CN109477935B - 用于在处理分束光信号的设备中获得光测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种诸如偏振控制器的光子器件，包括诸如2×2MMI耦合器的耦合器(110)或者多个耦合器，多个光电探测器(132、134、136)，以及处理部分(140)。耦合器(110)包括两个输入和两个输出，总共四个输入(112、114)和输出(116、118)。光电探测器(132、134、136)耦合至四个输入(112、114)和输出(116、118)中的三个并且被配置为提供指示所述四个输入和输出的所述三个中的每个处的光功率的信号。处理部分(140)被配置为接收由所述多个光电探测器(132、134、136)提供的所述信号。光电探测器(132、134、136)的布置可以提供用于确定光子器件内的光的偏振状态的反馈信息。还提供集成进光子的测量设备以及用于在光子器件内获得光测量的方法。

Description

用于在处理分束光信号的设备中获得光测量的方法和装置
相关引用
本申请要求2016年8月30日提交的、题为“用于在处理分束光信号的设备中获得光测量的方法和装置”申请号为15/251,782的美国专利的优先权，其公开的全部内容再次通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及光子系统领域，并且更具体地，涉及用于获得在光子设备中的，例如，与光的偏振状态相关的光测量的方法和装置。
背景技术
当入射光信号包括特定的偏振态(state of polarization,SOP)，例如横向电(transverse-electric,TE)SOP时，诸如光子集成电路(photonic integrated circuits,PIC)的某些光子器件的工作状况通常最好。然而，在实践中，入射光可能包括不同的SOP(例如，由于随机偏振)。偏振控制器可用于动态调节入射光的SOP。在对光的偏振敏感的各种情况下，期望进行偏振控制。例如，相干引擎、调制器、诸如OAM光纤的某些类型的光纤以及硅光子器件的接收器可能对偏振特别敏感。在数据中心中使用硅光子可以特别受益于控制入射光的SOP。
与其他控制方案一样，可以使用反馈来实现偏振控制，其中基于所监视的SOP来调整控制信号。然而，当前可用于测量SOP的方案可能是复杂的，这导致成本、可扩展性、组件数量、插入损耗以及设备尺寸的实现问题。当前的SOP测量方案显著增加了光子架构的成本，这会在需要可扩展性时限制应用。在不显著增加相关测量和控制算法的复杂性的情况下简化SOP测量方案也是困难的。
除了偏振控制器之外，其他光子器件也可以受益于光子测量，例如指示SOP或与SOP相关的测量，或者可以用于反馈控制或设备监视的测量。
因此，需要一种用于获得在光子器件中的有效光学测量的方法和装置，其消除或减轻现有技术的一个或多个限制。
提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。这并非想承认，也不应该被解释成，任何前述信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的实施例的一个目的是提供一种用于在光子器件中获得光测量的方法和装置。根据本发明的实施例，提供了一种光子器件，诸如但不限于偏振控制器。光子器件包括包括两个输入和两个输出的2×2光耦合器，总共四个输入和输出。三个光电探测器耦合至所述光耦合器的三个(总共四个)输入和输出中的每个。所述光电探测器可以经由光抽头耦合至他们各自的输入和输出。在一些实施例中，诸如移相器的已知部件位于所述光电探测器和所述光耦合器的相关联的输入或输出之间。所述光电探测器中的每个被配置为提供指示光功率的信号，所述光功率的信号是在它们的相应位置处测量的。提供处理部分，所述处理部分被配置为接收由所述多个光电探测器提供的信号。处理部分被配置为处理所接收的信号，并且可以生成控制信号，例如，用于通过控制光子器件的移相器来控制光子器件。
在一些实施例中，光子器件包括与所述耦合器串联连接的附加2×2光耦合器。附加2×2光耦合器包括两个附加输入和两个附加输出，总共四个附加输入和输出。一对附加光电探测器耦合至所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出中的两个。附加光电探测器还向处理部分提供指示光功率的信号。为了避免重复，并且在可能的情况下，第一光耦合器的三个光电探测器中的一个也是所述一对附加光电探测器中的一个。所述处理部分被配置为基于由所述三个光电探测器和所述一对附加光电探测器提供的测量来估计所述附加光耦合器的附加输入和输出的一个处的光功率。这可能涉及在其他未测量输入或输出处的光功率的中间估计。
根据本发明的另一实施例，提供了一种集成在光子器件中的测量设备。所述光子器件包括2×2耦合器，所述2×2耦合器包括两个输入和两个输出，总共四个输入和输出。所述测量设备包括耦合(例如，直接地或者经由诸如移相器的中间部件)至所述2×2光耦合器的所述四个输入和输出中的三个的多个光电探测器。所述多个光电探测器被配置为提供指示所述四个输入和输出的所述三个中的每个处的光功率的信号。耦合至所述光子器件的处理部分被配置为接收由所述多个光电探测器提供的所述信号。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于在光子器件中获得光测量的方法，所述光子器件包括耦合器，所述耦合器包括两个输入和两个输出，总共四个输入和输出。所述方法包括测量多个光电探测器处的光功率，每个所述多个光电探测器光耦合至所述耦合器的所述四个输入和输出的三个中的相应的一个。所述方法还包括向耦合至所述光子器件的处理部分提供指示所述四个输入和输出的所述三个的每个处的光功率的信号。在一些实施例中，所述光子器件是偏振控制器，并且所述方法还包括所述处理部分生成用于所述偏振控制器的一个或者多个移相器的控制信号。
