一种微腔谐振器波长漂移的检测系统及方法

技术领域

本发明属于微腔谐振器的检测技术领域，更具体地，涉及一种微腔谐振器波长漂移的检测系统及方法。

背景技术

随着网络流量的不断增大，人们对通信带宽和速率的需求不断增加，通信技术向着高频、大带宽的方向蓬勃发展。基于计算机与通信网络化的信息技术希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。在众多光电子器件中，由一个高品质因子回音壁模式谐振腔和直波导耦合构成的微腔谐振器被广泛认为是光电子集成电路的重要组成部分之一，具有潜在的低功耗和紧凑的尺寸等关键优点，在微波光子滤波器以及调制器等领域有着广泛的应用。

波导微腔的谐振波长对工作条件的动态变化高度敏感，外界环境的变化，如温度的变化和周围环境的振动，以及微腔本身对光场累积增强而产生的光热效应等。这些变化将引起微腔谐振波长的漂移，导致系统的稳定性劣化进而影响其工作性能。例如，在基于微腔谐振器的微波光子滤波器应用中，微腔谐振波长漂移将导致其中心频率漂移；在基于微腔谐振器的调制器应用中，微腔谐振波长漂移将导致其调制效率降低。虽然通过先进的封装技术一般可以保持芯片温度，但由于局部热源导致的微腔局部温度的波动很难被消除。因此，微腔谐振波长的主动稳定对于实际应用，特别是大规模集成光子电路的应用至关重要。

阈值电流法是一种常用的微腔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腔谐振器输出光电流的大小，当谐振峰和探测光的波长对准时，光电流最大；当谐振波长与探测光的波长发生偏离时，监测到的光电流值会下降；此时，一旦低于预先设定的阈值，控制微处理器输出电压到微腔的热电极上，以重新调整谐振波长，从而实现谐振波长的锁定。这种方案的问题在于无法确定谐振波长漂移的方向。微扰动法也是一种常用的检测微腔谐振器工作波长的方法，该方案对微腔的局部温度施加小幅度调制，以产生光信号的小幅度调制，通过将调制光信号与驱动抖动信号混频滤波，可以获得一个反对称的误差信号,这个误差信号即可指示谐振波长漂移的方向。这种方案虽可以获知谐振漂移的方向，但却对系统施加了破坏性扰动,施加的微小热抖动在一定程度上会劣化系统性能。因此，现有技术中无法实现对微腔谐振器无干扰的谐振状态漂移方向的检测。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种微腔谐振器波长漂移的检测系统及方法，旨在解决现有技术中无法实现对微腔谐振器无干扰的谐振状态漂移方向的检测的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种微腔谐振器波长漂移的检测系统，包括：第一检测链路、第二检测链路和电压比较器，所述第一检测链路和第二检测链路的输入端均与所述微腔谐振器的下载端连接，所述第一检测链路和第二检测链路的输出端与所述电压比较器的两个输入端连接，所述电压比较器的输出端为检测信号的输出端口；

所述第一检测链路接收的第一监测光的中心波长为λ

所述电压比较器用于比较所述第一电压信号和第二电压信号，并输出检测信号；当所述检测信号为正极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移，当所述检测信号为负极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生红移。

可选的，所述第一检测链路包括依次连接的第一可调谐光带通滤波器、第一光电探测器和第一跨阻放大器；

所述第二检测链路包括依次连接的第二可调谐光带通滤波器、第二光电探测器和第二跨阻放大器；

所述第一可调谐光带通滤波器和第二可调谐光带通滤波器的中心频率分别被分别配置为λ

所述第一光电探测器和第二光电探测器分别用于第一监测光和第二监测光的光信号转换为第一电流信号和第二电流信号；

所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器分别用于将第一电流信号和第二电流信号转化成第一电压信号和第二电压信号。

