CN110546835B - 可重新配置的光谱学系统 - Google Patents

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Abstract

可重新配置的光谱学系统包括可调谐激光器和锁定准确的参考波长的波长锁定器。具有不同优化波长范围的频带组合器在时域上多路复用光学信号，以发射用于光谱学应用的多个参考波长。通过在不影响光谱学数据的采样和接收的时隙中的时域上进行多路复用大大降低了功率要求。

Description

可重新配置的光谱学系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年7月5日提交的美国临时专利申请No.62528936和2017年8月17日提交的美国临时专利申请No.62547026的优先权，该两者的公开以其整体通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及光谱学。更具体地，其涉及可重新配置的光谱学系统。
发明内容
在本公开的第一方面中，描述了一种设备，其包括：多个可调谐激光器，其生成多个波长；多个波长锁定器，其减少来自多个波长的波长噪声并锁定到精确的波长；多个频带组合器，其各自配置成组合与多个频带组合器中的其它频带组合器不同的波长范围；多个开关，每个开关接收多个频带组合器的对应频带组合器的输出，每个开关输出多个切换的波长；多个宽带组合器，其接收多个开关的输出；以及发射多个参考波长的多个发射器，每个发射器接收多个宽带组合器的对应宽带组合器的输出。
在本公开的第二方面中，描述了一种设备，其包括：多个可调谐激光器，其生成多个波长；多个波长锁定器，其减少来自多个波长的波长噪声并锁定到精确的波长；多个频带组合器，其各自配置成组合与多个频带组合器中的其它频带组合器不同的波长范围；宽带组合器，其接收多个频带组合器的输出；光学相控阵列开关，其包括至少一个阵列式波导光栅；以及发射多个参考波长的多个发射器，每个发射器接收光学相控阵列开关的输出。
在本公开的第三方面中，描述了一种设备，其包括：多个可调谐激光器，其生成多个波长；多个波长锁定器，其减少来自多个波长的波长噪声并锁定到精确的波长；多个频带组合器，其各自配置成组合与多个频带组合器中的其它频带组合器不同的波长范围；宽带组合器，其接收多个频带组合器的输出；无源分流器，其配置成分流宽带组合器的输出；以及发射多个参考波长的多个发射器，每个发射器接收无源分流器的输出。
在本公开的第四方面中，一种方法包括：由多个可调谐激光器生成多个波长；由多个波长锁定器减少来自多个波长的波长噪声；由多个频带组合器将多个波长组合成波长范围；由多个开关切换波长范围；在时域上将多个波长范围多路复用到多个宽带组合器中，每个宽带组合器输出到多个发射器的对应发射器；以及由多个发射器发射多路复用的波长。
附图说明
并入到本说明书中并构成其一部分的附图图示了本公开的一个或多个实施例，并且与示例实施例的描述一起用于解释本公开的原理和实施方式。
图1-2图示了光谱学系统的示例性架构。
图3图示了光谱学系统的示例性发送器架构。
图4A和图4B图示了用于在激光器之后调整波长的两个示例性实施方式。
图5图示了基于阵列式波导光栅（AWG）的波长锁定器的操作的示例。
图6图示了示例光谱学系统，其中具有有源移相器的AWG配置用于将波长切换（引导）到不同的发射器。
图7图示了示例的基于AWG的多通道波长锁定器。
图8图示了在宽带组合器之后基于无源分流器的示例实施方式。
图9图示了AWG的示例性示意图。
具体实施方式
本公开描述了一种光谱学系统，其可以根据特定应用重新配置。本文中描述了若干可能的系统架构。
在图1中，描述了用于光谱学系统的示例性架构。该系统可以包括一个或多个激光器（105），每个激光器在不同的波长范围内操作。波长范围可以完全不同，或者彼此具有一定程度的重叠。图1中的激光器可以是可调谐的。每个激光器（105）可以并入波长锁定器（110）。在一些实施例中，波长锁定器利用反馈电路操作。波长锁定器消除了相位噪声，并且可以以不同方式实现。波长锁定器可以通过控制波长变化将波长锁定成准确的参考波长。激光器可以由驱动器电路控制，该驱动器电路可以控制激光器调谐以及波长锁定器。控制电路可以位于光子部件（例如波长锁定器）的相同芯片上，或者可以位于分离的芯片（例如互补氧化物半导体（CMOS）芯片）中。波长锁定器允许利用“干净”波长的稳定操作。因此，在波长锁定器（110）的下游，可以获得多个良好定义的不同波长。这些不同的波长可以组合在多个频带组合器（115）中，后面跟随的是一个或多个开关（120）。