在一些实施例中，所述方法还包括所述处理部分生成所述耦合器的输入或输出中除了所述四个输入和输出的所述三个之外处的光功率的估计。在一些实施例中，所述光子器件还包括与所述耦合器串联连接的附加耦合器，所述附加耦合器包括两个附加输入和两个附加输出，总共四个附加输入和输出。在这些实施例中，所述方法进一步包括测量附加多个光电探测器处的光功率，每个所述附加光电探测器光耦合至所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出的两个中的相应的一个。所述方法进一步包括向所述处理部分提供指示所述四个附加输入和输出的所述两个中的每个处的光功率的信号。所述方法进一步包括所述处理部分生成除了所述四个附加输入和输出的所述两个之外的所述附加输入和输出中的一个或者多个处的光功率的估计。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明实施例的光测量装置。
图2示出了根据本发明另一实施例的光测量装置。
图3示出了根据本发明实施例的结合光测量的两级偏振控制器。
图4示出了根据本发明实施例的结合光测量的三级偏振控制器。
图5示出了根据本发明实施例的结合光测量的多级偏振控制器。
图6A示出了根据本发明实施例的用于获得光测量的方法。
图6B示出了根据本发明另一实施例的用于获得光测量的方法。
图7示出了根据本发明实施例的用于接收和处理光电探测器信号的处理部分。
应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。
具体实施方式
如本文所使用的，术语“耦合器”指的是光耦合器，即耦合、混合和/或分束光信号的器件。包括N个输入和M个输出的耦合器被称为N×M耦合器。2×2耦合器(即包括N＝M＝2)在本文中被广泛引用。或者，耦合器可以称为混合器或光耦合器。例如，耦合器可以是多模干涉(multimode interference,MMI)耦合器，诸如3dB MMI耦合器。耦合器可以是50/50定向耦合器。在一些实施例中也可以使用其他耦合器，诸如渐逝耦合器(evanescentcoupler)。
数据中心可以包括一个或多个光网络或包括基于硅的光子部件的较大网络的光学部。通常，数据中心中使用的光收发器是非相干的，其中信息不以偏振方式编码，即，偏振维度不用于承载数据业务。诸如光子开关的硅光子部件可以利用特定的光线性偏振(诸如横电(transverse-electric,TE)偏振)进行最佳的操作。当使用入射光的非TE偏振操作时，硅光子可能引起额外的损耗。因此，偏振态(state of polarization,SOP)控制器可用于将入射光的随机偏振转换为线性偏振，诸如TE偏振。本发明的一些实施例涉及用于这种偏振控制器的改进设计，特别是其中更有效地获得用于反馈控制的光测量。该设计范例还可以用于其他光子器件，和/或除数据中心之外的应用中。例如，本发明可以在例如位于光子集成电路中并结合耦合器的光子器件中实现，在耦合器中需要实时测量信号的相位和/或偏振。
本发明实施例提供了一种光子器件，诸如偏振控制器，其包括集成的一组光电探测器。光子器件包括至少一个耦合器，并且光电探测器耦合至耦合器的输入和输出，以便提供指示那些输入和输出处的光功率的信号。通常，耦合器是2×2耦合器，其包括的光电探测器位于其四个输入和输出中的三个处。由光电探测器输出的信号被提供给光子器件的处理部分。处理部分可以是电子部分、微控制器等。处理部分可以被配置为用于光子器件的反馈控制的控制器，光电探测器的输出提供控制器使用的反馈。
耦合至光子器件内的耦合器的输入和输出的光电探测器的上述布置提供了相对简单、可扩展以及有效的设备，其可用于提供关于光状态的信息并且用于控制诸如偏振控制器的光子器件。可以使用这种布置来代替用于确定光的偏振状态的单独的、可能复杂的设备。值得注意的是，光子器件的耦合器执行双重功能。首先，耦合器在光子器件本身内执行预期的功能；耦合器以预定方式混合、分束或以其他方式操纵光信号，以便支持器件的给定功能。另外，耦合器以已知的方式输出依赖于多个输入信号的光信号，从而在其输入和输出光信号之间建立已知的关系。通过测量输入和输出信号的功率(使用多个光电探测器)并使用已知关系，可以获得关于输入信号之间的相对相位关系的信息。例如，该信息可用于生成控制信号。
例如，2×2耦合器混合其的两个输入信号，使得每个输出随输入信号之间的相位差的变化而变化。在各种实施例中，并且如本领域技术人员将容易理解的，理想的50/50 2×2耦合器对在其的两个输入中的每一个处呈现的功率进行均等地划分并且将输入功率的一半路由到第一输出以及将输入功率的一半路由到第二输出。这种2×2耦合器还为从耦合器的顶部输入路由到底部输出或从底部输入路由到顶部输出的光信号引入90度移相。因此，这种2×2耦合器的操作可以用其传递函数表示：
Figure GDA0001950057800000041
在其他实施例中，可以使用不同类型的2×2耦合器，例如，其中功率被不均等地划分，或者对于某些输出的某些输入或其组合应用其他预定的移相。因此，通过调整耦合器的设计，可以以若干方式改变等式(1)的传递函数，耦合器通常是无源部件。如果耦合器是可以改变传递函数的有源部件，则在执行如本文所述的光测量时可以考虑改变传递函数。
本发明实施例能够使用相当有限量的部件和光电探测器以及从光电探测器接收信号的相对简单的处理电子设备来提供用于偏振控制器的反馈控制的足够信息。因此插入损耗是有限的，因为光电探测器仅消耗有限量的光信号。
本发明实施例特别适用于偏振控制器。偏振控制器接收入射光信号并将光调节到所需偏振，该入射光信号可包括随机偏振光。例如，如本领域技术人员将容易理解的，可以使用应用于光的正交分量的移相器来执行调节。偏振控制器还包括一个或多个耦合器，其在施加相移之后混合光。要应用的相移量取决于光的当前偏振状态。光电探测器布置提供信息的收集，而不必确定偏振状态，该信息与光的当前偏振状态有关，并且可以用于控制所施加的相移量。
本发明实施例提供了在诸如偏振控制器的光子器件中的放置光电探测器的一种改进的方法。无需提供偏振测量模块的复杂状态并且试图基于对相应设备的每个单独输入的偏振状态来操作偏振控制器，而是将光电探测器放置在光子器件内的关键位置以便获得足以用于所需目的(如反馈控制)的多个测量值。对入射光波信号的偏振状态的完全和明确的测量可能不是必需的并且与控制目的相关，不过如果需要，可以至少近似地从所获得的测量结果中确定。例如，在一些实施例中，可以估计光子器件的输入处的偏振状态。然而，在各种实施例中，可以不必并省略偏振状态的确定。例如，如本领域技术人员将容易理解的，可以通过提供斯托克斯参数S0、S1、S2、S3的值来指示偏振状态。偏振状态在光子器件内的不同位置处可能是不同的。
