[發明專利]原位監測控制光波導器件溫度和光功率的系統和方法

有效

• 申請號: 202110908898.2
• 申請日: 2021-08-09
• 公開（公告）號: CN113639795B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 胡小龍;張子彧;王昭;鄒鍇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G05D23/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種原位監測控制光波導器件溫度和光功率的系統和方法，系統包括：CLIPP通過測量光波導在不同頻率的導納變化量，聯立不同測試頻率下的函數關系同時原位監測集成光波導器件的光功率、溫度；反饋控制電路根據信號讀出電路得到的導納變化量反饋控制集成光波導器件溫度和光功率。方法包括：選取多個驅動頻率，分別擬合溫度、光功率與導納變化量的二元函數關系；讀取驅動頻率下的CLIPP的導納變化量，反推出集成光波導器件的溫度和光功率；利用信號讀出電路得到的集成光波導器件溫度和光功率，PID調節器反饋調節溫度控制器提供給TEC的電流以及激光器的輸出光功率，調整集成光波導器件的溫度和光功率至設定值。

技術領域

本發明涉及光電子器件領域，尤其涉及一種原位監測控制光波導器件溫度和光功率的系統和方法。

背景技術

集成光波導器件泛指由半導體材料經微納加工制成的具有單一功能的光學器件，包括：定向耦合器、任意波導光柵、光波導集成探測器、微環諧振腔等，該類器件以光波導為主體，尺度在納米或微米量級，可大規模集成。集成光波導芯片由多種集成光波導器件構成以實現特定的功能，例如：路由、光束相位控制等。

集成光波導器件需要實時溫度監測并對溫度進行反饋控制，確保集成光波導器件工作在合適的溫度區間，從而以最優性能運行。常見的溫度監測方式為將商用溫度傳感器固定在集成光波導芯片附近。這種方式無法實現集成光波導器件溫度的原位監測，無法準確地得到集成光波導器件的溫度。

集成光波導器件也需要實時監測波導內光功率并對光功率進行反饋控制，來抵消光集成波導器件的加工誤差、環境波動(溫度波動、濕度波動和機械振動)以及集成光波導器件間的串擾，確保集成光波導器件以最優性能運行。傳統光波導中光功率的監測方式為通過定向耦合器將光波導中的一部分光分束到波導集成光電探測器中，通過測得的光功率和定向耦合器分束比計算出光波導中的光功率。傳統光波導中光功率監測方式插入損耗較大，無法實現光波導器件的大規模集成。

表面態吸收(SSA)是一種廣泛存在于半導體材料中的物理效應，該效應可以吸收光子能量小于半導體材料帶隙(即亞帶隙)的光。亞帶隙波長的光照射到半導體材料表面后，價帶電子通過吸收一個光子躍遷至表面態，或者表面態的電子吸收一個光子躍遷至表面態，從而形成自由載流子，引起半導體材料導納的變化。帶間躍遷光吸收是一種半導體材料的價帶電子吸收光子能量大于半導體材料帶隙的光后直接躍遷到導帶的效應，表面態吸收與帶間躍遷光吸收相比很微弱。因此，半導體材料對亞帶隙波長的光吸收遠小于對光子能量大于半導體材料帶隙的光吸收。

非接觸集成光子探針(CLIPP)是一種基于SSA效應的光功率監測器，可以實現光波導內光功率原位非侵入式監測。光波導由于表面態而吸收光子，產生電子和空穴，引起光波導導納的改變。采用跨阻放大、鎖相解調的信號讀出電路，可以非侵入式地測量光波導的導納變化量，從而測量集成光波導器件的光功率。溫度的改變也會引起光波導的導納發生變化，利用同樣的信號讀出電路可以得到溫度引起的光波導導納變化量，從而測量得到集成光波導器件的溫度。

商用溫度傳感器固定的位置與集成光波導器件之間存在溫度差時，商用溫度傳感器無法準確監測光波導的實際溫度；光波導的溫度發生改變時，會造成CLIPP依據導納變化量監測得到的光波導的光功率不準確。

發明內容

本發明提供了一種原位監測控制光波導器件溫度和光功率的系統和方法，本發明依據溫度或光功率引起的光波導的導納變化量，可以同時準確地監測得到集成光波導器件的溫度和光功率，并對集成光波導器件的溫度和光功率進行反饋控制，詳見下文描述：

一種原位監測控制光波導器件溫度和光功率的系統，所述系統包括：CLIPP、信號讀出電路和反饋控制電路，

所述CLIPP通過測量光波導在不同頻率的導納變化量，聯立不同測試頻率下的函數關系同時原位監測集成光波導器件的光功率、溫度；

反饋控制電路根據信號讀出電路得到的導納變化量反饋控制集成光波導器件溫度和光功率。