一种硅光芯片温度传感器的制作方法

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及硅光芯片技术领域，具体涉及一种硅光芯片温度传感器。

背景技术：

硅光芯片拥有小尺寸、高带宽、低功耗等优点，在光通信领域具有巨大的应用前景，其中包括数据中心、物联网等各种不同的环境。但是硅具有较高的热-光系数，因此导致硅光芯片在不同的温度环境下，其光学特性有较大不同，所以为了保证硅光芯片的工作稳定性，需要对硅光芯片的温度进行监控。目前，硅光芯片温度传感器可分为两大类，包括外置温度传感器和内置温度传感器。外置温度传感器的优点在于可以结合已有的温度传感技术，在外部探测硅光芯片的温度，但是其缺点在于不能迅速、精确地探测硅光芯片核心波导的温度变化，因为硅光芯片的核心波导被包裹在二氧化硅包层中。内置温度传感器可以克服这一缺点，通过在硅光芯片内部集成温度传感器实现实时、精确的温度探测。常见的内置温度传感器有两种结构，但是这些温度传感器在尺寸、功耗、成本、运行条件等方面，有进一步提升的空间。其中一种内置的硅光芯片温度传感器基于光频域反射技术，通过测量硅光芯片瑞利散射光谱的漂移来实现温度传感。其装置包括扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器以及数据采集卡等，整个系统尺寸较大、数据处理较为复杂、成本较高。另一种内置的硅光芯片温度传感器由导入\导出硅波导及微环波导构成，光信号由硅波导导入，某些特定波长的光信号耦合进入微环波导，其余光信号由同一硅波导导出，其缺点在于对光源要求高，必须是工作在特定波长范围的光源。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种硅光芯片温度传感器，解决背景技术中提出的至少一个技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种硅光芯片温度传感器，包括设有二氧化硅包层的输入波导、导入y型波导、第一传感波导、第二传感波导、导出y型波导和输出波导，所述输入波导的输入端接收光信号输入，所述输入波导的输出端连接所述导入y型波导的输入端，所述导入y型波导的一个输出端通过所述第一传感波导连接所述导出y型波导的一个输入端，所述导入y型波导的另一个输出端通过所述第二传感波导连接所述导出y型波导的另一个输入端，所述导出y型波导的输出端连接所述输出波导；

所述第一传感波导包括一条硅波导；所述第二传感波导包括三条紧密并排设置的硅波导，所述第二传感波导中相邻硅波导的间距为纳米级，所述第二传感波导的三条硅波导之间填充有二氧化硅包层，三条并排的硅波导中位于中间的硅波导的两端分别连接所述导入y型波导的输出端以及所述导出y型波导的输入端；

在所述第一传感波导中，光信号被束缚在硅波导中传播；在所述第二传感波导中，光信号被束缚在相邻硅波导之间的二氧化硅包层中传播。

进一步，所述输入波导、导入y型波导、第一传感波导、第二传感波导、导出y型波导和输出波导均是高度为220nm的硅波导。

进一步，所述第二传感波导中，三条并排设置的硅波导的宽度均为300nm。

进一步，所述第二传感波导中，相邻硅波导的间距为150nm。

本发明的有益效果是：本发明提供的温度传感器，适用于设置在硅光芯片中，由硅光芯片中的光源提供光信号，光信号经输入波导输入该温度传感器，经过导入y型波导分光后，将光信号分别送入第一传感波导以及第二传感波导，在第一传感波导中，光信号被束缚在硅波导中传播，而在第二传感波导中，光信号被束缚在相邻硅波导之间的二氧化硅包层中传播，两路光信号经导出y型波导汇聚后输出，两路信号汇聚后发生光信号干涉，从而使得输出光信号出现波峰及波谷，通过探测光谱波谷的值可得到对应的温度值。由于硅与二氧化硅的热-光系数不同，因此硅光芯片中温度变化引起的硅折射率改变量和二氧化硅折射率改变量不同。所以当温度变化时，由第一传感波导和第二传感波导干涉产生的输出信号将会发生漂移，通过探测输出光信号的波长变化即可传感硅光芯片的内部核心温度。该温度传感器具有以下优点：

