專利名稱：集成干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成在光學(xué)芯片上的干涉儀。
為了進(jìn)行高精度和高靈敏度測(cè)量，光學(xué)干涉測(cè)量法是非常成熟的技術(shù)。在這一技術(shù)中的關(guān)鍵部件是干涉儀，它以如下方式工作。從激光光源發(fā)出的光分成兩束分開(kāi)的光束。一束光照向被測(cè)對(duì)象(干涉儀的測(cè)量光路)，而另一束光與周圍的環(huán)境屏蔽(干涉儀的參考光路)。通過(guò)測(cè)量光路的光束與通過(guò)參考光路的光束比較獲得附加的相移φ。該相移與被測(cè)量成正比并代表該信號(hào)。通過(guò)在干涉儀的輸出端把測(cè)量光束與參考光束重新組合來(lái)確定所述信號(hào)的數(shù)值。根據(jù)兩束光是同相或異相，出現(xiàn)相長(zhǎng)或相消干涉，產(chǎn)生正弦強(qiáng)度圖樣(條紋)。因?yàn)橹挥袃墒飧缮?，這種類型的干涉儀稱為雙-光束干涉儀。干涉儀的輸出關(guān)于相位是非線性的，對(duì)于相位的微小變化的靈敏度在φ=0附近為零，而在φ=π/2附近最大(90°相移點(diǎn))。因此，需要進(jìn)行某種信號(hào)處理以便保持固定的高靈敏度和把相移恢復(fù)成線性形式。完成這一任務(wù)的最簡(jiǎn)單方法是利用參考光路引入主動(dòng)反饋以便保持恒定的相移為φ=π/2(主動(dòng)零差)。這需要主動(dòng)元件，雖然在一些應(yīng)用中是可行的，但是在另一些應(yīng)用中可能是不希望的或是不可行的。
由于傳遞函數(shù)關(guān)于相位的周期性特性，不能進(jìn)行絕對(duì)相位測(cè)量。開(kāi)關(guān)儀器也導(dǎo)致參考損失。
使用單模激光器的測(cè)量技術(shù)稱為相干方法。雖然使用這一方法可以獲得非常高的靈敏度，但是在實(shí)際使用中具有許多嚴(yán)重的不足之處。因?yàn)樵谙喔煞椒ㄖ屑す獠ㄩL(zhǎng)實(shí)際上作為校準(zhǔn)參考，所以它必須穩(wěn)定或者被監(jiān)測(cè)以便進(jìn)行高精度測(cè)量。例如二極管激光器必須進(jìn)行溫度控制以便獲得高度波長(zhǎng)穩(wěn)定性。在多數(shù)情況下，還需要光學(xué)隔離器以便阻斷從傳感器反射進(jìn)入激光器的光，該反射光將導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的信噪比下降。光學(xué)隔離器和穩(wěn)定特征增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
如果需要包括例如光纖Fabry-Perot類型傳感器的傳感器在距離激光光源一段距離處操作，還會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題。在這種情況下，干涉在該遠(yuǎn)處的傳感器上發(fā)生，而且原始的相位信息變換為振幅信號(hào)，該振幅信號(hào)沿著光纖傳輸回到檢測(cè)器。因此，電源的任何波動(dòng)或由于老化或環(huán)境變化引起的沿著光纖引入的附加損失將直接影響測(cè)量結(jié)果。而且，對(duì)于遠(yuǎn)距離操作，信號(hào)處理方法需要能夠在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整激光光源的輻射波長(zhǎng)。例如，可以使用上述的主動(dòng)零差技術(shù)，而且主動(dòng)反饋所需要的相移由波長(zhǎng)移動(dòng)產(chǎn)生，該波長(zhǎng)移動(dòng)將在具有非零光程差(OPD)的干涉儀中引入相移。所需要的大調(diào)整范圍可以使用分布反饋(DFB)或者分布式Bragg(DBR)激光器獲得。然而，這些激光器昂貴而且大多數(shù)都需要光學(xué)隔離器攔截反射光。雖然調(diào)整范圍相對(duì)大，但是實(shí)際上局限于幾納米，由于這一事實(shí)又引起其他困難。為了獲得進(jìn)行允許遠(yuǎn)距離操作的信號(hào)處理方法所必須的相移(大約為2π弧度或更大)，OPD必須至少為幾毫米長(zhǎng)。這意味著形成Fabry-Perot腔的兩個(gè)反射面也分開(kāi)幾毫米。與100μm-150μm數(shù)量級(jí)的OPD(例如可能在下面將描述的白光方法中)比較，環(huán)境溫度的相同變化將導(dǎo)致這兩個(gè)反射面之間距離的變化，該距離變化比振幅大一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)兩個(gè)反射面之間的距離的相同變化檢測(cè)將要測(cè)量的信號(hào)(例如施加壓力的變化)，由于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的誤差信號(hào)在較大的腔中更為顯著。
