CN115987388A - 一种锁定硅基微环谐振器偏移谐振中心位置的检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基微环谐振器的检测***，特别是一种锁定硅基微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***，包括微环谐振器装置和检测电路：微环谐振器装置包含分束器、移相器、硅基微环谐振器和合束器；检测电路包含光电探测器、跨阻放大器、乘法器、低通滤波器、加法器、直流信号发生器和抖动信号发生器。微环谐振器装置产生的监测光传输到检测电路部分，检测电路部分产生检测信号，本发明根据检测信号的大小判断硅基微环谐振器的工作状态，锁定偏离硅基微环谐振器谐振中心的位置，并且对输入光功率的变化不敏感。

Description

一种锁定硅基微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***

技术领域

本发明涉及一种硅基微环谐振器的检测***，特别是一种锁定硅基微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***。

背景技术

随着网络流量的不断增大，人们的需求不断增加，传统通信方式逐渐难以满足人们的需要，光通信技术开始蓬勃发展，光通信技术中包含光互联技术，基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)的片上光互联技术具有延时小、带宽大、损耗小等优点，为解决当前面临网络流量增大带来的问题提供了一种解决方法。

微环谐振器(Micro Ring Resonator,MRR)是由波导构成的一种光学器件，半径小，可集成度高，是属于光互联技术中的一种器件，具有波长选择特性，能将特定波长的光选择出来，在密集波分复用***(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)中发挥着关键作用，常用作滤波器、开关、调制器等。但硅基微环谐振器的热光系数较大，易受温度的影响，微环谐振器谐振波长易发生偏移，可能导致为微环谐振器未工作在谐振状态，且微环谐振器的半径很小，对工艺要求高，出现制造误差难以避免，每次制造出的微环谐振器谐振波长不一定是设计的谐振波长，导致微环谐振器未工作在最佳状态，因此对微环谐振器波长锁定和波长偏移检测是十分必要的。最大值检测法是一种常用的微环谐振器波长锁定的方法，该方法使用光电探测器等元件检测微环谐振器输出光电流的大小，在谐振状态下，微环谐振器的输出光强度最大，此时微环谐振器处于谐振状态，该方法即使用光电探测器检测该光电流大小判断微环谐振器的工作状态。平衡零差探测法也是一种常用的检测微环谐振器工作波长的方法，该方法将输入光分成两部分，一部分光与微环谐振器下载端输出的光经马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)进行合束，改变马赫曾德尔干涉仪一条臂上的相位，检测该合束光的光强，当光强为零时，此时的光波长即为微环谐振器的谐振波长，以此检测微环谐振器是否工作在谐振状态。以上两种方法都是锁定微环谐振器谐振中心的位置，未锁定微环谐振器偏离谐振中心的位置，并且锁定结果易受输入光功率的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种使用相干检测的方法，锁定硅基微环谐振器偏离谐振中心的位置，并且对输入光功率不敏感的检测***。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种锁定微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***，其包括：

一个微环谐振器装置，包括一个上下路型的硅基微环谐振器、一个分束器、一个移相器和一个合束器；

所述硅基微环谐振器的谐振公式为：

2πRN_eff＝mλ₀,m＝0,1,2,…

其中，R为硅基微环谐振器的半径，N_eff为有效折射率，λ₀为谐振波长；

所述分束器的一个输入端连接一个传输波导一的一端，其两个输出端分别连接一个传输波导二的一端和一个传输波导三的一端，所述移相器设于传输波导三上，所述合束器的一个输入端连接一个传输波导三的另一端，其另一个输入端连接一个传输波导四，其一个输出端连接一个传输波导五的一端，所述硅基微环减振器和传输波导二之间形成耦合区域一，所述硅基微环减振器和传输波导四之间形成耦合区域二，耦合区域一与耦合区域二具有相同的结构，所述传输波导一的另一端为微环谐振器装置的光输入端，所述传输波导二的另一端为硅基微环谐振器的光输出端，所述传输波导四上对接合束器的一端为硅基微环谐振器的光下载端，所述传输波导五的另一端为微环谐振器装置的监测光输出端；

