一种用于分布式光纤传感的混合集成光电芯片及分布式光纤传感方法

本技术涉及光子芯片混合集成及分布式光纤传感，更具体地，涉及一种用于分布式光纤传感的混合集成光电芯片及分布式光纤传感方法。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术是一种利用光在光纤中传输时产生的背向散射光，以光纤本身作为连续传感介质，实现长距离、分布式感知的技术。相比传统单点式传感器，分布式光纤传感系统能够沿传感光纤连续获取外界振动、声波或应变扰动信息。基于相位敏感光时域反射的分布式声传感技术通过测量背向瑞利散射光的相位或强度变化，可实现动态扰动波形的分布式探测，已成为管线监测、周界安防、交通监测和地球物理探测等领域的重要技术路线。

2、传统分布式光纤传感系统通常采用窄线宽激光器、声光调制器或电光调制器、光纤放大器、光环形器、光纤耦合器、相干接收器、平衡光电探测器以及数据采集与信号处理模块等分立器件搭建。该类方案器件选择灵活、技术实现成熟，但光学器件和光纤连接数量较多，系统体积、封装复杂度和调试工作量较大。器件之间的耦合损耗、偏振漂移、机械扰动和环境温度变化还会影响长期运行时的光路稳定性和重复性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术系统封装难度大、损耗大等的不足，提供一种用于分布式光纤传感的混合集成光电芯片及分布式光纤传感方法，集成度高，有效降低了损耗，提高了系统整体消光比。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、提供一种用于分布式光纤传感的混合集成光电芯片，包括模块载板，集成于所述模块载板上的窄线宽激光器芯片、硅基das收发芯片、掺铒波导放大器芯片、泵浦激光器芯片；

4、所述窄线宽激光器芯片用于输出连续光，所述窄线宽激光器芯片的光输出端与所述硅基das收发芯片的光源输入端连接；

5、所述硅基das收发芯片包括输入光处理单元、级联马赫-曾德尔调制单元和相干接收单元；所述输入光处理单元用于接收和处理所述连续光，并将所述连续光至少分配为发射光和本振光，发射光进入所述级联马赫-曾德尔调制单元，本振光进入所述相干接收单元；所述级联马赫-曾德尔调制单元用于对发射光进行调制产生高消光比探测脉冲；所述相干接收单元用于将传感光纤返回的后向散射光与本振光进行片上相干混频和平衡光电探测；

6、所述掺铒波导放大器芯片的信号光输入端与所述硅基das收发芯片的探测脉冲输出端连接，用于在泵浦光作用下对完成高消光比调制的探测脉冲进行片内功率放大；

7、所述泵浦激光器芯片的光输出端与所述掺铒波导放大器芯片的泵浦光输入端连接，用于输出所述掺铒波导放大器芯片所需的泵浦光。

8、本发明的一种用于分布式光纤传感的混合集成光电芯片，在同一模块载板上设置窄线宽激光器芯片、具有级联马赫-曾德尔调制发射支路和相干接收支路的硅基das收发芯片、掺铒波导放大器芯片以及泵浦激光器芯片，并通过片上耦合波导或键合结构依次形成连续光输入、高消光比探测脉冲产生、模块内光功率放大及泵浦供给所需的固定片间光路，由此，在混合集成光电芯片内部形成连续光输入、脉冲调制、受泵放大、外部传感和同源本振接收相配合的光路。

9、本发明的混合集成光电芯集成度高，有效减少了片外光纤连接。级联马赫-曾德尔调制器用于逐级抑制探测脉冲关断态残余光，掺铒波导放大器芯片用于补偿多级调制器、芯片耦合端口和片间光互连引入的损耗，窄线宽激光器芯片同时为探测脉冲发射和相干接收本振支路提供相干光源，泵浦激光器芯片为掺铒波导放大器提供模块内泵浦光。本发明通过级联马赫-曾德尔调制单元提供高消光比探测脉冲，并将掺铒波导放大器芯片设置在级联马赫-曾德尔调制单元之后，使完成高消光比整形的探测脉冲在混合集成光电芯片内部得到功率放大，从而缓解级联调制带来的消光比提升与输出光功率降低之间的矛盾；在提高消光比的同时也避免了光功率的损耗。