使用稱為白光干涉法的相關(guān)技術(shù)可以克服上述問(wèn)題。不是使用相干激光源，而是使用譜段寬度Δλ比激光的譜段寬度大得多的寬譜段光源。光源的相干長(zhǎng)度lc與譜段寬度有關(guān)，近似關(guān)系式為lc～λpeak2/Δλ，其中λpeak為輻射曲線的中心波長(zhǎng)。通常，對(duì)于超發(fā)光Super-luminescent的二極管(SLD)Δλ的范圍為～30nm至～50nm，分別產(chǎn)生55和35nm之間的短相干長(zhǎng)度。這意味著如果故意使光程差(OPD)比光源的相干長(zhǎng)度大得多(OPD＞＞lc)，那么通過(guò)干涉儀的兩束光再次相遇時(shí)不彼此發(fā)生干涉。實(shí)際上，選擇OPD比相干長(zhǎng)度大約大三倍就足夠了，導(dǎo)致最小OPDs大約為100μm至160μm。由被測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生的附加相移可以只使用一個(gè)干涉儀(傳感干涉儀)恢復(fù)。然而，通過(guò)把傳感干涉儀的輸出輸入到OPDP與傳感干涉儀的OPDs(|OPDP-OPDs|＜＜lc)的第二干涉儀(處理干涉儀)，可以使得兩束光的一部分再次同相。為了利用白光干涉儀的優(yōu)點(diǎn)，考慮波長(zhǎng)范圍是有利的。在通過(guò)OPDs＞＞lc的傳感干涉儀之后，來(lái)自寬譜段光源的光包含許多對(duì)應(yīng)于在相應(yīng)的波長(zhǎng)相長(zhǎng)和相消干涉的最大值和最小值。這稱為通道式譜段。OPD的變化將導(dǎo)致干涉條件的變化，結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)通道式譜段的相移。因此，信號(hào)信息在波長(zhǎng)范圍內(nèi)編碼，而且系統(tǒng)的任何強(qiáng)度波動(dòng)都不影響測(cè)量結(jié)果。
如果處理干涉儀與傳感干涉儀的OPD剛好一樣，因?yàn)閮蓚€(gè)通道式譜段的形狀剛好相同而且位于相同的波長(zhǎng)位置，則產(chǎn)生最大傳輸。任何對(duì)于條件OPDs=OPDP的偏離將導(dǎo)致清晰度的降低，直到下降為對(duì)應(yīng)于|OPDP-OPDs|＞＞lc的零。該結(jié)果是Gaussian-型包絡(luò)線下的正弦條紋圖樣，最大值(中心條紋)出現(xiàn)在OPDs=OPDP處。如果處理干涉儀是校準(zhǔn)的，通過(guò)識(shí)別中心條紋可以測(cè)量絕對(duì)相位。
上述的白光方法具有許多優(yōu)點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)度波動(dòng)不敏感，因?yàn)樾盘?hào)信息編碼在波長(zhǎng)范圍內(nèi)；波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求與相干方法相比大約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)橛行PD等于OPDs-OPDP，白光方法是10μm數(shù)量級(jí)，相反相干方法是大約為1mm；而且可以使用象SLD’s或多模激光的光源，這些光源對(duì)于后反射不敏感，使得不需要使用光纖隔離器。較小的傳感器腔意味著大大降低了溫度橫向靈敏度。
通常，在白光干涉方法中處理干涉儀由分離的元件構(gòu)成，使用固定在轉(zhuǎn)換級(jí)或光纖相位調(diào)制器上的反射鏡以便改變OPDP。轉(zhuǎn)換級(jí)提供有限的最大調(diào)制速度，因此只能用于測(cè)量相對(duì)低頻率的信號(hào)。在全光纖形式的處理干涉儀中，很難達(dá)到和保持OPDP與OPDs匹配在～10微米范圍內(nèi)。也需要溫度穩(wěn)定性以便防止OPDP的熱漂移。而且，這種處理干涉儀對(duì)于環(huán)境的變化象聲波和振動(dòng)非常敏感。這在低信號(hào)頻率嚴(yán)重降低了信噪比。在處理干涉儀和光纖之間的接口也需要精確地對(duì)準(zhǔn)?？傊?，如上所述的白光系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法提供了白光方法與相干方法比較所具有的所有主要優(yōu)點(diǎn)。而且，處理干涉儀的分離實(shí)施包括分離的光源、檢測(cè)器和耦合器，使得不能以低成本生產(chǎn)，所以限制了這些系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于通過(guò)提供能夠克服或避免這些缺點(diǎn)的集成干涉儀而克服這些不足。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種集成在光學(xué)芯片上的干涉儀，該光學(xué)芯片包括通過(guò)絕緣材料層與基質(zhì)分開(kāi)的硅層，光學(xué)芯片具有用于把光學(xué)芯片連接到一個(gè)或多個(gè)光纖上的光纖連接裝置，該光纖連接裝置通過(guò)在基質(zhì)上形成溝槽而設(shè)置，用于放置光纖；波導(dǎo)裝置，用于向光纖連接裝置或從光纖連接裝置傳輸光，波導(dǎo)裝置通過(guò)形成在所述硅層上的肋狀波導(dǎo)而設(shè)置；和至少一個(gè)相位調(diào)制器，用于改變沿著芯片上的肋狀波導(dǎo)傳輸?shù)墓獾南辔唬摻Y(jié)構(gòu)是這樣的，即形成干涉儀，干涉儀中沿著不同光路傳播的光可以組合而且至少一個(gè)光路的有效路徑長(zhǎng)度可以通過(guò)相位調(diào)制器改變。
本發(fā)明的其他特征通過(guò)下面的描述及說(shuō)明書的附加權(quán)利要求書將更加清楚。
下面將結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，只是以舉例的方式。其中