所述分束器的电场分量表达式为：

其中，Ein为传输波导一中的输入光，Eo₁＝Eo₂，Eo₁为传输波导二中的光，β₁为传输波导二的传输常数，L₁为传输波导二的长度，Eo₂为传输波导三中的光，β₂为传输波导三的传输常数，L₂为传输波导三的长度；

所述硅基微环谐振器下载端的传输函数为：

其中，E_drop为硅基微环谐振器下载端中的光，k₁,k₂分别为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的耦合系数，t₁,t₂为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的透射系数，α为损耗，θ为硅基微环谐振器中光的相位变化；

所述合束器的传输函数为：

其中，Eo为合束后的光，Eo₁₁与Eo₁₂分别为合束器结构的两个输入；

所述硅基微环谐振器下载端中的光E_drop与传输波导三中的光Eo₂经合束器合束的光为：

其中，Eo即为监测光；

一个检测电路，包括一个光电探测器，一个跨阻放大器，一个乘法器，一个低通滤波器，一个加法器，一个直流信号发生器和一个抖动信号发生器；

所述加法器的一个输入端连接直流信号发生器的一个输出端，其另一个输入端连接抖动信号发生器的一个输出端；所述光电探测器的一个输出端连接跨阻放大器的一个输入端，所述跨阻放大器的一个输出端连接乘法器的一个输入端，所述抖动信号发生器的另一个输出端连接乘法器的另一个输入端，所述乘法器的一个输出端连接低通滤波器的一个输入端，所述低通滤波器的一个输出端为检测电路的检测信号输出端；

所述乘法器的解调方程为：

其中，A,B分别表示跨阻放大器输出的电压幅度和抖动信号的电压幅度,其中A包含了监测光的斜率信息，ω为抖动信号的频率；

其中，所述检测电路中加法器的一个输出端连接硅基微环谐振器的加热电阻，所述微环谐振器装置的监测光输出端连接检测电路中光电探测器的一个输入端。

本发明得到的一种锁定微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***，能够锁定硅基微环谐振器偏离谐振中心的位置，并且对输入光功率不敏感。

附图说明

图1是本发明中上下路型的硅基微环谐振器的结构示意图；

图2是本发明中上下路型的硅基微环谐振器的传输光谱仿真曲线；

图3是本发明中微环谐振器装置的结构示意图；

图4是本发明中检测***的结构示意图；

图5是本发明中不同输入光功率，跨阻放大器输出的仿真曲线；

图6是本发明中不同输入光功率，检测信号的仿真曲线；

图7是本发明中不同输入光功率，检测信号与跨阻放大器输出相除的仿真曲线。

图中：分束器1、移相器2、合束器3、传输波导三4、硅基微环谐振器5、传输波导二6、传输波导四7、耦合区域一8、耦合区域二9、传输波导一10、传输波导五11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为上下路型的硅基微环谐振器的结构图，包括输入端(Input端)，下载端(Drop端)和直通端(Through端)。微环谐振器具有波长选择特性，其谐振公式为：

2πRN_eff＝mλ₀,m＝0,1,2,…

其中，R为微环谐振器的半径，N_eff为有效折射率，满足该等式的波长λ₀为谐振波长。满足微环谐振器谐振公式的光将从下载端输出，不满足的则从直通端输出，如图2所示，下载端的传输谱线是洛伦兹曲线，在谐振波长处取到最大值，即下载端谐振波长的光强最大，其余波长的光强相对较弱，相对应地，直通端谐振波长处的光强最小，其余波长的光相对较强。因此硅基微环谐振器具有波长选择特性。

