对温度不敏感的分布应变监测装置和方法与流程

本公开涉及一种硅光子设备。更具体地，本公开提供了用于监测硅光子平台中的光学芯片中的分布应变(strain)的装置和方法。

背景技术：

1、在过去的几十年中，宽带通信网络的使用爆炸式增长。在早期的因特网中，流行的应用仅限于电子邮件、公告板，并且大多是基于信息和文本的网页浏览，并且传输的数据量通常相对较小。如今，因特网和移动应用需要巨大的带宽量来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像facebook的社交网络每天处理超过500tb的数据。过去几年，全球带宽需求爆炸式增长。对数据和数据传输的日益高的要求一直在推动现有数据通信系统的改进，以满足对增加的数据和数据传输的这些需求。

2、在不断增加的波特率下，集成硅光子(sipho)平台解决方案比常规封装解决方案具有内在优势。硅基光子集成电路也变得非常受欢迎，因为它们与成熟的cmos(互补金属氧化物半导体)技术兼容，具有出色的加工控制、低成本和大批量加工的特点。在空间节省和功率节省至关重要的情况下，集成技术很有吸引力。共封装光学器件(cpo)或封装内光学器件(ipo)是这些技术中的一种技术。将光学器件和开关硅器件一起集成在相同封装中，在一度脱节和独立的技术之间产生协同效应，由此节省大量功率。

3、例如，sipho平台解决方案中的光学芯片将驱动电子器件和激光器异质地集成在相同si基衬底上，形成由具有光学组件(与激光器异质地集成)的硅光子衬底以及调制器驱动器、跨阻放大器(tia)等组成的光引擎小芯片。通常，附加的材料(诸如cu-ni-snag、cuniau等)需要在高温环境下进行镀覆或附接在一起，以在硅光子芯片、激光器、tia和驱动器上形成垫，以形成集成光引擎小芯片。光学芯片器件制造过程(包括材料镀覆和附接过程)会引入附加的应力和力，这引起硅光子衬底的变形，并且引起sipho平台上的光学组件的性能降级(例如由于漂移)。温度变化还会引起sipho器件性能漂移，这可能难以与应变引起的性能降级进行区分。这些问题难以缓解，至少部分是由于缺乏对在sipho过程中制造的光学芯片之中分布的应变进行灵敏直接监测。

技术实现思路

1、本公开涉及硅光子设备。更具体地，本公开提供了用于监测硅光子平台中的集成光学芯片器件处的应变或者分布在若干集成光学芯片器件之中的应变的装置。该装置基于干涉仪，诸如马赫-曾德耳干涉仪(mach-zehnder interferometer，mzi)，干涉仪被嵌入在sipho裸片的相同晶片或掩模板中，并且被配置为对光学芯片/掩模板/晶片的多个位置处的分布应变执行直接片上监测。在一些实施方式中，干涉仪被配置为对温度不敏感。其他应用也是可能的。

2、在一个实施例中，本公开提供了一种用于监测硅光子平台中的光学芯片中的应变的装置。装置包括与光学芯片共享的硅光子衬底。此外，装置包括被配置在硅光子衬底中的光学输入，以提供单个波长的输入信号。装置还包括被嵌入在硅光子衬底中的第一波导臂和第二波导臂，以形成片上干涉仪。第二波导臂形成光学延迟线，并且被布置在位于光学芯片中或邻近光学芯片的区域处。片上干涉仪被配置为：(i)将输入信号拆分成第一波导臂中的第一输出输入信号和第二波导臂中的第二输出输入信号，(ii)将第一输入信号和第二输入信号组合成组合信号，该组合信号表现出指示光学芯片中的区域处的应变的干涉图案。

3、在本实施例中，装置还包括1×2耦合器，该1×2耦合器被配置作为片上干涉仪的输入分束器，用于以基本上大约50％的拆分比，将输入信号分别拆分为第一波导臂中的第一输入信号和第二波导臂中的第二输入信号。

4、在该实施例中，装置还包括2×2耦合器，该2×2耦合器被配置作为片上干涉仪的输出分束器，该2×2耦合器被配置为：接收来自第一波导臂的第一输入信号并且接收来自第二波导臂的第二输入信号，以形成组合信号，以及在第一输出支路中输出第一输出信号并且在第二输出支路中输出第二输出信号，第一输出信号和第二输出信号两者取决于由第一输入信号与第二输入信号之间的相移而引起的干涉图案。

5、在该实施例中，装置还包括第二光检测器和第三光检测器，该第二光检测器耦合到第一输出支路以测量第一输出信号的po0的功率，该第三光检测器耦合到第二输出支路以测量第二输出信号的po1的功率。装置输出对在光学芯片中或邻近光学芯片的区域处沿着第二波导臂而分布的应变的指示。

6、在该实施例中，第一波导臂包括第一长度的硅基波导，并且第二波导臂包括第二长度的sin基波导，sin基波导被布置成比第一波导臂更靠近光学芯片。第二长度被选择为在输入信号的单个波长处相对于第一长度的硅基波导实现无热干涉条件，使得片上干涉仪的第一波导臂中的第一输入信号与第二波导臂中的第二输入信号之间的相移与温度无关。

