CN110058351A - 片上波长锁定器 - Google Patents

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Abstract

一种片上波长锁定器可以包括光波导分光器，用于分离从激光器接收的输入光信号。片上波长锁定器可以包括多个集成周期性光学元件，每个用于接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号。所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位。片上波长锁定器可以包括多个集成光电二极管，用于接收与波长锁定激光器相关联的所述多个周期性输出光信号。

Description

片上波长锁定器
技术领域
本公开涉及集成(即，片上)光波导设备，且更具体地涉及一种集成光波导设备，其形成用于与例如波长锁定激光器相关联地使用的一组相位偏移的周期性输出光信号。
背景技术
商用激光器(例如，电信激光器)可以在如由国际电信联盟(ITU)规定的离散光学频率(即信道)的网格上操作。可以借助于外部频率基准(本文称为波长锁定器)实现将激光器的频率锁定至给定的信道。一种传统的波长锁定器包括单个标准具(例如，法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)标准具)和一组光学检测器。这种设备在本文中称为单标准具波长锁定器。在操作中，一组光学检测器测量标准具(其是固有周期性的)的反射或透射。标准具的周期被称为自由光谱范围(FSR)，并且通常被选择为匹配信道间隔(例如，50千兆赫(GHz)间隔)，尽管可以使用整数倍间距或等分间距。可以确定和调整激光的频率(根据需要)，使得激光器在给定的信道工作。然而，使用单标准具波长锁定器不能将波长可靠地锁定到任意波长，因为给定标准具的光谱具有周期性间隔的峰和谷。这些峰和谷导致“死”区(即，灵敏度降低的区域)，在“死”区中波长锁定可能是不可靠的或不可行的。
另一种传统的波长锁定器包括一对标准具和一组光学检测器。这种设备在本文中称为双标准具波长锁定器。双标准具波长锁定器解决了具有周期性间隔的峰和谷的给定标准具的光谱问题。在双标准具波长锁定器中，第二标准具的光谱通常相对于第一标准具的光谱偏移大约FSR的四分之一。在双标准具波长锁定器的操作中，当所需频率落入一标准具的光谱的“死”区内时，使用另一个标准具，反之亦然。因此，对于任意波长可以实现波长锁定，因为理论上不存在与双标准具波长锁定器相关联的“死”区。
传统波长锁定器的另一种实施方式包括传统的延迟线干涉仪(delay lineinterferometer，DLI)。传统的DLI可以采用例如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)干涉仪、迈克尔逊(Michelson)干涉仪等的形式。传统的DLI可以由分立的光学元件构成，或者可以是光波导设备。传统的DLI接收输入光信号并使用一组分光器和一组反射光学元件产生一对输出光信号。每个输出光信号中的光功率取决于传统DLI的“臂”之间的光路长度的差异和光的波长。在此，由于光路长度的差异是已知的，可以基于输出光信号执行波长锁定。然而，这种传统的DLI具有与单标准具波长锁定器类似的问题，因为传统DLI的光谱中的峰和谷导致“死”区，这使得使用传统DLI的任意波长锁定是不可靠或不可能的。
发明内容
根据一些可能的实施方式，一种片上波长锁定器可以包括：光波导分光器，其分离从激光器接收的输入光信号；具有周期性波长相关性的多个集成光学元件(本文称为集成周期性光学元件)，每个用于：接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位；以及多个集成光电二极管，用于接收与波长锁定激光器相关联的所述多个周期性输出光信号。
根据一些可能的实施方式，一种集成光波导设备可以包括：光波导分光器，其分离输入光信号；多个集成周期性光学元件，每个用于：接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位。
根据一些可能的实施方式，一种集成光学设备可以包括：光波导分光器，用于分离输入光信号；多个集成周期性光学元件，每个用于：接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位；以及多个光电二极管，用于接收所述多个周期性输出光信号，其中，满足以下一个：所述光波导分光器包括1×2多模干涉(MMI)耦合器，所述多个集成周期性光学元件包括N×N(N≥3)MMI耦合器，并且所述多个光电二极管包括N个光电二极管；或者，所述光波导分光器包括1×M(M≥2)波导分光器，所述多个集成周期性光学元件包括M个集成周期性光学元件，并且所述多个光电二极管包括M对光电二极管，其中，所述M个集成周期性光学元件中的一个包括2×2波导耦合器和反射镜结构，以及其中，所述M对光电二极管中的一个包括反射感测光电二极管和透射感测光电二极管。
附图说明
图1是本文描述的示例集成光波导设备的示意图。
图2A-2C、3A-3B和4A-4D是示例集成光波导设备的示意图，其包括呈1×2MMI耦合器形式的波导分光器，以及呈N×N(N>1)多模干涉(MMI)耦合器形式的集成周期性光学元件。
图5A-5C是示例集成光波导设备的示意图，其包括呈1×M(M≥2)波导分光器形式的波导分光器，以及M个集成周期性光学元件，每个集成周期性光学元件包括2×2波导耦合器和反射镜结构。
具体实施方式
以下对示例实施方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
如上所述，传统的基于标准具的波长锁定器包括一个或两个标准具。然而，标准具是体光学元件，且基于标准具的波长锁定器无论是否包括一个或两个标准具都包括其他分立的光学元件(例如，一个或多个分束器，一个或多个透镜，和/或其它)。这些分立的光学元件可以小型化以便节省尽可能多的空间，但原则上，基于标准具的波长锁定器是自由空间分立光学系统。因此，与任何自由空间分立光学系统的情况一样，使用拾放机器以及无源和有源光学对准的组合逐个部件地执行组装。分立的光学元件通常用环氧树脂或焊料固定就位。除了构建这种设备所需的这种缓慢、复杂和资本设备繁重的组装过程之外，基于标准具的波长锁定器还有几个缺点。
