[发明专利]基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法，其中装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、硅光芯片、模斑变换器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机。本发明的测量方法基于光频域反射技术，将待测硅光芯片本身作为传感器，光通过特殊结构的模斑变换器进出芯片。温度的变化会引起芯片瑞利散射光谱移动，移动量通过测量瑞利散射光谱(温度变化后)与参考光谱(原始温度)互相关运算得到。互相关峰偏离值为移动量，对应于温度变化量。该测量方式具有空间分辨率高、精度高的特点，解决了传统传感手段传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题，特别适用于微小硅光芯片温度测量。

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法。

背景技术

硅光芯片上集成有光电转换和传输模块，通过芯片间光信号的交换进行数据传输，相较于目前使用的集成电路数据传输方式，具有损耗低、传输带宽大、传输速度快等特点，在光通信、数据中心、生物、国防、智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。与半导体芯片一样，硅光芯片在进行高频运算与数据传输时，会产生一定的能耗，导致芯片温度上升，影响光信号的控制及传输质量，因此，芯片温度实时监测显得十分必要。常用的温度传感装置存在着许多不足：例如电学传感器一般体积较大、结构复杂，难以集成在体积较小的硅光芯片上，且其使用寿命较短，频繁的更换易造成芯片损坏；特殊光纤作为传感器布设在芯片表面，一方面由于芯片体积小，光纤布设十分困难，另一方面测量温度仅反映了芯片表面的温度，不能准确反映芯片内部温度，测量准确度较低。

另外，硅光芯片的横截面积尺寸通常小于1μm，与单模光纤的芯径8～10μm相差较大，光从光纤进入小尺寸的芯片时会产生极大的损耗，光纤、硅光芯片的耦合问题阻碍了众多光纤传感技术在芯片测温中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以在硅光芯片上安装温度传感器测量硅光芯片的缺陷，提供一种将硅光芯片作为温度传感器直接测量其温度的基于OFDR的硅光芯片温度测量装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于OFDR的硅光芯片温度测量装置，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、硅光芯片、模斑变换器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：

所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；

所述模斑变换器连接在所述光纤环形器和所述硅光芯片之间，且所述模斑变换器通过单模光纤与所述光纤环形器连接；所述模斑变换器为楔形体，该楔形体的一个连接端为平面端，该平面端与所述单模光纤的端部连接；该楔形体的另一个连接端为线端，该线端与所述硅光芯片连接；

所述硅光芯片通过所述模斑变换器与单模光纤耦合，信号光通过所述模斑变换器进出所述硅光芯片；所述硅光芯片上每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

所述光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；

所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；

所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对采集信号进行解调。

本发明还提供了一种基于上述装置的硅光芯片温度测量方法，包括以下步骤：

将线性扫描激光器发出的激光分为两束，一束作为参考光，另一束作为信号光；

信号光通过模斑变换器进入硅光芯片，硅光芯片每一位置产生的瑞利散射光沿路返回，经过光纤耦合器与反射回来的参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；