一种高速光学延迟线芯片、装置的制作方法

本发明涉及光学延迟线领域，尤其涉及一种高速光学延迟线芯片及装置。

背景技术：

光学延迟线是一种改变光程或者相位的光学装置，在利用光干涉原理工作的设备或者测量仪器中都需要使用光学延迟线来改变光程或相位，以使得发生干涉的二臂光程符合光干涉的原理。近年来出现的光学干涉技术大多会用到宽带干涉原理，大致分为2类，一类是部分相干干涉技术(pci)，另一类是采用弱相干反射测量技术(lcr)。

例如，《用于测量眼内距离的衍射光学元件的干涉布置》，公开号为us5673096a，公开日为1997年9月30日，该技术方案公开了一种光学延迟线装置，通过移动直角棱镜实现光程的变化，当直角棱镜移动过程中，光经过棱镜直角反射后光程会发生改变，当通过棱镜一路的光程差等于通过被测物的光程差相等时会发生干涉现象，然后通过直角透镜的移动距离测试出被测物体的深度。

专利公开号为us20090268209a的技术方案公开了一种光学延迟线装置，通过旋转4方棱镜扫描，扫描范围40mm，可以通过增加棱镜的边长获取更大的扫描范围。

这类技术方案存在以下缺陷：

1.us5673096a公开的光学延迟线装置为传统的电机驱动式的光学延迟线，内部需要多种精密运动部件，包括线性电机或者伺服电机、光学棱镜、导轨、光学棱镜固定夹具等，其需要极高的空间位置精度要求，调试时间长且成本较高；同时驱动棱镜位移的电机存在启动/停止的时间，线性度和重复度较差，测量速度慢，扫描速度存在极限，而且体积较大；

2.us20090268209a公开的光学延迟装置通过旋转4方棱镜的方式可以克服线性电机的非连续性扫描问题，但是缺点是棱镜的旋转会导致延迟长度的非线性关系，需要复杂的标定手段，存在重复度差、体积大等缺点。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

本发明主要解决现有技术中光学延迟线装置体积大、扫描速度慢的问题，提供一种高速光学延迟线芯片及装置，本发明具有实现小型化、重量轻、扫描速度快的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高速光学延迟线芯片，包括：

通道选择模块、探测器模块、环形波导模块及闭环反射波导模块；

通道选择模块包括n级热光开关，其中：第一级至第n-1级热光开关为mz-mmi热光开关，第n级热光开关为1×2mmi热光开关；第一级热光开关的输入端为耦合到芯片平面波导的外接光纤激光器光源，第一级热光开关的第一输出端连接探测器模块，第一级热光开关的第二输出端连接第二级热光开关的输入端，第二级至第n-1级热光开关的第一输出端均经过环形波导模块与下一级热光开关的输入端连接，第二级至第n-1级热光开关的第二输出端均直接与下一级热光开关的输入端连接，第n级热光开关的第一输出端经过环形波导模块与闭环反射波导模块连接，第n级热光开关的第二输出端直接与闭环反射波导模块连接。

可选的，所述mz-mmi热光开关均包括：第一干涉臂、第二干涉臂及2×2mmi耦合器；其中：第一干涉臂及第二干涉臂上均设有金属加热层，金属加热层外侧设有外部电极，所述第一干涉臂与外部电极连接。

可选的，所述第一级热光开关包括1个mz-mmi热光开关，所述第n级热光开关包括2^(n-2)个mz-mmi热光开关/1×2mmi热光开关，其中：n为正整数，n大于等于3。

可选的，所述mz-mmi热光开关、1×2mmi热光开关、环形波导模块及闭环反射波导模块均为单模波导结构。

可选的，直波导模块；所述第二级至第n-1级热光开关的第二输出端均经过直波导模块与下一级热光开关的输入端连接。

可选的，所述环形波导模块由硅和/或二氧化硅材料制成，同时适应于氮化硅和/或二氧化硅材料组合。

可选的，所述第一级热光开关的输入端通过水平耦合或垂直耦合实现外接光纤激光器光源与芯片平面波导之间的连接，所述水平耦合通过透镜及设置于芯片上的倒锥形模斑转换器实现，所述垂直耦合通过平面光纤及设置于芯片上的光栅耦合器实现。

本发明还公开了一种高速延迟线装置，采用如下技术方案：

如上所述一种高速光学延迟线芯片，以及外壳、光纤、光纤插座、透镜、衬底及供电模块，其中：光纤插座设置于外壳外侧，光纤与所述光纤插座连接，用于将激光光纤光源传递至透镜，所述透镜设置于所述光纤插座与外壳之间，用于将激光光纤光源耦合至高速光学延迟线芯片平面波导处，衬底设置于外壳内部，所述高速光学延迟线芯片设置于所述衬底上，与设置于外壳内部的供电模块连接，所述供电模块用于为高速光学延迟线芯片供电。