基于标准具的波长锁定器的一个缺点是，与要进行波长锁定的激光器的尺寸相比，(多个)标准具的尺寸可能不期望地大。例如，50Ghz二氧化硅标准具的长度约为2毫米(mm)，而激光器的长度可以是亚毫米(即小于1mm)的范围。结果，基于标准具的波长锁定器所需的空间量可能是不期望的或不可行的，特别是在具有严格空间限制的应用中。基于标准具的波长锁定器的另一个缺点是基于标准具的波长锁定器和激光器之间的高度不匹配可能需要混合集成，从而增加了构建过程的额外时间、成本和复杂性。
基于标准具的波长锁定器的另一个缺点是光路对振动敏感，这会影响锁定环的操作，从而降低性能。类似地，基于标准具的波长锁定器的光路对灰尘和冷凝敏感，这可能需要气密密封，从而增加了构建过程的时间、成本、复杂性，并且增加尺寸。基于标准具的波长锁定器的另一个缺点是混合集成的权衡通常要求基于标准具的波长锁定器位于激光器的前面(即，在激光器的输出部的前面)，这使得基于标准具的波长锁定器易受光学反馈的影响。
另外，对任何波长锁定器的操作的典型要求包括温度和机械应力(如果有的话)的稳定性。激光器频率漂移(通常低于1GHz)的规范使得有必要主动稳定传统波长锁定器的温度，即使当传统波长锁定器的一个或多个元件(例如，标准具)由相对温度不敏感的材料制成时，例如熔融石英或低膨胀玻璃。除了主动温度控制之外，还需要构造隔热罩以将传统波长锁定器与传统波长锁定器的光学封装的壁的负载效应隔离。然而，这仍然留下了由于在组装过程中产生的机械应力的松弛而产生的漂移的可能性。
进一步地，传统的波长锁定器可以包括传统的DLI。然而，如上所述，传统的DLI具有与单个标准具波长锁定器类似的问题，即，DLI的光谱中的峰和谷导致“死”区(即，灵敏度降低的区域)，其使得任意波长的锁定是不可靠或不可能的。另外，当使用分立光学元件形成时，传统DLI遇到类似于上述与基于标准具的波长锁定器相关的问题(例如，不期望的大尺寸、对振动的敏感性、对灰尘和冷凝的敏感性、混合集成问题、和/或其它)。
本文描述的一些实施方式提供了一种集成光波导设备，其基于输入光信号提供多个周期性输出光信号，每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其他周期性输出光信号相位偏移。在一些实施方式中，集成光波导设备可以包括光波导分光器和多个集成的周期性光学元件(例如，多模干涉(MMI)耦合器，元件组，每个元件包括波导耦合器和反射镜结构)，其提供多个周期性输出光信号。多个周期性输出光信号可以与例如波长锁定激光器相关联地使用。
在一些实施方式中，集成光波导设备可以与将进行波长锁定的激光器位于同一芯片上。本文描述的集成光波导设备可以是一体集成的、紧凑的、多相的光学设备，其可以用作波长锁定器。在一些实施方式中，集成光波导设备可以用于将激光器波长锁定于一宽带内的任意光学频率，且在这一情况中，该设备可以与激光器(例如，半导体激光器)一起制造在单个芯片上。
本文描述的集成光波导设备解决了上述的与传统波长锁定器(例如，单标准具波长锁定器、双标准具波长锁定器、包括传统DLI的波长锁定)相关的问题。更具体地，通过提供多个周期性输出光信号，集成光波导设备的光谱不包括“死”区(例如，如在单标准具波长锁定器的情况下或包括传统DLI的波长锁定的情况下)。结果，利用集成光波导设备可以进行任意波长锁定。换言之，波长锁定至一宽带内的任意频率是可能的(即，不存在离散的信道限制)。
此外，集成光波导设备不包括分立的光学元件，因此可以尺寸更小并且相对更容易制造(例如，与包括分立的光学元件的波长锁定器相比)。此外，由于集成光波导设备不包括分立的光学元件，集成光波导设备对振动的灵敏度降低，并且对灰尘和冷凝的灵敏度降低。
另外，本文描述的集成光波导设备不会遇到混合集成问题(例如，如在使用分立的光学元件的传统波长锁定器的情况下那样)，因此不需要放置在激光器输出部的前面。结果，锁定器对外部反馈的灵敏度降低，并且激光器的正向输出不被分接或以其他方式阻挡。
图1是本文描述的示例集成光波导设备100的示意图。如图1所示，集成光波导设备100可包括波导分光器102、一组集成周期性光学元件104(例如，集成周期性光学元件104-1至集成周期性光学元件104-X(X≥2))和一组光电二极管(PD)106(例如，PD 106-1到PD106-X)。如图1所示，集成光波导设备100可以形成在芯片108上。在一些实施方式中，如图1中所说明，激光器110也可形成于芯片108上。例如，当集成光波导设备100用于波长锁定激光器110时，集成光波导设备100可以与激光器110集成在相同的芯片108上。
波导分光器102包括光波导，以分离在集成光波导设备100处接收的输入光信号。例如，当集成光波导设备100与波长锁定激光器110相关联地使用时，波导分光器102可以布置成分离从激光器110(例如，从激光器110的背侧，如图1所示)接收的输入光信号。在一些实施方式中，波导分光器102可包括1×2多模干涉(MMI)耦合器。在一些实施方式中，波导分光器102可包括1×M(M≥2)的波导分光器。
集成的周期性光学元件104包括一个或多个光学元件，用于接收输入光学信号的一部分(在通过波导分光器102分离之后)，并基于输入光信号的所述一部分提供周期性的输出光信号。在此，集成光波导设备100中的每个集成周期性光学元件104接收输入光信号的相应部分，并提供相应的周期性输出光信号(例如，使得从输入光信号产生一组周期性输出光信号)。在一些实施方式中，集成光波导设备100的集成周期性光学元件104产生该组周期性输出光信号，使得该组周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于其他周期性输出光信号相移，如下面进一步详细说明的。
在一些实施方式中，例如当波导分光器102包括1×2MMI耦合器时，该组集成周期性光学元件104包括N×N(N≥2)MMI耦合器。在一些实施方式中，例如当波导分光器102包括1×M波导分光器时，该组集成周期性光学元件104包括M个集成周期性光学元件104，每个光学元件包括波导耦合器(例如，2×2波导耦合器)和反射镜结构(例如，包括一个或多个反射光学元件的结构)，如下面进一步详细描述的。