本发明实施例包括使用放置在诸如偏振控制器的光操纵设备内的预定位置处的光电探测器，光电探测器监视预定位置处的光功率并提供用于设备的反馈控制的信号。例如，无需基于控制器的输入或输出处的光的偏振状态来操作偏振控制器，而是可以基于偏振控制器内的某些中间位置处的光的测量特性来操作偏振控制器。因为测量是在中间位置进行的，所以可以利用更准确和适当的数据更容易地控制偏振控制器的不同级的各个部分(例如各个移相器)。
本文描述的光电探测器布置的潜在优点包括：设计和架构的简易性、有限数量的部件、有限的部件尺寸、有限的功耗以及有限的插入损耗。当需要大量的偏振控制器或其他设备时，光电探测器布置的简易性和有限数量的部件有利于可扩展性，例如，在包括大量的反馈来自不同源的光信号的输入端口的实际的光子集成电路中。还避免了仔细匹配多个光路以控制干涉图案的要求。本发明可以用作现有方法的替代方案，现有方法依赖于相位检测来确定偏振状态，其中混合监测信号以便检测拍频信号。
本发明实施例将光测量与光子器件的操作紧密集成，该光子器件中放置有光电探测器。例如，在此认识到，为了充分控制光的偏振状态，不必得到全面明确的SOP测量。相反，只需测量偏振控制器的各种移相器的输入和/或输出处的信号的相位的测量就够了。耦合器提供了可以分抽(tap)这样的信号的方便位置。
因此，对光电探测器测量的解读与光电探测器和主机设备架构的位置直接相关。数据相关可用于提取所需参数。可以以基于主光子器件架构和功能的方式生成要提取的信息(诸如用于生成反馈控制信号的信息)。本发明实施例包括放置在光子器件内部的光电探测器，其在内部向该主光子器件提供关于光信号状态的信息。这允许采用相对简单和有效的控制方案来控制光子器件。由于省略了单独的、自包含的SOP测量模块，因此在保持期望性能的同时限制了成本和复杂性。
在一些实施例中，使用数据相关来提取参数可以基于光子器件中使用的定向耦合器的已知特性来执行(例如，使用数学模型)。该模型可以表示定向耦合器如何处理光，例如，通过施加插入损耗。例如，可以为2×2定向耦合器建模50％的插入损耗。由光电探测器测量的功率可用于导出用于控制主机设备(例如，用于控制偏振控制器的移相器)的读数(reading)。与到光电探测器的光的路由部分相关联的抽头损耗也可以合并到模型中。
本发明实施例提供集成到主光子器件中的测量设备。主光子器件可以是，例如，偏振控制器，而测量设备包括集成在主光子器件中的光电探测器，其用于测量主光子器件中的关键点处的光信号的特性。光子器件至少包括一个耦合器，例如，2×2耦合器，并且测量设备包括多个光电探测器，这些光电探测器耦合至耦合器的除了一个输入和输出之外的所有输入和输出处。光电探测器测量输入和输出处的光功率，并向处理部分提供指示光功率的信号。
本发明实施例提供了一种用于在光子器件中获得光测量的方法。光子器件包括耦合器，诸如2×2耦合器。该方法包括测量多个光电探测器处的光功率，每个光电探测器光耦合至耦合器的除了一个输入和输出之外的所有输入和输出中的相应的一个。该方法还包括向可操作地耦合至光子器件的处理部分提供指示每个测量的输入和输出处的光功率的信号。该方法还可以包括处理信号以生成控制信号、SOP信息等，或其组合。
在此认识到，对于诸如偏振控制器的设备内的诸如MMI耦合器的2×2耦合器，在四个输入和输出中的三个处测量光功率，在许多情况下，可以为反馈控制和/或偏振跟踪状态提供足够信息。此外，偏振控制器或SOP跟踪器的标准设计是使用多个(例如，2到5个)串联连接的级，每级包括2×2耦合器和一个或多个移相器。因此，在设备的每级处，可以使用该级的2×2耦合器的三个输入和输出处的光功率的测量或估计来获得关于该级中的光的偏振状态的所需信息。光电探测器的拓扑分布可以根据主机设备的架构进行定制。
图1示出了根据本发明实施例的光测量。示出的光子器件100包括耦合器110。器件100可以是偏振控制器的一部分。图示了包括耦合器110的器件100的一部分，为了清楚起见，并未示出其他诸如移相器、偏振旋转-分束器以及附加耦合器部分。耦合器110图示为2×2耦合器，其包括连接到其上的四条光线路112、114、116、118。如果光信号从左向右流动，则光线路112、114是输入线(到耦合器)，而光线路116、118是输出线。如果光信号从右向左流动，则光线路116、118是输入线，而光线路112、114是输出线。测量设备与器件100集成在一起，并且包括多个抽头122、124、126以及多个光电探测器132、134、136。抽头122、124、126分别耦合至光线路112、114、116。每个抽头122、124、126经由光路径(例如，光传输线或波导)将有限量的光信号(例如，1％、2％或小于5％)耦合至光电探测器132、134、136中的相应一个。每个光电探测器132、134、136输出信号，诸如电信号，从而指示入射在其上的光功率。例如，光电探测器可以是光电二极管。如上所述，光电探测器输出的信号可以提供给处理部分140，处理部分140包括控制器、微处理器、模拟或数字电子设备等，或其组合。信号可以由处理部分140处理。在一些实施例中，处理部分140还可以提供用于器件100的一个或多个部件的反馈控制的信息或控制信号，诸如移相器(图1中未示出)。可选地，处理部分140可以向独立的控制器(未示出)提供信息。附加地或可选地，信号可以由处理部分140处理，以提供光通过耦合器110时关于光的偏振状态的信息。
作为器件100的操作的一部分，耦合器110形成器件100的一部分并且用于以固定方式混合光信号。然而，通过耦合器110对光信号的混合还有助于向光电探测器132、134、136提供相互依赖的信号的组合，这些信号对于诸如器件100的其他组件(未示出)的反馈控制和/或确定偏振状态的给定目的是有用的。
