一种光纤传感集成光学芯片及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤传感集成光学芯片及其系统，属于光电传感技术领域。包括光源、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基外腔组件、隔离组件和硅基传感组件。通过将分束器由硅基传感组件移至硅基外腔组件后，达到降低硅基传感芯片对光源稳频组件的串扰影响，提高系统的测量精度的技术效果；通过信号处理模块输出反馈调制信号调整所述光源的驱动信号或温控信号，达到光纤传感系统频漂的校正，保证光纤传感系统的稳定性的技术效果；通过将光电探测器一、硅基外腔组件等元器件耦合到硅基光学芯片上，达到光纤传感测量系统的小型化，同时降低系统成本的技术效果。术效果。术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤传感集成光学芯片及其系统


[0001]本专利技术涉及光电传感
，特别是一种光纤传感集成光学芯片及其系统。

技术介绍

[0002]光纤传感器是自70年代中期发展起来的一门新技术，在随后的几十年里光电子技术和光纤技术高速发展，以光纤作为传输元件的光纤通信技术和以光纤作为敏感元件的光纤传感技术都得到了迅速发展，遍布工业和生活的方方面面。光纤传感是利用光在光纤中传播特性的变化来检测、测量其所受到的环境变化。光纤作为敏感元件时，由于在光纤中传输光波的特征参量，如振幅、相位、波长、偏振态和模式等，对外界环境因素，如温度、压力、辐射等都敏感，使得光纤传感技术正日益成为传感领域的重要研究方向。
[0003]目前利用光纤作为敏感元件可以用来测量位移、速度、加速度、压力、水声、温度、电场、磁场等各种物理量，具有极高的灵敏度、安全性、抗电磁干扰、绝缘性、质量轻、易于成阵，便于实现传感、传输的一体化合成等诸多优点，正在广泛的应用于现代测量领域。
[0004]在光纤传感中，窄线宽高稳定性激光器已经日益变得举足轻重。窄线宽激光器输出的激光线宽窄、单色性高，有望在高精度和长距离分布式光纤传感以及其他光纤
取得重要的发展和实现巨大的现实意义。
[0005]在现有高精度光纤传感领域采用的激光光源都是窄线宽光纤激光器，但是其体积庞大，成本高昂，不利于系统的小型化、集成化和低成本，并且易受环境温度等因素影响而发生波长漂移等不良现象，从而给系统的调制解调带来不利因素。
[0006]为了进一步降低光纤传感的系统体积和成本，同时提高系统工作光源的波长稳定性，降低系统的相位噪声影响，本专利技术提出一种光纤传感集成光学芯片及其系统，通过信号处理模块实时获取光源稳频组件监测到的激光波长频漂信息，经处理后输出反馈信号调整所述光源的驱动信号或温控信号，实现光纤传感系统频漂的校正，保证光纤传感系统的稳定性；通过将光电探测器、硅基外腔组件等元器件耦合集成到硅基光学芯片上，实现光纤传感系统测量的小型化，进一步降低系统成本；通过信号处理模块对光纤传感组件的调制，实现对低频振动信号的测量；通过将分束器由硅基传感组件移至硅基外腔组件后，经隔离组件隔离硅基传感组件输出的信号，降低硅基传感芯片对光源稳频组件的串扰影响，提高系统的测量精度。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，提供一种光纤传感集成光学芯片及其系统，包括光源、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基外腔组件、隔离组件和硅基传感组件；通过将分束器由硅基传感组件移至硅基外腔组件后，达到降低硅基传感芯片对光源稳频组件的串扰影响，提高系统的测量精度的技术效果；通过信号处理模块输出反馈信号调整所述光源的驱动信号或温控信号，达到光纤传感系统频漂的校正，保证光纤传感系统的稳定性的技术效果；通过将光电探测器、硅基外腔组件等元器件耦合集成到硅基光
学芯片上，达到光纤传感系统测量的小型化，同时降低系统成本的技术效果。
[0008]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是。
[0009]一种光纤传感集成光学芯片，包括硅基光学芯片，所述硅基光学芯片包括硅基外腔组件、隔离组件和硅基传感组件；所述硅基外腔组件包括硅基外腔芯片和分束器；所述隔离组件采用隔离器或环形器；所述硅基传感组件包括硅基传感芯片、光源稳频组件和/或分束器；所述硅基传感芯片含至少一个相位调制器；所述硅基传感芯片和所述光源稳频组件分别包含至少一个光电探测器用于将光信号生成电信号并输入至信号处理模块；所述信号处理模块输出调制信号至所述相位调制器用于产生载波信号，从而实现对待测物体产生的低频振动信号的精确测量。
[0010]优选的，所述隔离器的输入端和输出端分别通过波导、光纤或自由空间与所述硅基外腔组件的输出端和硅基传感组件的输入端相连。
[0011]优选的，所述环形器采用三端口环形器。
[0012]优选的，所述环形器第三端口设有光电探测器，用来监测光强信号。
