CN116507942A - 光子芯片和集成该芯片的光子组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括至少一个光子电路(1)的光子芯片(10),所述至少一个光子电路包括用于向光学混合器(M)供应称为本振(LO)的第一辐射并且用于向耦合器件(C)供应发射辐射(Re)的至少一个激光源(L),本振(LO)和发射辐射(Re)具有预定偏振。耦合器件(C)被配置为从测量表面(Sm)在自由空间中传播发射光束形式的发射辐射(Re),并且在该测量表面(Sm)接收返回的反射光束并朝着光学混合器(M)引导反射光束作为具有预定偏振的反射辐射(Rr)。光学混合器(M)通过本振(LO)和反射辐射(Rr)的干涉脉冲生成测量信号(V)。本发明还涉及包括这种光子芯片的光学组件。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片和集成该芯片的光子组件。光子芯片和光子组件特别适用于自由空间通信和LiDAR(光检测和测距)或光纤遥测的领域。
背景技术
X.Zhang等人的文档“20×20Focal Plane Switch Array for Optical BeamSteering”,2020 Conference on Laser and Electro-Optics(CLEO),San Jose,CA,USA,2020提出了一种用于使光束转向的二维器件,该二维器件由集成在由硅制成的光子芯片上的具有微机电(MEMS)光学开关的20×20阵列开关组成。这些开关分别连接到表面耦合器,并且光辐射可以通过根据耦合器的行秩和耦合器的列秩选择该耦合器来选择性地从光源传播到所选耦合器。准直透镜按照使得表面耦合器布置在透镜的焦平面中的方式与集成器件相关联。每个表面耦合器被配置为在自由空间中传播发射光束的形式的光辐射,该发射光束在远场中沿着从表面耦合器延伸并穿过透镜中心的直线取向。因此,与常规机械解决方案相比,允许较快转向、具有较低消耗且具有宽视场的集成光束转向器件是可用的。例如,该器件可以形成LiDAR***的组件。
针对Ch.Poulton等人的文档“Coherent solid-state LiDAR with Siliconphotonic optical phased arrays”,Opt.Lett.42,4091-4094(2017),提出了一种使用集成光学相控阵来使发射光束转向的调频连续波(FMCW)LiDAR。该组件包括光子集成电路,该光子集成电路形成在硅平台上并且具有用于在自由空间中通过光学相控阵传播光束的第一边缘耦合器。它包括用于在由发射光束照射的场景的主体上接收反射光束的第二边缘耦合器。
实现调频连续波LiDAR的光子组件通常利用光学混合器来通过发射辐射与反射辐射之间的干涉脉冲生成测量信号。测量信号的力度(force)取决于这些信号的偏振。为了使该力度最大化,需要辐射在混合器的输入部处具有相同的偏振,如果两个辐射的偏振彼此正交,则测量信号为零。
专利申请WO2019161388A1和公开“Photonic Integrated Circuit-Based FMCWCoherent LiDAR”,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.36,NO.19,OCTOBER 1,2018提出了其它调频连续波LiDAR架构。如在前一参考文献中那样,这些架构还提供分别用于进行发送和接收的两个耦合器,这降低了光子电路的紧凑度。
此外,这些架构实现了至少一个光纤环行器,以区分发送辐射行进的正向路径和反射辐射行进的返回路径。为了保持这些辐射的光场的偏振,光纤必须保持其偏振,这是昂贵的。最后,这些架构对反射辐射的偏振变化不够稳健,这些变化能够被链接到场景的被照射主体的性质,或者被链接到光束在该主体上的入射角。
发明内容
本发明提出用于与现有技术不同地发送和接收光束并试图提供高度集成的解决方案的光子芯片和光子组件。在一些实施方式中,芯片和光子组件在保持其紧凑特性的同时还能够使用具有两种不同偏振的光束来照射场景。
技术方案
为了实现该目的,本发明提出了一种光子芯片,所述光子芯片包括至少一个发射-接收电路,所述至少一个发射-接收电路包括用于向光学混合器提供称为本振(localoscillator)的第一辐射并且用于向耦合器件提供发射辐射的至少一个激光源,所述本振和所述发射辐射具有预定偏振。所述耦合器件被配置为从测量表面在自由空间中传播发射光束形式的所述发射辐射,并且在同一测量表面接收返回的反射光束并朝着所述光学混合器引导所述反射光束作为具有所述预定偏振的反射辐射。所述光学混合器通过所述本振和所述反射辐射的干涉脉冲生成测量信号。
根据单独地或根据任何技术上可行的组合获得的本发明的其它有利非限制性特征:
-所述激光源包括频率调制器或与频率调制器相关联;
-所述光子芯片包括与所述激光源以光学方式相关联的功率分配器,所述功率分配器提供所述本振和所述发射辐射;
-所述收发器电路的所述耦合器件包括第一波导和第二波导以及布置在所述第一波导与所述第二波导之间的边缘耦合器,所述边缘耦合器以光学方式连接到偏振分束器和偏振旋转器;
-所述收发器电路的所述耦合器件包括第一波导和第二波导以及布置在所述第一波导与所述第二波导之间的具有偏振分路光栅的表面耦合器;
-所述收发器电路包括第一测量通道和第二测量通道,所述第一测量通道用于传播在芯片输出部具有第一传播偏振的第一发射光束,并且所述第二测量通道用于传播具有与所述第一传播偏振正交的第二传播偏振的第二发射光束;