开关（120）可以在不同的输出波导之间切换光子信号，并将每个波长频带馈送到不同的发射器（125）。该实施方式允许系统跨波长扫描。例如，开关（120）可以通过在每个波长之间随时间交替来多路复用时域中的波长。在一些实施例中，不同波长频带（125）可以由宽带组合器（130）组合。每个宽带组合器可以将波长多路复用到馈送一个发射器的单个波导。在一些实施例中，在时域上的多路复用以非常小的间隔执行，例如每波长毫秒数量级的间隔。如果应用不需要快速排序，则由光谱学系统照射的样本由多个波长有效地扫描，与在每个波长处会同时照射样本的系统相比没有可察觉的差异。为了同时利用每个波长照射样本，系统的总功率必要地分流到多个发射器中。因此，每个通道的可用功率小于随时间扫描波长的情况下的可用功率。利用波长多路复用，系统可以以同时波长系统的相同数量的波长有效地分析样本，但具有大大增加的功率效率。
在一些实施例中，每个波长每一次发射一个。在其它实施例中，同时发射波长的子集，并且发射器随时间对子集的每个波长进行排序，这有效地多路复用了变化的波长的子集。在其它实施例中，两种操作模式可以顺序地或根据特定应用来应用。在图1的示例性系统中，在宽带组合器之后，然后将产生的多波长光子信号发送到多个发射器（135）。在一些实施例中，发射器（135）形成一个或多个光学相控阵列。
在一些实施例中，频带组合器（115）可以在约100nm的波长范围内操作。可以优化1xN开关（120）以在它们各自的操作的波长频带内操作。例如，第一开关可以被优化以在第一波长频带中操作，而第二开关可以被优化以在不同于第一波长频带的第二波长频带中操作——完全不同或者重叠。换句话说，可以优化每个频带组合器以有效地组合包括在其不同的操作波长范围中的波长。宽带组合器（130）可以具有大约几微米的操作波长范围。在该实施例中，每个频带组合器会从可调谐激光器接收其操作范围中的波长。
因此，图1图示了在输入激光器之后利用多个波长（频率）锁定器来清除相位噪声的信号、后面跟随的是频带组合器的集合的示例性光谱学发射器系统。每个频带组合器基于波长频带（例如，100nm范围）组合输入激光的子集，后面跟随的是受控开关的集合（每个频带组合器一个），其控制哪些频带进入哪个宽带组合器中。宽带组合器组合馈入它们的波长频带，以及后面跟随的是发射组合频带的光的发射器的集合。开关允许控制哪些频带以时分多路复用方式传送到哪些发射器。例如，发射器可以同时发射所有频带，然后在不同时间选择性地仅发射频带的子集或单个频带。发射器还可以通过开关控制电路的使用在时域中差分地发射波长频带。控制电路可以在光子芯片（例如硅）中或在与CMOS控制电路一起的芯片中与其它部件一起实现。可替换地，可以分离光子芯片和CMOS芯片。
在其它实施例中，如图2中所图示，多个光学通道监视器（OCM）（205）可用于监视频带组合器的输出，并向多个激光器提供反馈控制。因此，在图1的实施例中，紧接在激光器之后使用波长锁定器，而在图2的实施例中，在频带组合器之后使用光学通道监视器。因此，波长锁定可以通过波长锁定器或通过在每个频带组合器之后使用光学通道监视器（OCM）来实现。在一些实施例中，OCM可以与宽带组合器组合。在这种情况下，反馈路径会从开关而不是从OCM追踪回到激光器。在一些实施例中，与利用波长锁定器的实施方式相比，光学通道监视器可能需要更少数量的部件。例如，光子电路可以由分离的CMOS芯片控制。
图3图示了用于本公开的光谱学系统的示例性发送器架构。多个激光器（305）生成多个波长λ1-λN。这些波长可以在开关（310）处类似于如图1-2中所述来组合。例如，激光器1可以在波长范围λ1-λ10中操作，激光器2可以在波长范围λ11-λ20内操作，依此类推。可以组合这些波长，使得例如（305）和开关（310）之间的四个通路中的每个承载特定的波长范围——例如，λ1-λ10、λ11-λ20、λ21-λ30和λ31-λ40。在开关（310）之后，光学信号被传送到多个发射器（315）。在一些实施例中，开关（310）可以具有有限的光学带宽。在这种情况下，并非所有波长都同时传送到相同发射器，但波长相反地随时间多路复用。因此，系统在时域中在发射器之间切换波长频带以改进链路预算。