1、实现了内置集成型硅光芯片温度探测；

2、整体集成度高，尺寸微型化，成本低，可靠性高；

3、可与具有不同工作波长的光源进行匹配，降低了对光源工作波长范围的要求。

4、对称的结构可实现输入端和输出端互换。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图；

图2为本发明第二传感波导中的硅波导结构示意图；

图3为本发明第二传感波导中光能量分布示意图；

图4为本发明光信号传输示意图；

图5为本发明实施例中不同温度下光谱变化示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、输入波导，2、导入y型波导，3、第一传感波导，4、第二传感波导，5、导出y型波导，6、输出波导，a、硅波导，b、二氧化硅包层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示的一种硅光芯片温度传感器，设置在硅光芯片内，基于马赫曾德尔结构，包括设有二氧化硅包层的输入波导1、导入y型波导2、第一传感波导3、第二传感波导4、导出y型波导5和输出波导6。所述输入波导1的输入端接收光信号输入，所述输入波导1的输出端连接所述导入y型波导2的输入端，所述导入y型波导2的一个输出端通过所述第一传感波导3连接所述导出y型波导5的一个输入端，所述导入y型波导2的另一个输出端通过所述第二传感波导3连接所述导出y型波导5的另一个输入端，所述导出y型波导5的输出端连接所述输出波导6。在输出波导6的输出端设有光谱探测器，用于对该温度传感器输出的光信号进行检测。所述第一传感波导3包括一条硅波导，该硅波导外设有二氧化硅包层。如图2～3所示，所述第二传感波导4包括三条紧密并排设置的硅波导，该三条硅波导的截面为矩形。本实施例中，所述第二传感波导4中，相邻硅波导a的间距为150nm，所述第二传感波导4的三条硅波导a之间填充有二氧化硅包层b。三条并排的硅波导a中位于中间的硅波导a的两端分别对应连接所述导入y型波导2的输出端以及所述导出y型波导5的输入端。由于硅相对于二氧化硅具有较高的折射率，在只有单条硅波导的情况下，高折射率的硅波导被低折射率的二氧化硅包层，光能量被限制在高折射率的硅波导中，因此在所述第一传感波导3中，光信号被束缚在硅波导中传播。还有一种情况，光能量也可能被限制在低折射率的均匀且狭窄的狭缝中。如图3所示为光信号传播时，第二传感波导4的截面示意图。在所述第二传感波导4中，光信号由位于中间的硅波导a输入，位于两侧的两条硅波导a相当于两条高折射率板，三条高折射率的相邻硅波导a之间形成两道均匀的间距不大于150nm的狭缝，纳米级的狭缝中填充有低折射率的二氧化硅包层b。如图3所示，区域内亮度越高则表示该区域内光能量越密集。相当多的光能量被限制在这两道狭缝中，即光信号被束缚在相邻硅波导之间的二氧化硅包层中传播。

本实施例的温度传感器，适用于设置在硅光芯片中，由硅光芯片中的光源提供光信号，光信号经输入波导1输入该温度传感器，经过导入y型波导2分光后，将光信号分别送入第一传感波导3以及第二传感波导4。第一传感波导3以及第二传感波导4为本温度传感器的感温部分。在第一传感波导3中，光信号被束缚在硅波导中传播，而在第二传感波导4中，光信号被束缚在相邻硅波导a之间的二氧化硅包层b中传播，两路光信号经导出y型波导5汇聚后输出。在输出波导6的输出端设置光谱探测器来对汇聚后的光信号进行检测。