-所述第一发射光束是通过第一耦合器件传播的,并且所述第二发射光束是通过与所述第一耦合器件分离(discrete)的第二耦合器件传播的;
-所述收发器电路包括第一开关和第二开关,所述第一开关以光学方式布置在所述激光源与所述第一耦合器件和所述第二耦合器件之间,并且所述第二开关以光学方式布置在所述第一耦合器件和所述第二耦合器件与所述混合器之间;
-所述收发器电路包括:
-第一开关,所述第一开关用于选择性地将复用耦合器件的第一波导连接到所述激光源或所述混合器(M);
-第二开关,所述第二开关用于选择性地将所述复用耦合器件的第二波导连接到所述激光源或所述混合器;
-所述光子芯片包括多个收发器电路;
-所述收发器电路包括多个耦合器件;
-所述至少一个激光源发射具有多个波长的辐射,并且所述收发器电路包括波分解复用器,所述波分解复用器用于分别朝着以光学方式连接到所述解复用器的输出部的所述耦合器件分发所述辐射的所述波长;
-所述收发器电路包括分别发射所述多个波长的多个激光源,所述收发器电路还包括用于产生具有所述多个波长的所述辐射的波分复用器;
-所述解复用器的所述输出部分别联接到功率分配器,所述功率分配器分别向混合器提供本振并且分别向所述耦合器件(C)提供发射辐射;
-所述收发器电路包括:
○以光学方式连接到所述激光源的单向发送总线和以光学方式连接到所述混合器的接收总线,所述多个耦合器件以光学方式布置在所述单向发送总线与所述接收总线之间;
○第一多个传输元件,所述第一多个传输元件布置在所述单向发送总线与所述多个耦合器件之间,以选择性地将所述单向发送总线联接到预定耦合器件并允许所述发射辐射的传播;
○第二多个传输元件,所述第二多个传输元件布置在所述多个耦合器件与所述接收总线之间,以选择性地将所述预定耦合器件联接到所述接收总线并允许所述反射辐射的传播;
-所述传输元件是滤波器,所述滤波器分别与一耦合器件相关联,所述滤波器具有彼此相同的传输波长范围;
-所述传输元件是开关;
-所述收发器电路包括以光学方式布置在功率分配器与所述混合器之间的双向传输总线,所述双向传输总线通过光学环行器开关选择性地联接到所述耦合器件;
-所述光子芯片还包括用于在所述双向传输总线中选择性地沿第一传播方向或沿与所述第一传播方向相反的第二传播方向传播所述发射辐射的两个开关。
根据另一方面,本发明提出了一种光子组件,所述光子组件包括如前所述的至少一个光子芯片和布置在所述芯片的所述测量表面以拦截所述发射光束和所述反射光束的至少一个法拉第旋转器。
所述光子组件可以包括用于使所述发射光束和所述反射光束准直的透镜和/或被配置为允许所述发射光束和所述反射光束按照单偏振传输的偏振器。
附图说明
根据参照附图对本发明的以下详细描述,本发明的其它特征和优点将变得明显,其中:
图1a和图1b描绘了根据本发明的光子器件的第一实施方式的两个视图;
图2a和图2b描绘了根据本发明的光子器件的第二实施方式的两个视图;
图3例示了根据本发明的光子芯片的收发器电路的架构和工作原理;
图4描绘了耦合器件的第一示例性实施方式;
图5描绘了耦合器件的另一示例性实施方式;
图6a至图6c描绘了收发器电路的改进版本的多个变型例;
图7描绘了包括多个收发器电路的芯片的框图;
图8a至图8f描绘了实现波分复用或时分复用以减少电路的组件数量的收发器电路的多个配置。
具体实施方式
在本申请中,“光子芯片”表示通过标准微电子技术形成的基于半导体材料的集成电路。该芯片可以由基于半导体材料的独立元件(例如,激光源、光检测器、波导、电学或电子处理电路)的组合件(assembly)形成。
光子组件的总体描述
参照图1a、图1b、图2a和图2b,呈现了根据本发明的光子组件100的两个实施方式。
这种组件100包括具有主表面10a的光子芯片10。多个光学耦合器件C的测量表面Sm与主表面10a齐平。如在本说明书的其余部分中将变得显而易见的,每个耦合器件C使得可以在其测量表面Sm在自由空间中传播发射光束形式的由芯片10生成的电磁发射辐射。该发射光束被布置在组件100的视场中的场景的被照射主体反射。光子芯片10的同一测量表面Sm使得可以接收返回的由主体反射的光束。与该测量表面Sm相关联的耦合器件C注入并引导在光子芯片10中反射的电磁辐射的形式的该光束。“同一测量表面”意指发射光束和接收光束至少部分地叠加在主表面10a上。单个耦合器件C确保光束的发射和该表面处的反射光束的接收。不需要如本申请的介绍中呈现的现有技术的某些架构的情况那样提供组件100的复杂光纤化。
每个耦合器件C是芯片10的收发器电路1的一部分,在本公开的后续部分中提供其详细描述。设置有至少一个收发器电路1的光子芯片10能够生成发射光束并处理反射光束以生成电测量信号V,该电测量信号V表示将光子组件100与反射主体分离的距离和/或组件100和该主体的相对速度。
除了光子芯片10之外,光子组件100还包括布置在光子芯片10的主表面10a上的至少一个准直透镜。耦合器件C的测量表面Sm布置在透镜L的焦平面中。这些耦合器件C被设计成使得根据它们在主表面10a上的位置,从测量表面Sm出射的发射光束沿着穿过透镜L的光学中心的直线(在图1b和图2b中以虚线描绘)投射在远场中。可以提供如图1b和图2b所示的单个透镜L,但是可以另选地提供多个透镜(例如,与每个测量表面Sm相关联的透镜)。
