CN108917974B - 基于ofdr的硅光芯片温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法，其中装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、硅光芯片、模斑变换器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机。本发明的测量方法基于光频域反射技术，将待测硅光芯片本身作为传感器，光通过特殊结构的模斑变换器进出芯片。温度的变化会引起芯片瑞利散射光谱移动，移动量通过测量瑞利散射光谱(温度变化后)与参考光谱(原始温度)互相关运算得到。互相关峰偏离值为移动量，对应于温度变化量。该测量方式具有空间分辨率高、精度高的特点，解决了传统传感手段传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题，特别适用于微小硅光芯片温度测量。

Description

基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法。

背景技术

硅光芯片上集成有光电转换和传输模块，通过芯片间光信号的交换进行数据传输，相较于目前使用的集成电路数据传输方式，具有损耗低、传输带宽大、传输速度快等特点，在光通信、数据中心、生物、国防、智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。与半导体芯片一样，硅光芯片在进行高频运算与数据传输时，会产生一定的能耗，导致芯片温度上升，影响光信号的控制及传输质量，因此，芯片温度实时监测显得十分必要。常用的温度传感装置存在着许多不足：例如电学传感器一般体积较大、结构复杂，难以集成在体积较小的硅光芯片上，且其使用寿命较短，频繁的更换易造成芯片损坏；特殊光纤作为传感器布设在芯片表面，一方面由于芯片体积小，光纤布设十分困难，另一方面测量温度仅反映了芯片表面的温度，不能准确反映芯片内部温度，测量准确度较低。

另外，硅光芯片的横截面积尺寸通常小于1μm，与单模光纤的芯径8～10μm相差较大，光从光纤进入小尺寸的芯片时会产生极大的损耗，光纤、硅光芯片的耦合问题阻碍了众多光纤传感技术在芯片测温中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以在硅光芯片上安装温度传感器测量硅光芯片的缺陷，提供一种将硅光芯片作为温度传感器直接测量其温度的基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、硅光芯片、模斑变换器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：

所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；

所述模斑变换器连接在所述光纤环形器和所述硅光芯片之间，且所述模斑变换器通过单模光纤与所述光纤环形器连接；所述模斑变换器为楔形体，该楔形体的一个连接端为平面端，该平面端与所述单模光纤的端部连接；该楔形体的另一个连接端为线端，该线端与所述硅光芯片连接；

所述硅光芯片通过所述模斑变换器与单模光纤耦合，信号光通过所述模斑变换器进出所述硅光芯片；所述硅光芯片上每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

所述光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；

所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；

所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对采集信号进行解调。

本发明还提供了一种基于上述装置的硅光芯片温度测量方法，包括以下步骤：

将线性扫描激光器发出的激光分为两束，一束作为参考光，另一束作为信号光；

信号光通过模斑变换器进入硅光芯片，硅光芯片每一位置产生的瑞利散射光沿路返回，经过光纤耦合器与反射回来的参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机对采集信号进行解调；

具体解调过程包括：

将参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域；

利用宽度为Δx的移动窗口将距离域信号划分为多个信号；

将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到硅光芯片每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱；

将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过温度频移系数，获得测量的硅光芯片的最终温度值。

接上述实施例，Δx大于等于空间分辨率长度。

本发明产生的有益效果是：本发明基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法，采用OFDR技术，通过测量探测光瑞利散射光谱的移动，实现温度传感。硅光芯片本身既是待测物也是传感器，无需另外布设传感器且测量结果准确反映了芯片温度，不受外界干扰，有效克服了传统传感装置中传感器复杂、布设困难、测量误差大等问题。信号光通过特殊结构的模斑变换器耦合进出芯片，损耗低，提高了测量精准度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的测量装置示意图；

图2单模光纤与芯片的耦合；

图3是本发明硅光芯片测量方法流程图；

图4是本发明硅光芯片测量方法的解调步骤流程图；

图5为采集信号的解调步骤示意图；

图6为OFDR装置采集到的信号FFT后得到的硅光芯片距离-反射强度图谱；

图7为硅光芯片上某一位置变温前及变温后的瑞利散射光谱；

图8为硅光芯片温度变化图。

图1中：1为线性扫频激光器、2为光纤分束器、3为光纤环形器、4为模斑变换器、5为硅光芯片、6为光纤耦器(1x2)、7为6光电探测器、8为数据采集卡、9为计算机。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例基于OFDR的硅光芯片温度测量装置，包括线性扫频激光器1，光纤分束器2，光纤环形器3，模斑变换器4，硅光芯片5，光纤耦合器(1x2)6，光电探测器7，数据采集卡8，计算机9。

线性扫频激光器1与光纤分束器2输入端连接，光纤分束器输出端分别与光纤环形器的a端口和光纤耦合器(1x2)的a端口连接。光纤环形器的b口通过模斑变换器与硅光芯片连接，c口与光纤耦合器b端口连接。

线性扫频激光器1作为光源发出波长周期性变化的激光，激光进入光纤分束器2被分为两路。一路为信号光，一路为参考光，参考光直接进入耦合器5的a端口。信号光进入环形器3的a端口并通过模斑变换器4进入硅光芯片5发生后向散射，后向散射光沿路返回到环形器3并通过c端口出射进入耦合器6。两路光在此处发生干涉，产生拍频信号。光电探测器7将光信号转化为电信号，被数据采集卡8采集，并在计算机9中进行运算处理得到拍频信号的频谱信息。

