CN103994783B - 一种基于集成光波导耦合器的波长解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于集成光波导耦合器的波长解调装置。包括集成光波导耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换模块和处理器；集成光波导耦合器的两个输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器的输入端，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接处理器。该装置采用集成光波导耦合器将待解调信号光的波长信息转化为功率信息，能实现信号的动、静态解调；由于集成器件的稳定性更优，该装置的抗扰动性能好，结构简单、紧凑，且成本低。

Description

一种基于集成光波导耦合器的波长解调装置
技术领域
本发明属于波长解调技术领域，更具体地，涉及一种基于集成光波导耦合器的波长解调装置。
背景技术
在现代传感监测领域，以波长调制作为基本原理进行传感的技术是一大热点。所谓波长调制，就是将物理量的信息转变为波长信息，这种方法具有很强的抗干扰能力(如抗光源波动、光纤弯曲损耗、相位模糊等)。波长调制传感的典型例子有：光纤光栅传感、气体环境监测、激光光源稳定性监测等。其中，光纤光栅传感的原理如下：采用宽谱光源入射，光纤光栅会将其中心波长附近极窄谱宽的光信号反射回去，光纤光栅的中心波长与光栅周期和模有效折射率有关，而这两者受外界物理量(如温度、应力、压强等)的影响，所以最后表现为反射波长随外界物理量变化而变化，从而携带了待监测的物理量信息。
在“波长调制-解调”传感机制中，波长作为信息载体，携带了待传感的物理量信息(或者波长本身作为一种信息)。因为现有的光电探测器都是光强探测型，波长信息不可能直接获取，所以如何简单、高效、精确地将波长信息提取出来成为一个亟待解决的问题。现有的解调方案有以下几种：光谱仪法、可调谐Fabry-Perot滤波器法、非平衡Mach-Zender仪法、色散元件分光法和光纤耦合器法。但是它们存在以下问题：(1)***结构复杂，成本高。如光谱仪法使用的光谱仪价格昂贵，可调谐Fabry-Perot滤波器法和非平衡Mach-Zender仪法需要引入可调谐器件，色散元件分光法需要引入分光器件和高分辨率的CCD。(2)器件可靠性及稳定性差，实用性不高。对于引入可调谐器件的方案，可调谐部分必然会带来不稳定因素(如压电器件的老化、热电器件的热稳定性等)，对于色散元件分光法，各分立器件(分光光栅、准直光路、CCD等)需要精确的定位和校准，对于光纤耦合器方案，光纤扰动带来的偏振态改变会导致解调精度的劣化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于集成光波导耦合器的波长解调装置，抗扰动性能好，结构简单、紧凑，且成本低，能实现信号的动、静态解调。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种波长解调装置，其特征在于，包括集成光波导耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换模块和处理器；所述集成光波导耦合器的两个输出端分别连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输入端，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输出端连接所述模数转换模块的输入端，所述模数转换模块的输出端连接所述处理器；所述集成光波导耦合器用于将待解调信号光转化为两路信号光输出；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别用于接收所述集成光波导耦合器输出的两路信号光，并将光信号转变为电信号；所述模数转换模块用于将模拟电信号转换为数字电信号；所述处理器用于利用数字电信号得到待解调信号光的波长。
优选地，所述处理器用于利用数字电信号计算得到P'＝(P1-P2)/(P1+P2)，并根据P'与待解调信号光波长的关系，得到待解调信号光的波长，其中，P1和P2分别为所述集成光波导耦合器输出的两路信号光的光功率。
优选地，所述集成光波导耦合器包括Si衬底、SiO2包层和Si芯层；所述Si芯层包括第一单模光波导和第二单模光波导，分别由短直波导、S形波导和长直波导构成，其中，S形波导由两段曲率半径相同的圆弧形波导连接构成；所述第一单模光波导和所述第二单模光波导相互平行且互为中心对称；所述第一单模光波导与所述第二单模光波导的脊宽分别为W1和W2，内脊高分别为H1和H2，外脊高分别为h1和h2，W1＝W2，H1＝H2，h1＝h2＝k·H1，k为0.5～0.85。
优选地，W1和W2为2.5～4.5μm。
优选地，H1和H2为8～10μm。
优选地，所述集成光波导耦合器的耦合区长度为200～400μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用集成光波导耦合器将待解调信号光的波长信息转化为功率信息，由于光功率直接反映波长信息，能实现信号的动、静态解调。
2、集成光波导耦合器的制造工艺成熟、流程简单，可以实现大规模生产，由于集成器件的稳定性更优，波长解调装置的抗扰动性能好，结构简单、紧凑，且成本低。
附图说明
图1是本发明实施例的波长解调装置示意图；
图2是集成光波导耦合器的立体图；
图3是集成光波导耦合器的波导结构示意图；
图4是集成光波导耦合器的耦合区结构示意图；
图5是本发明实施例1的波长解调装置的波长响应曲线；