PD 106包括光电二极管，用于接收周期性输出光信号，并将周期性输出光信号转换为输出电信号(例如，电流信号)。在一些实施方式中，由PD106产生的一组输出电信号可以与波长锁定激光器110结合使用。在一些实施方式中，例如当波导分光器102包括1×2MMI耦合器，且所述一组集成周期性光学元件104包括N×N MMI耦合器时，该组PD 106包括N个PD106。在一些实施方式中，例如当波导分光器102包括1×M波导分光器时，该组集成周期性光学元件104包括M个集成周期性光学元件104，该组PD 106包括M对的PD 106(即，该组PD106包括2M个PD 106)。在这种情况下，M对PD 106中的每一个可以包括布置为反射感测光电二极管的PD 106和布置为透射感测光电二极管的PD 106。
在一些实施方式中，如图1所示，PD 106可以集成在集成光波导设备100中(例如，PD 106可以集成在芯片108上的集成光波导设备100中)。替代地，在一些实施方式中，PD106可与集成光波导设备100分离(例如，使得PD 106包括不同的光学结构和/或未集成在芯片108上)。换言之，芯片108上的PD 106的集成可以是光学的。
在一些实施方式中，如上文所述，集成光波导设备100可以包括在与进行激光器110的波长锁定相关的波长锁定器中。在一些实施方式中，集成光波导设备100和激光器110可以集成在单个芯片108上，如上文所述。在这种情况中，集成光波导设备100可以被称为片上波长锁定器。如进一步所示，在一些实施方式中，可以形成集成光波导设备100，使得输入光信号从激光器110的背侧(例如，从激光器110的与从其提供输出激光的激光器110的一侧相反的一侧)提供到集成光波导设备100。这样的布置减少了到集成光波导设备100的光学反馈(例如，与在输出激光器前面定位集成光波导设备100相比)，这增加了设备的激光输出功率、可靠性和使用寿命，并且消除了集成光波导设备100对激光输出的阻碍。
在一些实施方式中，集成光波导设备100可以包括在另一类型的光学设备中，例如相干接收器或需要周期性输出光信号的另一光学设备。
值得注意的是，通过提供多个周期性输出光信号，集成光波导设备100不包括“死”区(例如，如在单标准具波长锁定器的情况下或包括传统DLI的波长锁定的情况下)。结果，可以利用集成光波导设备100实现任意波长锁定。此外，集成光波导设备100不包括分立的光学元件，因此可以尺寸更小并且相对更容易制造(例如，与包括分立的光学元件的波长锁定器相比)，并且具有减小的尺寸、对振动的降低的敏感性、对灰尘和冷凝的降低的敏感性，并且不像一些传统波长锁定器那样受到混合集成问题的影响。
如上文所示，图1及其本文的说明仅作为一个或多个示例被提供。其它示例可以与结合图1所述的示例有所不同。
图2A-2C、3A-3B和4A-4D是示例集成光波导设备100的示意图，其包括呈1×2MMI耦合器形式的波导分光器102，以及呈N×N MMI耦合器形式的集成周期性光学元件104。在图2A、2C、3A、4A和4C所示的示例实施方式中，MMI 202是1×2MMI耦合器并且对应于波导分光器102，MMI204是N×N MMI耦合器并且对应于集成的周期性光学元件104，并且PD206对应于PD 106。
MMI耦合器(例如，MMI 202、MMI 204)是包括多模光波导的光学元件。在MMI耦合器中，一组输入端口位于多模光波导的第一表面(例如，第一端)上，并且一组输出端口位于多模光波导的第二表面(例如，第二(相对)端)上。MMI耦合器允许分离、组合和/或修改一个或多个输入信号，使得在MMI耦合器的输出端口处提供一个或多个输出光信号。在操作中，MMI耦合器利用自成像现象——在MMI波导内，光的输入电场沿着MMI耦合器的长度(即，沿着光传播的方向)以特定周期间隔在单个或多个图像中再现。作为结果，可以选择MMI 202的长度，使得输入光信号在MMI 202的输出端口处被分成两个部分。类似地，可以选择MMI 204的长度，使得输入光信号的第一和第二部分在传播通过MMI 204之后在MMI 204的输出端口处提供N个周期性输出光信号。在一些实施方式中，MMI 202和/或MMI204的长度可在约50微米至约500微米的范围内，例如150微米。在一些实施方式中，MMI 202和/或MMI 204的宽度(例如，信道宽度)可在约2微米至约12微米的范围内，例如5微米。
图2A-2C是与集成光波导设备100相关的图，其中MMI 204是4×4MMI耦合器(N＝4)。图2A是集成光波导设备100的示例实施方式200(在此称为集成光波导设备200)的图。如图2A所示，在集成光波导设备200中，MMI 202的输入端口I被布置成经由波导201接收来自输入源(例如，激光器110的背侧)的输入光信号。
如进一步所示，MMI 202的输出端口O1经由波导203a(例如，直波导)耦合到MMI耦合器204的输入端口I1，并且MMI 202的输出端口O2经由波导203b(例如，延迟线波导)耦合到MMI 204的输入端口I2。如图所示，波导203b形成为使得波导203b的长度大于波导203a的长度。该长度差在MMI 204的端口I1和I2处提供输入光信号的部分之间的波长相关的相位差。这里，长度差可以选择为使得每个周期性光输出信号之间的相位差大约为360/N度。如图2A所示，输入端口I3和I4在集成光波导设备200中不被使用。换言之，在集成光波导设备200中，MMI 204是4×4MMI,但仅两个输入端口被使用。
