸出的兩路信號光的光功率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的波長解調(diào)裝置，其特征在于，所述集成光波導耦合器包括Si襯底、SiO2包層和Si芯層；所述Si芯層包括第一單模光波導和第二單模光波導,分別由短直波導、S形波導和長直波導構(gòu)成，其中，S形波導由兩段曲率半徑相同的圓弧形波導連接構(gòu)成；所述第一單模光波導和所述第二單模光波導相互平行且互為中心對稱；所述第一單模光波導與所述第二單模光波導的脊寬分別為W1和W2,內(nèi)脊高分別為H1和H2，外脊高分別為 Ii1 和 h2, W1 = W2, H1 = H2, Ii1 = h2 = k.H1, k 為 0.5 ~0.85。
4.如權(quán)利要求3所 述的波長解調(diào)裝置，其特征在于，W1和W2為2.5~4.5 μ m。
5.如權(quán)利要求3所述的波長解調(diào)裝置，其特征在于，H1和H2為8~10μ m。
6.如權(quán)利要求3所述的波長解調(diào)裝置，其特征在于，所述集成光波導耦合器的耦合區(qū)長度為200~400 μ m。
【文檔編號】G01D5/26GK103994783SQ201410222293
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】孫軍強, 江佳霖 申請人:華中科技大學