可选的，波长λ

可选的，当微腔谐振器的谐振状态处于理想状态时，所述第一检测链路在λ

可选的，所述检测系统还包括加热电极；

所述加热电极覆盖在所述环形谐振腔的表面，并与外部电源连接，用于加热所述环形谐振腔以改变所述环形谐振腔的折射率，以对所述微腔谐振器的谐振波长进行调谐。

第二方面，本发明还提供了一种微腔谐振器波长漂移的检测方法，基于如第一方面任一项所述的检测系统，包括：

第一检测链路接收中心波长为λ

第二检测链路接收中心波长为λ

所述第一电压信号和第二电压信号输入电压比较器中进行比较，输出检测信号；当所述检测信号为正极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移，当所述检测信号为负极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生红移。

可选的，包括：

当所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移时，提高所述环形谐振腔的温度；

当所述微腔谐振器的谐振波长发生红移时，降低所述环形谐振腔的温度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明的一种微腔谐振器波长漂移的检测系统，通过两条检测链路，分别获取微腔谐振器产生的中心波长为λ

2、本发明的一种微腔谐振器波长漂移的检测系统，可对波长漂移进行实时监控，当漂移超过可接受范围时，可采取纠正操作，例如，通过调节施加在加热电极上的电压，利用微环的加热特性调节谐振波长的漂移，有助于提高系统的长期稳定性。

3、本发明的一种微腔谐振器波长漂移的检测系统，由于微腔谐振器通常用于光学传感应用，如温度传感，因此本发明的检测系统检测波长漂移方向可指示整体系统处于升温还是降温状态。本检测系统的结构简单，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微腔谐振器波长漂移的检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的微腔谐振器下载端传输谱仿真曲线的示意图；

图3为是本发明实施例提供的感知微腔谐振器谐振波长漂移方向的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的微腔谐振器的结构示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

实施例一

如图1所示，一种微腔谐振器波长漂移的检测系统2，包括：第一检测链路21、第二检测链路22和电压比较器23，所述第一检测链路21和第二检测链路22的输入端均与所述微腔谐振器1的下载端连接，所述第一检测链路21和第二检测链路22的输出端与所述电压比较器23的两个输入端连接，所述电压比较器23的输出端为检测信号的输出端口；

所述第一检测链路21接收的第一监测光的中心波长为λ

所述电压比较器23用于比较所述第一电压信号和第二电压信号，并输出检测信号；当所述检测信号为正极电压信号时，所述微腔谐振器1的谐振波长发生蓝移，当所述检测信号为负极电压信号时，所述微腔谐振器1的谐振波长发生红移。

如图2所示，为上传下载型的微腔谐振器下载端传输光谱响应的仿真曲线，仿真曲线是洛伦兹线形；在谐振波长处传输响应最强，即下载端谐振波长处的光强最大，其余波长处的光强相对较弱；对应的后续探测的光功率在谐振波长处取到最大值，其余波长处的光功率相对较弱。

入射光在微腔谐振器1中发生谐振，从微腔谐振器1的下载端输出监测光至检测系统2，通过设置检测系统2的参数，使得第一检测链路21接收的第一监测光的中心波长为λ

如图4所示，可选的，所述微腔谐振器1包括环形谐振腔11以及平行设置在其两侧的上传下载波导12和输入输出波导13；所述环形谐振腔11和所述输入输出波导13之间形成第一耦合区，所述环形谐振腔11和所述上传下载波导12之间形成第二耦合区，所述第一耦合区域和所述第二耦合区域具有相同的结构；

所述输入输出波导13包括输入端和直通端，入射光经过所述输入端进入所述输入输出波导13，满足谐振条件的入射光在所述第一耦合区处耦合进入所述环形谐振腔11，不满足谐振条件的入射光从所述直通端输出；所述上传下载波导12包括上传端和下载端，一部分光在所述第二耦合区处耦合进入所述上传下载波导12中，并经过所述下载端输出至所述检测系统2，另一部分光沿所述环形谐振腔11继续传输。

微腔谐振器1中的光路传输为：入射光经由输入输出波导13的输入端入射进入环形谐振腔11，满足谐振条件的光在第一耦合区直接耦合进入环形谐振腔11，其中，一部分光在第二耦合区处离开环形谐振腔11，并经过上传下载波导12的下载端输出到检测系统，不满足谐振条件的光经由输入输出波导13的直通端输出。