图2示出了根据本发明另一实施例的光测量。更具体地，图2的器件200包括比图1的器件100中所示的更多细节。器件200可以是偏振控制器，器件200包括光束分束器260、光束分束器260将入射光信号分成两个分量261、262，例如，正交分量。光束分束器260可以是偏振旋转-分束器。该器件可能还包括可选的中间部分265，其接收由光束分束器提供的两个分量信号，对两个分量信号进行操作，并将两个附加的分量信号266、267提供给包含光耦合器210的功能块270。器件的并联分支上的分量信号通常对应于入射光信号的正交分量。功能块270还包括移相器272、274。可选地，可以省略移相器272、274中的一个。功能块270可以作为包括插在一对耦合器之间的移相器的马赫曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)的一部分操作。中间部分265可以是包括与功能块270类似配置的前一级。如图1中，耦合器210示出为2×2耦合器，其包括连接到其上的四条光线路212、214、216、218。
图2的测量装置包括多个抽头222、224、226和多个光电探测器232、234、236。抽头222、224、226分别耦合至光线路212、214、216。每个抽头222、224、226经由光路径将有限量的光信号耦合至光电探测器232、234、236中的对应的一个。每个光电探测器232、234、236输出诸如电信号的信号，指示入射在其上的光功率。图2示出了可选的抽头222a和相应的替代光电探测器232a，其可用于代替抽头222和光电探测器232。更一般地，忽略入射信号的方向，可以在四个位置222、222a、224、226中的任何三个以及三个相应的光电探测器232、232a、234、236的对应的一个处提供抽头。来自光电探测器的信号被提供给处理部分240。对于图2，假设信号是从左到右的方向。
图3示出了根据本发明另一实施例的包括测量设备的两级偏振控制器。在没有测量设备的情况下，可以参考2016年3月11日提交的申请号为15/067,798的美国专利来理解偏振控制器的方面，该申请通过引用结合于此。
图3示出了包括偏振旋转-分束器(polarization rotator-splitter,PRS)305的偏振控制器，其被配置为接收包括第一和第二正交偏振分量的输入光并且将输入光束器并旋转到分别对应于第一和第二正交偏振分量的第一和第二馈线312、314。偏振控制器300包括第一移相器(a first phase shifter,PHS1)315、317，用于基于第一控制信号DC1 352(诸如直流控制信号)在第一和第二馈线312、314之间提供第一光学(相对)相位延迟
Figure GDA0001950057800000061
然后将经相移的第一和第二馈线提供给第一2×2多模干涉(multi-mode interference,MMI)耦合器320，该耦合器混合在其间包括第一光学相位延迟的第一和第二馈线312、314，以在耦合器320的输出处提供第三和第四馈线322、324。
偏振控制器300包括第二移相器(a second phase shifter,PHS2)335、337，用于基于第二控制信号DC2 354(诸如直流控制信号)在第三和第四馈线322、324之间提供第二光学相位延迟。然后将经相移的第三和第四馈线322、324提供给第二2×2多模干涉(multi-mode interference,MMI)耦合器340，该耦合器混合在其间包括第二光学相位延迟的第三和第四馈线322、324。
测量设备包括耦合至经相移的第一和第二馈线以及第四馈线324的三个光电探测器P1 362、P2 364以及P3 366。光电探测器362、364、366将由此检测到的指示光功率的信号提供给处理部分350，处理部分350进而生成并提供控制信号352、354。还示出了可选的光电探测器P4 342，其可以用于不同的目的，例如，如申请号为15/067,798的美国专利申请中所述的。光电探测器经由抽头耦合至馈线，抽头接收并将馈线上的信号的一部分重定向到光电探测器。
在图3中，输入光可以表示为：
Figure GDA0001950057800000071
偏振旋转-分束器305让光分量Ex在上馈线312上传播，并让光分量Ey在下馈线314上传播。移相器PHS1 315、317使得上馈线上的光分量相对于下馈线的光分量在相位上总共移动
Figure GDA0001950057800000077
度。无论应用何种相位移动，光电探测器都会测量相同的光功率。第一光电探测器P1362在3dB耦合器的顶部馈线输入处输出的信号可以表示功率值
Figure GDA0001950057800000075
而由第二光电探测器P2 364在3dB耦合器的底部馈线输入处输出的信号可以表示功率值
Figure GDA0001950057800000074
光电探测器输出信号，例如，作为电流，其根据光电探测器的预定行为指示检测到的功率。光电探测器信号与其指示的功率值之间的相关性可以由处理部分350执行。
给定从馈线到光电探测器分抽的光的已知比例，处理部分还可以应用缩放因子以在馈线上生成光功率的指示。例如，如果抽头将馈线上x百分比的光重定向到光电探测器，那么可以应用100/x的缩放因子来确定紧接到达抽头之前的光功率，并且可以类似地确定紧接着通过抽头之后的光功率。这里假设，例如，处理部分已经执行或考虑了这种缩放，使得功率值P1、P2以及P3表示在耦合器的输入和输出处的光功率，而不是光电探测器处的光功率。
尽管本发明的各种实施例示出了在电路的两个并联馈线上成对的移相器(例如，PHS1 315、317)，但应注意，在一些实施例中，可省略两个移相器中的一个。在任何一种情况下，移相器可控制地调节一对输入信号之间的相位差，并提供经相位调整的输入信号作为一对输出信号。
此外，尽管为简单起见，光电探测器在此被认为提供等于光信号的均方幅度的功率值，但是光电探测器实际上可以被校准以便输出以各种方式指示光功率的信号。处理部分可用于将光电探测器提供的信号转换成所需的形式。
图3中的2×2耦合器320被示为3dB MMI耦合器。与3dB MMI耦合器串联的移相器PHS1的传递函数矩阵H由下式给出：
Figure GDA0001950057800000072
在此，
Figure GDA0001950057800000073
是由移相器施加的上馈线和下馈线之间的相对相位差。
