一种多通道光信道监测系统及其制作方法

摘要

本发明公开了一种多通道光信道监测系统及其制作方法，属于光通信领域。本发明采用多通道波导上刻写倾斜光栅并使用面阵CCD探测器接收信号，可以实现多通道光信道监测，相比于传统的信道监测方法，本发明为基于集成波导的器件，将多个光通道集成在一个光波导上，采用平凸型SiO2基底，将传统信道监测方法中的外部体光栅衍射器件替换为波导内的倾斜光栅，使用面阵CCD探测器接收不同通道和不同波长信道的光信号，同时实现空分复用和波分复用，在实现多通道光信道监测的同时，无需特定方向上的准直透镜，集成度高，结构稳定。

权利要求

1.一种多通道光信道监测系统，其特征在于，包括：从上到下依次分布的SiO2包层(1)、导光层(2)、SiO2基底(3)、面阵CCD探测器(4)；其中，面阵CCD探测器(4)连接信号处理模块(7)；

所述导光层(2)由N个掺锗Si通道(5)构成；每个掺锗Si通道(5)上刻有倾斜光栅(6)；所述倾斜光栅与光路垂直的截面形成0‑45度夹角；

每列掺锗Si通道(5)与面阵CCD探测器(4)的对应列像素点位于同一平面上；

所述SiO2基底(3)的上侧为平面，下侧为柱面；所述面阵CCD探测器与所述SiO2基底距离为SiO2基底所呈柱透镜对应的焦距；

所述SiO2包层，用于将光路限制在导光层中传输；所述导光层，用于通过各个掺锗Si通道(5)将光路传输到倾斜光栅(6)，从而将不同波长的光衍射到SiO2基底(3)中；所述SiO2基底(3)，用于将不同波长的衍射光聚焦到面阵CCD探测器(4)的不同像素点上；所述面阵CCD探测器(4)中的每一列像素点，用于实现对应列掺锗Si通道(5)的信道监测；所述信号处理模块(7)，用于将所述面阵CCD探测器(4)探测到的信号提取为不同通道的光谱信号。

2.根据权利要求1所述的一种多通道光信道监测系统，其特征在于，相邻掺锗Si通道的间隙填充有SiO2材料。

3.根据权利要求1所述的一种多通道光信道监测系统，其特征在于，信号处理模块对面阵CCD探测器中同一列像素点对应的不同波长处的光强响应进行光谱补偿，完成不同波长信道的监测。

4.根据权利要求3所述的一种多通道光信道监测系统，其特征在于，面阵CCD探测器采用InGaAs面阵探测器。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种多通道光信道监测系统，其特征在于，所述多通道光信道监测系统最大可监测的信道数目C满足以下公式：C＝M×N

其中，N为掺锗Si通道的数目，M为每个掺锗Si通道中不同波长信道的数目。

6.根据权利要求5所述的一种多通道光信道监测系统，其特征在于，所述多通道光信道监测系统光谱分辨率满足以下公式：其中，δλ为光谱分辨率，λ为入射光波长，f为SiO2基底所呈柱透镜的焦距，D为倾斜光栅的长度，d为SiO2基底的高度，Λ为倾斜光栅的周期，n为掺锗Si通道的折射率。

7.一种权利要求1‑6任一项所述多通道光信道监测系统的制作方法，其特征在于，包括：

S1.在上侧为平面，下侧为柱面的SiO2基底上侧沉积一层掺锗Si材料，得到第一沉积层；

S2.在第一沉积层上刻蚀N个掺锗Si通道，得到导光层；

S3.在导光层上侧沉积SiO2材料得到SiO2包层；

S4.采用激光掩膜法或双光束干涉法在导光层上刻写倾斜光栅；所述倾斜光栅与光路垂直的截面形成0‑45度夹角。

8.根据权利要求7所述的一种多通道光信道监测系统的制作方法，其特征在于，采用激光掩膜法在导光层上刻写倾斜光栅，具体包括：激光经过光束准直扩束后，平行入射进入45度反射镜，经反射后透过柱透镜形成聚焦光斑，入射到相位掩膜板上形成干涉区域；

将SiO2包层一侧贴近相位掩膜板，并将相位掩膜板与SiO2包层、导光层和SiO2基底共同旋转0～45度；

控制电位移平台，使SiO2包层、导光层和SiO2基底在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为相邻掺锗Si通道的距离，总共移动N次，移动时激光器关闭，移动完成后激光器开启，导光层在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅的刻写。

