一种利用光学非互易器件进行光传感的系统及方法

摘要

传统的光传感利用光学器件的谐振波长随温度、压力等待测量的变化关系，可以完成实时测量。在该类方法中，测量精度受到光学器件谐振谱线线宽的影响。本发明利用光功率敏感型谐振光学器件的特点，提出了一种光学传感的方法，该方法从直接测量功率变化，到测量两个方向功率比值的变化，即通过非互易比率的改变来进行光传感。该方法在待测量与谐振波长变化关系一定的情况下，提高了整个系统的光传感精度。例如，压力变化量与谐振波长变化关系一定，采用本发明的方法将能够提高光传感精度。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学器件应用领域，尤其涉及一种利用硅基谐振结构构成的器件在光传感系统中的应用，以及光传感方法。

背景技术

近几年来有关硅基光器件的设计与制作发展迅速，硅基光耦合器、光滤波器和偏振转换器等基本的无源器件已经实现，且器件性能不断提升。硅基光调制器、光开关和硅片掺杂光放大器等有源器件的研究也取得了一定的突破。除此之外，大家也在硅基集成器件的机理层面探索影响未来应用的基础性问题。例如，依靠光学非互易特性构成的光隔离器和光环形器，它们在未来的硅基片上光网络中具有重要作用，但一直以来缺乏有效的机理来实现硅基器件的片上光信号隔离，即在原理层面缺少一种可以进行光学非互易传输的机理。

普度大学的研究人员最早提出了“非线性光学效应导致特殊谐振结构传播参数非时间对称性”这一观点，即依靠多个级联的微纳谐振结构中的强非线性效应，可以探测到正反两个传播方向上光功率的差别。该观点提出了一种实现硅基非互易传播的机理，其研究成果发表在国际顶级期刊Science上面。

图1是2012年该课题组设计的光学非互易器件结构¹，它利用两个光谱受强光影响不同的结构：陷波滤波器(notch>

由于谐振结构的器件，透射谱线和功率相关，所以，在高功率条件下和低功率条件下，微环谐振器的透射谱线不同，因此形成了非互易结构的器件。该原理自发现以来，一直停留在理论研究层面，很少有研究人员拓展硅基谐振器件的应用。

参考文献：

1.L.Fan，J.Wang，L.T.Varghese，H.Shen，B.Niu，Y.Xuan，A.M.Weiner，and M.Qi，“An all-silicon passive optical diode，”Science，335(6067)：447-450(2012).

2.LiFan，Leo T.Varghese，Jian Wang，Yi Xuan，Andrew M.Weiner，and MinghaoQi，“Silicon optical diode with 40dB nonreciprocal transmission，”Opt.Lett.38，1259(2013).

3.Jian Wang，Li Fan，Leo T.Varghese，Hao Shen，Yi Xuan，Ben Niu，andMinghao Qi，“A Theoretical Model for an Optical Diode Built With NonlinearSilicon Microrings，”J. Lightw.Technol.，31(2)：313-321(2013).

发明内容

本发明的目的在于，利用谐振结构器件与光功率相关的特性，提供了一种利用该特性构成的非互易光子器件，并提出了基于此结构实现光传感的方法。该方法需要测量非互易比率，非互易比率的测量仅仅需要测量两个方向的光功率比值，而采用此方法得到的传感灵敏度是传统方法的近两倍，即测量谐振波长变化导致单个微环功率变化的方案。

本发明提出的利用非互易光传输器件构成光学传感的系统，包括以下组成部分：波长可调谐的激光器，用于提供光传感系统的基础光源，该光源的波长可以在一定范围内调谐；光学非互易器件，对外至少具有两个端口a和b，光从端口a(b)输入，从端口b(a)输出，光在a到b和b到a的过程中具有不同的损耗，由此可以得到该光学非互易器件的非互易比率；2×2光开关，具有cross-bar结构，cross为交叉连接状态，bar为直通状态，通过一定的外部控制，仅仅能够选择cross或者bar状态中的一种；具有四个端口a，b，c和d，其中两个端口a和b连接光学非互易器件的两个端口，一个端口d连接波长可调谐的激光器，另外一个端口c连接光电探测器。连接光纤，用来连接波长可调谐的激光器、光学非互易器件、2×2光开关和光电探测器等光学器件；光信号检测装置，用于检测当前情况下的光功率数值；存储装置，存储当前情况下的光功率数值；信号处理模块，通过一定的检测方法，得到谐振波长的漂移，进而完成光传感过程。