10、进一步地，所述窄线宽激光器芯片的光输出端通过第一光子引线键合结构与所述硅基das收发芯片的光源输入端连接；所述硅基das收发芯片的探测脉冲输出端通过第二光子引线键合结构与所述掺铒波导放大器芯片的信号光输入端连接；所述泵浦激光器芯片的光输出端通过第三光子引线键合结构与所述掺铒波导放大器芯片的泵浦光输入端连接。

11、进一步地，第一光子引线键合结构、第二光子引线键合结构以及第三光子引线键合结构可以采用三维聚合物波导，相互连接的两个芯片可以具有一定的高度差，三维聚合物波导通过空间曲线适配两个芯片光端口的位置差异。光子引线键合结构的具体材料、截面尺寸、弯曲半径和写入工艺可根据工作波长、端口模场尺寸及允许插入损耗确定。需要说明的是，在不改变功能连接关系的情况下，部分片间连接也可采用端面对接耦合、微透镜辅助耦合、光纤阵列耦合、转接波导芯片或其他固定片间光互连结构实现。

12、进一步地，硅基das收发芯片包括光源输入端、输入光处理单元、发射支路、本振支路、级联马赫-曾德尔调制单元、探测脉冲输出端、后向散射光输入端、相干接收单元、以及相应的射频、直流和探测电信号接口；上述各光学单元通过硅基片上波导连接，射频电极、直流偏置线、热调谐金属线及探测电信号金属线设置于硅基das收发芯片的对应金属布线层。上述金属线可通过引线键合、倒装焊凸点、重布线层或其他芯片级电互连结构连接至模块载板上的电布线，并进一步连接至模块边缘电引脚或外部印制电路板。

13、输入光处理单元用于接收由窄线宽激光器芯片输入的连续光，并根据系统光路需求对输入光进行分光、偏振处理或功率调节。输入光处理单元将连续光至少分配为发射光和本振光，其中发射光经发射支路进入级联马赫-曾德尔调制单元，本振光经本振支路进入相干接收单元。输入光处理单元可包括多模干涉耦合器、定向耦合器、y 分支、可调分束器、偏振分束器、偏振旋转器或偏振旋转分束器中的一种或多种。发射光与本振光的功率分配比例可根据探测脉冲功率和相干接收本振光功率需求设置。

14、进一步地，所述级联马赫-曾德尔调制单元包括n级依次光连接的硅基马赫-曾德尔调制器，其中n≥2；每一级所述硅基马赫-曾德调制器均包括输入分束器、两条干涉臂、输出合束器、射频电极组以及工作点调谐结构；两条所述干涉臂的两端分别与所述输入分束器和所述输出合束器连接，所述射频电极组输出射频信号用于改变至少一条干涉臂的有效折射率；所述工作点调谐结构设于所述干涉臂用于调节对应的硅基马赫-曾德尔调制器的干涉偏置状态。相邻两级马赫-曾德尔调制器通过片上级间连接波导依次连接。

15、进一步地，级联马赫-曾德尔调制单元采用两级级联结构。第一级马赫-曾德尔调制器用于根据射频脉冲驱动信号对连续光进行第一次强度调制，第二级马赫-曾德尔调制器对第一级调制器输出的光进行第二次强度调制。当两级调制器均处于开启状态时，发射光依次通过两级调制器形成探测脉冲；当两级调制器均处于关断状态时，残余光依次受到两级调制器抑制。因此，在工作点和驱动时序匹配的情况下，两级级联结构能够获得高于单级调制器的总消光比。

16、进一步地，级联马赫-曾德尔调制单元可采用三级级联结构，即在第二级调制器之后继续设置第三级硅基马赫-曾德尔调制器。三级调制器可接收同步的射频脉冲驱动信号，也可根据各级光传播时延设置具有对应时延关系的射频驱动信号。三级级联结构能够进一步抑制关断态残余光，但会相应增加片上插入损耗、射频驱动端口和调谐通道。两级或三级结构可根据目标消光比、允许插入损耗、输出光功率及封装接口数量进行选择。