图6是本发明实施例2的波长解调装置的波长响应曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的波长解调装置包括：集成光波导耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换模块和处理器。集成光波导耦合器的两个输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器的输入端，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接处理器。
上述波长解调装置的工作原理如下：外界待解调信号光进入集成光波导耦合器后，得到两路携带波长信息的信号光输出，它们分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收并被转变为电信号，模数转换模块将模拟电信号转换为数字电信号，处理器利用数字电信号计算得到P'＝(P1-P2)/(P1+P2)，其中，P1和P2分别为两路信号光的光功率，由于P'与信号光波长λ在一定范围内呈近似线性关系P'＝f(λ)，而对于给定结构的波导耦合器，f(λ)可以通过光束传播法(BeamPropagationMethod,BPM)仿真得到，从而可以根据P'与信号光波长λ的关系，得到待解调信号光的波长。
如图2和图3所示，集成光波导耦合器为双通道耦合器结构，它包括第一单模光波导和第二单模光波导，分别由短直波导、S形波导和长直波导构成(长、短均是相对的，以体现直波导的相对长度关系)，其中，S形波导由两段曲率半径相同的圆弧形波导连接构成，S形连接用于减小模式转换损耗。第一单模光波导和第二单模光波导相互平行且互为中心对称。
如图4所示，集成光波导耦合器采用SOI脊形波导结构，包括硅基衬底、SiO2包层和Si芯层。第一单模光波导与第二单模光波导的脊宽分别为W1和W2，内脊高分别为H1和H2，外脊高分别为h1和h2，耦合区波导间距为d，上述参数的变化会对波长解调装置的波长分辨率R造成影响。通过如下尺寸设计，可以得到较高的波长分辨率：W1＝W2为2.5～4.5μm，H1＝H2为8～10μm，h1＝h2＝k·H1，k为0.5～0.85，耦合区长度L为200～400μm。
增大耦合区长度L，减小耦合区波导间距d，增大h1和h2，能提高波长分辨率，但同时也会导致集成光波导耦合器的***损耗增加，因此，上述参数的具体取值应根据实际需要来确定。
实施例1
利用含有上述集成光波导耦合器的波长解调装置实现波长解调。其中，耦合区长度L＝400μm，耦合区波导间距d＝1μm，内脊高H1＝H2＝8μm，外脊高h1＝h2＝6.5μm，脊宽W1＝W2＝3μm。通过BPM仿真得到P'与信号光波长λ的关系如图5所示，可以实现1535～1565nm波段(C波段)的近似线性探测。光电探测器灵敏度为10-5mW，输入信号光功率为1～10mW，其理论波长分辨率约为1.1pm，实际应用中波长分辨率至少在10pm量级(0.01nm)。外界待解调信号光进入集成光波导耦合器后，处理器计算得到P'，根据P'与信号光波长λ的关系，得到待解调信号光的波长。
实施例2
利用含有上述集成光波导耦合器的波长解调装置实现波长解调。其中，耦合区长度L＝200μm，耦合区波导间距d＝1μm，内脊高H1＝H2＝8μm，外脊高h1＝h2＝4μm，脊宽W1＝W2＝3μm。通过BPM仿真得到P'与待解调信号光波长λ的关系如图6所示，同样可以实现C波段的近似线性探测，其理论波长分辨率约为4.6pm，尽管分辨率较低，但集成光波导耦合器的***损耗也较小。外界待解调信号光进入集成光波导耦合器后，处理器计算得到P'，根据P'与信号光波长λ的关系，得到待解调信号光的波长。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波长解调装置，其特征在于，包括集成光波导耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换模块和处理器；
所述集成光波导耦合器的两个输出端分别连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输入端，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输出端连接所述模数转换模块的输入端，所述模数转换模块的输出端连接所述处理器；
所述集成光波导耦合器用于将待解调信号光转化为两路信号光输出；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别用于接收所述集成光波导耦合器输出的两路信号光，并将光信号转变为电信号；所述模数转换模块用于将模拟电信号转换为数字电信号；所述处理器用于利用数字电信号得到待解调信号光的波长；
所述集成光波导耦合器包括Si衬底、SiO2包层和Si芯层；所述Si芯层包括第一单模光波导和第二单模光波导，分别由短直波导、S形波导和长直波导构成，其中，S形波导由两段曲率半径相同的圆弧形波导连接构成；所述第一单模光波导和所述第二单模光波导相互平行且互为中心对称；所述第一单模光波导与所述第二单模光波导的脊宽分别为W1和W2，内脊高分别为H1和H2，外脊高分别为h1和h2，W1＝W2，H1＝H2，h1＝h2＝k·H1，k为0.5～0.85。
2.如权利要求1所述的波长解调装置，其特征在于，所述处理器用于利用数字电信号计算得到P'＝(P1-P2)/(P1+P2)，并根据P'与待解调信号光波长的关系，得到待解调信号光的波长，其中，P1和P2分别为所述集成光波导耦合器输出的两路信号光的光功率。
3.如权利要求1或2所述的波长解调装置，其特征在于，W1和W2为2.5～4.5μm。
4.如权利要求1或2所述的波长解调装置，其特征在于，H1和H2为8～10μm。
5.如权利要求1或2所述的波长解调装置，其特征在于，所述集成光波导耦合器的耦合区长度为200～400μm。
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