9.根据权利要求7所述的一种多通道光信道监测系统的制作方法，其特征在于，采用双光束干涉法在导光层上刻写倾斜光栅，具体包括：激光器发出激光，平行入射进入45度反射镜，之后由旋转可调光栅对分束器实现光束分束，分束后的两束光经过反射透镜组后在导光层发生干涉；

控制电位移平台，使SiO2包层、导光层和SiO2基底在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为相邻掺锗Si通道的距离，总共移动N次，移动时激光器关闭，移动完成后激光器开启，导光层在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅的刻写。

说明书

一种多通道光信道监测系统及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种多通道光信道监测系统及其制作方法。

背景技术

[0002] 随着5G通信的快速发展，建设高信道密集程度、高信道传输速率的光网络成为了通信领域发展的必然趋势。密集波分复用技术(DWDM)和空分复用技术(SDM)是增加信道数
量的常用手段，也是光通信、光网络系统扩容的首选方案,通常将两种技术同时使用以达到
最佳的扩容效果。对于密集波分复用系统而言，除了要监测每个信道的功率以外，还需要监
测每个信道的波长以及光信噪比。

[0003] 目前在密集波分复用系统中常用的光信道监测技术是利用光栅的衍射效应将不同波长的光在空间上展开，之后经过透镜组准直聚焦后被探测器接收。现有的这种光信道
监测技术只能针对于单芯的监测，无法做到空分复用下多通道的信道监测；并且这种传统
的监测技术通常需要一个独立的体光栅和几个分立的光学透镜来实现对信号光的分离和
接收，这使得监测系统过于复杂，并且容易受外界干扰。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道光信道监测系统及其制作方法，其目的在于解决目前光信道监测系统或无法用于监测多通道传输，或系统
过于复杂，集成度低，容易受外界干扰的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道光信道监测系统，包括：从上到下依次分布的SiO2包层、导光层、SiO2基底、面阵CCD探测器；其中，面阵CCD探测
器连接信号处理模块；

[0006] 所述导光层由N个掺锗Si通道构成；每个掺锗Si通道上刻有倾斜光栅；所述倾斜光栅与光路垂直的截面形成0‑45度夹角；

[0007] 每列掺锗Si通道与面阵CCD探测器的对应列像素点位于同一平面上；

[0008] 所述SiO2基底的上侧为平面，下侧为柱面；所述面阵CCD探测器与所述SiO2基底距离为SiO2基底所呈柱透镜对应的焦距；

[0009] 所述SiO2包层，用于将光路限制在导光层中传输；所述导光层，用于通过各个掺锗Si通道将光路传输到倾斜光栅，从而将不同波长的光衍射到SiO2基底中；所述SiO2基底，用
于将不同波长的衍射光聚焦到面阵CCD探测器的不同像素点上；所述面阵CCD探测器中的每
一列像素点，用于实现对应列掺锗Si通道的信道监测；所述信号处理模块，用于将所述面阵
CCD探测器探测到的信号提取为不同通道的光谱信号。

[0010] 进一步地，相邻掺锗Si通道的间隙填充有SiO2材料。

[0011] 进一步地，信号处理模块对面阵CCD探测器中同一列像素点对应的不同波长处的光强响应进行光谱补偿，完成不同波长信道的监测。

[0012] 进一步地，面阵CCD探测器采用InGaAs面阵探测器。

[0013] 进一步地，所述多通道光信道监测系统最大可监测的信道数目C满足以下公式：

[0014] C＝M×N

[0015] 其中，N为掺锗Si通道的数目，M为每个掺锗Si通道中不同波长信道的数目。

[0016] 进一步地，所述多通道光信道监测系统光谱分辨率满足以下公式：

[0017]

[0018] 其中，δλ为光谱分辨率，λ为入射光波长，f为SiO2基底所呈柱透镜的焦距，D为倾斜光栅的长度，d为SiO2基底的高度，Λ为倾斜光栅的周期，n为掺锗Si通道的折射率。

[0019] 按照本发明的另一方面，提供了一种上述多通道光信道监测系统的制作方法，包括：

[0020] S1.在上侧为平面，下侧为柱面的SiO2基底上侧沉积一层掺锗Si材料，得到第一沉积层；

[0021] S2.在第一沉积层上刻蚀N个掺锗Si通道，得到导光层；

[0022] S3.在导光层上侧沉积SiO2材料得到SiO2包层；

[0023] S4.在导光层上刻写倾斜光栅；所述倾斜光栅与光路垂直的截面形成0‑45度夹角。

[0024] 进一步地，采用激光掩膜法或双光束干涉法在导光层上刻写倾斜光栅。

[0025] 进一步地，采用激光掩膜法在导光层上刻写倾斜光栅，具体包括：

[0026] 激光经过光束准直扩束后，平行入射进入45度反射镜，经反射后透过柱透镜形成聚焦光斑，入射到相位掩膜板上形成干涉区域；

[0027] 将SiO2包层一侧贴近相位掩膜板，并将相位掩膜板与SiO2包层、导光层和SiO2基底共同旋转0～45度；

[0028] 控制电位移平台，使SiO2包层、导光层和SiO2基底在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为相邻掺锗Si通道的距离，总共移动N次，移动时激光器关闭，移动完成后
激光器开启，导光层在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅的刻写。