在发射光束和反射光束的光路中,还布置有可选的光学部件20,这里,该光学部件布置在芯片10的主表面10a上并且夹在光子芯片10与透镜L之间。该光学部件20的其它布置是可能的,只要该光学部件保留在发射光束和反射光束的光路中。光学部件尤其可以集成到芯片10中。为了能够在芯片10的收发器电路1中将发射辐射与反射辐射区分开,光学部件20包括45°偏振旋转器(例如,法拉第旋转器),使得在发射光束的传播和反射光束的返回之后,从光子芯片10的主表面10a传播的反射辐射具有与发射辐射正交的偏振。当反射光束自然地具有与发射光束正交的偏振时(例如,在发射光束在场景的被照射主体上的反射期间执行这种偏振旋转时),偏振旋转器不是必需的。
除了偏振旋转器之外,光学部件20还可以包括沿发射光束的传播方向布置在法拉第旋转器下游的偏振器。该偏振器被配置为允许发射光束和反射光束按照单偏振(光束传播偏振,当存在反射光束时,由法拉第旋转器修改)传输。这尤其防止反射光束的具有传播偏振的不同偏振的寄生分量耦合到光子芯片10并在该芯片10的收发器电路1中传播(特别地,朝着被包含在这些电路中的激光源传播)。当反射辐射的功率大于发射辐射的功率的1/100时,使用这种偏振器是优选的。
在工作时,光子组件100可以***作为从与所选收发器电路1相关联的测量表面Sm生成发射光束,以沿所选方向传播光束。通过处理在同一测量表面Sm接收的反射辐射,可以生成表示沿所选方向布置的主体的距离和/或相对速度的电信号V。为此,光子芯片10可以包括控制电路或与控制电路以电学方式相关联,从而使得可以选择或操作芯片10的收发器电路1中的一个收发器电路。
通过连续地扫描或在一些情况下通过同时激活光子芯片10的沿多个方向取向的耦合器件C,可以收集并处理整个场景的相对距离/速度信息,例如,以按照本身众所周知的点云的形式描绘该整个场景。
在图1a(前视图)和图1b(侧视图)的第一实施方式中,光子组件100通常是条形形状,也就是说,具有一个相对窄的面和一个相对宽的面的长方体。条形件的窄面对应于光子芯片10的主表面10a。这里的耦合器件C的测量表面Sm在条形件的窄面上对齐为一行。图1a和图1b描绘了设置有五个测量表面Sm并因此能够沿五个不同方向生成光束的光子组件100,但是光子组件100可以更一般地设置有任何数量的测量表面Sm(通常设置有介于1个至100个之间的这些表面)。通过例示的方式,每个测量表面Sm可以具有约几平方微米或甚至一百到几百平方微米的大小,并且这些表面Sm中的两个表面可以分开通常介于3微米至500微米之间的距离。
在图1a和图1b的第一实施方式的例示图中,耦合器件的每个测量表面Sm与收发器电路1相关联。为了制造这样的电路,惯用微电子处理步骤被施加于基板,该基板的主平面与条形件的宽面相对应并因此与承载测量表面Sm的主表面10a垂直。耦合器件C可以各自包括边缘耦合器EC,该边缘耦合器EC的与主表面10a齐平的一端形成测量表面Sm。术语“边缘耦合器”表示用于将光束耦合到波导的任何器件,其中,引导件布置在光束传播平面中。这种类型的耦合器也由本领域内的表述“平面内耦合器(in-plane coupler)”指定。它尤其可以是绝热耦合器。
在图2a和图2b的第二实施方式中,耦合器件C的测量表面Sm按照矩阵布置在光子芯片10的相对宽的主表面10a上。该主表面10a对应于该芯片10的制造基板的主平面,并且在这种情况下,耦合器件C有利地包括至少一个光栅耦合器GC。“表面耦合器”表示用于将光束耦合到波导的任何器件,其中,引导件布置在光束传播平面外部,基本上与该传播平面垂直。这种类型的耦合器也由本领域中的表述“离面耦合器(off-plane coupler)”或“垂直耦合器”指定。它尤其可以是具有偏振分路光栅的表面耦合器。
在该实施方式中,收发器电路1有利地包括在芯片10的主面10a上对齐成一列的多个耦合器件C。该芯片10可以包括并排布置以在主表面10a上形成测量表面Sm的矩阵布置的多个收发器电路1。矩阵可以具有任何大小(例如,包括从2×2矩阵到100×100矩阵、正方形或矩形),并且如图所示布置成行和列,或者根据任何其它布置(例如,以极的形式)布置。
通过例示的方式,每个测量表面Sm可以具有约几平方微米或甚至一百到几百平方微米的大小,并且这些表面Sm中的两个表面可以分开通常介于3微米至500微米之间的距离。
收发器电路的总体描述
现在参照图3,现在将呈现可以集成到刚刚呈现的光子芯片10中的收发器电路1的总体工作原理。
该收发器电路1提供光束的发射和来自光子组件100的反射光束的接收。它实现调频连续波(FMCW)技术,以生成测量信号V。
收发器电路1包括激光源L,或者连接到激光源,该激光源与功率分配器S以光学方式相关联,该功率分配器S用于向光学混合器M的第一输入部提供称为本振LO的第一辐射。功率分配器S还提供称为发射辐射Re的第二辐射,该第二辐射朝着耦合器件C被引导。注意,分配器S不形成电路1的基本元件,并且可以提供其它布置结构,从而使得可以例如经由两个分离且同步的激光源来提供本振LO和发射辐射Re。
如已经呈现的,该耦合器件C被配置为在测量表面Sm(例如,具有偏振分路光栅的表面耦合器或边缘耦合器的露出表面)在自由空间中投射发射光束形式的发射辐射Re。耦合器件C还被配置为在同一测量表面Sm接收反射光束。耦合器件C将反射辐射Rr形式的反射光束注入到光子电路1中,所述反射辐射Rr朝着光学混合器M引导。
