专利名称：环形谐振腔温度漂移补偿方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光电子技术领域，特别涉及一种环形谐振腔温度漂移补偿方法及系统。
背景技术：
目前，光学谐振腔在通信、传感等领域具有越来越多的应用。谐振腔的传输特性具有波长选择的特点，具体实现有法布里-珀罗谐振腔、环形谐振腔等。其中，环形谐振腔波长选择特性较为灵敏，能分辨相差0. Olnm的波长差别。但是在通常情况下，随着温度的升高，材料的折射率会增加，谐振腔的谐振波长向长波长方向移动，称之为谐振谱“红移”。因此，温度变化改变了谐振腔的波长选择特性，影响其应用性能。因此热稳定有提高谐振腔器件工作稳定性的重要意义。目前国内外在集成光学器件热稳定技术领域的研究主要分为两种方案，一种方案是采用具有负热光系数的材料(通常为聚合物)加覆在波导芯层，和正的热光系数形成热稳定光学结构，如波导[1，2]、环形谐振腔[3]等。另一种方案是采用特殊的光学结构设计， 实现热稳定的光学器件，如MZI [4，5]、环形谐振器[6]等。比较两种方法，前种方法需要引入新的材料，可能破坏微纳光电子集成的工艺兼容性，但是由于可以形成热稳定的波导，适用于所有的光学功能器件；后种方法有较好的工艺兼容性，但是需要针对不同的功能器件设计不同的结构方案。文献[6]中，采用马赫泽德干涉仪辅助的环形谐振腔的热稳定方案只能在特定的温度情况下正常工作，实用性较差。参考文献[l]ff. N. Ye et al. , "Athermal High-index-contrast waveguide design，，， IEEEPhotonics Technology Letters,20, (2008)885.[2]V. Raghunathan, et al. , "Athermal operation of silicon waveguides spectral, second order and footprint dependencies，，，Opt. Express, 18, (2010) 17631.[3] J. Teng, et al. "Athermal Si 1 icon-on-insulator ring resonators by overlaying a polymer cladding on narrowed waveguides", Opt.Express,17, (2009)14627.[4]M. Uenuma,et al. , "Temoerature-independent silicon waveguide optical filter", Opt. Lett.，34，(2009)599.[5]B. Guha, et al. , "Minimizing temperature sensitivity of silicon Mach-Zehnder interferometers",Opt.Express,18, (2010)1879.[6] B. Guha, et al, "CMOS-compatible athermal silicon microring resonators，，，Opt. Express, 18, (2010) 3487.
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何解决环形谐振腔在温度变化的情况下，导致谐振腔的谐振波长红移而无法正常工作的问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种环形谐振腔温度漂移补偿方法，所述方法包括以下步骤Sl 获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；S2 根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构，并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；S3 建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系S4:根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；S5 将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。优选地，所述谐振腔的结构为由相互耦合的直波导和单个环形波导组成。优选地，步骤S5中通过以下步骤实现有效谐振耦合系数的调整S511 根据所述补偿谐振耦合系数计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值；S512 根据所述相位变化值和所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度的对应关系，计算所述U型波导长度；S513:根据所述U型波导长度调整所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度， 以实现有效谐振耦合系数的调整。优选地，步骤S511中通过下式计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值，keff = 2rckc 4a exp(/'. Αθ)其中，krff为补偿谐振耦合系数，rc为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的自耦合系数，k。为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的交叉耦合系数，a为在所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导中的传输系数，△ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中 U型波导的相位变化值，i为常数。优选地，步骤S512中通过下式计算所述U型波导长度，
An ^-LΑθ = ~￡2π
λ其中，Δ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的相位变化值，λ、Aneff 在温度改变量恒定的情况下均为不变值，L为U型波导长度。优选地，所述谐振腔的结构为由依次耦合的直波导、第一环形波导和第二环形波导组成。优选地，步骤S5中通过以下步骤实现有效谐振耦合系数的调整S521 根据所述补偿谐振耦合系数计算所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂相位差；
S522:根据所述相位差和所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂长度差的对应关系，计算所述两臂长度差；S523 根据所述两臂长度差调整所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂长度差，以实现有效谐振耦合系数的调整。优选地，步骤S521中通过下式计算所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂的相位差，keff = rckc^t2l +tl -ItlI2 cos(A^)其中，krff为补偿谐振耦合系数，r。为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂的分束 /合束自耦合系数，k。为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂的分束/合束交叉耦合系数， 、和、分别为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂的传输系数，△ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂相位差。优选地，步骤S522中通过下式计算所述两臂长度差，