可选的，所述供电模块上设置有外部芯片，高速延迟线芯片上设有的金属电极与所述外部芯片连接，所述外部芯片用于为高速延迟线芯片上设有的mz-mmi热光开关供电。

可选的，所述光纤与光纤插座通过紫外固化胶的方式固定。

本发明采用了以上技术方案，具有如下有益效果：

1.本发明提供一种高速光学延迟线芯片，通过设置多级式热光开关，且设置长度可定制的环形波导模块，实现提高延迟范围区间的作用，并且可以简便的调整延迟范围。

2.本发明通过设置长度可定制的环形波导模块，提高了光学延迟线装置的灵活性，同时环形波导模块由硅和/或二氧化硅材料制成，缩小了器件体积，可以实现大规模集成设计，提高集成度及抗电磁干扰能力。

3.本发明通过设置mz-mmi热光开关，mz-mmi热光开关具备较快的开关速度，提高了光学延迟线装置的扫描速度。

4.本发明提供一种高速光学延迟线装置，通过小型化封装的结构设计，简化光学延迟线装置的机构，便于与外部控制器集成使用，实现设备小型化、纯固态，同时通过透镜提高了激光光纤激光器光源与芯片平面波导的耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是高速光学延迟线芯片的结构示意图；

图2是mz-mmi热光开关的结构示意图；

图3是高速光学延迟线装置的结构示意图。

标记说明：1、第一级mz-mmi热光开关，2、第二级mz-mmi热光开关，3、第三级mz-mmi热光开关，4、第四级mz-mmi热光开关，5、环形波导模块，6、探测器模块，7、闭环反射波导模块，8、外部电极，11、第一级热光开关的输入端，12、第一干涉臂，13、第二干涉臂，14、2×2mmi耦合器，100、高速光学延迟线芯片，101、外壳，102、光纤，103、光纤插座，104、透镜，105、衬底，106、供电模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明做进一步的详细说明，应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例一：

图1是高速光学延迟线芯片100的结构示意图。

如图1所示，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种高速光学延迟线芯片100，包括：

通道选择模块、探测器模块6、环形波导模块5及闭环反射波导模块7；通道选择模块包括n级热光开关，其中：第一级至第n-1级热光开关为mz-mmi热光开关，第n级热光开关为1×2mmi热光开关；第一级热光开关的输入端11为耦合到芯片平面波导的外接光纤激光器光源，第一级热光开关的第一输出端连接探测器模块6，第一级热光开关的第二输出端连接第二级热光开关的输入端，第二级至第n-1级热光开关的第一输出端均经过环形波导模块5与下一级热光开关的输入端连接，第二级至第n-1级热光开关的第二输出端均直接与下一级热光开关的输入端连接，第n级热光开关的第一输出端经过环形波导模块5与闭环反射波导模块7连接，第n级热光开关的第二输出端直接与闭环反射波导模块7连接。

具体地，本实施例中，采用4级mz-mmi热光开关和1级1×2mmi热光开关的通道选择模块；第一级mz-mmi热光开关1的输入端为外接光纤激光器光源经过透镜耦合到芯片平面波导内部，第一级mz-mmi热光开关1经过自身两个干涉臂和2×2mmi耦合器14之后存在两路输出端，其中一路接入探测器模块6，光能量全部耗散，作为延迟线的0位，另一路接入第二级mz-mmi热光开关2的输入端；第二级mz-mmi热光开关2的输入经过自身两个干涉臂和2×2mmi耦合器14之后存在两路输出端，其中一路未经过固定长度延时，直接接入第三级mz-mmi热光开关3的输入端，另一路经过固定延时长度为delta_l1的环形波导模块5后进入第三级mz-mmi热光开关3的输入端；第三级mz-mmi热光开关3的输入端经过自身两个干涉臂和2×2mmi耦合器14后有两路输出端，其中一路经过固定延时长度为delta_l2的环形波导模块5后进入第四级mz-mmi热光开关4的输入端，另一路未经过固定长度延时，直接接入第四级mz-mmi热光开关4的输入端；第四级mz-mmi热光开关4的输入端经过自身两个干涉臂和2×2mmi耦合器14后有两路输出端，其中一路经过固定延时长度为delta_l3的环形波导模块5后进入第五级1×2mmi热光开关的输入端，另一路未经过固定长度延时，直接接入第五级1×2mmi热光开关的输入端；第五级1×2mmi热光开关的输出端一路为固定延时长度为delta_l4的环形波导模块5后进入闭环反射波导模块7，另外一路未经过固定长度延时直接进入闭环反射波导模块7；经过二路闭环反射波导模块7，光经过不同长度的延时以后，原路返回第一级mz-mmi热光开关1的输入端；其中，delta_l1、delta_l2、delta_l3及delta_l4为固定延时长度，可调节其大小。