例如，发射器1（316）可以在时间间隔t1处接收范围λ1-λ10，而发射器2（317）可以在时间间隔t1处接收范围λ11-λ20并且发射器3（318）可以在时间间隔t1处接收范围λ21-λ30。然后，发射器3可以在时间间隔t2处接收范围λ11-λ20，并且在时间间隔t3处接收范围λ1-λ10。根据时间分布，开关可以将n个波长范围中的每个引导到（n个发射器中的）指明的发射器。例如，在时间间隔tm中，发射器1可以接收范围λ11-λ20，发射器2可以接收范围λ21-λ30，而发射器3可以接收范围λ31-λ40并且发射器n可以接收范围λ1-λ10。以此方式，通过在N个发射器之间时间共享频带功率，1xN开关可用于改进光谱学系统的链路预算。可以优化每个开关以在其波长频带内有效地执行。在一些实施例中，开关因此可以向每个发射器发射多个脉冲。可以针对发射器处的波长的序列实现不同的实施方式。例如，所有发射器可以在相同的时隙中接收相同的波长频带，或者每个发射器可以在后续的时隙接收相同的频带。例如，每个发射器可以在相同的时隙中接收不同的频带，并且相同的频带可以在不同的发射器上随时间偏移。
在一些实施例中，可能使用多个发射器来增加有效照射面积，以覆盖宽视场，并捕获光谱学样本的宽区域。
在图1的架构中，每个发射器可以在每个时隙中看到不同的波长的集合（如果针对该时隙没有信号被发送到的发射器，则不包括波长）。在一些实施例中，宽带组合器可以是可选的。图3图示了没有宽带组合器的示例性架构。在一些实施例中，发射器被配置成在若干时隙上以所有波长发射。发射器可以配置成形成一个或多个光学相控阵列。
图4A和图4B图示了用于清除（即波长锁定）激光器的光的两种示例性实施方式：前馈抵消方法（图4A）和反馈抵消方法（图4B）。
前馈抵消可以包括相位调制器（425，PM）、相位检测器（420）、光学频率鉴别器（410，OFD）和光电二极管（415，PD）。在前馈方法中，波长噪声可以被指明为与期望波长λ0的Δλ偏差。来自激光信号（405）的分裂部分的波长噪声由鉴别器（410）从频域转换成强度（振幅）域，然后鉴别器（410）的输出由光电二极管（415）转换成电信号。该信号输入到检测频率（相位）偏差的相位检测器（420）中。相位检测器转而驱动相位调制器（425）以调整原始信号（405）来移除噪声，由此获得干净波长（430）（即等于期望的波长/频率）。
在反馈方法中，类似于前馈方法，有噪声的信号（435）的分裂部分被输入到鉴别器（440），然后输入到光电二极管（445）。然而，相位检测器（450）向激光器传送反馈信号（455）。激光器可以基于反馈调谐自身以校正输出信号（460）来匹配期望的波长/频率。因此，在一些实施例中，系统可以在其被接通之后具有短的开始时间，在该开始时间期间调整激光波长。波长（或频率）锁定的其它手段在本领域中是已知的并且也可以利用。在一些实施例中，与反馈实施方式相比，前馈实施方式可以具有更小的波长范围校正。然而，前馈实施方式具有不必使激光器由自身控制的优点。实现适当的激光器控制可能在系统中引入附加的复杂性。取决于系统的特定实施例，两种实施方式之间的折衷可能偏爱一个多于另一个。
光谱学系统中输入激光器的数量（m）可以是大的。例如，可以存在超过100个输入可调谐激光器。发射器的数量（N）可以不取决于输入激光器的数量（m）。同样，频带组合器的数量（P）可以不取决于发射器的数量（N）和输入激光器的数量（m）。文本和附图中给出的近似值是示例——如由本领域普通技术人员所理解的那样可以利用其它值。
图5图示了用于包括光学通道监视器的系统实施方式的阵列式波导光栅（AWG）波长锁定器的操作。阵列式波导光栅（AWG）通常用作波分多路复用（WDM）系统中的光学（解）多路复用器。这些设备可以将大量波长多路复用到单个光纤或波导中，由此大大地增加光学网络的传输容量。在AWG中，入射光经过自由空间并进入一束臂波导（arm waveguides）。波导具有不同的长度，并且因此在其出口处施加不同的相位偏移。然后光经过另一自由空间并以这样的方式（每个输出通道仅接收特定波长的光）在输出波导的入口处干涉。
图5图示了锁定波长的示例性方法。在抽头（525）之后，激光器光（520）由AWG（515）分流成两个波长。从两个波长导出的两个电信号的比率被监视并保持恒定。转而，这允许有效锁定激光的波长。在图5中，监视两个光电二极管（PD）的输出电流I1和I2（505），使得它们的比率保持恒定。该实施方式旨在保持两个电流之间的比率尽可能接近于1。结果，峰（510）保持在相同的强度，并且光学信号保持在以目标波长为中心。该比率是温度的函数，但是例如通过查找表或使用不取决于温度的参考设备（例如热AWG）可以考虑并校准温度相关性。换句话说，锁定波长移除了归因于温度和制造过程变化的漂移。因为AWG是无源部件，所以可以比在其它实施方式中更容易地控制温度的波动。换句话说，AWG没有有源功率要求，这引起来自功率消耗的热量生成。因此，可以较容易地控制作为无源部件的AWG中的温度波动。另外，AWG不需要重新校准，并且它是可升级的，因为原始信号不仅可以分流成两个波长，而且可以分流成多个波长。在一些实施例中，还可能实现类似的技术而不具有对称的峰（510）。
