CN113162685B - 片上波前传感器、光芯片及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，公开了一种片上波前传感器、光芯片及通信设备。该片上波前传感器包括：天线阵列对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑；参考光源模块生成多个分束本征光；相移器阵列对分束本征光进行相移处理，以获得参考光；光检测模块根据参考光与子光斑进行相干平衡探测，以获取各子光斑对应的光电流。本发明通过天线阵列耦合入射波前，将每根天线接收到的光斑与经过分束后的本征光进行相干平衡探测，得到每个光斑的强度和相位信息，并转换为光电流信号。光电流信号经过解调后，可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变和强度分布。本发明灵敏度高，适用于光芯片，尺寸小，易装配，可以满足小型化和高集成度的需求。

Description

片上波前传感器、光芯片及通信设备

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种片上波前传感器、光芯片及通信设备。

背景技术

空间光通信***是以水/大气等作为传输介质，湍流效应会引起传输介质折射率起伏，从而使光的振幅和相位产生随机变化，影响空间光束质量，特别是湍流引起的波前相位失配对相干光通信的性能影响尤为严重。因此，在空间光通讯***中需要引入自适应校正技术，用以克服湍流对信号光产生的影响。

在自适应光学***中，波前传感器是一个关键元件，目前采用的是哈特曼波前传感器。哈特曼波前传感器由微透镜阵列和电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相机构成。入射波前进入微透镜阵列后，在CCD相机上形成光斑分布，然后根据CCD相机探测到的每个光斑的强度和位置进行分析，从而动态测定入射波前，并表征出波前畸变。空间光通信***，尤其是水下空间光通信***的小型化和集成度需求较高，而现有的哈特曼波前传感器尺寸大，装配精度要求高，且无法与光芯片集成。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种片上波前传感器、光芯片及通信设备，旨在解决现有技术的波前传感器装配精度要求高集成度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种片上波前传感器，所述片上波前传感器包括：天线阵列、参考光源模块、相移器阵列及光检测模块；其中，所述天线阵列的输出端与所述光检测模块的一输入端连接，所述参考光源模块的输出端与所述相移器阵列的输入端连接，所述相移器阵列的输出端与所述光检测模块的另一输入端连接；

所述天线阵列，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光检测模块；

所述参考光源模块，用于生成多个分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列；

所述相移器阵列，用于对所述分束本征光进行相移处理，以获得参考光，并将所述参考光输出至所述光检测模块；

所述光检测模块，用于根据所述参考光与所述子光斑进行相干平衡探测，以获取各子光斑对应的光电流。

可选地，所述参考光源模块包括一比N分束器及本征光源，所述本征光源的输出端与所述一比N分束器的输入端连接，所述一比N分束器的输出端与所述相移器阵列的输入端连接；所述一比N分束器由多个子分束器级联构成，所述相移器阵列中包括多个相移器，所述一比N分束器的输出端与相移器的输入端连接；

所述本征光源，用于发出本征光，并将所述本征光输出至所述一比N分束器；

所述一比N分束器，用于对所述本征光进行分束，以获得分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列。

可选地，所述天线阵列中包括多个天线单元，天线单元的输出端与所述光检测模块的输入端连接，各天线单元到达所述光检测模块的光程相同。

可选地，所述光检测模块包括混频器阵列及多个平衡探测器；所述混频器阵列中包括多个混频器，所述混频器的一输入端与所述相移器的输出端连接，所述混频器的另一输入端与所述天线单元的输出端连接，所述混频器的输出端与平衡探测器的输入端连接；

所述混频器，用于对所述分束本征光与所述子光斑进行混频，以获取第一混频光与第二混频光，并将所述第一混频光与所述第二混频光输出至所述平衡探测器；

所述平衡探测器，用于将所述第一混频光与所述第二混频光转换为光电流。

可选地，所述光检测模块包括混频器阵列及多个光电探测器；所述混频器阵列中包括多个混频器，所述混频器的一输入端与所述相移器的输出端连接，所述混频器的另一输入端与所述天线单元的输出端连接，所述混频器的输出端与光电探测器的输入端连接；