17、级联马赫-曾德尔调制单元提高消光比的同时会引入多级调制器本征损耗和级间波导损耗。此外，硅基das收发芯片的输入/输出耦合端口以及各光子引线键合结构也会产生一定的光功率损耗。本发明将掺铒波导放大器芯片设置在级联调制单元之后，使级联调制产生的探测脉冲先完成高消光比整形，再在模块内部进行光功率放大，从而使级联调制与模块内光放大形成相互配合的发射链路。

18、进一步地，通过至少两级依次连接的硅基马赫-曾德尔调制器的多级调制实现对探测脉冲关断态残余光进行逐级抑制，接着，在片内通过所述掺铒波导放大器芯片对引入的光功率损耗进行补偿。本发明掺铒波导放大器芯片设置在级联马赫-曾德尔调制单元之后，用于对完成高消光比调制的探测脉冲进行功率放大；该设置使级联调制增加的插入损耗能够在芯片内部得到补偿。

19、进一步地，硅基das收发芯片的本振支路与相干接收单元连接；相干接收单元还与后向散射光输入端连接，用于接收传感光纤返回的后向散射光，并使后向散射光与本振光在片上发生相干混频、及平衡光电探测。相干接收单元可包括本振光处理结构、接收光偏振处理结构、90°光混频器、多模干涉耦合器、定向耦合器以及平衡光电探测单元中的一种或多种。其中，平衡光电探测单元将混频后的互补光信号转换为差分电信号，并通过硅基das收发芯片的探测电信号输出端输出。硅基das收发芯片的探测脉冲输出端通过第二光子引线键合结构与掺铒波导放大器芯片的信号光输入端连接。第二光子引线键合结构将级联马赫-曾德尔调制单元输出的探测脉冲传输至掺铒波导放大器芯片，第二光子引线键合结构可沿大致水平方向连接两个芯片相对的光耦合端口，也可根据芯片排布跨越一定的横向间距、高度差或端口偏移。

20、进一步地，所述掺铒波导放大器芯片包括依次连接的信号光输入端、泵浦/信号合束结构、掺铒增益波导区和信号光输出端，以及与所述泵浦/信号合束结构连接的泵浦光输入端；所述泵浦/信号合束结构可采用波分复用耦合器、多模干涉耦合器、定向耦合器或其他能够将泵浦光与信号光导入增益波导区的片上结构；所述掺铒增益波导区可采用平面螺旋波导、折叠螺旋波导、跑道形折叠波导或其他能够在有限芯片面积内增加有效增益长度的波导拓扑。

21、进一步地，泵浦光与探测脉冲可在掺铒波导放大器芯片内采用同向传输、反向传输或双向泵浦方式。主要实施方式采用模块内泵浦激光器芯片供泵，以减少片外泵浦光纤连接；在其他实施方式中，也可通过外部泵浦光接口向掺铒波导放大器芯片提供泵浦光。

22、进一步地，掺铒波导放大器芯片放大后的探测脉冲经第一边缘耦合端口输出，第一边缘耦合端口可与第一光纤连接，用于将探测脉冲传输至模块外部的光环形器。硅基das收发芯片的后向散射光输入端可与第二边缘耦合端口连接，第二边缘耦合端口可与第二光纤连接，用于接收由外部光环形器返回的后向散射光。第一光纤和第二光纤可作为模块封装后的光纤尾纤，也可由光纤阵列、可插拔光连接器或其他模块级光接口替代。

23、进一步地，在掺铒波导放大器芯片的信号光输出端之后还可设置光学滤波模块，用于抑制放大自发辐射噪声和/或残余泵浦光。所述光学滤波模块可设置于混合集成光电芯片内部，也可设置于混合集成光电芯片的探测脉冲输出端与外部光环形器之间，其具体滤波带宽和波长选择特性可根据探测光工作波长、放大器增益谱及泵浦波长进行设置。

24、进一步地，模块载板用于承载和固定各光子芯片，并为各光子芯片之间的相对位置、光耦合端口朝向及电连接提供机械基准。模块载板可采用陶瓷载板、硅中介层、玻璃载板、有机封装基板、金属基板或具有电布线结构的印制电路载板实现。各芯片可通过芯片粘接、共晶焊接、倒装焊或其他适合的芯片贴装方式固定于模块载板。模块载板 上还可设置散热结构、温度检测结构或热电制冷结构，用于维持窄线宽激光器芯片、泵浦激光器芯片及其他温度敏感器件的工作状态。