圖1是描述用于本發(fā)明的最佳實(shí)施例中的光波導(dǎo)類型的透視圖；圖2描述用于本發(fā)明的最佳實(shí)施例中的相位調(diào)制器的這種波導(dǎo)的截面圖；圖3A和3B分別是用于本發(fā)明的最佳實(shí)施例中的光纖連接器的側(cè)視圖和平面圖；圖4是使用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的集成干涉儀的傳感系統(tǒng)的示意圖；圖5描述用于圖4所示結(jié)構(gòu)的光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)；圖6是圖4所示傳感系統(tǒng)的變換結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7A和7B分別是描述用于本發(fā)明的最佳實(shí)施例中時(shí)光學(xué)元件安裝到光學(xué)芯片上的平面圖和截面圖；圖8是利用根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的集成干涉儀的傳感系統(tǒng)的示意圖；以及圖9是描述把光源或光檢測(cè)器安裝在光學(xué)芯片上的變換方法的截面圖。
這里描述的干涉儀以圖1所示類型的硅-絕緣體芯片為基礎(chǔ)。形成這種類型芯片的方法在名稱為“Reduced defect density insilicon-on-insulator structures formed by oxygenimplantation in two steps”的論文中有介紹，作者是J.Morgailet al.發(fā)表于Appl.Phys.Lett.,54,p526,1989。該論文描述了形成非常大尺寸的集成(VLSI)硅-絕緣體薄片的方法。這種薄片的硅層通過(guò)例如外延生長(zhǎng)而增加，以便使得它適合于形成這里描述的集成干涉儀的基礎(chǔ)。
圖1也示出了形成在這種芯片上的光波導(dǎo)。該芯片包括硅層1，它通過(guò)二氧化硅層3與硅基質(zhì)2分開(kāi)。肋狀波導(dǎo)4形成在硅層1上。對(duì)這種形式波導(dǎo)的更詳細(xì)描述在名稱為“Low Loss Single ModeOptical Waveguides with Large Cross-Section in Silicon-on-insulator”中給出，作者是J.Schmidtchen et al，發(fā)表在Electronic Letters,27,p1486,1991上和PCT專利說(shuō)明書WO95/08787中。
在WO95/08787描述并示于圖1中的類型的波導(dǎo)是用于在兩個(gè)不同的集成在芯片上的元件之間傳輸光的。這種類型的波導(dǎo)提供單模低損耗(對(duì)于波長(zhǎng)范圍為1.2微米至1.6微米通常為0.5dB/cm)波導(dǎo)，尺寸通常為3至4微米數(shù)量級(jí)，該波導(dǎo)可以與光纖耦合，而且與其他集成化元件匹配。這種形式的波導(dǎo)也可以容易地由傳統(tǒng)的硅-絕緣體薄片(如WO95/08787中所描述的)生產(chǎn)，而且生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)汀?br> 這里描述的集成干涉儀包括集成在這種芯片上的許多元件。提供光纖連接器用于把芯片與一個(gè)或多個(gè)光纖連接，而且至少提供一個(gè)相位調(diào)制器，用于調(diào)制在芯片上的波導(dǎo)中傳輸?shù)墓狻?br> 共同PCT申請(qǐng)PCT/GB96/01068描述了光纖連接器的適當(dāng)?shù)男问?。這種光纖連接器在本說(shuō)明書的圖3A和3B中示出。
如圖3A和3B所示，V-形溝槽5形成在硅基質(zhì)2上。這種V-形溝槽可以通過(guò)KOH類型刻蝕例如CsOH刻蝕高精度形成在硅上，因?yàn)闇喜鄣谋砻嬖诠鑳?nèi)部沿著特定的晶面刻蝕而成。這樣可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难谀ぜ夹g(shù)精確控制溝槽的寬度而精確確定溝槽5的深度。這種溝槽的一個(gè)特點(diǎn)是它沒(méi)有垂直的端面，因?yàn)槎嗣?A本身由硅內(nèi)部的晶面形成，如圖3A所示，端面5A相對(duì)于垂直方向傾斜35°。這意味著位于溝槽5內(nèi)的光纖6不能與形成在基質(zhì)2的表面上的波導(dǎo)4的端部接合。
為了解決這一問(wèn)題，肋狀波導(dǎo)4這樣形成，即它突出在溝槽5的端面5A之上，以便使得波導(dǎo)4的端部可以緊密靠近位于溝槽5中的光纖6的芯6A的端部。如果溝槽5的深度大約為60微米，那么波導(dǎo)4的突出部分的長(zhǎng)度將為大約80微米。
這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使用各向異性浸蝕液(例如上面提到的KOH類型刻蝕或它的一種變形)而制成，所述各向異性浸蝕液形成溝槽5，并且在形成溝槽的端面5A的同時(shí)下部切割光波導(dǎo)4的端部而不損壞波導(dǎo)，以便后者保持伸出在溝槽的端面5A之外。這依賴于所使用的選擇地浸蝕基質(zhì)材料也就是硅的浸蝕液，有利于二氧化硅絕緣層3。這樣在浸蝕過(guò)程中硅波導(dǎo)4的下面被二氧化硅絕緣層3保護(hù)。通過(guò)在肋狀波導(dǎo)上提供保護(hù)層例如二氧化硅，例如通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸汽沉積方法，肋狀波導(dǎo)4的上面和側(cè)面在這一過(guò)程中也被保護(hù)。這一保護(hù)層也可以用于保護(hù)肋狀波導(dǎo)的端面以便保護(hù)端面不受損壞和防止浸蝕液浸蝕硅波導(dǎo)。這一保護(hù)層在生產(chǎn)過(guò)程的后續(xù)階段去掉。
也可以使用適合于硅-絕緣體技術(shù)的其他類型光纖連接器。