[0029] 进一步地，采用双光束干涉法在导光层上刻写倾斜光栅，具体包括：

[0030] 激光器发出激光，平行入射进入45度反射镜，之后由旋转可调光栅对分束器实现光束分束，分束后的两束光经过反射透镜组后在导光层发生干涉；

[0031] 控制电位移平台，使SiO2包层、导光层和SiO2基底在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为相邻掺锗Si通道的距离，总共移动N次，移动时激光器关闭，移动完成后
激光器开启，导光层在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅的刻写。

[0032] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

[0033] 本发明采用多通道波导上刻写倾斜光栅并使用面阵CCD探测器接收信号，可以实现多通道光信道监测，相比于传统的信道监测方法，本发明为基于集成波导的器件，将多个
光通道集成在一个光波导上，采用平凸型SiO2基底，将传统信道监测方法中的外部体光栅
衍射器件替换为波导内的倾斜光栅，使用面阵CCD探测器接收不同通道和不同波长信道的
光信号，同时实现空分复用和波分复用，在实现多通道光信道监测的同时，无需特定方向上
的准直透镜，集成度高，结构稳定。

附图说明

[0034] 图1是目前现有的光信道监测系统结构示意图；

[0035] 图2是本发明提供的一种多通道光信道监测系统的一个实施例结构示意图；

[0036] 图3是本发明提供的一种多通道光信道监测系统左视图；

[0037] 图4是本发明所述实例中多通道光信道监测系统中倾斜光栅的激光掩模法制作装置图；

[0038] 图5是本发明所述实例中多通道光信道监测系统中倾斜光栅的双光束干涉法制作装置图；

[0039] 其中，1为SiO2包层，2为导光层，3为SiO2基底，4为面阵CCD探测器，5为掺锗Si通道，6为倾斜光栅，7为信号处理模块，8为激光器，9为光束扩束镜，10为45度反射镜，11为柱
透镜，12为相位掩膜板，13为电位移平台，14为分束器，15为反射透镜，16为可调角度反射透
镜一，17为可调角度反射透镜二，18为传输光纤，19为光纤耦合器，20为光纤准直器，21为体
衍射光栅，22为聚焦透镜，23为线阵探测器。

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0041] 如图1所示，目前现有的光信道监测系统，包括：传输光纤18，光纤耦合器19，光纤准直器20，体衍射光栅21，聚焦透镜22，线阵探测器23。传输光纤18中的信号光经过光纤耦
合器19后分为两路，一路用于信道监测，一路用于信号传输，用于信道监测的信号光经光纤
准直器20耦合到自由空间中，之后入射到体衍射光栅21表面上形成衍射光，衍射光经聚焦
透镜22聚焦后由线阵探测器23接收。该光信道监测系统需将传输光从传输光纤18中耦合出
来，之后在空间上由体衍射光栅将信号光衍射，整个系统光路较为复杂，并且信号光在耦合
到自由空间时和被体光栅衍射过程中损耗较大，不利于光信号的监测。若要实现多通道信
号的光信道监测，则需要多个光纤准直器，体衍射光栅，聚焦透镜和线阵探测器分别对每个
通道进行信号光的准直、衍射、聚焦和信号接收，整个监测系统过于复杂，集成度低，并且需
要的器件较多，成本较高。

[0042] 参考图2、图3，本发明提供的一种多通道光信道监测系统，包括：SiO2包层1，导光层2，SiO2基底3，面阵CCD探测器4和信号处理模块7。导光层有N个掺锗Si通道5，每个掺锗Si
通道5上刻有一个倾斜光栅6，相邻掺锗Si通道5的间隙填充有SiO2材料。面阵CCD探测器4为
InGaAs面阵探测器，响应波段为900‑1700nm，分辨率为640×512。相邻的掺锗Si通道5间隔
与面阵CCD探测器4的横向相邻像素点间隔相同，本实施例为20微米，掺锗Si通道5与面阵
CCD探测器4的横向像素点数目相同，本实施例为640个。倾斜光栅6长度为5mm，周期为
748nm，倾斜角为45°。SiO2基底3的上侧为平面，下侧为柱面，高度为1cm，所呈柱透镜焦距为
5mm。面阵CCD探测器与SiO2基底距离为SiO2基底所呈柱透镜对应的焦距。