可替换地，电流之间的比率可以用作波长鉴别器，从而将波长的改变转换成功率（强度）的改变。在图5中，示例性AWG（515）具有1个输入和2个输出。图5的系统可以用作本公开的光谱学系统中的光学通道监视器（OCM）。
可以设计AWG通道间距和串扰，使得获得针对控制回路信噪（SNR）比所必要的dr/dλ（例如dλ<5pm），其中r是比率，其是温度和波长的函数。在其它实施例中，可以使用除了AWG之外的结构，以提供两个依赖于波长的输出。
图6图示了光谱学系统，其中具有有源移相器的AWG配置用于将波长引导到不同的发射器。图示了包括激光器、光学通道监视器和频带组合器的系统（610），类似地如图2中那样。图6还图示了光学相控阵列开关（615），其包括开关驱动器（620）、相位调制器（625）、AWG（605）和多个发射器（630）。与简单的无源1:N分流器相比，可以在图6的开关的功率损耗和操作波长频带之间存在性能折衷。
在模块（605）中，通过使用AWG来分布不同的波长。在一些实施例中，由每个发射器发射的光束在由光谱学系统使用的波长范围内具有恒定的空间发散（即发射角）。因此，在一些实施例中，每个发射器将针对每个波长以相同的发射角发射。在一些实施例中，1:NAWG带有具有相等长度的臂。图6的实施例在功率管理方面可能不像图1或图2的实施例那样有效，然而它仍然可以比没有任何开关的其它系统递送更高的功率效率。在图6中，有源开关可以一次将所有可用功率引导到一个发射器。如果开关足够快，则接收器不受可用发射器上的功率的时间多路复用影响。通过降低功率使用抵消了开关的增加的复杂性。
图7图示了基于AWG的多通道波长锁定器。在图7中，跟随频带组合器（710）的光学通道监视器（705）可以解多路复用波长。1xN解多路复用器（720）后面跟随的是多个光电二极管（725），每个通道一个二极管。图7还图示了（715）每个通道如何以一个波长为中心。在一些实施例中，图2的光学通道监视器可以如图7中所描述的那样实现。例如，在M.Muneeb等人的光学快报22期第22，27300页（2014）（M.Muneeb et al, Optics Express, vol.22,no.22, p.27300(2014)）（其公开通过引用以其整体并入）中描述了这种系统的示例。
1xN解多路复用器（720）覆盖与频带组合器（710）相同的光学带宽，但具有M倍同样数量的输出端口以及M分之一的通道之间的间距。可以有意地将解多路复用器设计为具有大的最近邻串扰。可以设计AWG通道间距和串扰，使得获得针对控制回路信噪（SNR）比所必要的dr/dλ（例如dλ<5pm）。在其它实施例中，可以使用除了AWG之外的结构，以提供两个依赖于波长的输出。AWG的操作是温度的函数，但是例如通过查找表可以校准并考虑该相关性。AWG的另一个优点是减少的面积需求和减少的损耗。
图7的技术是对图5的技术的多个波长以及每个通道使用多于两个端口（锁定的波长）的扩展。在图5中，两个电流之间的比率被监视并被保持恒定以便锁定一个波长。在图7中，多个波长（通道，“ch”）被锁定，以允许用于光谱学应用的多个波长的受控发射。如图7中所图示（730），每个通道包括多个端口。使用的端口越多，锁定的准确性越高。多个参考波长保持锁定。这些锁定的参考波长在发射器处输出。该技术依赖于比率是较灵敏的输出的事实。通过在每个通道中具有多个端口（每个通道对应于参考波长），可能增加锁定准确性。换句话说，与图5的方法相比，保持参考波长恒定的准确性增加，其中监视两个量的比率。另外，通过降低参考波长对参数（诸如温度）的灵敏度，改进了参考波长的准确性。在一些实施例中，图5和图7中的相邻峰之间的重叠点具有最大斜率，并且因此具有对波动的最大灵敏度。
图8图示了在宽带组合器（806）之后基于无源分流器（810）的实施方式。在该实施例中，每个发射器（815）接收所有波长。利用类似如图2中那样的光学通道监视器实现的系统（805）包括无源分流器（810）而不是AWG。在该实施例中，发射器（815）各自通过1:N分流器（810）同时接收所有波长。在图8中，不存在开关，以及因此不存在时域切换。结果，当与切换的实施例相比时，存在1/N的功率损耗。