因此,混合器M接收本振LO和反射辐射Rr(它们具有单预定偏振p,如图3中符号化),这导致以干涉方式一起脉冲在一个或更多个光检测器上,以生成电测量信号V。如本身众所周知的并且在介绍部分中呈现的Ch.Poulton的文档中回顾的,该测量信号的平均频率表示将集成电路1的光子组件100与反射发射光束的主体分离的距离。还可以处理电测量信号,以确定该主体的相对速度。为了允许该操作,激光源L包括频率调制器或与频率调制器相关联,例如,通过调制其斜坡或三角频率。该调制可以通过控制源L的注入电流或通过使用光相位调制器来获得。
如已经提到的,收发器电路1与控制电路相关联,该控制电路可以集成到芯片10中或可以不集成到芯片10中,并且在所有情况下将电信号提供给收发器电路1(并且尤其提供给激光源L)以允许其操作。控制电路还可以连接到收发器电路1,以接收测量信号(或多个测量信号)V并执行转换处理操作,从而使得可以建立距离和/或速度测量。
在所有情况下,根据惯用光子技术生产收发器电路1,例如,从绝缘体上硅基板。经由波导在电路1的各种元件之间引导在该电路中传播的辐射(诸如由激光源L发射的辐射、发射辐射Re、反射辐射Rr和本振LO)。
本公开的光子芯片10的重要特性在于利用耦合器件C的单个测量表面Sm来发出发射光束和接收反射光束。该特性使得可以形成特别紧凑的芯片10和光子组件100,并且使用同一光学部件20和/或单个准直透镜/透镜块L来处理发射光束和反射光束。
如已经提到的,该特性可能需要在耦合器件C适当地隔离以下项:首先是旨在朝着测量表面Sm引导的发射辐射Re,其次是朝着光学混合器M引导的反射辐射Rr。取决于***所需的隔离水平,这种隔离可以以多种方式实现。
因此,根据图4描绘的第一示例,耦合器件C实现边缘耦合器EC并且包括经由第一波导Ga从分配器S或从激光源L接收发射辐射Re的偏振分束器PBS。偏振分束器PBS首先以光学方式连接到耦合器EC并且其次以光学方式连接到偏振旋转器PR。众所周知,偏振分束器PBS将入射到其上的辐射分成具有正交偏振的两个辐射光束。偏振旋转器连接到第二波导Gb,以朝着混合器M传播反射辐射。
在图4中,以这种方式符号化在耦合器件C中传播的辐射的偏振TE、TM。本文的发射辐射Re具有与偏振分束器PBS的正交分路偏振中的一者匹配的预定偏振TE。因此,该辐射以很少的衰减或没有衰减地发送到耦合器EC。
在芯片10的输出部,在耦合器EC的发射表面Sm在自由空间中发射的发射光束具有传播偏振Pa(与预定偏振TE相关,但不一定相同),并且通过首先穿过光学部件20的法拉第旋转器20a而经历其偏振的45°的第一旋转,以具有经修改的传播偏振Pa+45。反射光束(其在这里假设为具有与发射光束在其已经穿过光学部件20之后的偏振相同的偏振Pa+45)通过再次穿过光学部件20的法拉第旋转器20a而在返回路径上经历其偏振的45°的第二旋转,以在投射到测量表面上之前采用因此与传播偏振正交的偏振Pb。由耦合器EC引导的反射辐射Rr具有与发射辐射Re的偏振TE正交的偏振TM。因此,该反射辐射Rr朝着偏振分束器PBS的与接收发射辐射Re的通道分离的通道被引导。然后,朝着偏振旋转器PR引导反射辐射Rr,使得可以通过施加90°旋转来将反射辐射Rr返回到原始预定偏振TE(也就是说,发射辐射Re的偏振TE)。因此,反射辐射Rr具有与本振LO相同的偏振,使得它们可以由混合器M显著地处理并建立测量V。
应当注意,图4的耦合器件C可以以反向配置使用,根据该反向配置,发射辐射Re经由耦合器件C的第二输入部上的第二波导Gb传播,并且反射辐射经由耦合器件C的第一输入部上的第一波导Ga传播。在该反向配置中,发射光束在芯片输出部处具有与图4中呈现的“标准”配置的传播偏振正交的传播偏振Pb。
图5描绘了耦合器件C的第二示例,此次实现了表面耦合器GC。在所描绘的示例中,表面耦合器GC是具有偏振分路光栅的耦合器,使得可以将在自由光学器件中反射的光束的电磁场的两个分量Pa、Pb耦合到由两个分离波导Ga、Gb引导的两种类型的辐射Re、Rr中。被引导的辐射Re、Rr具有相同的偏振TE。相比之下,耦合器GC使得可以将在光子芯片10的波导Ga、Gb中传播的两个辐射Re、Rr组合成具有两个垂直分量的自由空间发射光束。在图5的示例的情况下,仅发射辐射Re在第一波导Ga上朝着耦合器Gc传播,因此,发射光束基本上仅具有一个偏振分量Pa。至于反射辐射,它在第二波导Gb上传播。
当然,该耦合器件可以以关于图4描述的反向配置使用,以获得改变发射光束的偏振的相同效果。
该第二示例中的法拉第旋转器20a和偏振器20b起到与先前描述的作用相同的作用。
如已经指出的并且当耦合器件C是边缘耦合器EC或表面耦合器GC时,如果反射光束自然地具有与发射光束正交的偏振,则光学部件20不需要包括法拉第旋转器20a,该偏振变化可能是由场景的被照射目标T上的反射引起的。
如已经指出的,如果反射光束可能具有寄生偏振分量(尤其是与经修改的偏振Pa+45正交的分量),则可以沿发射光束的传播方向在法拉第旋转器20a下游向光学部件20添加与该经修改的偏振Pa+45一致的偏振器20b,以在收发器电路1的输入部阻挡寄生分量并因此防止该寄生分量耦合到激光源L。因此保持了该源的适当稳定性。
多偏振收发器电路
图6a呈现了图3中描绘的光子电路1的改进版本的框图。在该版本中,使用两个正交偏振来形成具有分别基于所述两个正交偏振的两个分离测量通道的光子电路1。
该图的光子电路1包括根据图3的框图以光学方式彼此连接的激光源L、功率分配器S、第一混合器M和第一耦合器件C。第一混合器M和第一耦合器件C形成生成第一测量信号V的第一测量通道。光子电路1还包括第二混合器M’和第二耦合器件C’,其与第一耦合器件C分离,并且以光学方式链接在一起以形成生成第二测量信号V’的第二测量通道。