值得注意的是，MMI 204的输入端口I2(即，MMI 202的输出端口O2所耦合到的MMI204的输入端口)不是MMI 204的输入端口I1(即，MI 202的输出端口O1所耦合到的MMI 204的输入端口)的对称等效端口。需要这种不对称的耦合，以使MMI 204提供一组相位偏移的周期性输出光信号，其可用于波长锁定激光器110，相干接收等，如本文所述。通常而言，如果波导203a将光引导到N×N MMI 204的输入端口i，并且波导203b将光引导到N×N MMI204的输入端口j，则j不应该等于N+1-i(例如,j≠N+1-i)。作为示例，在集成光波导设备200中，由于MMI 202的端口O1耦合到MMI 204的端口I1(i＝1)，则MMI的端口O2不能耦合到MMI204(j≠4)的端口I4(例如，因为N+1-i＝4+1-1＝4)。作为另一示例，在MMI 202的端口O1耦合到MMI 204的端口I2(i＝2)的情况中，MMI的端口O2则不能耦合到MMI 204(j≠3)的端口I3(例如，因为N+1-i＝4+1-2＝3)。
如图2A中进一步所示，MMI 204的每个输出端口可以经由相应的波导205耦合到PD206(例如，MMI 204的端口O1经由波导205a耦合到PD 206a，MMI 204的端口O2经由波导205b耦合到PD 206b，MMI 204的端口O3经由波导205c耦合到PD 206c，并且MMI 204的端口O4经由波导205d耦合到PD 206d)。
在操作中，在MMI202的输入端口I1处经由波导210接收输入光信号。在此，MMI 202将输入光信号分成在MMI 202的端口O1和端口O2处的第一部分和第二部分。输入光信号的第一部分经由波导203a(例如，直波导)引导到MMI 204的端口I1。输入光信号的第二部分经由波导203b(例如，延迟线波导)引导到MMI 204的端口I2。如上文所述，波导203a和波导203b之间的长度差在MMI 204的端口I1和I2处提供输入光信号的第一部分和第二部分之间的波长相关的相位差。在此，输入光信号的第一和第二部分传播通过MMI 204，并且在集成光波导设备200的情况中，MMI 204在MMI 204的四个输出端口中的每一个处产生周期性输出光信号。在此，MMI 204的端口O1、O2、O3和O4中的每一个处的强度取决于MMI 204的端口I1和I2处的输入光信号的第一部分和第二部分之间的相位差。在集成光波导设备200中，在MMI 204的给定输出端口处提供的周期性输出光信号与在MMI204的相邻输出端口处提供的周期性光输出信号具有90度的相位差(例如，360/N＝360/4＝90)。四个周期性光输出信号中的每一个传播到相应的PD206，PD 206将光转换为电信号，该电信号可以例如与波长锁定激光器110相关联地使用(例如，使用本领域中已知的技术)。
图2B是对于0到360度的相位角范围的MMI 204的输出端口处的强度的图形表示。在图2B中，相位角对应于MMI 204的端口I1和I2处的输入光信号的第一部分和第二部分之间的相位差。由于该相位差是波长相关的，如上所述，给定的相位角因此代表特定的波长。
如图2B所示，给定的相位角(以及因此给定的波长)可以通过一组四个强度值来描述，每个强度值与MMI 204的给定输出端口相关联。因此，可以基于一组强度值(例如，其可以从由PD 206提供的输出信号中识别)确定输入光信号的波长。作为示例，从1530纳米(nm)到1570nm的带可以占据图2B的水平轴(例如，其中1530nm对应于0(零)度的相位角，并且1570nm对应于360度相位角)。在此，可以基于一组强度值确定该40nm带中的任何的任意波长。值得注意的是，在任何波长处，存在具有斜率的至少一个信号(即，不在峰或谷处)，从而避免如单标准具波长锁定器和包括传统的DLI波长锁定器的情况下由“死”区导致的不可靠问题。
图2C是集成光波导设备100的示例实施方式250(在此称为集成光波导设备250)的图。集成光波导设备250类似于集成光波导设备200，除了MMI 202的端口O2经由波导203b耦合到MMI 204的端口I3(而不是MMI204的端口I2)。在此，MMI 204的端口I3不是MMI 204的端口I1的对称等效端口(例如，MMI 204的端口I4是MMI 204的端口I1的对称等效端口，如上所述)。
在操作中，集成光波导设备250以与集成光波导设备200类似的方式操作。在集成光波导设备250的情况下，与图2B中所示的情况相比，周期性输出光信号的强度曲线是相位偏移的(例如，由于MMI 202的端口O2耦合到MMI 204的端口I3)，但是结合图2B所述的原理仍然适用。
图3A和3B是与集成光波导设备100相关的图，其中MMI 204是3×3MMI耦合器(N＝3)。图3A是集成光波导设备100的示例实施方式300(在此称为集成光波导设备300)的图。集成光波导设备300类似于集成光波导设备200，除了MMI 204是3×3MMI耦合器(而不是4×4MMI耦合器)。在集成光波导设备300中，MMI 204的端口I2不是MMI 204的端口I1的对称等效端口。相反，在集成光波导设备300中，由于MMI 204是3×3MMI耦合器，MMI 204的端口I3是MMI 204的端口I1的对称等效端口。
在操作中，集成光波导设备300以与集成光波导设备200类似的方式操作。然而，在集成光波导设备300中，在MMI 204的给定输出端口处提供的周期性输出光信号与在MMI204的相邻输出端口处提供的周期性光输出信号具有120度的相位差(例如，360/N＝360/3＝120)。三个周期性光输出信号被提供给对应的PD 206，并且PD 206的输出电信号可以例如与波长锁定激光器110相关联地使用。
图3B是对于0到360度的相位角范围的MMI 204的输出端口处的强度图形表示。在此，输入光信号的波长可以以与上面结合图2B描述的方式类似的方式确定。换言之，上文结合图2B描述的原理适用于图3B。再一次，在带中的任何波长处，存在具有斜率的至少一个周期性输出光信号(即，不处于峰或谷处)，从而避免由“死”区引起的不可靠性问题。
图4A-4C是集成光波导设备100的图，其中，MMI 204是5×5MMI耦合器(N＝5)。图4A是集成光波导设备100的示例实施方式400(在此称为集成光波导设备400)的图。集成光波导设备400类似于集成光波导设备200，除了MMI 204是5×5MMI耦合器(而不是4×4MMI耦合器)。在集成光波导设备400中，MMI 204的端口I2不是MMI 204的端口I1的对称等效端口。相反，在5×5MMI 204的情况下，MMI 204的端口I5是MMI 204的端口I1的对称等效端口。