图9图示了AWG的示例性示意图。来自输入波导（903）的光学信号进入自由传播区（905），并被分流成阵列式波导（920），后面跟随的是另一自由传播区（910）。（910）内的干涉允许输出（915）提供多个不同的波长。因此，图9中的AWG对波长进行解多路复用，从而将它们分流成多个定义的波长（915）。
在图1中，控制波长的模块称为波长锁定器，而在图2中，模块称为OCM。然而，在本公开中，任一类型的模块通常可以被称为波长锁定器。
已经描述了本公开的多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施例在以下权利要求的范围内。
以上阐述的示例作为完整的公开和对如何制作和使用本公开的实施例的描述而提供给本领域普通技术人员，并且不旨在限制发明人/多个发明人认为是他们的公开的范围。
对于本领域技术人员而言显而易见的用于执行本文中公开的方法和系统的上述模式的修改旨在处于以下权利要求的范围内。说明书中提及的所有专利和出版物指示本公开涉及的领域中的技术人员的技术水平。本公开中记载的所有参考文献通过引用并入至如同每篇参考文献已经单独地通过引用以其整体并入的程度。
要理解的是，本公开不限于特定的方法或系统，其当然可以变化。还要理解的是，本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不是旨在限制。如在本说明书和所附权利要求中所使用的那样，除非内容另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指示物。除非内容另有明确指示，否则术语“多个”包括两个或更多指示物。除非另外定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与由本公开涉及的领域中的普通技术人员通常理解的那样的相同意义。
在下面的参考列表中示出的本申请中的参考文献通过引用以其整体并入本文中。
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4. 美国专利No. 9,476,981 "Optical phased arrays"

Claims (7)

1.一种光谱学设备，包括：
多个可调谐激光器，其生成多个波长；
多个波长锁定器，其减少来自所述多个波长的波长噪声；
多个频带组合器，其各自配置成组合与所述多个频带组合器中的其它频带组合器不同的波长范围；
多个开关，每个开关接收所述多个频带组合器的对应频带组合器的输出，每个开关输出多个切换的波长；
多个宽带组合器，其接收所述多个开关的输出；以及
发射多个参考波长的多个发射器，每个发射器接收所述多个宽带组合器中的对应宽带组合器的输出。
2.根据权利要求1所述的光谱学设备，其中所述多个波长锁定器中的每个波长锁定器在所述多个可调谐激光器中的可调谐激光器与所述多个频带组合器中的频带组合器之间。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的光谱学设备，其中所述多个波长锁定器包括位于所述多个频带组合器之后并且馈送回到所述多个可调谐激光器的多个光学通道监视器。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的光谱学设备，其中所述多个频带组合器中的每个频带组合器被配置成在100nm的波长范围内操作。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的光谱学设备，其中所述多个波长锁定器中的每个波长锁定器包括前馈或反馈噪声抵消，以及波长锁定电路。
6.根据权利要求3所述的光谱学设备，其中所述多个光学通道监视器中的每个光学通道监视器：
包括：
一个输入，其配置成从可调谐激光器接收一部分光；
阵列式波导光栅；
输出第一电流的第一光电二极管；以及
输出第二电流的第二光电二极管；并且
被配置成监视所述第一电流与所述第二电流的比率，以稳定目标波长。
7.一种光谱学设备中的方法，包括：
由多个可调谐激光器生成多个波长；
由多个波长锁定器减少来自所述多个波长的波长噪声；
由多个频带组合器将所述多个波长组合成波长范围；
由多个开关切换所述波长范围；
在时域上将所述多个波长范围多路复用到多个宽带组合器中，所述多个宽带组合器中的每个宽带组合器输出到多个发射器中的对应发射器；以及
由所述多个发射器发射经多路复用的波长。
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