所述混频器，用于对所述分束本征光与所述子光斑进行混频，以获取第三混频光，并将所述第三混频光输出至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于将所述第三混频光转换为光电流。

可选地，所述混频器为90°混频器。

可选地，所述光检测模块包括合束器阵列及多个光电探测器；所述合束器阵列中包括多个合束器，所述合束器的一输入端与所述相移器的输出端连接，所述合束器的另一输入端与所述天线单元的输出端连接，所述合束器的输出端与光电探测器的输入端连接；

所述合束器，用于对所述分束本征光与所述子光斑进行合束，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于将所述合束光转换为光电流。

可选地，所述光检测模块还用于将所述光电流输出至处理器，以使所述处理器根据所述光电流获取入射波前的相位畸变和强度分布信息。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种光芯片，所述光芯片包括如上所述的片上波前传感器。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种通信设备，所述通信设备包括如上所述的光芯片。

本发明通过设置一种片上波前传感器，所述片上波前传感器包括：天线阵列、参考光源模块、相移器阵列及光检测模块；所述天线阵列，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光检测模块；所述参考光源模块，用于生成多个分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列；所述相移器阵列，用于对所述分束本征光进行相移处理，以获得参考光，并将所述参考光输出至所述光检测模块；所述光检测模块，用于根据所述参考光与所述子光斑进行相干平衡探测，以获取各子光斑对应的光电流。本发明通过将天线阵列作为耦合器，使得入射波前进入天线阵列后，将每根天线接收到的光斑与经过分束后的本征光进行相干平衡探测，平衡探测器会探测到每个光斑的强度和相位信息，并转换为光电流信号。所述光电流信号经过解调后，可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变和强度分布。本发明灵敏度高，适用于光芯片，尺寸小，易装配，可以满足小型化和高集成度的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明片上波前传感器第一实施例的第一结构示意图；

图2A为本发明片上波前传感器第一实施例的第二结构示意图；

图2B为本发明片上波前传感器第一实施例的第三结构示意图；

图2C为本发明片上波前传感器第一实施例的第四结构示意图；

图3为本发明片上波前传感器的相干探测原理图；

图4为本发明片上波前传感器天线阵列的均匀阵示意图；

图5为本发明片上波前传感器天线阵列的稀疏阵示意图；

图6为本发明片上波前传感器第二实施例的结构示意图；

图7为本发明片上波前传感器第三实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	天线阵列	401	混频器阵列
200	参考光源模块	402	平衡探测器
				300	相移器阵列	403	光电探测器
400	光检测模块	404	合束器阵列
				101	天线单元	MIX	混频器
202	一比N分束器	BC	合束器
				201	本征光源	BS	子分束器
PS	相移器

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种片上波前传感器，图1为本发明片上波前传感器第一实施例的第一结构示意图。

所述片上波前传感器包括：天线阵列100、参考光源模块200、相移器阵列300及光检测模块400；其中，所述天线阵列100的输出端与所述光检测模块400的一输入端连接，所述参考光源模块200的输出端与所述相移器阵列300的输入端连接，所述相移器阵列300的输出端与所述光检测模块400的另一输入端连接。

易于理解的是，所述片上波前传感器上在光芯片上(绝缘体上硅/氮化硅/磷化铟等)实现的，具体实施中，还可以包括更多材料，本实施例不对此加以限制。

所述天线阵列100，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光检测模块400。

应当理解的是，天线阵列100中包含多个天线单元，也即多根天线，天线可以作为耦合器，将入射波前分割为子光斑耦合入波导，并通过波导输出至光检测模块400。

所述参考光源模块200，用于生成多个分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列300；

应当理解的是，所述参考光源模块200，包含本征光源，能够提供本征光，并将所述本征光分束为多个分束本征光，并将分束本征光输出至相移器阵列。

所述相移器阵列300，用于对所述分束本征光进行相移处理，以获得参考光，并将所述参考光输出至所述光检测模块400；

应当理解的是，所述相移器阵列300包含多个相移器，所述相移器可以对所述分束本征光进行相移处理，得到相移后的分束本征光也即所述参考光。

所述光检测模块400，用于根据所述参考光与所述子光斑进行相干平衡探测，以获取各子光斑对应的光电流。

应当理解的是，所述光检测模块400中可以包括多个混频器及对应的平衡探测器，或多个混频器及对应的光电探测器，或多个合束器及对应的光电探测器。对所述子光斑及所述参考光进行相干平衡探测，并将参考光与子光斑转换为光电流。由于各参考光之间是相同的，因此所述光电流的强度对应于所述子光斑的光场强度。