功率分配器S具有两个分离的通道,从而使得可以在第一通道中并且经由两个分离的波导朝着第一耦合器件C引导第一发射辐射Re并且朝着第一混合器M引导第一本振LO。还可以在第二通道中经由两个其它分离的波导朝着第二耦合器件C’引导第二发射辐射K’并且朝着第二混合器M’引导第二本振LO’。这些辐射Re、Re’、LO、LO’都具有相同的第一偏振TE。
在芯片10的第一耦合器件C的输出部,并且与关于前述附图所公开的内容类似,第一发射光束的传播偏振Pa通过第一法拉第旋转器20a旋转45°。反射光束的偏振Pa+45也通过第一法拉第旋转器20a旋转45°,使得当其投射到芯片10的测量表面Sm上时在芯片10的输出部具有与发射光束的传播偏振Pa正交的经修改的传播偏振Pb。该偏振分量Pb通过第一耦合器件C耦合到芯片,并且朝着第一混合器M引导具有与第一发射辐射Re相同的第一偏振TE的反射辐射Rr。
针对第二耦合器件C’,其被配置为传播在芯片10的输出部具有与第一发射光束的偏振Pa正交的传播偏振Pb的第二发射光束。该偏振Pb通过第二法拉第旋转器20a’旋转45°。第二反射光束的偏振Pb+45通过第二法拉第旋转器20a’旋转45°,使得当其投射到芯片10的测量表面Sm上时具有与第二发射光束的传播偏振Pb正交的经修改的偏振Pa。该偏振分量Pa通过第二耦合器件C耦合到芯片10,并且朝着第二混合器M’引导具有与第二发射辐射Re’相同的第一偏振TE的反射辐射Rr’。
可以看出,图6的收发器电路可以发射两个发射光束,所述两个发射光束具有正交偏振,并且限定了针对这些偏振中的每一者的不同测量信道。
在图6b所描绘的变型例中,经由第一开关SW1随时间推移交替地(而不是同时地)生成第一发射辐射Re和第二发射辐射Re’,这使得可以将来自源L的光交替地引导到第一耦合器件C或第二耦合器件C’上。该实现方式有利地使得可以仅使用单个混合器M,其经由第二开关SW2同步地连接到第一耦合器件C或第二耦合器件C’,从而使得可以朝着该单个混合器M选择性地引导第一反射辐射Rr或第二反射辐射Rr’。光学开关SW1、SW2的排序可以由芯片10的控制电路控制。
在图6c所描绘的变型例中,针对测量通道中的每个测量通道不仅共享混合器M,而且还共享耦合器件。收发器电路1实际上具有两个测量通道,但使用单个时分复用耦合器件C”。第一开关SW1’布置在激光源L(经由功率分配器S)、混合器M和耦合器件C的与第一波导Ga相关联的第一输入部之间。第一开关SW1’使得可以选择性地将耦合器的该第一输入部(第一波导Ga)以光学方式连接到分配器S或混合器M。第二开关SW2’布置在功率分配器S、混合器M和复用耦合器件C”的与第二波导Gb相关联的第二输入部之间。第二开关SW2’使得可以选择性地将复用耦合器件C”的第二输入部(第二波导Gb)以光学方式连接到激光源L(经由分配器S)或者连接到混合器M。
通过切换开关SW1’、SW2’,根据使得可以发射具有第一偏振Pa的发射光束的第一配置(图6c的底部部分),可以将来自分配器S的发射辐射Re传播到复用耦合器件C”的第一输入部,并且朝着混合器M传播来自复用耦合器件C”的第二输入部的反射辐射。在该配置中,耦合器C”被配置为发射具有第一偏振Pa的发射光束。
通过将开关SW1’、SW2’切换成第二配置(图6c的顶部部分),发射辐射Re从分配器S传播到复用耦合器件C”的第二输入部,并且反射辐射Rr从复用耦合器件C”的第一输入部朝着混合器M传播。在该第二配置中,耦合器件C”被配置为发射具有与第一偏振Pa垂直的第二偏振Pb的发射光束。
该变型例有利地使得可以仅具有单个混合器M和单个复用耦合器件C”来形成两个测量通道,这使得可以在提供具有对偏振分集的询问(interrogation)的芯片10的同时减小收发器电路1的大小并因此减小芯片10的大小。在该示例中,光学开关SW1’、SW2’的排序也可以由芯片10的控制电路控制。
在图6a至图6c的示例中,耦合器件C、C’、C”可以同样地结合根据图4的配置的边缘耦合器EC或根据图5的配置的表面耦合器GC。通过观察这些附图,将理解,取决于发射辐射Re是经由第一波导Ga被呈现在耦合器件C的输入部中的一个输入部上还是经由第二波导Gb被呈现在耦合器件C的输入部中的另一输入部上,耦合器件将发射具有第一偏振Pa或与第一偏振Pa正交的第二偏振Pb的发射光束。
包括多个收发器电路的光子芯片
图7示出了包括多个收发器电路1的芯片10的框图。为了图7的可读性起见,这里的收发器电路中的每个收发器电路具有单个测量通道,但是完全可以想到在芯片10中集成具有两个测量通道的电路1,这两个测量通道可以根据刚刚关于图6a至图6c描述的内容顺序地或同时被激活。可以选择芯片10的收发器电路中的每个收发器电路的激光源L,使得所述激光源全部(或所述激光源中的一些激光源)发射具有相同波长的辐射。然而,另选地,激光源L发射具有不同波长或更精确地具有被包括在不同范围中的波长的辐射。这避免了或限制了可能在两个收发器电路1之间发生的光学耦合。收发器电路1包括耦合器件C,该耦合器件C被配置为(借助于芯片10旨在形成的光子组件100的准直透镜L)发射沿不同方向取向的发射光束,如已经关于光子组件100的描述呈现的。由于芯片10包括多个收发器电路1,因此该芯片提供了可以由控制电路(未示出)使用的多个测量信号V。