在操作中，集成光波导设备400以与集成光波导设备200类似的方式操作。然而，在集成光波导设备400中，在MMI 204的给定输出端口处提供的周期性输出光信号与在MMI204的相邻输出端口处提供的周期性光输出信号具有72度的相位差(例如，360/N＝360/5＝72)。五个周期性光输出信号被提供给对应的PD 206，并且PD 206的输出电信号可以例如与波长锁定激光器110相关联地使用。
图4B是对于0到360度的相位角范围的集成光波导设备400的MMI 204的输出端口处的强度的图形表示。在此，输入光信号的波长可以以与上面结合图2B描述的方式类似的方式确定。换言之，上文结合图2B描述的原理适用于图4B。再一次，在带中的任何波长处，存在具有斜率的至少一个周期性输出光信号(即，不处于峰或谷处)，从而避免由“死”区引起的不可靠性问题。在一些实施方案中，使用5×5MMI耦合器提供冗余，从而增加集成光波导设备400的可靠性(例如，在PD 206失效、经历错误等的情况下)。
图4C是集成光波导设备100的示例实施方式450(在此称为集成光波导设备450)的图。集成光波导设备450类似于集成光波导设备400，除了MMI 202的端口O2经由波导203b耦合到MMI 204的端口I3(而不是MMI204的端口I2)。在此，MMI 204的端口I3不是MMI 204的端口I1的对称等效端口(例如，MMI 204的端口I5是MMI 204的端口I1的对称等效端口，如上所述)。
在操作中，集成光波导设备450以与集成光波导设备400类似的方式操作。
图4D是对于0到360度的相位角范围的集成光波导设备450的MMI 204的输出端口处的强度的图形表示。在此，输入光信号的波长可以以与上面结合图2B描述的方式类似的方式确定。换言之，上文结合图2B描述的原理适用于图4D。再一次，在带中的任何波长处，存在具有斜率的至少一个周期性输出光信号(即，不处于峰或谷处)，从而避免由“死”区引起的不可靠性问题。在一些实施方案中，使用5×5MMI耦合器提供冗余，从而增加集成光波导设备400的可靠性(例如，在PD 206失效、经历错误等的情况下)。值得注意的是，在集成光波导设备450的情况下，与图4B中所示的与集成光波导设备400相关联的情况相比，周期性输出光信号的强度曲线是相位偏移的(例如，由于MMI 202的端口O2耦合到MMI 204的端口I3而不是MMI 204的端口I2)。
图2A、2C、3A、4A和4C中示出和描述的光学元件的数量和布置作为示例被提供。实际上，集成光波导设备200、集成光波导设备250、集成光波导设备300、集成光波导设备400和/或集成光波导设备450可以包括附加光学元件(例如，集成激光器)，更少的光学元件(例如，当未集成PD时)，不同的光学元件，或不同于上文所示和所述的光学元件。附加地或替代地，集成光波导设备200、集成光波导设备250、集成光波导设备300、集成光波导设备400和/或集成光波导设备450中的任何一个的一组光学元件(例如，一个或多个光学元件)可以执行被描述为由集成光波导设备200、集成光波导设备250、集成光波导设备300、集成光波导设备400和/或集成光波导设备450的另一组元件执行的一种或多种功能。进一步，图2B、3B、4B和4D所示的图形表示作为示例提供用于说明性目的，并且可以实现其他的示例。
图5A-5C是示例集成光波导设备的示意图，其包括呈1×M(M≥2)波导分光器形式的波导分光器，以及M个集成周期性光学元件104，每个集成周期性光学元件104包括2×2波导耦合器和反射镜结构。在图5A至5B所示的示例实施方式中，波导分光器502对应于波导分光器102。另外，包括波导耦合器504s和相关的反射镜结构504m的每组光学元件对应于一个集成周期性光学元件104。进一步，每个PD 506r和PD 506t对对应于M对PD106中的一对。
图5A是集成光波导设备100的示例实施方式500(在此称为集成光波导设备500)的图。在集成光波导设备500中，每个反射镜结构504m包括一对反射镜，如下文所述。
如图5A所示，在集成光波导设备500中，波导分光器502(例如，1×M波导分光器)的输入端口I耦合至波导，经由该波导接收来自输入源(例如，激光器110的背侧)的输入光信号。
如进一步所示，波导分光器502的输出端口O1耦合到波导耦合器504s1(例如，2×2波导耦合器)的端口1。如进一步所示，反射镜504m1(即，第一反射镜结构504m的第一反射镜)耦合到波导耦合器504s1的端口2，并且反射镜504m1’(即，第一反射镜结构504m的第二反射镜)耦合到波导耦合器504s1的端口3。如图所示，在集成光波导设备500中，反射镜504m1和504m1’耦合到PD 506t1。最后，PD 506r1耦合到波导耦合器504s1的端口4。
类似地，波导分光器502的输出端口O2耦合到波导耦合器504s2(例如，2×2波导耦合器)的端口1。如进一步所示，反射镜504m2(即，第二反射镜结构504m的第一反射镜)耦合到波导耦合器504s2的端口2，并且反射镜504m2’(即，第二反射镜结构504m的第二反射镜)耦合到波导耦合器504s2的端口3。如图所示，在集成光波导设备500中，反射镜504m2和504m2’耦合到PD 506t2。最后，PD 506r2耦合到波导耦合器504s2的端口4。
在集成光波导设备500中，提供两个集成周期性光学元件104(例如，使得可以由集成光波导设备500提供两个周期性输出光信号)。例如，如上所述，每个集成周期性光学元件104包括波导耦合器504s和反射镜结构504m。因此，集成光波导设备500的第一集成周期性光学元件104(即，第一波长基准)包括波导耦合器504s1、反射镜504m1和反射镜504m1’。PD504t1(例如，布置成接收由反射镜504m1和504m1’透射的光的PD)和PD504r1(例如，布置成接收由反射镜504m1和504m1’反射的光的PD)生成与第一集成周期性光学元件104相关联的输出电信号。类似地，集成光波导设备500的第二集成周期性光学元件104(即，第二波长基准)包括波导耦合器504s2、反射镜504m2和反射镜504m2’。PD 504t2(例如，布置成接收由反射镜504m2和504m2’透射的光的PD)和PD504r2(例如，布置成接收由反射镜504m2和504m2’反射的光的PD)生成与第二集成周期性光学元件104相关联的输出电信号。