进一步的，所述光学非互易器件的结构，可以包括谐振结构的光滤波器和光衰减器模块，其中，谐振结构的光滤波器可以是硅基谐振结构的器件。

进一步的，所述谐振结构的光滤波器可以是单个微环构成的陷波光滤波器，包含如下构成：

直波导，用来连接2×2光学耦合器的一个输入端口S1和一个输出端口S3；2×2光学耦合器，包含两个输入端口(S1，S2)和两个输出端口(S3，S4)；环形波导，用来连接2×2光学耦合器的另一个输入端口S2和另一个输出端口S4，将光波从一个输出端口S4反馈至一个输入端口S3。

进一步的，所述2×2光开关可以是机械式光开关，也可以是电光开关。

进一步的，所述光学非互易器件一部分或者全部，可以刻蚀在SOI的硅片上，完成整个器件的片上集成。

按照以上结构，本发明可以按照如下方法检测波长的漂移，进而完成光传感过程：

根据当前情况下的光功率数值和光功率的历史数据，计算得到光学非互易器件的非互易比率，并根据非互易比率的改变得到谐振波长漂移量，由谐振波长漂移量得到待测传感量的变化；该非互易比率定义为：2×2光开关处于bar状态时的光功率与该开关处于cross状态时的光功率之比。

该方法利用了光功率敏感型谐振光学器件的特点，从直接测量功率变化，到测量两个方向功率比值的变化，即通过非互易比率的改变来进行光传感。该方法在待测量与谐振波长变化关系一定的情况下，提高了整个系统的光传感精度。例如，压力变化量与谐振波长变化关系一定，采用本发明的方法将能够提高光传感精度。

附图说明：

图1：包含两个匹配的谐振波长结构的光滤波器构成的非互易光子器件¹⁴。(A-C)基本结构与设计参数，(D-G)光传输中的非线性对不同子结构的光谱影响，(H)低功率情况下正反向光谱图输入光功率为85nW(I)高功率情况下正反向光谱图，输入光功率为85μW。

图2：本发明提出的一种利用光学非互易器件构成的光传感系统结构图。

图3：图2中谐振结构光滤波器的一种具体结构图。

图4：常规的波长漂移法光传感的结果图。

图5：本发明提出的光传感方法结果图。

具体实施方式

为了使本实用发明的技术手段、发明特征，以及达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

1光传感测量举例

按照图2所示结构，光学非互易器件(03)由谐振结构的光滤波器和光衰减器构成，其中谐振结构的光滤波器可以采用权利要求3所描述的陷波光滤波器，即微环谐振器构成。微环谐振器可以采用硅基光子器件，其中硅波导的功率损耗为每毫米5dB，该数值是普通硅基波导可以达到的水平，有些工艺将取得更小的损耗。微环谐振器中耦合器的直通臂到直通臂的耦合系数为0.98。若输入微环的光功率，在微环的环形波导中引入的相移为π/180，将光衰减器的衰减值调谐到10dB，则可以得到图4和图5的结果。

图4是单个微环谐振器的透射谱线，实线为低功率情况下的结果，虚线为高功率情况下的结果。在传统的光传感过程中，在低功率条件下，通过检测光功率的改变，在谐振谱线一定的情况下，反推出待测量的改变。由图可知，常规方法，在-8GHz到0Hz范围内，光功率变化从-24dBm到-7dBm，变化17dB。

图5是按照本发明提出的方法进行测量的结果，即通过测量非互易比率的改变来进行光传感。该非互易比率定义为：2×2光开关处于bar状态时的光功率与该开关处于cross状态时的光功率之比。由图可知，本发明提出的方法，在-8GHz到0Hz范围内，光波的非互易比率变化从-16dB到16dB，变化32dB，几乎是图4所示传统方法的两倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。