上面提到的WO95/08787也描述了用于集成干涉儀中的適當(dāng)形式的調(diào)制器。這樣的調(diào)制器示于本說(shuō)明書的圖2中。它包括跨越如圖1所示的肋狀波導(dǎo)形成的二極管形式的摻雜結(jié)，而且設(shè)置金屬化接觸點(diǎn)7，用于連接到可以向二極管提供調(diào)制電壓的電子驅(qū)動(dòng)裝置。
圖2是結(jié)的截面圖，可以看到兩個(gè)重?fù)诫s(大約≥1019摻雜原子/cm3)區(qū)域8A和8B形成在肋狀波導(dǎo)4的側(cè)面上；一個(gè)區(qū)域8A是n-摻雜，而另一個(gè)區(qū)域8B是p-摻雜。兩個(gè)重?fù)诫s區(qū)域8A和8B之間的區(qū)域9是p或n輕摻雜，或者標(biāo)稱的不摻雜。這樣的二極管稱為正本負(fù)二極管。選擇結(jié)8A、8B和9的摻雜濃度，以便當(dāng)正偏壓加到二極管上時(shí)自由載流子注入?yún)^(qū)跨越區(qū)域9延伸(電子從n-型區(qū)域8A注入?yún)^(qū)域9，空穴從p-型區(qū)域8B注入?yún)^(qū)域9)。摻雜區(qū)域8A和8B沿著由期望的裝置互作用長(zhǎng)度確定的肋狀波導(dǎo)4的長(zhǎng)度延伸。其他結(jié)構(gòu)的摻雜區(qū)域也可以，例如它們可以形成在肋狀波導(dǎo)4的側(cè)面的硅層1內(nèi)，而不是形成在肋狀波導(dǎo)的側(cè)面內(nèi)。
對(duì)加到結(jié)上的正向偏壓的調(diào)制在二極管結(jié)的長(zhǎng)度上調(diào)制肋狀波導(dǎo)4中的自由載流子的濃度，結(jié)果調(diào)制肋狀波導(dǎo)中的折射率。順序地，該折射率調(diào)制又調(diào)制肋狀波導(dǎo)4的模型傳播常數(shù)，引起調(diào)制肋狀波導(dǎo)的有效折射率和有效傳播長(zhǎng)度。波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度調(diào)制又調(diào)制進(jìn)入裝置的光與離開(kāi)裝置的光之間的相位差。因此，裝置起光學(xué)相位調(diào)制器的作用。
也可以使用適用于硅-絕緣體技術(shù)的其他類型的調(diào)制器，例如以硅-絕緣體肋狀波導(dǎo)為基礎(chǔ)的熱調(diào)制器。
圖4描述了集成在包括上述元件的光學(xué)芯片12A上的干涉儀。來(lái)自寬譜段光源10例如超發(fā)光二極管(SLD)或邊緣發(fā)光二極管(E-LED)(通常波長(zhǎng)范圍為40nm)的光進(jìn)入波導(dǎo)4內(nèi)并通過(guò)光纖連接器13(如同圖3所示的那樣)耦合到單模光纖6中，以便傳輸?shù)絺鞲蓄^11中，象例如作為傳感干涉儀的反射式Fabry-Perot(Fizeau)型腔。這樣的傳感頭可以用于測(cè)量寬范圍的參數(shù)，一個(gè)例子是測(cè)量壓力波動(dòng)，例如內(nèi)燃機(jī)的汽缸內(nèi)的壓力波動(dòng)。在傳感頭11內(nèi)感應(yīng)的相移φs與要測(cè)量的參數(shù)例如壓力成正比。光學(xué)返回信號(hào)沿著同一光纖6傳輸并耦合回到芯片12A，并作為具有光程差(OPDP)的非平衡Mach-Zehnder干涉儀(MZI)的輸入，以便匹配傳感頭11的光程差(OPDs)。Mach-Zehnder干涉儀作為處理干涉儀。兩個(gè)相位調(diào)制器14(圖2所示的類型)包括在MZI中以便在MZI中產(chǎn)生附加的相移φP。在MZI的雙相輸出處，光被兩個(gè)光電檢測(cè)器15接收。
包圍在虛線框12A中的所有元件(Si波導(dǎo)4、光纖連接器13和相位調(diào)制器14)都集成在芯片上。然而，在最佳結(jié)構(gòu)中，光源10和檢測(cè)器15也安裝在芯片上，如同虛線框12B所示。如果光源10和/或檢測(cè)器15不設(shè)置在芯片上，將需要附加的光纖連接器(未示出)以便把芯片12A上的波導(dǎo)4連接到引向光源10和/或檢測(cè)器15的光纖上。
可以有幾種方法取出與相移φs成正比的信號(hào)。
當(dāng)處理干涉儀的光程差與傳感干涉儀的光程差相近時(shí)，輸出強(qiáng)度是普通形式A+B*COS(φd)，其中φd=φp-φs是對(duì)應(yīng)于OPD差的相位差。輸出作為φp的函數(shù)示意性示于圖5中?？梢詼y(cè)量相位φd或根據(jù)φs通過(guò)改變?chǔ)誴把相位φd鎖定為固定值(接近于零)。
通過(guò)鎖定φd,φp是φs的度量，這樣也是傳感干涉儀的光程差變化即被測(cè)量對(duì)象的度量。調(diào)制處理干涉儀，產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)被反饋以便鎖定處理干涉儀的光程差到具有固定相位差的傳感干涉儀的光程差。只要反饋?zhàn)銐蚩欤@一方法直接跟蹤信號(hào)相位(φs)而與光源10引起的強(qiáng)度波動(dòng)、光纖6中的損耗及傳感頭11的反射率變化無(wú)關(guān)。這一方法(調(diào)制和鎖定)要求調(diào)制速度比信號(hào)速度高得多。因此這一方法對(duì)于所述的集成干涉儀是可行的，但是在使用分離元件的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中由于有限的調(diào)制速度而不能使用。
