一种马赫曾德尔干涉仪工作点监测器

本发明属于集成光器件，更具体地，涉及一种马赫曾德尔干涉仪工作点监测器。

背景技术：

1、马赫-曾德尔干涉仪(mach–zehnder interferometer，mzi)是一类重要的干涉型光器件，其与铌酸锂的电光效应结合的马赫曾德尔调制器(mach-zehnder modulator，mzm)被广泛应用于高速光学通信系统中，它具有驱动电压低，带宽高，调啾可调，线性度好，工艺技术成熟等特点。

2、然而，由于外加电场的改变、自然老化、制造工艺不完善、温度变化、应力等因素都会引起mzi工作点的漂移，使得最大斜率偏置工作点和最佳消光比偏置工作点变得难以控制，进而导致输出光信号失真、眼图劣化和通信系统误码率(biterrorrrate，ber)上升。为了减小工作点漂移对器件性能的影响，需要实时监控mzi工作点的位置。

3、现有技术中，可以通过基于外加低频率导频信号的谐波分析法及基于光功率比值的分析法实现偏置工作点稳定控制，但是这种方法复杂、运算量大，且控制精度不高。片上的工作点监测结构具有体积小、稳定性好、结构简单等优点。目前实现片上的mzi工作点监测的结构主要有两种，一种是定向耦合器，另一种是2×2型的多模干涉器(multi-modeinferometer，mmi)。

4、在mzi之后加一段定向耦合器，将mzi的输出光功率分出一部分，通过分析定向耦合器输出的光功率即可推算mzi的输出光功率功率，实现工作点监测；但是定向耦合器对于结构尺寸和波长非常敏感，工艺容差小，制作难度大，工作带宽窄，不能满足多通道mzi的监测要求，同时，定向耦合器将输出光功率分走了一部分，这引起了额外的能量损耗。将mzi的光合束结构设计为2×2型mmi，mzi两臂上的光干涉相长和干涉相消时，光分别从mmi的两个输出端输出，通过测量其中一个输出端的光功率，即可监测mzi的工作点位置。这种结构工作带宽大、引入的损耗小，但是设计难度大，并且输出的光功率较大，很容易超过光电探测器的输入饱和光功率，需要加入额外的功率减小单元。因此，研制一种稳定性好、集成度高、设计和制作简单的片上mzi偏置工作点监测器件具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种马赫曾德尔干涉仪工作点监测器，其目的在于在不影响马赫曾德尔干涉仪本身输出的情况下，通过片上集成的器件实现mzi偏置工作点的监测。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种马赫曾德尔干涉仪工作点监测器，自下而上依次包括：埋氧层、铌酸锂平板区域及器件区；

3、所述器件区包括：马赫曾德尔干涉仪及两个监测光栅；所述马赫曾德尔干涉仪包括波导、光分束结构和1×2型多模干涉器，其中，所述光分束结构用于将输入的信号光分为振幅和相位相同的两束光；所述1×2型多模干涉器为1×2型多模干涉器；

4、所述光分束结构的两个输出端与所述1×2型多模干涉器的两个输入端之间分别通过所述波导连接，所述光分束结构的输入端和所述1×2型多模干涉器的输出端分别连有所述波导；

5、所述两个监测光栅分别位于所述1×2型多模干涉器输出端所连波导的两侧。

6、进一步地，所述监测光栅的第一级衍射光的垂直方向的衍射角小于85°。

7、进一步地，所述监测光栅与所述1×2型多模干涉器的输出端所连波导之间的间距小于300μm，光栅周期方向与所述1×2型多模干涉器的输出端所连波导方向的夹角小于60°。

8、进一步地，所述监测光栅的阶数为正整数，所述阶数用于调整所述监测光栅的周期。

9、进一步地，所述光分束结构是1×2型多模干涉器、y分支波导或定向耦合器。

10、进一步地，所述埋氧层的折射率低于铌酸锂的折射率。

11、进一步地，所述马赫曾德尔干涉仪及所述两个监测光栅的材料均为铌酸锂。

12、进一步地，还包括：用于探测所述监测光栅输出光功率的光电探测器或大数值孔径光纤。

13、进一步地，所述光电探测器光敏面尺寸大于50μm×50μm；且所述监测光栅的面积大于50μm×50μm；

14、所述大数值孔径光纤的数值孔径大于0.35。

15、进一步地，还包括位于所述器件区之上的包层，所述包层的折射率低于铌酸锂的折射率。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

17、(1)本发明的马赫曾德尔干涉仪工作点监测器，通过在1×2型多模干涉器的输出波导两侧设计衍射光栅作为监测光栅，基于在mzi工作点漂移时mzi上下两臂内传输的光束在输出端合束之前具有一定的相位差，mzi输出的光的强度会因相位差的变化而发生改变，通过衍射光栅将1×2型多模干涉器输出端合束后泄露在铌酸锂平板区域内的光向监测光栅上方耦合衍射，并采集监测光栅输出的光功率，以得到mzi输出的光功率，从而实现mzi工作点监测。本发明设计的结构收集的是马赫曾德尔干涉仪在合束处泄漏的光能量，不会引入额外的损耗，解决了工作点监测对马赫曾德尔干涉仪输出结果产生影响的问题。同时，本发明设计的结构无需使用额外的扰动信号输入或信号分析单元，结构简单，且尺寸较小，能够实现器件的片上集成。

18、(2)本发明的马赫曾德尔干涉仪工作点监测器，采用衍射光栅采集泄露的光能量，衍射光栅具有较宽的波段，能够在较大的波长范围内工作，解决了现有的定向耦合器对结构尺寸和波长非常敏感，工艺容差小，制作难度大，工作带宽窄，不能满足多通道mzi监测要求的问题。

19、(3)本发明的马赫曾德尔干涉仪工作点监测器，采用衍射光栅采集泄露的光能量，衍射光栅的结构固有损耗远大于2×2型多模干涉耦合器mmi，相当于光栅本身带功率衰减功能，无需额外的功率减小单元，其输出光即可被探测器接收，解决了2×2型多模干涉器的输出光功率超过光电探测器的输入饱和光功率的问题。

20、(4)作为优选，监测光栅的第一级衍射光的垂直方向的衍射角小于85°时，可以使得泄露进铌酸锂平板区域的光束基本上都能够被探测到，降低能量损耗，提升监测准确度。同时，可以使得监测光栅的多级衍射光都可被利用，工艺容差大，光学带宽高。

21、(5)作为优选，通过阶数调整监测光栅的周期可以使得监测光栅的线宽大于紫外光刻能够实现的最小线宽，解决了铌酸锂上光通信波段的光栅结构无法通过常规半导体工艺实现的问题。

22、(6)作为优选，监测光栅与1×2型多模干涉器的输出端所连波导之间的间距设置以及光栅周期方向与1×2型多模干涉器的输出端所连波导方向的夹角设置，同时，光电探测器光敏面尺寸与监测光栅的面积匹配，可以进一步提升泄露进铌酸锂平板区域的光束被探测到概率，进一步提升监测准确度。

23、(7)作为优选，埋氧层的折射率低于铌酸锂的折射率，可以使得，泄露的光束被限制在铌酸锂平板区域内传输。

24、总而言之，本发明的马赫曾德尔干涉仪工作点监测器能够在不增加额外光刻步骤的情况下，通过一种稳定、集成化的结构，实时监测马赫曾德尔干涉仪的工作点位置，且不影响马赫曾德尔干涉仪本身输出。