所述光检测模块400，还用于将所述光电流输出至处理器，以使所述处理器根据所述光电流获取入射波前的相位畸变和强度分布信息。

需要说明的是，所述处理器可以为上位机的处理器，上位机通过各探测器输出的光电流，得到各个子光斑的强度与相位信息，对光电流解调可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变和强度分布。

进一步地，参考图2A，图2A为本发明片上波前传感器第一实施例的第二结构示意图；所述参考光源模块200包括一比N分束器202及本征光源201，所述本征光源201的输出端与所述一比N分束器202的输入端连接，所述一比N分束器202的输出端与所述相移器阵列300的输入端连接；所述一比N分束器202由多个子分束器BS级联构成，所述相移器阵列300中包括多个相移器PS，所述一比N分束器202的输出端与相移器PS的输入端连接。

所述本征光源201，用于发出本征光，并将所述本征光输出至所述一比N分束器202。

所述本征光源201可以为直接集成或者混合集成。

所述一比N分束器202，用于对所述本征光进行分束，以获得分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列300。

所述一比N分束器202中的子分束器BS可以为1*2分光器，所述1*2分光器可以用Y分支，MMI(Multimode interference，多模干涉)以及其他分束器。

所述天线阵列100中包括多个天线单元101，天线单元101的输出端与所述光检测模块400的输入端连接，各天线单元101到达所述光检测模块400的光程相同。

需要说明的是，天线阵列100中天线单元101数越多越密集，测试精度就越高。

进一步地，参考图4、图5，图4为本发明片上波前传感器天线阵列100的均匀阵示意图；图5为本发明片上波前传感器天线阵列100的稀疏阵示意图。

应当理解的是，天线阵列100可以是均匀阵或者稀疏阵/稀布阵，均匀阵的天线单元密集，探测的分辨率高；稀疏阵/稀布阵探测分辨率低，但是对角度不敏感，适用于对角度敏感性要求低的场景。

所述光检测模块400包括混频器阵列401及多个平衡探测器402；所述混频器阵列401中包括多个混频器MIX，所述混频器MIX的一输入端与所述相移器PS的输出端连接，所述混频器MIX的另一输入端与所述天线单元101的输出端连接，所述混频器MIX的输出端与平衡探测器402的输入端连接。

需要说明的是，本征光经过一比N分束器202得到的分束本征光，所述分束本征光经过波导后到达各个混频器MIX时是等相位的；天线阵列100各个天线单元101到达混频器MIX的光程是相同的。

易于理解的是，所述混频器MIX的数量与所述平衡探测器402的数量相同，所述天线单元101的数量与所述混频器MIX的数量相同，所述相移器PS的数量与所述混频器MIX的数量相同。

进一步地，参考图3，图3为本发明片上波前传感器的相干探测原理图。

所述混频器MIX，用于对所述分束本征光E_LO与所述子光斑E_r进行混频，以获取第一混频光E_o1与第二混频光E_o2，并将所述第一混频光E_o1与所述第二混频光E₀₂输出至所述平衡探测器402。

需要说明的是，本实施例中所述混频器MIX为90°混频器。90°混频器输入端口的分束本征光E_LO与所述子光斑E_r分别可以表示为：

经过混频器后，根据传输矩阵可以计算得到第一混频光E_o1与所述第二混频光E₀₂的光强，可以表示为:

所述平衡探测器402，用于将所述第一混频光E_o1与所述第二混频光E_o2转换为光电流。

经过平衡探测器402后，输出光电流I_o为：

I_o＝1/2R(A_r ²+A_LO ²+2A_rA_LO sin(θ_r-θ_LO-θ_PS))