輸出信號(hào)也可以從MZI的雙相輸出端的差值信號(hào)(l1-l2)產(chǎn)生，然后把系統(tǒng)鎖定在90°相移點(diǎn)。差值信號(hào)成功地去除任何DC信號(hào)而且90°相移點(diǎn)位于輸出的零點(diǎn)。在這種情況下，輸出不受任何強(qiáng)度波動(dòng)或可能由相位調(diào)制器14引起的振幅調(diào)制的影響。這一方法也簡(jiǎn)化了信號(hào)處理。
通過(guò)根據(jù)改變?chǔ)誴而跟蹤φs兩種鎖定技術(shù)都把系統(tǒng)鎖定在固定點(diǎn)(即鎖定在固定的φd)。因此，測(cè)量范圍只依賴于處理干涉儀的相位調(diào)制范圍。如果需要大的測(cè)量范圍，可以使用熱相位調(diào)制器或把熱相位調(diào)制器與跨越波導(dǎo)的摻雜結(jié)形式的相位調(diào)制器組合。摻雜的相位調(diào)制器提供快速調(diào)制，而熱相位調(diào)制器起低速鎖定的作用。
使用相位計(jì)是另一種可行的處理方法，而且這一方法允許多路復(fù)用不只一個(gè)傳感干涉儀。這一方法通過(guò)與固定相位參考(即固定相位φp)比較直接測(cè)量φd。對(duì)于這一方法，對(duì)于傳感干涉儀的任何測(cè)量范圍只需2π弧度的相位調(diào)制，只要相位差φd完全在光源的相干范圍以內(nèi)。而且，需要調(diào)制頻率比要測(cè)量的信號(hào)頻率高得多。由圖2所示類型的集成相位調(diào)制器所提供的高速相位調(diào)制使得可以使用該方法，而如果用于傳統(tǒng)的分離光學(xué)系統(tǒng)中這一方法將受到速度的限制。
在包括兩個(gè)相位調(diào)制器14的情況下，MZI的相位調(diào)制器可以設(shè)置成偽推拉模式工作，雖然每個(gè)單獨(dú)相位調(diào)制器只工作在一個(gè)方向上，即它總是通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電流使得光路變短。因?yàn)楦缮鎯x是路徑不平衡的，即在兩個(gè)光路之間有非零光程差，減小較短光路的光程將增大干涉儀的OPD。另一方面，較小較長(zhǎng)光路的光程將減小干涉儀的OPD。這意味著干涉儀的OPD可以通過(guò)分別在較短光路或較長(zhǎng)光路中驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器來(lái)增加或減小。因此，通過(guò)電子方式設(shè)置兩個(gè)相位調(diào)制器工作在不同的方向?qū)崿F(xiàn)偽推拉，即一個(gè)以增加驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)，而同時(shí)另一個(gè)以減小驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)。以這種方式，這兩個(gè)相位調(diào)制器可以看作單一的相位調(diào)制器。這一方法使整個(gè)相位調(diào)制范圍加倍，而且降低了振幅調(diào)制對(duì)頻率范圍的比值。所述的結(jié)構(gòu)與通常使用的推拉方式不同，通常使用的推拉方式中相位調(diào)制器可以兩種方式驅(qū)動(dòng)，即可以產(chǎn)生正的和負(fù)的相移。
如上所述，處理干涉儀和傳感干涉儀的光程差必須匹配。通常，需要匹配到大約10微米范圍內(nèi)。
在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，來(lái)自光源10的光直接傳導(dǎo)到傳感器11而且后反射光進(jìn)入處理干涉儀。
然而，如同在圖6所示的結(jié)構(gòu)中，來(lái)自光源10的光可以首先進(jìn)入處理干涉儀，把它的輸出引導(dǎo)到傳感器11，而且后反射光由檢測(cè)器15檢測(cè)。這一結(jié)構(gòu)具有容易用于多路復(fù)用目的的優(yōu)點(diǎn)，其中同一處理干涉儀被用于詢問(wèn)從幾個(gè)傳感器11接收的信號(hào)。圖6以虛線示出了第二傳感器11A和第二檢測(cè)器15A與處理干涉儀連接，作為裝這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。應(yīng)該注意在多路復(fù)用的情況下，不便于使用鎖定在90°相移點(diǎn)的方法，而使用其他方法例如前面描述的使用相位計(jì)的方法取出信號(hào)。
如上所述，寬譜段光源10和檢測(cè)器15也最好與其他元件集成在同一芯片上。光學(xué)元件與設(shè)置在光學(xué)芯片上的光波導(dǎo)的組裝在本申請(qǐng)人的共同專利申請(qǐng)GB2307786A中進(jìn)行了描述，而且這里參考附圖7A和7B進(jìn)一步進(jìn)行描述。
圖7A和7B示出了包括與光波導(dǎo)4精確對(duì)準(zhǔn)的光源10例如多模激光二極管或SLD的組件，其中光波導(dǎo)4是一種肋狀波導(dǎo)形式，以便在二者之間提供低損耗耦合(損耗最好低于1-3dB)。該組件形成在硅-絕緣體芯片上。光源10放置在形成于硅-絕緣體芯片上的凹槽內(nèi)，該凹槽由側(cè)壁16和17、端部壁18及基礎(chǔ)支撐部19形成。
光源10與肋狀波導(dǎo)4的橫向?qū)?zhǔn)(沿著X-軸方向)通過(guò)把光源10的側(cè)面10A支撐在凹槽的側(cè)壁16上實(shí)現(xiàn)(如圖7所示)。垂直對(duì)準(zhǔn)(沿著Y-軸方向)通過(guò)把光源10的側(cè)面10B支撐在凹槽的基礎(chǔ)支撐部19上實(shí)現(xiàn)，如圖7B所示，凹槽的基礎(chǔ)支撐部19由形成在凹槽的任意一側(cè)的二氧化硅層3內(nèi)的平臺(tái)形成。在所示出的結(jié)構(gòu)中，側(cè)壁16和基礎(chǔ)支撐部19彼此大體垂直，而且每一個(gè)都大體上平行于波導(dǎo)4的光軸(波導(dǎo)4的光軸沿著Z-軸方向)。