图7的芯片10可以同样用于形成第一实施方式的“条形形状”光子组件100或如在该图的底部部分所示形成第二实施方式的“表面安装”光子组件100。
实现波分复用的收发器电路
图8a描绘了收发器电路1,该收发器电路结合了先前阐述的工作原理,但是更具体地,适合于形成“表面安装”光子组件,根据该“表面安装”光子组件,测量表面Sm被布置成占据平面,例如,以矩阵的形式。
根据图8a所描绘的多个收发器电路1并排布置在光子芯片10中,如图7的底部所示。每个收发器电路1包括有利地根据图5的布置结构的多个耦合器件C,其中,耦合器GC是具有偏振分路光栅的表面类型。在图8a的收发器电路1中,存在可以例如经由频率调制块FM在宽频率范围上调制工作频率的激光源L。收发器电路1还包括:功率分配器S,从而使得可以生成发射辐射Re和本振LO;以及混合器M,从而使得可以通过本振LO和反射辐射Rr的干涉脉冲来生成测量信号V。
收发器电路1还包括单向发送总线BE,该单向发送总线BE以光学方式连接到功率分配器S,以将发射辐射Re分发到耦合器件C。收发器电路1还包括接收总线BR,该接收总线BR用于收集由耦合器件C提供的反射辐射Rr并朝着混合器M引导该反射辐射Rr。耦合器件C布置在单向发送总线BE与接收总线BR之间,并且分别经由滤波器F1、F2(图8a)或光学开关SW1、SW2(图8d)联接到这些总线。这些滤波器或光学开关通常被指定为“传输元件”。
参照图8a所描绘的称为“波分复用”的实施方式,分别与耦合器件C相关联的多个发送滤波器F1已经被放置在单向发送总线BE与耦合器件C之间。发送滤波器F1使得可以选择性地将单向发送总线BE联接到耦合器件C并且允许发射辐射Re传播到该器件C。
类似地,分别与耦合器件C相关联的多个接收滤波器F2被布置在耦合器件C与接收总线BR之间。接收滤波器F2使得可以将接收总线BR选择性地联接到耦合器件C,以允许反射辐射朝着混合器M的传播。
发送滤波器F1和接收滤波器F2是带通滤波器,也就是说,当辐射具有被包括在特定于滤波器的传输波长范围内的波长时,这些滤波器可以在滤波器输入部与滤波器输出部之间传输该辐射。当辐射具有在该范围之外的波长时,辐射被阻挡并且不在滤波器的输入部与输出部之间传输。
为了允许将耦合器件C选择性地联接到单向发送总线BE和接收总线BR,与单个耦合器件C相关联的发送滤波器F1和接收滤波器F2具有相同的传输波长范围。相反,与不同耦合器件C相关联的发送滤波器F1和接收滤波器F2具有不同的传输波长范围。
优选地,滤波器的传输波长范围分布在由激光源L发射的辐射的波长的宽范围中,并且在不交叠的情况下共同地覆盖该宽范围。
取决于所发射的发射辐射Re的波长,该辐射将在耦合器件C中的一个耦合器件中传播,针对这个耦合器件的发送滤波器F1具有覆盖发射辐射Re的波长的传输波长范围。与该耦合器件C相关联的接收滤波器F2具有与发送滤波器F1相同的传输波长范围,并且反射辐射Rr具有与发射辐射Re基本相同的波长,该反射辐射Rr将由接收滤波器F2经由接收总线BR发送到混合器M。
因此,通过选择发射辐射Re的波长,可以从收发器电路1的所有耦合器件C中选择将被激活以发射发射光束的耦合器件C。
可以以不同的方式选择发射辐射Re的波长。根据第一种方法,可以提供以在频率调制块FM中具有主滤波器。然后,例如通过控制器件来配置主滤波器FM,以对FM块发射的辐射进行滤波,使得发射光辐射Re具有在与滤波器F1、F3的传输波长范围中的一者匹配(或比其窄)的范围内延伸的波长。通过配置主滤波器FM,以从收发器电路1的所有耦合器件C中进行选择的方式选择将被激活以传播发射光束的耦合器件C。
图8b描绘了电路1的也实现波分复用的第一变型例。该第一变型例包括生成具有多个波长的辐射R(R(l1)、R(l2)、R(ln))的频率调制块FM和激光源L。该辐射被注入到具有多个输出部Ds(l1)、Ds(l2)、Ds(ln)的波分解复用器D的输入部De中,以分别提供各自具有特定波长l1、l2、ln的辐射R(l1)、R(l2)、R(ln)。
解复用器D的每个输出部Ds以光学方式链接到提供本振LO(l1)、LO(l2)、LO(ln)和发射辐射Re(l1)、Re(l2)、Re(ln)的功率分配器S。来自同一分配器S的本振LO和发射辐射Re的波长当然是相同的。朝着耦合器件C的第一输入部引导每个发射辐射Re,并且朝着专用于该耦合器件C的混合器M引导来自该器件C的反射辐射Rr。混合器M还从功率分配器S接收本振,以提供测量信号V。
因此,在该示例中,解复用器D朝着耦合器件C分别分发具有多个波长的辐射R的波长分量。
图8c描绘了收发器电路1的也实现波分复用的另一变型例。该第二变型例包括功率分配器S、耦合器件C和混合器M,从而使得可以被组合以处理来自波分解复用器的输出部Ds(l1)、Ds(l2)、Ds(ln)的具有特定波长l1、l2、lm的辐射。
在该变型例中,该解复用器是具有多个复用输入部Me1、Me2、Men的复用器-解复用器DM,每个复用输入部连接到连续地发射具有特定波长l1、l2、ln的辐射的激光源L1、L2、Ln。该解复用器具有复用输出部Ms,结合复用输入部Me1、Me2、Men上呈现的连续波辐射来从该复用输出部Ms获得连续波辐射。朝着调制块FM引导该辐射,该调制块FM自身将所生成的辐射R(l1)、R(l2)、R(ln)引导到复用器-解复用器DM的解复用输入部De。
在该示例中,收发器电路1包括根据多个不同波长l1、l2、ln进行发射的多个激光源L1、L2、Ln。收发器电路1还包括这里与辐射分布解复用器R组合的复用器,以产生具有多个波长的辐射R。