I_o＝R(|E_o2|²-|E_o1|²)＝2RA_rA_LO sin(2π(f_r-f_LO)t+θ_r-θ_LO-θ_PS)

由于分束本征光E_LO与所述子光斑E_r的频率一致，光电流I_o表示为：

I_o＝2RA_rA_LO sin(θ_r-θ_LO-θ_PS)

进一步地，上位机得到上述光电流后，通过调节相移器PS的相移使得θ_r-θ_LO-θ_PS＝π/2，可得到：

I_{o_max}＝2RA_rA_LO

提取各个平衡探测器402的最大电流I_{o_max}，可以解出波前的强度分布；提取各个平衡探测器达到最大电流的相位条件θ_r-θ_LO-θ_PS＝π/2，分束本征光经过波导到达每个混频器MIX时的相位θ_LO是一致的，相移器PS的相移相位θ_PS可以测定，因此可以得到子光斑的相位θ_r之间的相位差。

进一步地，天线阵列100的每根天线到达混频器MIX的光程是相同的，因此θ_r之间的相位差即可以表征为波前子孔径之间的相位差，从而可以得到波前相位分布。通过测试得到的强度分布和相位分布可以对波前进行重构。

进一步地，参考图2B，图2B为本发明片上波前传感器第一实施例的第三结构示意图。具体实施中，还可以在天线阵列100的输出端与光检测模块400的输入端之间设置另一个相移器阵列300，天线阵列100作为耦合器，将入射波前分割为子光斑耦合入波导，波导将子光斑输入所述相移器阵列300以进行统一的相移处理，以便于光检测模块400进行光检测。

进一步地，参考图2C，图2C为本发明片上波前传感器第一实施例的第四结构示意图；具体实施中，还可以为仅在天线阵列100的输出端与光检测模块400的输入端之间设置一个相移器阵列300。

本实施例通过将天线阵列作为耦合器，使得入射波前进入天线阵列后，将每根天线接收到的光斑与经过分束后的本征光进行相干平衡探测，平衡探测器会探测到每个光斑的强度和相位信息，并转换为光电流信号。所述光电流信号经过解调后，可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变。本发明灵敏度高，适用于光芯片，尺寸小，易装配，可以满足小型化和高集成度的需求。

基于本发明片上波前传感器第一实施例，提出本发明片上波前传感器第二实施例。参考图6，图6为本发明片上波前传感器第二实施例的结构示意图。

所述光检测模块400包括混频器阵列401及多个光电探测器403；所述混频器阵列401中包括多个混频器MIX，所述混频器MIX的一输入端与所述相移器PS的输出端连接，所述混频器MIX的另一输入端与所述天线单元101的输出端连接，所述混频器MIX的输出端与光电探测器403的输入端连接；

所述混频器MIX，用于对所述分束本征光与所述子光斑进行混频，以获取第三混频光，并将所述第三混频光输出至所述光电探测器403；

所述光电探测器403，用于将所述第三混频光转换为光电流。

需要说明的是，所述混频器MIX包含两个输出端，所述光电探测器403的输入端可以连接到所述混频器MIX的任一输出端。

基于本实施例的结构，经过计算推导可以得到光电探测器的输出电流I_o为：

I_o＝1/2R(A_r ²+A_LO ²+2A_rA_LO sin(θ_r-θ_LO-θ_PS))

上位机调节相移器使：

θ_r-θ_LO-θ_PS＝π/2

可以得到：

I_{o_max}＝1/2R(A_r ²+A_LO ²+2A_rA_LO)

提取每个光电探测器403的最大电流I_{o_max}和达到最大电流的相位条件，也可以解出波前的强度分布和相位分布。

本实施例通过将天线阵列作为耦合器，使得入射波前进入天线阵列后，将每根天线接收到的光斑与经过分束后的本征光进行光电探测，光电探测器会探测到每个光斑的强度和相位信息，并转换为光电流信号。所述光电流信号经过解调后，可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变。本发明灵敏度高，适用于光芯片，尺寸小，易装配，可以满足小型化和高集成度的需求。