最好通過(guò)把光源10的側(cè)面10C支撐在突出部18A上，所述突出部18A設(shè)置在凹槽的端部壁18上，把光源10也沿著Z-軸調(diào)整，以便精確確定光源10與肋狀波導(dǎo)4之間的間隔。
應(yīng)該理解光電檢測(cè)器15也可以類似的方式集成在光學(xué)芯片上。另一種把光源或光電檢測(cè)器安裝在芯片上的方法在本申請(qǐng)人的共同專利申請(qǐng)GB9702559.7(公開(kāi)號(hào)_________)中進(jìn)行了描述，而且這里參考圖9進(jìn)一步進(jìn)行描述。
圖9示出了硅層1、二氧化硅層3和硅基質(zhì)2。肋狀波導(dǎo)4形成在硅層1內(nèi)并且終止于凹槽21內(nèi)的面4A，所述凹槽21形成在硅層1內(nèi)。凹槽21的對(duì)邊上，面22形成在硅層1的側(cè)面上。面22鍍有鋁(或其他的光學(xué)反射鍍層)并且與波導(dǎo)4的軸成一角度。這樣從波導(dǎo)4的面4A出射的光照射在面22上并被反射，以便再被向安裝在凹槽21上方的光電檢測(cè)器15傳輸，例如光電二極管。
上面描述的集成干涉儀比使用零散的光學(xué)元件構(gòu)成的干涉儀具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。把不同的元件集成在硅-絕緣體光學(xué)芯片上提供了以低成本大批量生產(chǎn)這種裝置的可能。如在PCT專利申請(qǐng)WO95/087087中所描述的那樣，這種硅-絕緣體薄片可以由傳統(tǒng)的用于制造非常大尺寸的集成電路的薄片制造，所以可以非常低的成本制造。而且，可以利用這種硅-絕緣體光學(xué)芯片的特性，以便使得其他元件，例如光波導(dǎo)、光纖連接器、相位調(diào)制器、光源和光檢測(cè)器，可以容易地集成在上述的同一芯片上。使用其他技術(shù)這種集成不能容易地實(shí)現(xiàn)，或者是不可能的。
這種元件可以集成在單一芯片上的事實(shí)帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)A)因?yàn)樵谥圃煨酒^(guò)程中各個(gè)元件彼此自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)，所以避免了必須精確定位分離的元件；B)因?yàn)樵谥圃旒呻娐愤^(guò)程中能夠精確地確定OPDP，所以容易滿足匹配OPDP與OPDs的要求，而且可以高度可重復(fù)的方式制造集成干涉儀；C)該技術(shù)適用于比較穩(wěn)定形式的光源，例如超發(fā)光或邊緣發(fā)光二極管，或者不需要高度穩(wěn)定的光源的結(jié)構(gòu)；D)因?yàn)榘惭b在單一芯片上，所以裝置尺寸小、更堅(jiān)固，而且具有較好的熱和環(huán)境穩(wěn)定性；E)所使用的技術(shù)適用于光纖，所以避免了必須在芯片與光纖之間進(jìn)行復(fù)雜而昂貴的連接；F)該技術(shù)適用于如上所述的集成相位調(diào)制器，所以使得能夠主動(dòng)控制干涉儀的光程差；G)該技術(shù)允許使用簡(jiǎn)單的處理技術(shù)而且能夠處理更寬的信號(hào)帶寬；
H)該技術(shù)能夠從許多光學(xué)傳感器詢問(wèn)信號(hào)，包括以Bragg柵為基礎(chǔ)的傳感器；I)使用硅-絕緣體芯片提供了把光路和電信號(hào)處理電路集成在同一芯片上的潛力；J)低成本生產(chǎn)的潛力。
這里描述的技術(shù)，基于使用硅-絕緣體光學(xué)芯片和把不同的光學(xué)元件集成在上面，稱為ASOCTM技術(shù)(ASOC是Bookham Technology Ltd的商標(biāo))。其他的技術(shù)，例如那些基于Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體、玻璃或鈮酸鋰的技術(shù)，或者是不易于達(dá)到上述的集成程度，或者根本不能達(dá)到那樣的集成程度。
應(yīng)該理解除了上述的Mach-Zehnder干涉儀以外，也可以使用所述的ASOCTM元件形成其他形式的干涉儀，例如Michelson或者Fabry-Perot干涉儀。
圖8示出了使用Michelson干涉儀的結(jié)構(gòu)的示意圖。在所示的結(jié)構(gòu)中，來(lái)自集成在芯片上的寬譜段光源10的光進(jìn)入波導(dǎo)4。然后通過(guò)光纖連接器13把光從波導(dǎo)4耦合到光纖6中，光纖6與傳感器頭11相連，例如Fabry-Perot類型的傳感器。沿著光纖6返回的光包含關(guān)于由將要測(cè)量的信號(hào)產(chǎn)生的相移φs的信息。來(lái)自光纖的光通過(guò)光纖連接器13耦合回到芯片上并進(jìn)入光程差等于2neffΔL(其中neff波導(dǎo)4的有效傳播折射率，ΔL是如圖所示的實(shí)際路徑差)的Michelson干涉儀。如圖所示，Michelson干涉儀是反射結(jié)構(gòu)的，具有兩個(gè)從Y-結(jié)延伸的光路并且每個(gè)光路由反射鏡20終止(該反射鏡可以通過(guò)在肋狀波導(dǎo)的端面上鍍金屬膜形成)。從Michelson干涉儀返回的光被也集成在芯片上的光電二極管15接收。通過(guò)使用設(shè)置在Michelson干涉儀的兩個(gè)光路中的相位調(diào)制器14，可以確定相移φs。這種結(jié)構(gòu)可以用于需要大光程差例如幾毫米的應(yīng)用中。