25、进一步地，所述模块载板上还集成有印刷电路板，在所述印刷电路板上设有跨阻放大电路，用于对相干接收单元输出的探测电信号进行前置放大；所述印刷电路板上还设有射频驱动接口、直流偏置/热调谐接口、探测电信号/tia接口、激光器驱动接口、泵浦驱动接口。射频驱动接口、直流偏置/热调谐接口、激光器驱动接口和泵浦驱动接口分别用于接入模块外部的射频脉冲驱动、直流偏置/热控、激光器驱动和泵浦驱动信号；经跨阻放大后的探测电信号可由pd/tia接口输出至模块外部的数据采集单元。

26、本发明还提供一种分布式光纤传感系统，包括以上所述的混合集成光电芯片、光环形器、传感光纤、射频脉冲驱动模块、直流/热控及光源驱动模块、数据采集模块以及信号处理模块；所述混合集成光电芯片的探测脉冲输出光路与所述光环形器的输入端连接，所述光环形器的传感端与所述传感光纤连接，所述光环形器的返回端通过后向散色光返回光路与所述混合集成光电芯片的后向散射光输入端口连接；所述射频脉冲驱动模块、直流/热控及光源驱动模块均与所述混合集成光电芯片连接，所述射频脉冲驱动模块用于向级联马赫-曾德尔调制单元提供脉冲驱动信号；所述直流/热控及光源驱动模块用于调节级联马赫-曾德尔调制单元的各级工作点、片上可调光路、窄线宽激光器芯片和泵浦激光器芯片的工作状态；所述数据采集模块与所述混合集成光电芯片连接，用于采集经相干接收单元输出的探测电信号；所述信号处理模块与所述数据采集模块连接，用于对采集的探测电信号进行信号处理，以获得所需的光纤传感信号。

27、本发明提供的一种分布式光纤传感系统，窄线宽激光器芯片输出连续光，硅基das收发芯片 将连续光分配为发射光和本振光。发射光经级联马赫-曾德尔调制单元形成高消光比探测脉冲，再经掺铒波导放大器芯片进行功率放大，并通过光环形器注入传感光纤。传感光纤返回的后向瑞利散射光经光环形器输入硅基das收发芯片，与本振光进行片上相干混频和平衡光电探测。平衡光电探测单元输出的电信号经探测电信号接口进入数据采集模块，完成电流—电压转换、信号放大和采样，再由信号处理模块完成相位解调、滤波、扰动定位或其他分布式光纤传感信号处理。

28、进一步地，还包括用于抑制放大自发辐射噪声和/或残余泵浦光的光学滤波模块，所述光学滤波模块的输入端与所述掺铒波导放大器芯片的信号光输出端连接，所述光学滤波模块的输出端与所述光环形器的输入端连接。

29、本发明还提供一种分布式光纤传感方法，采用以上所述的混合集成光电芯片，包括以下步骤：

30、s1.窄线宽激光器芯片输出的连续光输入至硅基das收发芯片的输入光处理单元，并将连续光分配为发射光和本振光；

31、s2.发射光进入级联马赫-曾德尔调制单元，级联马赫-曾德尔调制单元对发射光进行多级调制以抑制关断态残余光并产生高消光比探测脉冲；

32、s3.高消光比探测脉冲、以及经泵浦激光器芯片输出的泵浦光均输入至掺铒波导放大器芯片，在泵浦作用下高消光比探测脉冲获得功率放大，同时通过掺铒波导放大器芯片对引入的光功率损耗进行补偿；获得增益后的探测脉冲；

33、s4.增益后的探测脉冲经外部光环形器注入传感光纤，经传感光纤返回的后向瑞利散射光输入至硅基das收发芯片的相干接收单元，相干接收单元将本振光与后向瑞利散射光进行片上相干混频并转换为探测电信号；