第一传感波导3以及第二传感波导4中的两路信号在导出y型波导5中汇聚后发生光信号干涉，从而使得输出光信号出现波峰及波谷，通过探测光谱波谷的值可得到对应的温度值。由于硅与二氧化硅的热-光系数不同，因此硅光芯片中温度变化引起的硅折射率改变量和二氧化硅折射率改变量不同。所以当温度变化时，由第一传感波导3和第二传感波导4干涉产生的输出信号将会发生漂移，通过探测输出光信号的波长变化即可传感硅光芯片的内部核心温度。

本实施例中，所述输入波导1、导入y型波导2、第一传感波导3、第二传感波导4、导出y型波导5和输出波导6均采用高度为220nm的硅波导。

本实施例中，所述第二传感波导4中，三条并排设置的硅波导的宽度均为300nm，长度为60μm。当光源波长大于1300nm时，大部分光能量将被束缚在三条硅波导a之间的二氧化硅包层b中。可以通过调节第一传感波导3和/或第二传感波导4的长度来实现该温度传感器与具有不同工作波长的光源进行匹配，降低了对光源的要求。

如图4展示了光信号在该温度传感器中的传播路径，该图中暗色区域为光信号传播的区域，颜色越暗则表示此处光信号越强，输出信号是由两路传感信号干涉所得。由于该温度传感器为对称的结构，其输入端与输出端可以互换，即输入波导1与输出波导6的功能可以互换，增加了该温度传感器的适用性。

工作原理：

本实施例提供的温度传感器，适用于设置在硅光芯片中，由硅光芯片中的光源提供光信号，光信号经输入波导1输入该温度传感器，经过导入y型波导2分光后，将光信号分别送入第一传感波导3以及第二传感波导4。在第一传感波导3中，光信号被束缚在硅波导中传播；而在第二传感波导4中，光信号被束缚在相邻硅波导a之间的二氧化硅包层b中传播，两路光信号经导出y型波导5汇聚后输出，两路信号汇聚后发生光信号干涉，从而使得输出光信号出现波峰及波谷。具体的，硅具有较高的热-光系数(1.8×10^-4k^-1)，但是二氧化硅具有较低的热-光系数(1.1×10^-5k^-1)，由于硅与二氧化硅的热-光系数不同，因此硅光芯片中温度变化引起的硅折射率改变量和二氧化硅折射率改变量不同。所以当温度变化时，由第一传感波导3和第二传感波导4干涉产生的输出信号将会发生漂移，通过探测输出波导6输出的光信号的波长变化即可传感硅光芯片的内部核心温度。

光源发出来的光分别在硅波导中传播和在二氧化硅中传播，如图5所示，第一传感波导3与第二传感波导4输出的两束光叠加之后的光信号与两束光的折射率有关。温度变化会引起硅和二氧化硅折射率的变化，但是两个折射率随温度的变化率不一样，因此在不同温度下，两束光叠加之后的光谱有区别，光谱和温度是一一对应关系，通过光谱即可确定芯片的温度值。图5展示了在25℃、50℃、80℃及120℃时，本实施例的温度传感器的输出光谱漂移情况。对应折射率变化量、热-光系数和温度变化有以下公式：

△n＝(dn/dt)*△t，

其中，△n是折射率变化量，dn/dt是热-光系数，△t是温度变化。

最终温度值由图5中的曲线谷值确定，经过初始校准之后，一个谷值对应一个温度，探测光谱谷值即可得到芯片温度。

该温度传感器的整体尺寸可微型化到100μm×30μm，大大优化了空间使用效率，降低了制造成本。此外，可以通过调节第一传感波导3或第二传感波导4的长度来实现温度传感器与具有不同工作波长的光源进行匹配，降低了对光源的要求。同时，该温度传感器对称的结构可实现输入端和输出端的互换，进一步扩展了本温度传感器的适用性。

综上所述，该温度传感器具有以下优点：

1、实现了内置集成型硅光芯片温度探测；

2、整体集成度高，尺寸微型化，成本低，可靠性高；

3、可与具有不同工作波长的光源进行匹配，降低了对光源工作波长范围的要求。

4、对称的结构可实现输入端和输出端互换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。