基于本发明片上波前传感器第二实施例，提出本发明片上波前传感器第三实施例。参考图7，图7为本发明片上波前传感器第三实施例的结构示意图。

所述光检测模块400包括合束器阵列404及多个光电探测器403；所述合束器阵列404中包括多个合束器BC，所述合束器BC的一输入端与所述相移器PS的输出端连接，所述合束器BC的另一输入端与所述天线单元101的输出端连接，所述合束器BC的输出端与光电探测器403的输入端连接；

所述合束器BC，用于对所述分束本征光与所述子光斑进行合束，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光电探测器403；

所述光电探测器403，用于将所述合束光转换为光电流。

本实施例中，将混频器替换为合束器BC，合束器BC具有一个输出端口，所述光电探测器403的输入端与所述输出端口连接。

进一步地，经过计算推导可以得到光电探测器403的输出电流I_o为：

I_o＝1/2R(A_r ²+A_LO ²+2A_rA_LO cos(θ_r-θ_LO-θ_PS))

调节相移器使θ_r-θ_LO-θ_PS＝0，可以得到：

I_{o_max}＝1/2R(A_r ²+A_LO ²+2A_rA_LO)

提取每个光电探测器403的最大电流I_{o_max}和达到最大电流的相位条件，也可以解出波前的强度分布和相位分布。

需要说明的是，相较于混频器方案，结构较为简单，适用于探测灵敏度要求不高的场景。

本实施例通过将天线阵列作为耦合器，使得入射波前进入天线阵列后，将每根天线接收到的光斑与经过分束后的本征光进行光电探测，光电探测器会探测到每个光斑的强度和相位信息，并转换为光电流信号。所述光电流信号经过解调后，可以动态测定入射波前，从而表征出波前畸变。本发明灵敏度高，适用于光芯片，尺寸小，易装配，可以满足小型化和高集成度的需求。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种光芯片，所述光芯片包括如上所述的片上波前传感器。

由于本光芯片采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种通信设备，所述通信设备包括如上所述的光芯片。

由于本通信设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的片上波前传感器，此处不再赘述。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者***中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器(Read Only Memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种片上波前传感器，其特征在于，所述片上波前传感器包括：天线阵列、参考光源模块、相移器阵列及光检测模块；其中，所述天线阵列的输出端与所述光检测模块的一输入端连接，所述参考光源模块的输出端与所述相移器阵列的输入端连接，所述相移器阵列的输出端与所述光检测模块的另一输入端连接；

所述天线阵列包括多个天线单元，分别用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光检测模块；

所述参考光源模块，用于生成多个分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列；

所述相移器阵列包括多个相移器，分别用于对所述分束本征光进行相移处理，以获得参考光，并将所述参考光输出至所述光检测模块；

所述光检测模块，用于根据所述参考光与所述子光斑进行相干平衡探测，以获取各子光斑对应的光电流；

所述光检测模块包括合束器阵列及多个光电探测器；所述合束器阵列中包括多个合束器，所述合束器的一输入端与所述相移器的输出端连接，所述合束器的另一输入端与所述天线单元的输出端连接，所述合束器的输出端与光电探测器的输入端连接；

所述合束器，用于对所述参考光与所述子光斑进行合束，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于将所述合束光转换为光电流；

所述光检测模块，还用于将所述光电流输出至处理器，以使所述处理器根据所述光电流获取入射波前的相位畸变和强度分布信息。

2.如权利要求1所述的片上波前传感器，其特征在于，所述参考光源模块包括一比N分束器及本征光源，所述本征光源的输出端与所述一比N分束器的输入端连接，所述一比N分束器的输出端与所述相移器阵列的输入端连接；所述一比N分束器由多个子分束器级联构成；

所述本征光源，用于发出本征光，并将所述本征光输出至所述一比N分束器；

所述一比N分束器，用于对所述本征光进行分束，以获得分束本征光，并将所述分束本征光输出至所述相移器阵列。

3.如权利要求2所述的片上波前传感器，其特征在于，天线单元的输出端与所述光检测模块的输入端连接，各天线单元到达所述光检测模块的光程相同。

4.一种光芯片，其特征在于，所述光芯片包括如权利要求1至3任一项所述的片上波前传感器。

5.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括如权利要求4所述的光芯片。

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