实现时分复用的收发器电路
图8d描绘了具有与图8a的示例的架构类似的架构的收发器电路1的所谓的“时分复用”实施方式。图8a的示例的将耦合器件C连接到总线BE、BR的滤波器F1、F2在这里由开关SW1、SW2替换。与耦合器件C相关联的开关SW1、SW2可以(例如,通过芯片10的控制器件)被命令闭合预定时间段,以在该时间段期间选择性地将该耦合器件C联接到总线BE、BR。并且在该时间段期间,与其它耦合器件C相关联的开关SW1、SW2可以被命令断开,以将这些其它耦合器件与总线BE、BR断开联接。通过适当地控制收发器电路1的开关SW1、SW2的时间,可以连续地激活耦合器件C发射发射光束、接收反射光束以及借助于混合器M生成测量信号V。为此,将耦合器件C连接到接收总线BR的开关SW2可以保持闭合长达一持续时间,该持续时间足以允许发射光束和反射光束一直传播到目标并在芯片10的测量表面上接收到反射光束。
图8e描绘了图8d中描绘的时分复用实施方式的非常有利的变型例。在该变型例中,单个双向传输总线BT将来自功率分配器S的发射辐射Re分布到多个耦合器件C。同一双向传输总线BT从多个这些耦合器件收集反射辐射Rr。光学环行器开关SW使得可以将电路1的每个耦合器件与双向传输总线BT选择性地相关联。如在前一示例中那样,在耦合器件上,仅开关SW中的一个开关随时间推移闭合,从而有效地对耦合器件的使用进行时分复用。另外,该示例的光学环行器开关SW使得既可以将发射辐射Re从双向传输总线引导到耦合器件的输入部,又可以将反射辐射Rr从耦合器件的另一输入部引导到双向传输总线BT,使得它继续其传播。
双向传输总线的与通过频率调制块FM注入发射辐射Re的一端相反的一端以光学方式连接到混合器M,以生成测量信号V,如在收发器电路1的前述示例中一样。
图8f将图8d的时分复用收发器电路的架构与图6c的架构组合,从而共享电路的特定组件来根据不同偏振向收发器电路1提供两个测量通道。该图示出了双向传输总线BT、激光源L、频率调制块FM、功率分配器M以及由耦合器件C和光学环行器开关SW形成的模块,其按照与图8d的配置相同的配置。还提供了开关SW1、SW2,其使得可以根据它们的配置沿相反的传播方向传播发射辐射(和接收辐射)。
通过切换开关SW1、SW2,因此可以根据使得可以发射具有第一偏振Pa的发射光束的第一配置(图8f的顶部部分),在由光学环行器开关SW中的一者选择的耦合器件C的第一输入部处传播分配器的发射辐射Re。可以朝着混合器M传播来自耦合器件C的第二输入部的反射辐射Rr。在该配置中,所选耦合器C被配置为发射具有第一偏振Pa的发射光束。
通过按照第二配置(图8f的底部部分)切换开关SW1、SW2,发射辐射Re从分配器S传播到由光学环行器开关SW中的一者选择的耦合器件C的第二输入部。反射辐射Rr从耦合器件C的第一输入部朝着混合器M传播。在该第二配置中,耦合器件C被配置为发射具有与第一偏振Pa垂直的第二偏振Pb的发射光束。
换句话说,两个开关SW1、SW2使得可以沿第一传播方向或与第一传播方向相反的第二传播方向选择性地在双向传输总线BT中传播发射辐射Re。根据该辐射的传播方向,通过光学环行器开关SW与双向传输总线相关联的耦合器件C发射具有第一偏振Pa或与第一偏振Pa垂直的第二偏振Pb的发射光束。
当然,本发明不限于所描述的实施方式,并且在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下,可以添加变型实施方式。
Claims (20)
1.一种光子组件,所述光子组件包括至少一个光子芯片(10)、至少一个光学部件(20),
-所述光子芯片包括至少一个收发器电路(1),所述至少一个收发器电路(1)包括用于向光学混合器(M)提供称为本振(LO)的第一辐射并且用于向耦合器件(C)提供发射辐射(Re)的至少一个激光源(L),所述本振(LO)和所述发射辐射(Re)具有预定偏振,所述耦合器件(C)被配置为从测量表面(Sm)在自由空间中传播发射光束形式的所述发射辐射(Re),并且在同一测量表面(Sm)接收返回的反射光束并朝着所述光学混合器(M)引导所述反射光束作为具有所述预定偏振的反射辐射(Rr),所述光学混合器(M)通过所述本振(LO)和所述反射辐射(Rr)的干涉脉冲生成测量信号(V);
-所述光学部件(20)设置有法拉第旋转器(20a),所述法拉第旋转器(20a)布置在所述芯片(10)的所述测量表面(Sm),以拦截所述发射光束和所述反射光束,所述光学部件还设置有偏振器(20b),所述偏振器(20b)沿所述发射光束的传播方向布置在所述法拉第旋转器下游并且被配置为允许所述发射光束和所述反射光束按照单偏振传输,所述单偏振与由所述法拉第旋转器施加在所述发射光束上的偏振匹配。
2.根据权利要求1所述的光子组件(10),其中,所述激光源(L)包括频率调制器(FM)或与频率调制器(FM)相关联。