還應(yīng)該理解，如果需要，可以把不只一個(gè)光源設(shè)置在光學(xué)芯片上。
如所述的集成干涉儀具有廣泛的應(yīng)用，其中將要分析的信號(hào)編碼為光程差或光程差的變化。
如這里所描述的集成干涉儀可以與許多種傳感器及儀器一起使用。距離測(cè)量是顯然的例子，但是許多其他參數(shù)的測(cè)量也可以歸結(jié)為兩個(gè)光路之間的差值的測(cè)量，例如壓力的測(cè)量(用受要測(cè)量的壓力作用的薄膜的運(yùn)動(dòng)調(diào)制一個(gè)路徑長(zhǎng)度)，溫度測(cè)量(用受要測(cè)量的溫度影響的物體的熱膨脹和/或折射率變化調(diào)制一個(gè)路徑長(zhǎng)度)，測(cè)量加速度或任何其他可以歸結(jié)為或轉(zhuǎn)換為OPD變化的量。壓力傳感器的一個(gè)具體的應(yīng)用是測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)的汽缸中的壓力波動(dòng)。
還應(yīng)該理解這里所描述的集成干涉儀結(jié)構(gòu)可以用于詢問(wèn)其他類型的傳感器，例如刻在光纖上的Bragg光柵。Bragg光柵用于測(cè)量應(yīng)力或溫度，而且信號(hào)編碼為從光柵返回的光的波長(zhǎng)移動(dòng)。使用OPD＞0的非平衡集成干涉儀，輸入波長(zhǎng)變化Δλ根據(jù)Δφ=2πOPD/λ2Δλ在兩束光之間產(chǎn)生相移Δφ。這一相移可以使用上述信號(hào)處理方法中的一種提取出來(lái)。因?yàn)殪`敏度(單位波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的相移)與干涉儀的OPD成正比，所以使用Michelson干涉儀比使用MZI有利。
這里描述的集成干涉儀也可以其他裝置中，諸如開(kāi)關(guān)(用于把光學(xué)信號(hào)從一個(gè)波導(dǎo)切換到另一個(gè)波導(dǎo))和WDM(波分復(fù)用)裝置，例如用于分離多波長(zhǎng)光以便一個(gè)波長(zhǎng)的光沿著一個(gè)波導(dǎo)傳播，而另一波長(zhǎng)的光沿著另一波導(dǎo)傳播。
權(quán)利要求書1．一種集成在光學(xué)芯片上的干涉儀，該光學(xué)芯片包括通過(guò)絕緣材料層與基質(zhì)分開(kāi)的硅層，光學(xué)芯片具有用于把光學(xué)芯片連接到一個(gè)或多個(gè)光纖上的光纖連接裝置，該光纖連接裝置包括形成在基質(zhì)上的溝槽，用于放置光纖；波導(dǎo)裝置，用于向光纖連接裝置或從光纖連接裝置傳輸光，波導(dǎo)裝置包括形成在所述硅層內(nèi)的肋狀波導(dǎo)；而且至少一個(gè)肋狀波導(dǎo)包括相位調(diào)制器，用于改變沿著所述至少一個(gè)肋狀波導(dǎo)傳輸?shù)墓獾南辔唬摻Y(jié)構(gòu)是這樣的，即形成干涉儀，其中沿著不同光路傳播的光可以組合，而且至少一個(gè)光路的有效光路長(zhǎng)度可以通過(guò)相位調(diào)制器改變。
2．如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中光源和/或光檢測(cè)器也集成在光學(xué)芯片上。
3．如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中光源和/或檢測(cè)器安裝在形成于芯片上的定位溝槽內(nèi)，所述定位溝槽至少具有兩個(gè)非平行的定位表面，所述光源和/或光檢測(cè)器的相應(yīng)表面支撐在所述的至少兩個(gè)非平行的定位表面上，以便把光源和/或光檢測(cè)器與芯片上的波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)。
4．如權(quán)利要求1、2或3所述的干涉儀，其中所述的相位調(diào)制器是跨越肋狀波導(dǎo)形成的摻雜結(jié)形式。
5．如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的干涉儀，其中所述的相位調(diào)制器是熱調(diào)制器。
6．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成Mach-Zehnder干涉儀。
7．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成處理從通過(guò)光纖連接的遠(yuǎn)距離傳感裝置接收的信號(hào)。
8．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成處理干涉儀，用于處理從傳感干涉儀接收的信號(hào)或發(fā)送至傳感干涉儀的信號(hào)。
9．如權(quán)利要求7或8所述的干涉儀，其中所述的傳感裝置或傳感干涉儀設(shè)置成傳感參量，該參量的變化產(chǎn)生或能夠變換成光程差的變化。
權(quán)利要求
1．一種集成在光學(xué)芯片上的干涉儀，該光學(xué)芯片包括通過(guò)絕緣材料層與基質(zhì)分開(kāi)的硅層，光學(xué)芯片具有用于把光學(xué)芯片連接到一個(gè)或多個(gè)光纖上的光纖連接裝置，該光纖連接裝置包括形成在基質(zhì)上的溝槽，用于放置光纖；波導(dǎo)裝置，用于向光纖連接裝置或從光纖連接裝置傳輸光，波導(dǎo)裝置包括一個(gè)或多個(gè)形成在所述硅層內(nèi)的肋狀波導(dǎo)；和至少一個(gè)相位調(diào)制器，用于改變沿著芯片上的肋狀波導(dǎo)傳輸?shù)墓獾南辔?，該結(jié)構(gòu)是這樣的，即形成干涉儀，其中沿著不同光路傳播的光可以組合，而且至少一個(gè)光路的有效光路長(zhǎng)度可以通過(guò)相位調(diào)制器改變。
