[发明专利]一种基于平面光波导的光传感系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及光传感领域，具体地涉及一种基于平面光波导的光传感系统。

【背景技术】

目前，光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支，在光通信、工业过程控制、环境监测和国家安全等众多方面都有着十分重要的应用。光传感技术可以解决电传感技术存在的灵敏度低、易受干扰、感应时间较长、检测某些化学气体不安全等方面的问题；相比之下，光传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点。因此在传感领域中，光传感占有越来越重要的地位。

近年来，作为传感器技术中十分重要的一员，光传感技术在许多应用领域得到了长足的发展，目前各种光传感器已广泛应用在各个行业。所谓光传感器就是以光为检测对象，将光信号转换成电信号的器件，通常是指紫外到红外波长范围的传感器，它是利用材料的光电效应制成的探测器，故也称为光电转换器。由于光传感技术具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点，目前光传感器件在光通信、环境监测等各个领域中得到了广泛的应用和发展。

现有技术中的平面光传感器一般由光学器件组合而成光传感器、用于检测的光感应器件以及与光感应器件相连的运算电路组成，光感应器件以及运算电路设置在同一芯片上，受光学器件尺寸和材料的限制，平面光传感器的结构设计和生产工艺等方面一直没有重大突破，一方面，光学器件的尺寸较大，给平面光传感器的应用带来了诸多不便，另一方面，其制备往往需要采用复杂的加工工艺流程(如光刻、电子束刻蚀或者纳米压印技术)且难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种在单一芯片上同时集成了光电性能的基于平面光波导的光传感系统。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种基于平面光波导的光传感系统，所述光传感系统包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与所述光传感器连接的运算电路，所述光传感器由多个光传感单元阵列而成，所述光传感单元包括波导元件、敏感元件、耦合光栅和PN结，所述敏感元件位于所述波导元件所在平面的上方，所述波导元件和敏感元件组成光波导传感器，所述耦合光栅将所述光波导传感器输出的光信号耦合至所述PN结，所述各光传感单元的PN结组成PN结阵列，所述PN结阵列与所述运算电路连接。

作为具体实施方式，所述波导元件为直波导，所述直波导与所述敏感元件组成单臂式波导传感器。

作为具体实施方式，所述波导元件由两个直波导和相对设置的两个Y分支器组成，第一Y分支器将输入光分配为两束相等的光束分别沿两个直波导传输，两个直波导在第二Y分束器处合束。更好地，所述两个直波导中的一个直波导靠近所述敏感元件，另一个直波导远离所述敏感元件。

更好地，所述PN结的最上层设置有一层绝缘层。

更好地，所述绝缘层为二氧化硅材料。

更好地，所述PN结阵列为光电二极管阵列或光晶体管阵列中的PN结阵列。

更好地，所述耦合光栅由SOI材料制成。

更好地，所述耦合光栅由高分子聚合物制成，所述高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、苯并环乙烯或戊二烯共聚物。

更好地，所述运算电路对所述PN结阵列输出的光信号进行计算以得到光的角度信息和强度信息。

本发明的有益效果是：通过COMS工艺将平面光波导与光传感器集成在同一芯片上，具有结构简单，易于加工和大规模生产的优点。

【附图说明】

图1，实施例1光传感单元的平面示意图。

图2，实施例1耦合光栅和PN结的截面示意图。

图3，实施例2光传感单元的平面示意图。

图4，实施例2耦合光栅和PN结的截面示意图。

图中，I光传感单元、1直波导、2敏感元件、3耦合光栅、4PN结、51第一Y分支器、52第二Y分支器、6二氧化硅绝缘层。

【具体实施方式】

实施例1

一种基于平面光波导的光传感系统，包括集成设置在CMOS芯片上的光传感器和与光传感器连接的运算电路，光传感器由多个光传感单元I阵列而成，附图1为本实施例光传感单元的平面示意图，附图2为耦合光栅和PN结的截面示意图，光传感单元由直波导1、敏感元件2、耦合光栅3和PN结4组成，敏感元件2位于直波导1所在平面的上方，直波导1和敏感元件2组成光波导传感器，耦合光栅3将光波导传感器输出的光信号耦合至PN结4。