将传递函数H应用于PRS 305的输出，得到：
Figure GDA0001950057800000076
Figure GDA0001950057800000081
(5)的下排给出了对应于第三光电探测器366的位置的3dB MMI耦合器320底部的输出。由第三光电探测器P3 366输出的信号可以表示功率值P3，其等于(5)的下排的平方幅度，即：
Figure GDA0001950057800000082
等式(6)也可以表示为：
Figure GDA0001950057800000083
值得注意的是，P3随着由移相器
Figure GDA0001950057800000084
施加的相移
Figure GDA0001950057800000085
与相位角
Figure GDA0001950057800000086
之间的差的变化而变化。这是由于2×2耦合器在第三光电探测器366处提供输出，其对应于第一和第二光电探测器362、364处的输入信号之间的干涉图案。因此，通过使用三个光电探测器测量，即P1、P2以及P3，可以获得幅度和相位角信息。
鉴于上述内容，如下描述如图3所示的操作偏振控制器的方法。偏振控制器包括两个可控移相器PHS1 315、317和PHS2 335、337。根据该方法，可以基于入射光分量(即分量Ex和Ey)之间的功率比来控制第二移相器PHS2。也就是说，可以基于在2×2耦合器320的两个输入处测量的功率值之间的比率来控制PHS2。更具体地，可以根据下式设置由第二移相器PHS2 335、337施加的角度PHS2：
PHS2＝arctan(P2/P1) (8)
此外，可以基于入射光的分量之间的相位差来控制第一移相器PHS1 315、317。更具体地，可以根据下式设置由第一移相器施加的角度PHS1：
Figure GDA0001950057800000087
因此，图3的操作偏振控制器的方法包括从耦合至2×2耦合器320的输入和输出线的第一、第二和第三光电探测器362、364、366获得测量值。该方法还包括基于(例如，根据等式(9))光电探测器362、364的输出控制第一移相器315、317，并且基于(例如，根据等式(8))三个光电探测器362、364、366的输出控制第二移相器。该方法导致对偏振状态的无缝(seamless)控制，其中从偏振控制器输出的光的偏振基本上保持为期望的偏振，诸如TE偏振。该方法还可以包括在2×2耦合器的未测量输入或输出处生成光功率的估计。该估计可以以如下所述方式生成并将其用于进一步的目的。
例如，可以以预定的固定或可变频率周期性地重复执行通过光电探测器获得测量值。可以使用如本领域技术人员容易理解的配置的数字或模拟电路来执行计算，或者可选地使用执行程序指令的微处理器来执行计算。作为另一可选方案，可以针对多个光电探测器信号值预先计算移相器输出并且将其存储在查找表中。然后可以通过查找表操作基于光电探测器信号控制移相器。
当两个光电探测器耦合至2×2耦合器的输出并且一个光电探测器耦合至2×2耦合器的输入时，可以执行类似的控制方法。例如，在这种情况下，基于由三个光电探测器提供的信号，可以使用下面描述的过程确定2×2耦合器的未测量输入线处的光的估计功率。然后，该估计可以分别用作上面的等式(9)和(8)中的P1或P2的值。可以相应地调整用于执行计算的计算电路、查找表值或程序指令。
可以基于测量值P1、P2、P3确定2×2耦合器的第四(未测量的)线处的光功率的估计并且功率守恒约束反映了输入到2×2耦合器的光应该近似等于2×2耦合器输出的光(忽略损耗)。如果光电探测器耦合至该第四根线，该估计对应于光电探测器将提供的测量。可以基于2×2耦合器的模型，例如，基于描述2×2耦合器的特性的数值关系(例如，使用等式(1)中的上述传递函数H耦合器)，来确定2×2耦合器的未测量线处的光功率的估计。该模型可以基于理论、观察或其组合。被配置为执行数值计算和/或从查找表或等效数字或模拟电路检索数据的微处理器可以被配置为基于所述模型生成估计。
例如，在图3中，由光电探测器P1 362生成的数据可用于在移相器315之前的馈线312处产生功率估计。例如，可以基于由移相器315实现的光损耗的知识来生成估计。
作为另一个实例，在图3中，由光电探测器P1 362、P2 364以及P3 366生成的数据可用于将2×2耦合器320的未测量的线处的光功率估计生成为P1+P2-P3(对于对称耦合器)。
当在给定点处生成光功率的估计时，可以基于设计数据、校准数据等来计算光损耗。
图4示出了根据本发明实施例提供的三级偏振控制器400。在2016年3月31日提交的申请号为15/087,449的美国专利中详细描述了在没有光测量部件的偏振控制器，该申请通过引用结合于此。偏振控制器包括偏振旋转-分束器405、第一级、第二级以及第三级，其中，第一级包括第一可控移相器PHS1 415、417和第一2×2耦合器420，第二级包括第二可控移相器PHS2 435、437和第二2×2耦合器440，第三级包括第三可控移相器PHS3 475、477和第三2×2耦合器470。提供七个光电探测器462、464、466、468、482、484、486，将光电探测器耦合至每个2×2耦合器的至少三个输入和输出处。
更具体地说，如果适用，光电探测器P1 462在移相器415的处理之后耦合至来自PRS 405的第一馈线412；如果适用，光电探测器P2 464在移相器417的处理之后耦合至来自PRS 405的第二馈线414；如果适用，光电探测器P3 466在移相器435的处理之后耦合至来自耦合器420的第三馈线422；如果适用，光电探测器P4 468在移相器437的处理之后耦合至来自耦合器420的第四馈线424；如果适用，光电探测器P5 482在移相器475的处理之后耦合至来自耦合器440的第五馈线442。如果适用，光电探测器P6 484在移相器477的处理之后耦合至来自耦合器440的第六馈线444；并且光电探测器P7 486耦合至耦合器470的输出。
为了完整起见，还示出了潜在的第八光电探测器488，其耦合至耦合器470的另一输出，其目的将在下面变得清楚。从这种意义来讲，耦合意味着光电探测器，例如，通过抽头，连接到光传输线，该光传输线连接到耦合器的输入或输出。光传输线(在抽头的位置处)直接连接到输入或输出，或者通过移相器部件间接连接。在确定光功率时可以，例如通过设置用于处理来自检测器的读数的缩放因子，考虑移相器部件的影响。