An ALΑθ = ~￡--2π
λ其中，Δ η为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂相位差，λ、Anrff在温度改变量恒定的情况下均为不变值，AL为所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂长度差。本发明还公开了一种环形谐振腔温度漂移补偿系统，所述系统包括温度获取模块，用于获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；耦合系数确定模块，用于根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构，并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；对应关系建立模块，用于建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；补偿选择模块，用于根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；调整模块，用于将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。(三)有益效果本发明通过调整谐振环的有效谐振耦合系数，解决了由于环形谐振腔在温度变化的情况下，导致谐振腔的谐振波长红移而无法正常工作的问题，使得环形谐振腔可以在温度变化的情况下，在保证工艺兼容性的前提下，能够保持部分波长的光学传输特性(波长选择特性)在较宽的波长范围内不变。
图1是在谐振腔温度升高的情况下，谐振波长产生红移的示意图；图2是不同的有效谐振耦合系数下的谱线分布情况；图3是在图1所示的谐振波长产生红移后，实现蓝移 的示意图；图4是按照本发明一种实施方式的环形谐振腔温度漂移补偿方法的流程图5是实施例1的环形谐振腔的结构示意图； 图6是图5所示的环形谐振腔的谐振腔耦合区的等效结构；图7是所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；图8是实施例2的环形谐振腔的结构示意图；图9是图8所示的环形谐振腔的谐振腔耦合区的等效结构；图10是所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的基本构思是利用环形谐振腔双谐振的情况下，谐振峰分裂，左侧的谐振峰会有“蓝移”的现象。禾Ij用这一“蓝移”特性，补偿温度升高引起的谐振峰“红移”，从而实现温度漂移补偿。具体情况如图1所示，以硅材料为例，硅材料的热光系数较大为1. 8X 10_4/K，即在温度改变l°c的情况下，硅材料的折射率变化1. 8X 10_4。在以硅材料为芯层的介质波导中， 随着材料的折射率变化，其有效折射率Iirff也会随之发生变化。由谐振公式可得neffL = m · λ 0(1)其中，L为环形谐振腔的长度，m为正整数，λ ^为谐振波长。在初始状态下，谐振腔的传输谱线如图1中实线所示(存在一个尖峰，即λ ^所在位置)。在温度升高的情况下，有效折射率发生Anrff(Anrff >0)的变化，谐振公式改写为(neff+ Δ neff) L = m · ( λ 0+ Δ λ 0)(2)其中，Δ λ为谐振波长漂移量(Δ λ >0)，即图1中虚线所示，谱线漂移(尖峰右移)，即发生“红移”。因此，谐振腔无法正常工作。在双谐振耦合的情况下，定义谐振之间的光学耦合系数为谐振耦合系数，为本发明中实现温度补偿的关键参量。在双谐振耦合的情况下，原本单个谐振峰分裂为对称的两个谐振峰，得到的传输谱线如图2所示，分别代表不同的有效谐振耦合系数下的谱线分布情况，可见谐振峰的位置是有明显不同的。我们关注分裂后左侧的谐振峰，在谐振耦合系数 r2减小的情况下，谐振波长往短波长方向移动，及发生“蓝移”。因此，利用这一原理可用来补偿温度引起的谐振谱线漂移，如图3所示，蓝移后， 谐振峰位置保持不变。图4为按照本发明一种实施方式的环形谐振腔温度漂移补偿方法的流程图，所述方法包括以下步骤Sl 获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；S2 根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构，并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；S3:建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；S4:根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；S5 将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。实施例1如图5所述谐振腔的结构为由相互耦合的直波导和单个环形波导组成，本实施例的方法包括以下步骤SlOl 获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；以500nm宽的单模硅波导为例，其有效折射率随温度的变化为
%-=2.08 X 10-4/K。在温度升高5°C的情况下，则波导的有效折射率改变Anrff =
Ol
1. 04X10-3，由公式(1) (2)确定谱线“红移” Δ λ = 0. 653nm ；S102 根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构，并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数； 环形谐振腔通过直波导进行能量的耦合输入和输出。左侧输入的光场E1进入直波导后，通过直波导和环中弯曲波导的耦合(交叉耦合系数κ 17自耦合系数A)，直波导耦合输出的光场为E2，而弯曲波导中对应的输入和输出光场分别为E3和&。在环中运行的光场，经过反射单元，部分光场被反射，部分光场透射，反射系数为K2，透射系数为r2。之后，反射光与透射光分别形成顺时针和逆时针两个方向的谐振，并且两个谐振通过反射单元进行相互耦合，所述谐振腔耦合区的等效结构如图6所示，因此，确定谐振耦合系数由反射单元的的反射系数决定，即为系数S103:建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系，如图7所示，图中的“Krff”即有效谐振耦合系数；S104 根据如图7所示的对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；在温度升高5°C的情况下，由κ 2引起的“蓝移”，BP-Δ λ = -0. 653nm，对应的需要选择的是图7中实线的部分。S105 将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。步骤S105中通过以下步骤实现有效谐振耦合系数的调整S511 根据所述补偿谐振耦合系数计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值；S512 根据所述相位变化值和所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度的对应关系，计算所述U型波导长度；S513:根据所述U型波导长度调整所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度， 以实现有效谐振耦合系数的调整；在温度升高5°C的情况下，当Δ θ =0.26rad时，可提供谐振谱线“蓝移”Δ λ =-0.653。根据计算可得，此时需要的U型波导的长度L = 61.7ym。。