7、在备选实施例中，本公开提供了一种用于监测硅光子平台中的光学芯片中的应变的装置。装置包括与光学芯片共享的硅光子衬底。装置还包括被配置在硅光子衬底中的光学输入，以提供多个(n个)波长的输入信号。此外，装置包括被嵌入在硅光子衬底中的第一波导臂，并且包括第二波导臂，第二波导臂包括被嵌入在光学芯片中的不同区域处的硅光子衬底中的多个(n个)光学路径，以在第一分束器与第二分束器之间与第一波导臂形成片上干涉仪。第一分束器被配置为：将输入信号拆分成第一波导臂中的第一输入信号和第二波导臂中的第二输入信号。第二分束器被配置为：将第一输入信号和第二输入信号重新组合成组合信号，并且将组合信号拆分为第一输出信号和第二输出信号，第一输出信号和第二输出信号在多个(n个)波长处分别由不同的干涉图案产生。此外，装置包括被配置在硅光子衬底中的第一解复用器(demux)设备，第一解复用器(demux)设备被布置在第一分束器与多个(n个)光学路径之间，以将第二波导臂中的第二输入信号解复用为多个(n个)解复用输入信号，该多个(n个)解复用输入信号分别将多个(n个)波长运载到多个(n个)光学路径。此外，装置包括被配置在硅光子衬底中的第二demux设备，第二demux设备被布置在第二分束器与多个(n个)输出端口之间，以将第二输出支路中的第二输出信号解复用为多个(n个)输出端口处的多个(n个)解复用输出信号，该多个(n个)解复用输出信号分别运载多个(n个)波长。第二波导臂中的多个(n个)光学路径被分离地布置作为片上干涉仪在相应无热干涉条件下的相应光学延迟线，以用于在多个(n个)波长处分别生成不同的干涉图案，以指示分布在位于光学芯片中或邻近光学芯片的不同区域处的应变。

8、在又一备选实施例中，本公开提供了一种用于监测硅光子平台中的光学芯片中的应变的方法。方法包括：制备用于集成光学芯片的硅光子衬底。方法还包括：将光学输入配置在硅光子衬底中，以提供单个波长的输入信号。此外，方法包括：将第一波导臂和第二波导臂至少部分地嵌入在硅光子衬底中，以形成片上干涉仪。第二波导臂形成光学延迟线，并且被布置在位于光学芯片中或邻近光学芯片的区域处。片上干涉仪被配置为：(i)将输入信号拆分成第一波导臂中的第一输入信号和第二波导臂中的第二输入信号，(ii)将第一输入信号和第二输入信号组合成组合信号，该组合信号表现出指示光学芯片中的区域处的应变的干涉图案。

9、在再一备选实施例中，本公开提供了一种用于监测硅光子平台中的光学芯片中的应变的方法。方法包括：制备用于集成光学芯片的硅光子衬底。方法还包括：将光学输入配置在硅光子衬底中，以提供多个(n个)波长的输入信号。此外，方法包括：将第一波导臂嵌入在硅光子衬底中。方法还包括：将包括多个(n个)光学路径的第二波导臂至少部分地嵌入在光学芯片中的不同区域处的硅光子衬底中，以在第一分束器与第二分束器之间与第一波导臂形成片上干涉仪。第一分束器被配置为：将输入信号拆分成第一波导臂中的第一输入信号和第二波导臂中的第二输入信号。第二分束器被配置为：将第一输入信号和第二输入信号重新组合，以形成组合信号，该组合信号在多个(n个)波长处分别表现出不同的干涉图案，并且被拆分成第一输出信号和第二输出信号。此外，方法包括：将第一解复用器(demux)设备配置在硅光子衬底中，第一解复用器(demux)设备被布置在第一分束器与多个(n个)光学路径之间，以将第二波导臂中的第二输入信号解复用为多个(n个)解复用输入信号，该多个(n个)解复用输入信号分别将多个(n个)波长运载到多个(n个)光学路径。此外，方法包括：将第二demux设备配置在硅光子衬底中，第二demux设备被布置在第二分束器与多个(n个)输出端口之间，以将第二输出支路中的第二输出信号解复用为多个(n个)输出端口处的多个(n个)解复用输出信号，该多个(n个)解复用输出信号分别运载多个(n个)波长。第二波导臂中的多个(n个)光学路径被分离地布置作为片上干涉仪在相应无热干涉条件下的相应光学延迟线，以用于在多个(n个)波长处分别生成不同的干涉图案，以指示分布在位于光学芯片中或邻近光学芯片的不同区域处的应变。

10、在所公开的装置作为硅光子衬底上的片上器件的上下文中，本公开实现了这些益处和其他益处。通过参考说明书的后面部分和附图，可以实现对本公开的本质和优点的进一步理解。