如图所示，光电探测器耦合至每个2×2耦合器的每个输入和每个2×2耦合器的至少一个输出。当附接到耦合器的光线路包括移相器时，光电探测器可以设置在移相器的任一侧，只要在解释由光电探测器提供的信号时补偿由移相器引入的损耗。通过适当的校准和/或对诸如2×2耦合器和移相器的响应之类的部件进行精确建模，可以进一步减少检测器的数量。
光电探测器462、464、466、468、482、484、486、488向处理部分450提供信号(未示出)，处理部分450可以是反馈和控制电路。处理部分450至少部分地基于光电探测器提供的信号来控制移相器。可以基于由紧接在该移相器下游的2×2耦合器的输入和输出处连接的光电探测器提供的信号来调整每个移相器。在一个实施例中，基于光电探测器P1、P2以及P4提供的测量，使用可控DC电流DC1 452来调节PHS1，基于由光电探测器P3、P4以及P6提供的测量，使用可控DC电流DC2 454来调节PHS2，并且基于光电探测器P5、P6以及P7提供的测量，使用可控DC电流DC3 456调节PHS3。例如，可以基于类似于等式(9)中表述的关系(例如，用P4代替P3)，基于Ex和Ey分量之间的相位差来调整PHS1。可以基于其他数值关系来控制其他移相器，这可能取决于偏振控制器的架构。然而，这些调整可以基于来自所有检测器的读数的更复杂的组合，这取决于SOP控制设计和架构中各级的功能。
在一些实施例中，至多省略了图4中所示的八个光电探测器462、464、466、468、482、484、486、488中的三个，使得两个光电探测器位于2×2耦合器的其中一个的输入处，一个光电探测器位于同一2×2耦合器的两个输出的其中一个处，并且对于每个剩余的2×2耦合器，一个光电探测器位于两个输入的其中一个处并且一个光电探测器位于两个输出的其中一个处。
例如，参考图4，可以省略光电探测器P3 466、P5 482以及P8 488。在这种情况下，两个光电探测器位于第一2×2耦合器的输入处，一个光电探测器位于第一耦合器的输出和第二耦合器的相应输入之间，一个光电探测器位于第二耦合器的输出和第三耦合器的相应输入之间，一个光电探测器位于第三耦合器的输出端。
为了补偿数量减少的光电探测器，可以由处理部分生成可由光电探测器在缺少光电探测器的位置处观察到的光功率的估计。例如，对于包括三个光电探测器的2×2耦合器，可以基于来自三个光电探测器的输出和使用先前描述的过程的功率守恒来确定2×2耦合器的第四根(未测量的)线处的光功率的估计。
当估计对应于位于2×2耦合器和与其串联的附加2×2耦合器之间的光传输线承载的光功率时，该估计进而可以用于生成对附加2×2耦合器的未测量线处光功率的进一步估计。例如，在图4中，当省略P3 466并且生成对应于耦合器420的输出422处的光功率的估计时，通过考虑由PHS2 435引入的任意损耗，可以将该估计用于确定耦合器440的输入处的光功率。然后，在耦合器440的输入处估计的光功率可以用作进一步操作的一部分，以估计耦合器440的另一输入或输出处的光功率。也就是说，第一估计可以用作三次光功率测量之一，其被输入到前文所述的过程中。因此，可以容易地看出，给定一种布置，其中，2×2耦合器包括至少三个耦合至其上的光电探测器，并且所有其他串联连接的2×2耦合器包括至少两个耦合至其上的光电探测器，可以，例如，顺序地或同时地生成在所有2×2耦合器的未测量的线处的光功率的估计。
在上文中，就光电探测器连接到2×2耦合器的输入或输出而言，光电探测器可以耦合至2×2耦合器，其中诸如移相器的部件可选地放置在光电探测器的抽头位置以及2×2耦合器的输入或输出之间。应注意，当光电探测器耦合至将第一2×2耦合器的输出连接到第二2×2耦合器的输入的线路时，给定的光电探测器可以同时耦合至两个不同的2×2耦合器。因此，在此可以认为，对于串联设置的每个附加2×2耦合器，提供一个附加光电探测器。
在各种实施例中，可由在缺少这种光电探测器的位置处的光电探测器观察到的，用以生成光功率的估计的处理部分的操作可被视为在该位置处提供虚拟光电探测器。虚拟光电探测器的使用允许以可忽略不计的增加的信号处理复杂度为代价来降低光学硬件复杂度。图4中的虚拟光电探测器的潜在位置对应于提供测量P3 466、P5 482以及P8 488的光电探测器。
在偏振控制器的设计中，通常的做法是使用定向2×2耦合器，其中，两个输入信号被均匀地束器和混合(称为50/50耦合器)。尽管上述处理假定2×2耦合器是50/50耦合器，但是可以对其他类型的耦合器执行类似的过程。假定移相器和耦合器的矩阵传递函数是已知的，则可以确定每个光电探测器提供的光功率，并且可以执行对应于上述等式(1)至(9)的计算，来代替被使用的2×2耦合器的特定传递函数。
图5示出了根据本发明实施例提供的多级偏振控制器的一部分。示出了偏振控制器的四个串联连接的级510、520、530、540，每级包括移相器和2×2耦合器，诸如50/50定向耦合器。例如，第一级510包括移相器512和2×2耦合器514。还可以提供附加的类似级。或者，可以提供更少的级。根据本发明实施例，所有级都配备有至少两个光电探测器，并且至少一级配备有至少三个光电探测器。对于每级，用于该级的2×2耦合器的至少一个输入耦合至光电探测器，并且2×2耦合器的至少一个输出耦合至另一个光电探测器。位于两个相邻级之间的光电探测器可以由这两个级共享，从而减少光电探测器的数量。换句话说，当两个相邻级的第一和第二2×2耦合器串联连接时，单个光电探测器可同时用作耦合至第一2×2耦合器输出的光电探测器和耦合至第二2×2耦合器输入的光电探测器。
在一些实施例中，诸如第一级510的较前级的其中一个配备有至少三个光电探测器。这使得能够在应用控制之前更准确地测量入射光信号。这可以提高控制稳定性并尽早消除测量限制。
在一些实施例中，假设输入光包括某些特性；如果由这种光电探测器提供的信息可以由基于输入光的假定特性的估计代替，则可以移除一个或多个附加光电探测器。在这种情况下，相比上述每级最少两个光电探测器和一级包括三个光电探测器，可以设置更少的光电探测器。