3.根据权利要求1或2所述的光子组件(10),其中,所述光子芯片包括与所述激光源(L)以光学方式相关联的功率分配器(S),所述功率分配器提供所述本振(LO)和所述发射辐射(Re)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)的所述耦合器件(C)包括第一波导(Ga)和第二波导(Gb)以及布置在所述第一波导与所述第二波导之间的边缘耦合器(EC),所述边缘耦合器以光学方式连接到偏振分束器(PBS)和偏振旋转器(PR)。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)的所述耦合器件(C)包括第一波导(Ga)和第二波导(Gb)以及布置在所述第一波导与所述第二波导之间的具有偏振分路光栅(GC)的表面耦合器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括第一测量通道和第二测量通道,所述第一测量通道用于传播在芯片输出部具有第一传播偏振(Pa)的第一发射光束,并且所述第二测量通道用于传播具有与所述第一传播偏振(Pa)正交的第二传播偏振(Pb)的第二发射光束。
7.根据权利要求6所述的光子组件(10),其中,所述第一发射光束是通过第一耦合器件(C)传播的,并且所述第二发射光束是通过与所述第一耦合器件(C)分离的第二耦合器件(C’)传播的。
8.根据权利要求7所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括第一开关(SW1)和第二开关,所述第一开关(SW1)以光学方式布置在所述激光源(L)与所述第一耦合器件(C)和所述第二耦合器件(C’)之间,并且所述第二开关以光学方式布置在所述第一耦合器件(C)和所述第二耦合器件(C’)与所述混合器之间。
9.根据权利要求6所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括:
-第一开关(SW1’),所述第一开关(SW1’)用于选择性地将复用耦合器件(C”)的第一波导(Ga)连接到所述激光源(L)或所述混合器(M);
-第二开关(SW2’),所述第二开关(SW2’)用于选择性地将所述复用耦合器件(C”)的第二波导(Gb)连接到所述激光源(L)或所述混合器(M)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光子组件(10),其中,所述光子芯片包括多个收发器电路(1)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括多个耦合器件(C)。
12.根据权利要求11所述的光子组件(10),其中,所述至少一个激光源(L)发射具有多个波长(l1、l2、ln)的辐射(R),并且其中,所述收发器电路(1)包括波分解复用器(D),所述波分解复用器用于分别朝着以光学方式连接到所述解复用器(D)的输出部(Ds(l1)、Ds(l2)、Ds(ln))的所述耦合器件(C)分发所述辐射的所述波长。
13.根据权利要求12所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括分别发射所述多个波长(l1、l2、ln)的多个激光源(L1、L2、Ln),所述收发器电路(1)还包括用于产生具有所述多个波长的所述辐射(R)的波分复用器(DM)。
14.根据权利要求12或13所述的光子组件(10),其中,所述解复用器(D)的所述输出部(Ds(l1)、Ds(l2)、Ds(ln))分别联接到功率分配器(S),所述功率分配器(S)分别向混合器(M)提供本振(LO(l1)、LO(l2)、LO(ln))并且分别向所述耦合器件(C)提供发射辐射(Re(l1)、Re(l2)、Re(ln))。
15.根据权利要求11所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括:
-以光学方式连接到所述激光源(L)的单向发送总线(BE)和以光学方式连接到所述混合器(M)的接收总线(BR),所述多个耦合器件(C)以光学方式布置在所述单向发送总线(BE)与所述接收总线(BR)之间;
-第一多个传输元件(F1、SW1),所述第一多个传输元件(F1、SW1)布置在所述单向发送总线(BE)与所述多个耦合器件(C)之间,以选择性地将所述单向发送总线(BE)联接到预定耦合器件(C)并允许所述发射辐射(Re)的传播;
-第二多个传输元件(F2、SW2),所述第二多个传输元件(F2、SW2)布置在所述多个耦合器件(C)与所述接收总线(BR)之间,以选择性地将所述预定耦合器件(C)联接到所述接收总线(BR)并允许所述反射辐射(Rr)的传播。
16.根据权利要求15所述的光子组件(10),其中,所述传输元件是滤波器(F1、F2),所述滤波器(F1、F2)分别与一耦合器件(C)相关联,所述滤波器(F1、F2)具有彼此相同的传输波长范围。
17.根据权利要求15所述的光子组件(10),其中,所述传输元件是开关(SW1、SW2)。
18.根据权利要求11所述的光子组件(10),其中,所述收发器电路(1)包括以光学方式布置在功率分配器(S)与所述混合器(M)之间的双向传输总线(BT),所述双向传输总线(BT)通过光学环行器开关(SW)选择性地联接到所述耦合器件(C)。
19.根据权利要求18所述的光子组件(10),其中,所述光子芯片还包括用于在所述双向传输总线(BT)中选择性地沿第一传播方向或沿与所述第一传播方向相反的第二传播方向传播所述发射辐射的两个开关(SW1、SW2)。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的光子组件(100),所述光子组件(100)还包括用于使所述发射光束和所述反射光束准直的透镜(L)。
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