模斑变换器4连接在光纤环形器3和硅光芯片5之间，且模斑变换器4通过单模光纤与光纤环形器3连接.如图2所示，模斑变换器4为楔形体，该楔形体的一个连接端为平面端，该平面端与单模光纤的端部S1连接；该楔形体的另一个连接端为线端，该线端与硅光芯片5连接，连接处为硅光芯片的芯片截面S2。

本发明的测量方法基于光频域反射技术，将待测硅光芯片本身作为传感器，光通过特殊结构的模斑变换器进出芯片。温度的变化会引起芯片瑞利散射光谱移动，移动量通过测量瑞利散射光谱(温度变化后)与参考光谱(原始温度)互相关运算得到。互相关峰偏离值为移动量，对应于温度变化量。该测量方式具有空间分辨率高、精度高的特点，解决了传统传感手段传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题，特别适用于微小硅光芯片温度测量。

如图3所示，本发明基于上述实施例装置的硅光芯片测量方法具体包括以下步骤：

S10、将线性扫描激光器发出的激光分为两束，一束作为参考光，另一束作为信号光；

S20、信号光通过模斑变换器进入硅光芯片，硅光芯片每一位置产生的瑞利散射光沿路返回，经过光纤耦合器与反射回来的参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

S30、拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机对采集信号进行解调。

步骤S20中，可分两次进行采集，一次采集参考信号，一次采集测量信号。

一次采集中，线性扫描激光器发出的激光被分为两束，一束作为参考光，另一束作为信号光。信号光通过模斑变换器进入硅光芯片，硅光芯片每一位置产生的瑞利散射光沿路返回，经过耦合器与反射回来的参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号。拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机对采集信号进行解调。

由于温度的变化会引起硅光芯片瑞利散射光谱的移动，调解两次采集信号得到移动量大小就能测量芯片温度。

具体的解调步骤如图4、5所示：

S31、将采集到参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域。

S32、利用宽度为Δx的移动窗口将距离域信号划分为多个信号。

S33、将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到芯片每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱。

S34、将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过温度频移系数，获得最终温度值。

图6为使用OFDR测量装置采集到的拍频信号进行快速傅里叶变化得到的长度为1cm硅光芯片不同位置处的反射强度谱，横坐标为距离，纵坐标为反射率。利用移动窗口将整段信号划分为多段信号区后分别进行FFT^-1得到硅光芯片各位置的瑞利散射光谱。

硅光芯片上某一位置变温前及变温后的瑞利散射光谱如图7所示。度的变化会引起芯片瑞利散射光谱移动，移动量通过测量瑞利散射光谱(温度变化后)与参考光谱(原始温度)互相关运算得到。温度的升高引起该位置瑞利散射光谱向左移动，互相关峰偏离值约为0.3nm,对应于温度变化为25℃。采集到的该芯片上每一位置变温前及变温后的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到整块芯片上的温度变化情况，如图8所示。可以很清晰的看到，温度变化发生在12.788-12.799m间的某一位置。

本发明的另一个实施例是基于OFDR的硅光芯片多点温度测量。固定大小的硅光芯片，OFDR装置可测得的温度变化点数与其空间分辨率有关。从上述信号的具体解调步骤中可知，移动窗口的宽度Δx是决定空间分辨率的关键参量。Δx一定时，大于等于空间分辨率长度，任意多点位置发生温度变化时，其各点瑞利散射信号均能被采集，解调处理后得到互相关峰偏离值，直接反映了各点的温度变化情况。

综上，本发明基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法，采用OFDR技术，通过测量探测光瑞利散射光谱的移动，实现温度传感。硅光芯片本身既是待测物也是传感器，无需另外布设传感器且测量结果准确反映了芯片温度，不受外界干扰，有效克服了传统传感装置中传感器复杂、布设困难、测量误差大等问题。信号光通过特殊结构的模斑变换器耦合进出芯片，损耗低，提高了测量精准度。该测量方法空间分辨率可达1mm，精度为±0.1℃，尤其适用于微小芯片温度测量及对芯片温度测量精度要求较高的领域。

本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制，凡不脱离本发明方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、硅光芯片、模斑变换器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：

所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；

所述模斑变换器连接在所述光纤环形器和所述硅光芯片之间，且所述模斑变换器通过单模光纤与所述光纤环形器连接；所述模斑变换器为楔形体，该楔形体的一个连接端为平面端，该平面端与所述单模光纤的端部连接；该楔形体的另一个连接端为线端，该线端与所述硅光芯片连接；

所述硅光芯片通过所述模斑变换器与单模光纤耦合，信号光通过所述模斑变换器进出所述硅光芯片；所述硅光芯片上每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

所述光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；

所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；

所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对采集信号进行解调。

2.一种硅光芯片温度测量方法，其基于权利要求1所述的基于OFDR的硅光芯片温度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

将线性扫描激光器发出的激光分为两束，一束作为参考光，另一束作为信号光；

信号光通过模斑变换器进入硅光芯片，硅光芯片每一位置产生的瑞利散射光沿路返回，经过光纤耦合器与反射回来的参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机对采集信号进行解调；

具体解调过程包括：

将参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域；

利用宽度为Δx的移动窗口将距离域信号划分为多个信号；

将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到硅光芯片每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱；

将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过温度频移系数，获得测量的硅光芯片的最终温度值。

3.根据权利要求2所述的硅光芯片温度测量方法，其特征在于，Δx大于等于空间分辨率长度。