如图2所示，mz-mmi热光开关均包括：第一干涉臂12、第二干涉臂13及2×2mmi耦合器14；其中：第一干涉臂12及第二干涉臂13上均设有金属加热层，金属加热层外侧设有外部电极8，第一干涉臂12与外部电极8连接。

具体地，本实施例中，mz-mmi热光开关的两条干涉臂上分布金属加热电极，加热电极外侧为二层金属和外部电极8，第一干涉臂12与外部电极8连接，第二干涉臂13空置，第一干涉臂12通过外加电压改变温度来调节波导本身的折射率，进而改变其中一路的相位差，通过调节第一级热光开关的输入端11的光强实现从0-1连续可调分光比。

第一级热光开关包括1个mz-mmi热光开关，第n级热光开关包括2^(n-2)个mz-mmi热光开关/1×2mmi热光开关，其中：n为正整数，n大于等于3。

具体地，本实施例汇总，mz-mmi热光开关的切换速度约为100us左右，切换频率可达到10khz量级，可以实现10000fps的扫描帧率。

mz-mmi热光开关、1×2mmi热光开关、环形波导模块5及闭环反射波导模块7均为单模波导结构。

高速光学延迟线芯片100还包括：直波导模块；第二级至第n-1级热光开关的第二输出端均经过直波导模块与下一级热光开关的输入端连接。

环形波导模块5及直波导模块的芯层和包层折射率差为0.75％，环形波导模块5由硅和/或二氧化硅材料制成，同时适应于氮化硅和/或二氧化硅材料组合。

第一级热光开关的输入端11通过水平耦合或垂直耦合实现外接光纤激光器光源与芯片平面波导之间的连接，水平耦合通过透镜及设置于芯片上的倒锥形模斑转换器实现，垂直耦合通过平面光纤及设置于芯片上的光栅耦合器实现。

具体地，本实施例中，通过上述多级mz-mmi级通道选择模块可以实现大范围光的延迟效应；具体延迟范围为delta_l＝0-delta(l1+l2+l3+l4)*n_eff，delta_t＝n_eff*deltal/c；其中delta_t为延时总量，c为真空光速，delta_(l1+l2+l3+l4)为所有四个环形波导模块的固定延时长度的和，其中n_eff为波导材料的有效折射率，对于由硅基材料cmos工艺制备的延迟线芯片，n_si＝3.5@1310nm；对于sio2材质波导的有效折射率为1.5@1310nm。光延迟的的时间精度可以到ps量级，光延迟空间距离精度可以到um量级。

实施例二：

图3是高速光学延迟线装置的结构示意图。

如图3所示，本发明还公开了一种高速延迟线装置，包括：

如上任一一种高速光学延迟线芯片100、外壳101、光纤102、光纤102插座103、透镜104、衬底105及供电模块106，其中：光纤102插座103设置于外壳101外侧，光纤102与光纤102插座103连接，用于将激光光纤光源传递至透镜104，透镜104设置于光纤102插座103与外壳101之间，用于将激光光纤光源耦合至高速光学延迟线芯片100平面波导处，衬底105设置于外壳101内部，高速光学延迟线芯片100设置于衬底105上，与设置于外壳101内部的供电模块106连接，供电模块106用于为高速光学延迟线芯片100供电；供电模块106上设置有外部芯片，高速延迟线芯片上设有的金属电极与外部芯片连接，外部芯片用于为高速延迟线芯片上设有的mz-mmi热光开关供电；光纤102与光纤102插座103通过紫外固化胶的方式固定。

具体地，本实施例中，采用小型化封装外壳101设计结构，激光光纤光源通过1×2的光纤102的一端输出焊接在外壳101的光纤102插座103内部，1×2的光纤102和光学插座通过紫外固化胶的方式固定，光通过光纤102以后，经过小型化的汇聚透镜104耦合至高速光学延迟线芯片100的平面波导入口；高速光学延迟线芯片100放置于衬底105上，将密集的金属电极分别和供电模块106上的外部芯片连接，进而给高速延迟线芯片上设有的各级热光开关供电，本技术方案可以实现80％-90％的光耦和效率，最大限度降低了延迟线的损耗。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。