[0013]优选的，所述硅基外腔组件的输出端、硅基传感组件的输入端和光电探测器分别通过波导、光纤或自由空间与所述环形器的第一端口、第二端口和第三端口连接。
[0014]优选的，所述分束器采用Y波导结构或多模干涉仪结构或定向耦合器。
[0015]优选的，所述分束器的分束比为10：90；所述分束器的高分束比端与硅基传感芯片的输入端之间通过片上波导连接。
[0016]优选的，所述分束器的低分束比端通过波导与所述光源稳频组件的输入端口相连。
[0017]优选的，所述分束器的高分束比端与所述隔离器的输入端通过片上波导连接。
[0018]优选的，所述分束器的低分束比端通过波导与所述光源稳频组件的输入端口相连。
[0019]优选的，所述硅基传感芯片包含至少一路输出端口与光纤传感组件的输入端口通过光纤相连。
[0020]优选的，所述光源稳频组件用于测量激光信号的波长漂移信息，并将所述波长漂移信息经光电探测器二输出至信号处理模块。
[0021]优选的，所述硅基光学芯片采用基于SOI材料平台工艺时，所述光电探测器采用硅基锗光电探测器或硅探测器。
[0022]优选的，所述硅基光学芯片采用基于SiN、SiON、SiO2材料工艺平台时，所述光电探测器采用硅探测器或通过异质的InGaAs光电探测器。
[0023]优选的，一种采用光学芯片的光纤传感系统，包括光源、光纤传感组件、信号处理模块和所述硅基光学芯片；所述光源输出的激光经硅基外腔组件耦合至所述硅基光学芯片内部，依次经过隔离组件和硅基传感组件后输出至光纤传感组件，并由光纤传感组件输出至待测物体表面，经待测物体表面反射后形成待测信号，所述待测信号经光纤传感组件接收，并经过硅基传感组件处理后输出至信号处理模块，由所述信号处理模块解调分析出待测信号；所述信号处理模块根据所述硅基传感组件测量的信号获取所述光源产出激光的波长漂移信息，并通过调整所述光源的驱动信号和/或温控信号保证所述光源输出的激光波长稳定在工作波长处。
[0024]优选的，所述光源采用半导体光放大器SOA，所述光源背面设有高反射层。
[0025]优选的，所述高反射层的反射率≥90%。
[0026]优选的，所述硅基外腔组件和所述光源背面高反射层之间设有激光谐振腔，用于激光选模和激光线宽压窄从而得到窄线宽激光信号。
[0027]优选的，所述光纤传感组件含有至少一个光纤传感探头，所述光纤传感探头用以感知外界环境的待测信号，并将待测信号输出至所述硅基传感芯片内的光电探测器一内用于生成电信号，并将所述电信号输出至所述信号处理模块，从而解调分析出待测信号的振动信号。
[0028]由于采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果。
[0029]1.本专利技术通过将分束器由硅基传感组件移至硅基外腔组件后，利用隔离器将光源稳频组件和硅基光学芯片分隔开，达到降低硅基传感芯片对光源稳频组件的串扰影响，提高系统的测量精度的技术效果。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤传感集成光学芯片，其特征在于：包括硅基光学芯片，所述硅基光学芯片包括硅基外腔组件、隔离组件和硅基传感组件；所述硅基外腔组件包括硅基外腔芯片和分束器；所述隔离组件采用隔离器或环形器；所述硅基传感组件包括硅基传感芯片、光源稳频组件和/或分束器；所述硅基传感芯片含至少一个相位调制器；所述硅基传感芯片和所述光源稳频组件分别包含至少一个光电探测器用于将光信号生成电信号并输入至信号处理模块；所述信号处理模块输出调制信号至所述相位调制器用于产生载波信号，从而实现对待测物体产生的低频振动信号的精确测量。2.如权利要求1所述的一种光纤传感集成光学芯片，其特征在于：所述隔离器的输入端和输出端分别通过波导、光纤或自由空间与所述硅基外腔组件的输出端和硅基传感组件的输入端相连。3.如权利要求1所述的一种光纤传感集成光学芯片，其特征在于：所述环形器采用三端口环形器；所述环形器第三端口设有光电探测器，用来监测光强信号；所述硅基外腔组件的输出端、硅基传感组件的输入端和光电探测器分别通过波导、光纤或自由空间与所述环形器的第一端口、第二端口和第三端口连接。4.如权利要求1所述的一种光纤传感集成光学芯片，其特征在于：所述分束器采用Y波导结构或多模干涉仪结构或定向耦合器；所述分束器的分束比为10：90；所述分束器的高分束比端与硅基传感芯片的输入端之间通过片上波导连接；所述分束器的低分束比端通过波导与所述光源稳频组件的输入端口相连。5.如权利要求4所述的一种光纤传感集成光学芯片，其特征在于：所述分束器的高分束比端与所述隔离器的输入端通过片上波导连接；所述分束器的低分束比端通过波导与所述光源稳频组件的输入端口相连；所述硅基传感芯片包含至少一路输出端口与光纤传感组件的输入端口通过光纤相连；所述光源稳频组件用于测量激光信号的波长漂移信息，并将所述波长漂移信息经光电探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗家童，龚攀，汪辉，俞本立，
申请(专利权)人：安徽至博光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：