图3所示为本发明的微环谐振器装置。分束器1的一端为输入端连接传输波导一10，另一端为输出端分别连接传输波导二6和传输波导三4，传输波导二6为直波导，传输波导三4为直波导与弯曲波导的组合，移相器2位于传输波导三4之上，硅基微环谐振器5的一部分与传输波导二6的一部分组成耦合区域一8，传输波导四7的一部分与硅基微环谐振器5的一部分组成耦合区域二9，耦合区域一8与耦合区域二9具有相同的结构，包括波导结构相同、直波导与硅基微环谐振器的间距相同、传输系数相同、透射系数相同等。传输波导三4与传输波导四7分别接到合束器3的两个输入端上，合束器的另一端连接传输波导五11为监测光输出端，传输波导二6的另一端为光输出端。

输入波导一输入的光经分束器分成两束具有相同幅度和相位的光，分别传输到传输波导二与传输波导三，其电场分量表达式为：

其中，Ein为输入波导一中的输入光，Eo₁与Eo₂为分束器分束后的光，Eo₁为传输波导二中的光，Eo₂为传输波导三中的光，β为传输常数，L为传输波导的长度，为了使分束后的两束光幅度和相位相等，通过调整移相器，补偿额外的相位差，使得β₁L₁＝β₂L₂，因此Eo₁＝Eo₂。传输波导二中的光Eo₁经耦合区域一耦合进硅基微环谐振器，在硅基微环谐振器中不断循环传输，满足硅基微环谐振器谐振条件的光经耦合区域二耦合进入下载端传输波导四。根据传输矩阵法求得下载端的传输函数为：

其中，E_drop为硅基微环谐振器下载端的光，k₁,k₂分别为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的耦合系数，t₁,t₂为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的透射系数，α为损耗，θ为硅基微环谐振器中光的相位变化。

合束器的传输函数为：

其中，Eo为合束后的光，Eo₁₁与Eo₁₂分别为合束器的两个输入光。

硅基微环谐振器下载端中的光E_drop与传输波导三中的光Eo₂经合束器合束的光为：

其中，Eo即为监测光。

硅基微环谐振器的芯层由硅构成，光被限制在芯层中，硅的热光系数较大，易受温度影响，当硅所受温度发生变化时，硅的有效折射率发生变化，有效折射率与硅基微环谐振器的波长选择特性密切相关，有效折射率发生变化时，硅基微环谐振器的特性随之发生变化。

如图4所示，本发明的检测电路部分包括光电探测器，跨阻放大器，乘法器，低通滤波器，加法器，直流信号发生器和抖动信号发生器。直流信号与抖动信号经加法器相加后，通过端口b加到硅基微环谐振器上的加热电阻上，抖动信号是一个幅度很小的余弦信号，根据硅基微环谐振器中芯层硅的热光特性，该抖动信号改变了硅基微环谐振器的有效折射率，从而被调制到硅基微环谐振器中的光上。经过硅基微环谐振器部分后，监测光通过检测电路的a端口传输到检测电路部分。监测光首先进入光电探测器，光电探测器将光信号转化为电流信号，电流信号经跨阻放大器后转化为电压信号V0，在乘法器中与原抖动信号相乘，进行解调：

其中，A,B分别表示跨阻放大器输出的电压幅度和原抖动信号的电压幅度,其中A包含了监测光的斜率信息，ω为抖动信号的频率。乘法器的输出信号进低通滤波器后，较高频率信号分量被滤除，留下直流信号分量AB/2，作为检测信号从检测电路的c端口输出。

根据以上实施方案，本发明进行了仿真。图5为不同输入光功率下跨阻放大器输出电压V0的仿真曲线。在谐振波长处的V0最小，其他波长处的电压相对较大，波形左右对称，且V0的大小与输入光功率相关，输入光功率越大，V0的值相对应的越大。

图6为检测信号V1的仿真曲线，检测信号V1近似为V0的斜率，在谐振波长处，检测信号V1为0，此时硅基微环谐振器工作在谐振状态，检测信号V1不等于0时，表示硅基微环谐振器未工作在谐振状态。此外，检测信号V1与V0一一对应，V1即为与谐振波长相关联的反馈信号，V1的值能反映出硅基微环谐振器此时的工作波长，即锁定出硅基微环谐振器偏移谐振波长的位置。检测信号V1的值同样与输入光功率密切相关，输入光功率增大时，检测信号V1的值相应的增大。