在集成光波导设备500中，每个集成周期性光学元件104是具有周期性反射光谱的导波循环器(circulator)。两个循环器的反射光谱被设计成覆盖彼此的“死”区。
在操作中，输入光信号在波导分光器502的端口I处被接收，并且分别在波导分光器502的端口O1和O2处被分成第一部分和第二部分。输入光信号的第一部分传播到波导耦合器504s1的端口1。波导耦合器504s1将输入光信号的第一部分经由波导耦合器504s1的端口2和的端口3引导到反射镜504m1和504m1’，其将光朝向波导耦合器504s1反射回。在此，由反射镜504m1和504m1’反射的光经由波导耦合器504s1的端口4引导到PD506r1。由反射镜504m1或反射镜504m1’透射的输入光信号的第一部分中的任何输入光信号可以由PD 506t1捕获。传统的信号处理技术可以应用于由PD 506r1和PD 506t1提供的输出电信号，以便产生不受光功率噪声影响的、反射镜504m1(等同于反射镜504m1’)的反射性和透射性。
类似地，输入光信号的第二部分传播到波导耦合器504s2的端口1。波导耦合器504s2将输入光信号的第二部分经由波导耦合器504s2的端口2和端口3引导到反射镜504m2和504m2’，其将光朝向波导耦合器504s2反射回。在此，由反射镜504m2和504m2’反射的光经由波导耦合器504s2的端口4引导到PD 506r2。由反射镜504m2或反射镜504m2’透射的输入光信号的第二部分中的任何输入光信号可以由PD 506t2捕获。传统的信号处理技术可以应用于由PD 506r2和PD 506t2提供的输出电信号，以便产生不受光功率噪声影响的、反射镜504m2(等同于反射504m2’)的反射性和透射性。
在一些实施方式中，集成光波导设备500中的反射镜(例如，反射镜504m1，反射镜504m1’，反射镜504m2和/或反射镜504m2’)可在光刻方面是相同或接近相同的。此外，在一些实施方式中，集成光波导装置500的反射镜可以布置得彼此尽可能接近，以便减少它们的反射光谱中的热致不对称性。在一些实施方式中，给定反射镜(例如，反射镜504m1，反射镜504m1’，反射镜504m2或反射镜504m2’)可以是具有周期性反射光谱的导波、2脉冲、采样光栅、分布式布拉格反射器(SGDBR)。在一些实施方式中，包括在反射镜结构504m中的反射镜的2脉冲配置导致近似正弦波的反射光谱。
在一些实施方式中，集成光波导设备中的每一个集成周期性光学元件104(例如，包括波导耦合器504s和相关的反射镜结构504m的每组光学元件)可在光刻方面是相同或接近相同的。然而，如上所述，集成光波导设备的集成周期性光学元件104的反射光谱相对于彼此偏移例如大约FSR的四分之一，以便允许覆盖“死”区。
在一些实施方式中，可以使用非对称放置的偏置加热器508(例如，由开环驱动器供电的加热器条带)来实现偏移，如图5A所示。在一些实施方式中，可以控制偏置加热器508以与相位偏移周期性输出光学信号相关联地、非对称地加热给定的反射镜结构504m。例如，如图5A所示，偏置加热器508可以放置在集成光波导设备500中，使得偏置加热器508相比于第二反射镜结构504m(例如，包括反射镜504m2和反射镜504m2’的反射镜结构504m)更靠近第一反射镜结构504m(例如，包括反射镜504m1和反射镜504m1’的反射镜结构504m)。这里，偏置加热器508在施加热量时可以不对称地加热第一反射镜结构504m和第二反射镜结构504m(例如，使得相对于第二反射镜结构504m施加相对更多的热量到第一反射镜结构504m)。以这种方式，可以控制集成光波导设备500的周期性输出光信号之间的相位差。
值得注意的是，当每个集成周期性光学元件104内的波导耦合器504s和反射镜结构504m完全对称时，在集成光波导设备500的输入处不产生反射。然而，偏离对称性(例如，由制造缺陷或温度不均匀引起)将导致在输入处的一些反射(例如，反射回到激光器110)。然而，这种反射对激光器110的操作的影响可以是最小的，因为激光器110通常包括高反射率的激光器背反射镜。在一些实施方式中，通过使集成光波导设备500和激光器110之间的馈线作为衰减器操作，可以进一步降低反馈水平。在一些实施方式中，可通过弯曲馈线(包括锥形的波导扼流圈)或使用另一常规技术实现衰减。
在一些实施方式中，如图5A中进一步显示，集成光波导设备500可包括温度传感器510来测量集成光波导设备500的温度。在一些实施方式中，温度传感器510可以集成到芯片108上。在一些实施方式中，如图5A所示，温度传感器510可以布置在集成光波导设备500的中心部分中，使得温度传感器510尽可能地靠近反射镜结构504m(例如，在其之间)。
如上文所述，每个集成周期性光学元件104应该在一宽的环境温度范围内是稳定的。给定典型SGDBR反射镜的约0.1nm/℃的调谐率(由半导体衬底的温度相关的折射率支配)，集成光波导设备500的温度应稳定至优于约0.08℃，以便满足1GHz的频率漂移规格。如果考虑温度测量的精度，并且为激光锁定环提供额外的误差预算，则温度稳定性要求会收紧到0.02℃。
在一些实施方式中，温度传感器510可以包括正向偏置的半导体结，其在恒定电流激励下的电压是结温(junction temperature)的量度。为了测量温度直至0.02℃，温度传感器510可以能够测量结电压直至优于大约30微伏并且可以能够将结电流保持至优于大约0.3微安这些误差的最坏情况的组合保证大约0.5GHz的频率稳定性，对于与锁定环的操作相关的误差留有0.5GHz。因此，激光器110的频率误差的总误差预算约为1Ghz。在一些实施方式中，温度传感器510可以包括在芯片108的表面上制造的类似热敏电阻的感测元件(例如，不是正向偏置的半导体结)。