34、s5.采集探测电信号，并对探测电信号进行信号处理，获得所需的光纤传感信号。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、1、本发明能够提高分布式光纤传感探测脉冲的消光比；通过在硅基das收发芯片的发射支路中设置两级或三级依次连接的硅基马赫-曾德尔调制单元，关断态残余光可受到多级抑制，从而减少探测脉冲关断期间进入传感光纤的泄漏光。该效果有利于降低背景干扰，并为提高后向散射信号的信噪比和解调稳定性提供基础。

37、2、本发明能够在提高探测脉冲消光比的同时补偿发射链路损耗；多级马赫-曾德尔调制器、片上波导、芯片耦合端口及光子引线键合结构均会引入不同程度的插入损耗，本发明将掺铒波导放大器芯片设置在级联马赫-曾德尔调制单元之后，使完成高消光比整形的探测脉冲在模块内部得到功率放大，从而缓解级联调制带来的消光比提升与输出光功率降低之间的矛盾。

38、3、本发明有利于减少分布式光纤传感发射和接收光路中的分立器件及片外光纤连接；窄线宽激光器芯片、硅基das收发芯片、掺铒波导放大器芯片和泵浦激光器芯片设置于同一模块载板，并通过光子引线键合结构形成固定片间光路，可减少外部激光器到芯片、芯片到光放大器以及泵浦光源到放大器之间的光纤跳线和独立耦合组件。

39、4、本发明采用光子引线键合结构实现不同材料平台光子芯片之间的三维光互连，光子引线键合结构能够适配一定的芯片间隙、横向偏移和高度差，有利于降低异质芯片在同一材料平台上单片集成的工艺限制，并为窄线宽激光器、硅基das收发芯片、掺铒波导放大器及泵浦激光器的模块化选型和独立优化提供条件。

40、5、本发明能够在同一硅基das收发芯片中兼顾探测脉冲产生、本振光分配和后向散射光相干接收。输入光处理单元将同一窄线宽光源分配为发射光和本振光，级联马赫-曾德尔调制单元调制发射支路产生探测脉冲，相干接收支路完成后向散射光与本振光的混频和平衡探测。可减少分立相干接收光路，提高发射与接收光路的芯片化程度和光路一致性。

41、6、本发明有利于提高模块装配、测试和系统连接的规范化程度；混合集成光电芯片对外设置射频驱动、直流偏置/热调谐、激光器驱动、泵浦驱动及探测电信号接口，并可根据封装需求进一步配置印制电路板、跨阻放大电路、光纤尾纤和电连接引脚。由此，可在不改变核心多芯片光路的情况下形成不同完整程度的光子子模块或光电封装模块。

42、7、窄线宽激光器芯片经第一光子引线键合结构向硅基das收发芯片提供同一连续相干光，硅基das收发芯片将其分配为发射光和本振光；发射光经级联mzm调制及第二光子引线键合结构传输后进入掺铒波导放大器芯片，返回的后向瑞利散射光则与所述本振光进行相干混频。由于发射光与本振光来源于同一激光器，二者具有共同的瞬时频率基础；在接收支路光程差、偏振状态和相干接收条件满足设计要求时，有利于保持相干检测所需的相位相关性。泵浦激光器芯片经第三光子引线键合结构向掺铒波导放大器芯片提供泵浦光，掺铒波导放大器芯片设置在级联马赫-曾德尔调制单元之后，用于补偿级联调制、芯片端口和pwb引入的发射链路损耗并提高探测脉冲输出功率。通过分别设定泵浦功率和mzm驱动条件，可在满足放大自发辐射噪声、增益饱和和瞬态增益变化约束的工作范围内进行增益补偿，从而避免因放大器工作状态不当而明显劣化脉冲开关比或引入过高噪声背景。

43、8、第一光子引线键合结构、第二光子引线键合结构和第三光子引线键合结构分别承担连续相干光输入、已调制探测脉冲传输和泵浦光传输功能，且第二光子引线键合结构与第三光子引线键合结构分别接入掺铒波导放大器芯片的信号光输入端和泵浦光输入端，二者在掺铒波导放大器芯片内部合束。该功能分工使各片间互连段的耦合损耗、装配位置和测试结果能够分别确定，便于在模块封装和调试中进行光损耗预算、故障定位及参数校准。