[0043] 具体应用中，光在各个掺锗Si通道5中传输到倾斜光栅6时，以波长相关的衍射角被衍射到SiO2基底3中，由于SiO2基底3的底部为柱面，不同波长的衍射光被聚焦到面阵CCD
探测器4的不同像素点上，从而完成不同波长信道的监测。从左到右每列掺锗Si通道5与面
阵CCD探测器4的每列像素点位于同一平面上，即一列像素点实现对一个掺锗Si通道5的信
道监测。

[0044] 本实例中信号处理模块7用于将所述面阵CCD探测器4探测到的信号提取为不同通道的光谱信号，面阵CCD探测器4的纵向信号为每个通道的光谱信号，需要在信号处理模块7
中对不同波长处的光强响应进行光谱补偿。面阵CCD探测器4的横向信号为不同通道的同一
波长处的信号。本实例中面阵CCD探测器4先输出第1列共512个信号给信号处理模块7，经过
光谱补偿后得到第一个掺锗Si通道5的光谱信号，之后依次输出第2列，第3列……第640列
信号，每列有512个信号，对应于第2个，第3个……第640个掺锗Si通道5的光谱信号。

[0045] 本实施例中的多通道光信道监测系统光谱分辨率满足以下公式：

[0046]

[0047] 其中，δλ为光谱分辨率，λ为入射光波长，f为SiO2基底3所呈柱透镜的焦距，D为倾斜光栅6的长度，d为SiO2基底3的高度，Λ为倾斜光栅6的周期，n为掺锗Si通道5的折射率。
本实施例中入射光波长为1550nm时，光谱分辨率为0.16nm，达到了目前现有的信道监测技
术标准。

[0048] 最大可监测的信道数目C满足以下公式：

[0049] C＝M×N

[0050] 其中，N为掺锗Si通道5的数目，M为每个掺锗Si通道5中不同波长信道的数目。以0.4nm作为每个传输信道的波长间隔，在40nm波长范围以内可以实现的信道监测数目为
64000个。

[0051] 本实例在该光谱分辨率和信道监测数目下，整个监测系统高度仅为几个厘米，在与光通道垂直的方向上宽度为毫米量级，相比于高度和宽度均为分米量级的传统光信道监
测系统，本实例在满足光谱分辨率和信道监测数目标准的同时，实现了高稳定性，高集成
度。

[0052] 本实例一种多通道光信道监测系统的制作方法为，在柱面型SiO2基底3上侧沉积一层掺锗Si材料，通过反应离子刻蚀方法刻蚀N个掺锗Si通道5，得到导光层2，继续在导光
层2上侧沉积SiO2材料得到SiO2包层1。采用激光掩膜法或双光束干涉法在导光层2上刻写
倾斜光栅6，倾斜方向为垂直方向。

[0053] 如图4所示为本实例多通道光信道监测系统中倾斜光栅的激光掩模法刻写装置。激光器8发出激光，经过光束扩束镜9后，平行入射进入45度反射镜10，之后透过柱透镜11形
成聚焦光斑，入射到相位掩膜板12上形成干涉区域，将SiO2包层1一侧贴近相位掩膜板12，
相位掩膜板12与SiO2包层1、导光层2和SiO2基底3共同旋转45度，控制电位移平台13，使
SiO2包层1、导光层2和SiO2基底3在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为相邻掺
锗Si通道5的距离为20微米，总共移动640次，移动时激光器关闭，移动完成后激光器开启，
导光层2在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅6的刻写。

[0054] 如图5所示为本实例多通道光信道监测系统中倾斜光栅的双光束干涉法刻写装置。激光器8发出激光，平行入射进入45度反射镜10，之后由旋转可调光栅对分束器14实现
光束分束，分束后的两束光经过反射透镜15后朝两个方向出射，之后分别经过可调角度反
射透镜一16和可调角度反射透镜二17后在导光层2发生干涉，通过调节可调角度反射透镜
一16和可调角度反射透镜二17的角度，使干涉条纹与导光层倾角为45度。控制电位移平台
13，使SiO2包层1、导光层2和SiO2基底3在与电位移平台垂直方向上移动，每次移动距离为
相邻掺锗Si通道5的距离为20微米，总共移动640次，移动时激光器关闭，移动完成后激光器
开启，导光层2在干涉区域中实现折射率调制，最终实现倾斜光栅6的刻写。

[0055] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。