图5B是集成在芯片108(例如，半导体芯片)上时的集成光波导设备500的示意图。在图5B中，为了清楚起见，仅示出了脊(ridge)和金属层。在一些实施方式中，集成光波导设备500(例如，如图5B中所示)的总长度可以在大约0.1mm到大约1.0mm的范围内，例如0.3mm。在一些实施方式中，集成光波导设备500(例如，如图5B中所示)的宽度(例如信道宽度)可以在大约0.05mm到大约0.5mm的范围内，例如0.2mm。
图5C是集成光波导设备100的示例实施方式550(在此称为集成光波导设备550)的图。在集成光波导设备550中，每个反射镜结构504m包括单个反射镜，如下文所述。
如在集成光波导设备500中所示，依赖于集成周期性光学元件104的对称性存在风险因素，使得在输入处提供零或接近零的反射。另外，偏置加热器508的操作可导致每个反射镜结构504m内的不希望的热不对称(例如，因为偏置加热器508比反射镜504m1’更靠近反射镜504m1，并且比反射镜5204m2’更靠近反射镜504m2)。由于每个反射镜结构504m包括单个反射镜(例如，代替一对反射镜)，因此在集成光波导设备550中可以避免这种情况。在集成光波导设备550的情况中，不提供循环器动作。相反，实施反射器。在此，等量的反射返回到给定波导耦合器504s的端口1和4，这意味着馈线应当用作衰减器(例如，如上所述)。
在一些实施方式中，应以这样的方式提供衰减，以使输入源(例如，激光器110)所见的反馈量最小化，同时维持PD 506所见的可感知信号水平。当在馈线中提供衰减时，PD506见到的光被衰减一次，而反射回输入的光被衰减两次。结果，信号-反馈比随着衰减的增加而增加，但是这种趋势只可以被利用直到信号变得足够低，使得PD 506处的噪声成为限制因素。
在一些实施方式中，可经由光刻(例如，而非使用偏置加热器508或在使用偏置加热器508之外)提供集成光波导设备550与集成光波导设备500的集成周期性光学元件104之间的偏移。在此，由于2脉冲SGDBR反射镜的FSR取决于2脉冲SGDBR反射镜的长度，略微不同的反射镜长度可以被构建到光刻掩模中。这种方法降低了集成光波导设备500/550和驱动电子器件的复杂性，但对制造工艺造成了更严重的负担。在一些实施方式中，使用基于加热器的解决方案还是光刻解决方案可取决于给定应用的容限。
在一些实施方式中，集成光波导设备500和/或集成光波导设备550可包括一个或多个额外的集成周期性光学元件104。例如，集成光波导设备500和集成光波导设备550可以包括第三集成周期性光学元件104(例如，第三波长基准)，以便在反射光谱中提供对“死”区的附加或冗余覆盖。作为另一示例，集成光波导设备500和/或集成光波导设备550可包括具有宽FSR(例如，几千GHz)的第三波长基准，以便操作为用于粗略波长调谐的基于斜率的波长鉴别器(discriminator)(例如，同时可以通过上述方式的第一和第二波长基准提供精细的波长调谐和波长锁定。)
图5A和5C中示出和描述的光学元件的数量和布置作为示例提供。实际上，集成光波导设备500和/或集成光波导设备550可以包括附加光学元件(例如，集成激光器)、更少的光学元件(例如，当未集成PD时)、不同的光学元件，或不同于上文所示和所述的光学元件。附加地或替代地，集成光波导设备500和/或集成光波导设备550的一组光学元件(例如，一个或多个光学元件)可以执行被描述为相应地由集成光波导设备500和/或集成光波导设备550的另一组元件执行的一个或多个功能。此外，图5B中所示的示意图作为示例被提供，用于说明目的，并且其他示例是可能的。
本文描述的一些实施方式提供了一种集成光波导设备100，其基于输入光信号提供多个周期性输出光信号，每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其他周期性输出光信号相位偏移。在一些实施方式中，集成光波导设备100可包括光波导分光器102和提供多个周期性输出光信号的多个集成周期性光学元件104。所述多个周期性输出光信号可以与例如波长锁定激光器110结合使用。如上文所述，集成光波导设备100解决了传统波长锁定器(例如，单标准具波长锁定器、双标准具波长锁定器和包括传统DLI的波长锁定器)所面临的若干问题。
前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的确切形式。可以根据以上公开内容进行修改和变化，或者可以从实施实践中获得修改和变化。例如，虽然本文描述的实施方式主要在集成波长锁定器的背景下描述，但是这些实施方式可以应用于相干接收器，其中相干的(相移键控或相位和幅度键控的)信号光与本地振荡器混合为N×N MMI混频器，以便产生相位相等间隔的N个正弦波(例如，以类似于图2B、3B、4B和4D中所示的类似方式)。这将允许例如从例如四对差分检测器信号(例如，使用8×8MMI耦合器)确定群集(constellation)图。
尽管在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。实际上，许多这些特征可以以未在权利要求中具体陈述和/或在说明书中公开的方式组合。尽管列出的每个从属权利要求可以直接仅依赖于一个权利要求，但是各种实施方式的公开内容包括每个从属权利要求与权利要求集合中的每个其他权利要求。
除非明确说明，否则本文中使用的元件、动作或说明不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关项目和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”交替使用。在仅有一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”等意图为开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。

Claims (20)

1.一种片上波长锁定器，包括：
光波导分光器，其分离从激光器接收的输入光信号；
多个集成周期性光学元件，每个用于：
接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及