2．如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中光源和/或光檢測(cè)器也集成在光學(xué)芯片上。
3．如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中光源和/或檢測(cè)器安裝在形成于芯片上的定位溝槽內(nèi)，所述定位溝槽至少具有兩個(gè)非平行的定位表面，所述光源和/或光檢測(cè)器的相應(yīng)表面支撐在所述的至少兩個(gè)非平行的定位表面上，以便把光源和/或光檢測(cè)器與芯片上的波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)。
4．如權(quán)利要求1、2或3所述的干涉儀，其中所述的相位調(diào)制器是跨越肋狀波導(dǎo)形成的摻雜結(jié)形式。
5．如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的干涉儀，其中所述的相位調(diào)制器是熱調(diào)制器。
6．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成Mach-Zehnder干涉儀。
7．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成處理從通過(guò)光纖連接的遠(yuǎn)距離傳感裝置接收的信號(hào)。
8．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，設(shè)置成處理干涉儀，用于處理從傳感干涉儀接收的信號(hào)或發(fā)送至傳感干涉儀的信號(hào)。
9．如權(quán)利要求7或8所述的干涉儀，其中所述的傳感裝置或傳感干涉儀設(shè)置成傳感參量，該參量的變化產(chǎn)生或能夠變換成光程差的變化。
10．如權(quán)利要求8或9所述的干涉儀，其中所述的傳感干涉儀是Fabry-Perot類型的腔。
11．如權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中所述的Fabry-Perot類型的腔設(shè)置成測(cè)量壓力。
12．如權(quán)利要求11所述的干涉儀，其中所述的Fabry-Perot類型的腔設(shè)置成測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)的汽缸中的壓力。
13．如權(quán)利要求7所述的干涉儀，其中所述的傳感裝置包括Bragg光柵結(jié)構(gòu)。
14．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，連接到用于處理其輸出的電處理裝置上。
15．如權(quán)利要求14所述的干涉儀，其中所述的處理裝置設(shè)置成利用相位鎖定技術(shù)，以便把傳感到的信號(hào)之間的相位差鎖定為選擇的值。
16．如權(quán)利要求14或15所述的干涉儀，其中所述的處理裝置設(shè)置成利用由干涉儀產(chǎn)生的雙相輸出信號(hào)。
17．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，連接到白光光源上。
18．如權(quán)利要求9或17所述的干涉儀，其中所述的光程差大于白光光源的相干長(zhǎng)度。
19．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，包括兩個(gè)設(shè)置成工作在偽推拉狀態(tài)的相位調(diào)制器。
20．如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述的干涉儀，其中多個(gè)傳感裝置多路復(fù)用。
21．一種集成干涉儀，實(shí)質(zhì)上如同前面參考附圖所描述的那樣。
全文摘要
一種集成在硅－絕緣體芯片(它包括通過(guò)絕緣材料層(3)與基質(zhì)(2)分開(kāi)的硅層(1))上的干涉儀，該光學(xué)芯片具有集成在上面的光纖連接裝置(13)，用于把光學(xué)芯片連接到一個(gè)或多個(gè)光纖(6)上，該光纖連接裝置(13)包括形成在基質(zhì)(2)上的溝槽(5)，用于放置光纖(6)；波導(dǎo)裝置(4)，用于向光纖連接裝置(13)或從光纖連接裝置(13)傳輸光，波導(dǎo)裝置(4)包括一個(gè)或多個(gè)形成在所述硅層(1)內(nèi)的肋狀波導(dǎo)(9)；和至少一個(gè)相位調(diào)制器(14)，用于改變沿著芯片上的肋狀波導(dǎo)(9)傳輸?shù)墓獾南辔唬摻Y(jié)構(gòu)是這樣的，即形成干涉儀，其中沿著不同光路傳播的光可以組合，而且至少一個(gè)光路的有效光路長(zhǎng)度可以通過(guò)相位調(diào)制器(14)改變。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1238041SQ9719980
公開(kāi)日1999年12月8日 申請(qǐng)日期1997年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月15日
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