图6A示出了根据本发明实施例的用于诸如偏振控制器的多级光子器件的获得光学测量的方法。该方法包括使用光耦合至三个端子的光电探测器在2×2耦合器的四个端子中的三个端子处测量光功率610。每个端子耦合至单独的光电探测器。光电探测器可以通过抽头耦合至端子或光传输线，从而直接或间接地连接到端子。
该方法还包括向可操作地耦合至光子器件的处理部分提供来自光电探测器的指示光功率的信号620。该方法可以进一步包括，例如，处理部分生成用于控制光子器件的控制信号630。然后该方法可以进一步包括使用所生成的控制信号来控制光子器件635。
该方法可以进一步包括处理部分基于指示测量的光功率的信号估计2×2耦合器的第四个未测量的端子处的光功率640。
该方法可以进一步包括估计附加2×2耦合器(与第一2×2耦合器串联连接)的端子处的光功率的进一步估计操作。该估计基于如图6A所描述的获得的光功率的测量和估计，以及在附加2×2耦合器的端子处的光功率的进一步测量。例如，第一2×2耦合器可以是图4中的耦合器420，而附加2×2耦合器可以是耦合器440。关于图6B，进一步估计操作包括使用光电探测器(例如，光电探测器P4 468和P6 484，省略了光电探测器P3 466和P5 482)测量附加2×2耦合器的四个端子中的两个端子处的光功率655。进一步估计操作还包括向处理部分提供指示测量的光功率的信号660。进一步估计操作还包括基于在附加2×2耦合器的两个端子处的测量的指示光功率的信号以及2×2耦合器的另一端子处的光功率的附加估计来估计附加2×2耦合器在未测量的端子处的功率665。可以基于该估计来提供该进一步估计640。可以类似地执行用于其他2×2耦合器的其他进一步估计操作。
下面更详细地解释图6B的进一步估计操作。假设2×2耦合器包括端子A、B、C以及D，并且仅在端子A和C处测量功率。进一步假设可以获得端子B处的功率估计。然后，可以使用端子A和C的功率测量结果以及端子B处的功率估计来估计端子D处的功率。这样，仅需要两次测量和一次估计来估计端子D处的功率。
当光电探测器位于第一2×2耦合器和附加2×2耦合器之间时，可能已经执行了通过该光电探测器测量功率并且通过该光电探测器提供指示测量的功率的信号。因此，图6B的进一步估计操作可以与图6A中所示的其他执行的操作重叠。
在各种实施例中，参考图7，处理部分包括接收电路710、处理电路730以及输出电路750。接收电路710接收来自光电探测器705的信号，并将它们转换成处理电路可用的形式。接收电路710可以包括模数转换器电路、采样电路、放大器电路等。处理电路730接收来自接收电路710的信号并处理信号以提供所需的输出，诸如偏振状态的指示和/或控制信号735。处理电路可以包括数字或模拟电子设备，用于以预定方式基于输入信号提供输出信号。举例来说，处理电路可以包括执行存储在存储器742中的程序指令的微处理器740，用于执行处理操作。存储器742可以包括查找表，该查找表将输入信号与输出信号相关联。输出电路750接收输出信号并将它们转换成其他级可用的形式。例如，当输出信号用于在反馈控制回路中驱动DC电流源时，输出电路可以包括数模转换器电路、电流驱动器等，或其组合。如图所示，并且作为非限制性示例的方式，控制信号735被传递到输出电路750，在那里它们被转换成受控制的DC电流755，其被路由到移相器760以用于对其进行控制。
接收电路730、处理电路740以及输出电路750可以位于同一位置，或者一些组件可以位于不同的位置。例如，处理电路740可以由位于与光电探测器分开的计算设备中的微处理器提供。
处理电路730可以，例如，通过应用缩放因子，将从光电探测器705接收的信号的数字表示转换成指示与光电探测器相关联的特定位置处的光功率的值。处理电路730可以将指示不同位置处的光功率的多个值一起处理以产生控制信号。
应当理解，所使用的控制方法的细节可以取决于偏振控制器的架构。例如，光电探测器信号和移相器控制信号之间的定量或函数关系可取决于偏振控制器架构。然而，在每种情况下，光电探测器提供足够的反馈数据，用于控制偏振控制器的移相器(以及可能的其他部件)。
通过上述实施例的描述，本发明可以仅通过使用硬件实现，或者也可以使用软件和必要的通用硬件平台来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案的某些方面(例如反馈控制操作)可以以软件产品的形式体现。软件产品可以存储在非易失性或非暂时性存储介质中，该存储介质可以是压缩盘只读存储器(compact disk read-only memory,CD-ROM)、USB闪存盘或可移动硬盘。该软件产品包括许多指令，这些指令使计算机设备(个人计算机、服务器或网络设备)能够执行本发明实施例中提供的方法。例如，这样的执行可以对应于如本文所述的逻辑操作的模拟。软件产品可以附加地或可选地包括多个指令，这些指令使计算机设备能够执行根据本发明实施例的用于配置或编程数字逻辑装置的操作。控制硬件的软件可以在同一模块上共存，或者它可以是读取数据并相应地动作的外部控制器。这更适合于软件定义网络(software-defined networking,SDN)，其中物理架构的控制可以由与受控物理架构不同的单独设备来执行。
虽然已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但显然可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应简单地视为由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (17)

1.一种光子器件，包括：
耦合器，包括两个输入和两个输出，总共四个输入和输出；
多个光电探测器，耦合至所述四个输入和输出中的三个并且被配置为提供指示所述四个输入和输出的所述三个中的每个处的光功率的信号；
附加耦合器，与所述耦合器串联连接并且包括两个附加输入和两个附加输出，总共四个附加输入和输出；
一组附加光电探测器，耦合至所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出中的两个并且被配置为提供指示所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出的所述两个中的每个处的光功率的信号；以及