基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，
其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位；以及
多个集成光电二极管，用于接收与波长锁定激光器相关联的所述多个周期性输出光信号。
2.根据权利要求1所述的片上波长锁定器，其中，所述输入光信号从所述激光器的背侧接收。
3.根据权利要求1所述的片上波长锁定器，其中，所述片上波长锁定器和所述激光器集成在单个的芯片上。
4.根据权利要求1所述的片上波长锁定器，其中，所述光波导分光器包括1×2多模干涉(MMI)耦合器，所述多个集成周期性光学元件包括N×N(N≥2)MMI耦合器，并且所述多个集成光电二极管包括N个光电二极管。
5.根据权利要求4所述的片上波长锁定器，其中，1×2MMI耦合器中的第一输出端口经由第一波导耦合至所述N×N MMI耦合器的第一输入端口，并且，1×2MMI耦合器中的第二输出端口经由第二波导耦合至所述N×N MMI耦合器的第二输入端口，
其中，所述第二波导的长度大于所述第一波导的长度。
6.根据权利要求5所述的片上波长锁定器，其中，N×N MMI耦合器的第二输入端口不是所述N×N MMI耦合器的第一输入端口的对称等同端口。
7.根据权利要求4所述的片上波长锁定器，其中，N×N MMI耦合器是3×3MMI耦合器、4×4MMI耦合器、或5×5MMI耦合器。
8.根据权利要求1所述的片上波长锁定器，其中，所述光波导分光器包括1×M(M≥2)波导分光器，所述多个集成周期性光学元件包括M个集成周期性光学元件，并且所述多个集成光电二极管包括M对集成光电二极管，
其中，所述M个集成周期性光学元件中的一个包括2×2波导耦合器和反射镜结构，以及
其中，所述M对集成光电二极管中的一个包括反射感测光电二极管和透射感测光电二极管。
9.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，其中，所述反射镜结构包括至少一个2脉冲、采样光栅、分布式布拉格反射器(SGDBR)反射镜。
10.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，还包括偏置加热器，用于与相位偏移周期性输出光信号相关地、非对称地加热包括在所述M个集成周期性光学元件中的一个中的反射镜结构。
11.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，还包括温度传感器，用于测量所述片上波长锁定器的温度。
12.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，其中，所述反射器结构包括第一反射镜和第二反射镜，每个耦合至所述透射感测光电二极管，
其中，所述1×M波导分光器的输出端口耦合到所述2×2波导耦合器的第一端口，
其中，所述第一反射镜耦合到所述2×2波导耦合器的第二端口，
其中，所述第二反射镜耦合到所述2×2波导耦合器的第三端口，
其中，所述反射感测光电二极管耦合到所述2×2波导耦合器的第四端口。
13.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，其中，所述反射器结构包括耦合至所述透射感测光电二极管的反射镜，
其中，所述1×M波导分光器的输出端口耦合到所述2×2波导耦合器的第一端口，
其中，所述反射镜耦合到所述2×2波导耦合器的第二端口，并且
其中，所述反射感测光电二极管耦合到所述2×2波导耦合器的第三端口。
14.根据权利要求8所述的片上波长锁定器，其中，包括在所述M个集成周期性光学元件中的一个中的反射镜结构用于在所述多个周期性输出光信号的特定周期性输出光信号中引入相位偏移。
15.一种集成光波导设备，包括：
光波导分光器，用于分离输入光信号；以及
多个集成周期性光学元件，每个用于：
接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及
基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，
其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位。
16.根据权利要求15所述的集成光波导设备，其中，所述光波导分光器包括1×2多模干涉(MMI)耦合器，且所述多个集成周期性光学元件包括N×N(N≥3)MMI耦合器。
17.根据权利要求15所述的集成光波导设备，其中，所述光波导分光器包括1×M(M≥2)波导分光器，且所述多个集成周期性光学元件包括M个集成周期性光学元件，
其中，所述M个集成周期性光学元件中的一个包括2×2波导耦合器和反射镜结构。
18.根据权利要求15所述的集成光波导设备，其中，所述集成光波导设备包括在波长锁定器中。
19.根据权利要求15所述的集成光波导设备，其中，所述集成光波导设备包括在相干接收器中。
20.一种集成光学设备，包括：
光波导分光器，用于分离输入光信号，
多个集成周期性光学元件，每个用于：
接收由所述光波导分光器分离所述输入光信号之后的所述输入光信号的相应部分，以及
基于所述输入光信号的相应部分，提供多个周期性输出光信号中的相应的周期性输出光信号，
其中，所述多个周期性输出光信号中的每个周期性输出光信号相对于所述多个周期性输出光信号中的其它周期性输出光信号偏移相位；以及
多个光电二极管，用于接收所述多个周期性输出光信号，
其中，满足以下一个：
所述光波导分光器包括1×2多模干涉(MMI)耦合器，所述多个集成周期性光学元件包括N×N(N≥3)MMI耦合器，并且所述多个集成光电二极管包括N个光电二极管；或者
所述光波导分光器包括1×M(M≥2)波导分光器，所述多个集成周期性光学元件包括M个集成周期性光学元件，并且所述多个光电二极管包括M对光电二极管，
其中，所述M个集成周期性光学元件中的一个包括2×2波导耦合器和反射镜结构，以及
其中，所述M对光电二极管中的一个包括反射感测光电二极管和透射感测光电二极管。
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