为了消除输入光功率的影响，将检测信号V1与V0相除，仿真结果如图7所示，不同的输入光功率下，V1/V0的仿真曲线完全重叠，说明该结果对输入光功率不敏感。V1/V0的变化曲线与V1相似，V1/V0等于0时，硅基微环谐振器工作在谐振状态，且V1/V0的值与硅基微环谐振器的工作波长一一对应，能够锁定出硅基微环谐振器偏移谐振中心的位置。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种锁定微环谐振器偏移谐振中心位置的检测***，其特征是包括：

一个微环谐振器装置，包括一个上下路型的硅基微环谐振器、一个分束器、一个移相器和一个合束器；

所述硅基微环谐振器的谐振公式为：

2πRN_eff＝mλ₀,m＝0,1,2,…

其中，R为硅基微环谐振器的半径，N_eff为有效折射率，λ₀为谐振波长；

所述分束器的一个输入端连接一个传输波导一的一端，其两个输出端分别连接一个传输波导二的一端和一个传输波导三的一端，

所述移相器设于传输波导三上，

所述合束器的一个输入端连接一个传输波导三的另一端，其另一个输入端连接一个传输波导四，其一个输出端连接一个传输波导五的一端，

所述硅基微环减振器和传输波导二之间形成耦合区域一，

所述硅基微环减振器和传输波导四之间形成耦合区域二，耦合区域一与耦合区域二具有相同的结构，

所述传输波导一的另一端为微环谐振器装置的光输入端，

所述传输波导二的另一端为硅基微环谐振器的光输出端，

所述传输波导四上对接合束器的一端为硅基微环谐振器的光下载端，

所述传输波导五的另一端为微环谐振器装置的监测光输出端；

所述分束器的电场分量表达式为：

其中，Ein为传输波导一中的输入光，Eo₁＝Eo₂，Eo₁为传输波导二中的光，β₁为传输波导二的传输常数，L₁为传输波导二的长度，Eo₂为传输波导三中的光，β₂为传输波导三的传输常数，L₂为传输波导三的长度；

所述硅基微环谐振器下载端的传输函数为：

其中，E_drop为硅基微环谐振器下载端中的光，k₁,k₂分别为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的耦合系数，t₁,t₂为硅基微环谐振器两个耦合区域一、二的透射系数，α为损耗，θ为硅基微环谐振器中光的相位变化；

所述合束器的传输函数为：

其中，Eo为合束后的光，Eo₁₁与Eo₁₂分别为合束器结构的两个输入；

所述硅基微环谐振器下载端中的光E_drop与传输波导三中的光Eo₂经合束器合束的光为：

其中，Eo即为监测光；

一个检测电路，包括一个光电探测器，一个跨阻放大器，一个乘法器，一个低通滤波器，一个加法器，一个直流信号发生器和一个抖动信号发生器；

所述加法器的一个输入端连接直流信号发生器的一个输出端，其另一个输入端连接抖动信号发生器的一个输出端；

所述光电探测器的一个输出端连接跨阻放大器的一个输入端，

所述跨阻放大器的一个输出端连接乘法器的一个输入端，

所述抖动信号发生器的另一个输出端连接乘法器的另一个输入端，

所述乘法器的一个输出端连接低通滤波器的一个输入端，

所述低通滤波器的一个输出端为检测电路的检测信号输出端；

所述乘法器的解调方程为：

其中，A,B分别表示跨阻放大器输出的电压幅度和抖动信号的电压幅度,其中A包含了监测光的斜率信息，ω为抖动信号的频率；

其中，所述检测电路中加法器的一个输出端连接硅基微环谐振器的加热电阻，所述微环谐振器装置的监测光输出端连接检测电路中光电探测器的一个输入端。

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