优选地，步骤S511中通过下式计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值，keff = 2rckc 4a exp(/'. Αθ)
其中，krff为补偿谐振耦合系数，rc为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的自耦合系数，k。为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的交叉耦合系数，a为在所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导中的传输系数(假设无损耗，a = 1)，Δ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的相位变化值，i为常数。优选地，步骤S512中通过下式计算所述U型波导长度，
权利要求
1.一种环形谐振腔温度漂移补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤51获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；52根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构，并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；S3:建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；54根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；55将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐振腔的结构为由相互耦合的直波导和单个环形波导组成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5中通过以下步骤实现有效谐振耦合系数的调整5511根据所述补偿谐振耦合系数计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值；5512根据所述相位变化值和所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度的对应关系，计算所述U型波导长度；5513根据所述U型波导长度调整所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导长度，以实现有效谐振耦合系数的调整。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S511中通过下式计算所述谐振腔耦合区的等效结构的相位变化值，keff = 2rckc 4a exp(/'. Αθ)其中，krff为补偿谐振耦合系数，rc为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的自耦合系数，k。为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的交叉耦合系数，a为在所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导中的传输系数，△ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的相位变化值，i为常数。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤S512中通过下式计算所述U型波导长度， 其中，Δ θ为所述谐振腔耦合区的等效结构中U型波导的相位变化值，λ、Anrff在温度改变量恒定的情况下均为不变值，L为U型波导长度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐振腔的结构为由依次耦合的直波导、 第一环形波导和第二环形波导组成。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中通过以下步骤实现有效谐振耦合系数的调整5521根据所述补偿谐振耦合系数计算所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂相位差；5522根据所述相位差和所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂长度差的对应关系，计算所述两臂长度差；S523 根据所述两臂长度差调整所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂长度差，以实现有效谐振耦合系数的调整。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S521中通过下式计算所述谐振腔耦合区的等效结构中两臂的相位差，
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤S522中通过下式计算所述两臂长度差，
10.一种环形谐振腔温度漂移补偿系统，其特征在于，所述系统包括温度获取模块，用于获取谐振腔所升高的温度，并计算由于温度升高，所述谐振环的谐振波长红移的变化量；耦合系数确定模块，用于根据所述谐振腔的结构确定所述谐振腔耦合区的等效结构， 并根据所述谐振腔耦合区的等效结构确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；对应关系建立模块，用于建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；补偿选择模块，用于根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；调整模块，用于将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数，以使得所述谐振波长红移的变化量与所述谐振波长蓝移的变化量相抵消。
全文摘要
本发明公开了一种环形谐振腔温度漂移补偿方法及系统，涉及集成光电子技术领域，该方法包括S1获取谐振腔所升高的温度，并计算所述谐振环的谐振波长红移的变化量；S2确定所述谐振环上能使得所述谐振波长蓝移的有效谐振耦合系数；S3建立所述谐振腔的有效谐振耦合系数与所述谐振腔的谐振波长蓝移的变化量之间的对应关系；S4根据所述对应关系选择与所述谐振波长红移的变化量相应的补偿谐振耦合系数；S5将所述有效谐振耦合系数调整至所述补偿谐振耦合系数。本发明通过调整谐振环的有效谐振耦合系数，解决了由于环形谐振腔在温度变化的情况下，导致谐振腔的谐振波长红移而无法正常工作的问题。
文档编号G02B6/26GK102436035SQ20111031909
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者周治平, 易华祥 申请人:北京大学