处理部分，被配置为接收由所述多个光电探测器提供的所述信号并且接收由所述一组附加光电探测器提供的信号。
2.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述光子器件是偏振控制器，并且所述处理部分被配置为提供用于基于由所述多个光电探测器提供的所述信号调整所述偏振控制器的一个或者多个移相器的控制信号。
3.根据权利要求1所述的光子器件，还包括偏振旋转-分束器，被配置为接收入射光信号并且将所述入射光信号分成两个正交分量。
4.根据权利要求1所述的光子器件，还包括移相器，被配置为在光信号的两个分量之间引起相对相移，从而提供所述光信号的两个经相移的分量，并且将所述两个经相移的分量提供给所述耦合器的两个输入。
5.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述耦合器是多模干涉MMI耦合器。
6.根据权利要求1至权利要求5的任一项所述的光子器件，其中，所述处理部分进一步被配置为估计所述耦合器的所述四个输入和输出中除了耦合至所述多个光电探测器的所述三个输入和输出之外的一个处的光功率。
7.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述一组附加光电探测器包括所述多个光电探测器中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述处理部分进一步被配置为估计所述四个附加输入和输出中除了耦合至所述附加光电探测器的所述四个附加输入和输出的所述两个之外的其中一个处的光功率。
9.根据权利要求1所述的光子器件，还包括：
偏振旋转-分束器，被配置为接收入射光信号并且将所述入射光信号分成两个正交分量；
第一移相器，被配置为在所述分量之间引起相对相移，从而提供所述光信号的第一对经相移的分量，所述第一对经相移的分量被提供给所述耦合器的两个输入；
第二移相器，被配置为在所述耦合器的两个输出之间引起相对相移，从而提供所述光信号的第二对经相移的分量，所述第二对经相移的分量被提供给所述附加耦合器的两个输入，
其中，所述处理部分被配置为提供用于基于由所述多个光电探测器和所述一组附加光电探测器提供的所述信号调整所述第一移相器和所述第二移相器的控制信号。
10.根据权利要求1所述的光子器件，还包括：
第二附加耦合器，与所述耦合器串联连接并且包括两个第二附加输入和两个第二附加输出，总共四个第二附加输入和输出；以及
第二组附加光电探测器，耦合至所述四个第二附加输入和输出的两个并且被配置为提供指示所述四个第二附加输入和输出的所述两个中的每个处的光功率的信号，
其中，由所述第二组附加光电探测器提供的信号被提供给所述处理部分。
11.一种集成在光子器件中的测量设备，所述光子器件包括耦合器，所述耦合器包括两个输入和两个输出，总共四个输入和输出，所述测量设备包括：
多个光电探测器，耦合至所述四个输入和输出中的三个并且被配置为提供指示所述四个输入和输出的所述三个中的每个处的光功率的信号，
其中，所述光子器件还包括与所述耦合器串联连接的附加耦合器，所述附加耦合器包括两个附加输入和两个附加输出，共有四个附加输入和输出；并且所述测量设备还包括一组附加光电探测器，所述一组附加光电探测器耦合至所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出中的两个并且被配置为提供指示所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出的所述两个中的每个处的光功率的信号，
其中，耦合至所述光子器件的处理部分被配置为接收由所述多个光电探测器提供的所述信号并且接收由所述一组附加光电探测器提供的信号。
12.根据权利要求11所述的测量设备，其中，所述处理部分被配置为估计所述四个输入和输出中除了耦合至所述多个光电探测器的所述三个输入和输出之外的一个处的光功率。
13.一种用于在光子器件中获得光测量的方法，所述光子器件包括耦合器，所述耦合器包括两个输入和两个输出，总共四个输入和输出，所述方法包括：
测量多个光电探测器处的光功率，每个所述光电探测器光耦合至所述耦合器的所述四个输入和输出的三个中的相应的一个；以及
向耦合至所述光子器件的处理部分提供指示在所述四个输入和输出的所述三个中的每个处的光功率的信号，
其中，所述光子器件还包括与所述耦合器串联连接的附加耦合器，所述附加耦合器包括两个附加输入和两个附加输出，总共四个附加输入和输出，所述方法进一步包括：
测量多个附加光电探测器处的光功率，每个所述附加光电探测器光耦合至所述附加耦合器的所述四个附加输入和输出的两个中的相应的一个；
向所述处理部分提供指示所述四个附加输入和输出的所述两个中的每个处的光功率的信号；以及
所述处理部分生成除了所述四个附加输入和输出的所述两个之外的所述附加输入和输出中的一个或者多个处的光功率的估计。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光子器件是偏振控制器，所述方法还包括所述处理部分生成用于所述偏振控制器的一个或者多个移相器的控制信号。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括所述处理部分生成所述耦合器的输入或输出中除了所述四个输入和输出的所述三个之外的那个的光功率的估计。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光子器件包括与所述耦合器串联连接的多个附加耦合器，所述方法还包括测量每个所述附加耦合器的一个相应输入和一个相应输出处的光功率，并且估计所述附加耦合器的至少一个的一个未测量输入和一个未测量输出处的光功率。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括使用单个光电探测器来测量第一耦合器的输出处和邻近连接至所述第一耦合器的第二耦合器的输入处的光功率。
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