微腔谐振器的谐振波长公式为：2πRn

如图1所示，可选的，所述第一检测链路21包括依次连接的第一可调谐光带通滤波器211、第一光电探测器212和第一跨阻放大器213；

所述第二检测链路22包括依次连接的第二可调谐光带通滤波器221、第二光电探测器222和第二跨阻放大器223；

所述第一可调谐光带通滤波器211和第二可调谐光带通滤波器221的中心频率分别被分别配置为λ

所述第一光电探测器212和第二光电探测器222分别用于第一监测光和第二监测光的光信号转换为第一电流信号和第二电流信号；

所述第一跨阻放大器213和第二跨阻放大器223分别用于将第一电流信号和第二电流信号转化成第一电压信号和第二电压信号。

在本实施例中，技术方案的内容为：入射光经输入输出波导的输入端后耦合进入环形谐振腔，经上传下载波导的下载端输出作为监测光；两个可调谐光带通滤波器中心频率被分别配置为λ

进一步，如图3所示，当微腔谐振器的谐振状态处于理想状态时，第一检测链路在λ

当微腔谐振器谐振状态受到如外界环境因素的扰动而发生改变，谐振波长发生蓝移时，第一检测链路在λ

可选的，波长λ

在设定可调谐光带通滤波器接受的监测光的中心频率时，如果λ

可选的，所述检测系统还包括加热电极(未示出)；

所述加热电极覆盖在所述环形谐振腔的表面，并与外部电源连接，用于加热所述环形谐振腔以改变所述环形谐振腔的折射率，以对所述微腔谐振器的谐振波长进行调谐。

可选的，当所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移时，加大所述加热电极的电压；

当所述微腔谐振器的谐振波长发生红移时，减小所述加热电极的电压。

在通过检测系统确定微腔谐振器的谐振波长发生漂移时，通过调谐手段对微腔谐振器的谐振波长进行锁定，计算单元根据检测链路输出的检测信号，计算得到一个反馈电压信号给覆盖在环形谐振腔表面的加热电极，以对微腔谐振器的谐振波长进行调谐，抵消发生的漂移，直到现在检测系统的输出的检测信号表征微腔谐振器没有漂移，则实现谐振波长的锁定。示例性的，假设升压让微腔谐振器的谐振波长右漂，降压让微腔谐振器的谐振波长左漂，根据检测系统确定微腔谐振器的谐振波长漂移方向后，逐步对应升压或者降压，每次调节一个合适的电压步长，每调整一次，就通过检测系统判断一次微腔谐振器的谐振波长是否还存在漂移，直到调整至合适的电压下，本系统中的微腔谐振器的谐振波长实现锁定。其中，根据不同的微腔谐振器的加热特性设定不同的电压步长。

本发明实施例通过两条检测链路分别获取微腔谐振器产生的中心波长为λ

实施例二

一种微腔谐振器波长漂移的检测方法，基于如实施例一种任一项所述的检测系统，包括：

第一检测链路接收中心波长为λ

第二检测链路接收中心波长为λ

所述第一电压信号和第二电压信号输入电压比较器中进行比较，输出检测信号；当所述检测信号为正极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移，当所述检测信号为负极电压信号时，所述微腔谐振器的谐振波长发生红移。

可选的，包括：

当所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移时，提高所述环形谐振腔的温度；

当所述微腔谐振器的谐振波长发生红移时，降低所述环形谐振腔的温度。

基于实施例提供的一种微腔谐振器波长漂移的检测系统，实现一种微腔谐振器波长漂移的检测方法，可以实现对微腔谐振器无干扰的谐振状态漂移方向的检测。

进一步的，在当所述微腔谐振器的谐振波长发生蓝移时，通过加大覆盖在微腔谐振器表面的加热电极的电压，以提高所述环形谐振腔的温度，使得微腔谐振器的谐振波长产生一定程度的红移；当所述微腔谐振器的谐振波长发生红移时，通过减小覆盖在微腔谐振器表面的加热电极的电压，以降低所述环形谐振腔的温度，使得微腔谐振器的谐振波长产生一定程度的蓝移；从而抵消微腔谐振器的谐振波长发生的漂移，实现微腔谐振器的谐振波长锁定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。