CN115039022A - 用于外差干涉测量的移频器以及具有此类移频器的用于外差干涉测量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于外差干涉测量的移频器，所述移频器包括：芯片；输入波导，所述输入波导被配置为引导光束；至少四个相位调制器，所述至少四个相位调制器各自被布置为接收来自所述输入波导的所述光束并被配置为调制所述光束的相位；输出组合器，所述输出组合器被布置为使每个相位调制器调制的所述光束发生干涉；第一输出波导，所述第一输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相长干涉的调制光束；第二输出波导，所述第二输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相消干涉的调制光束，其中所述输入波导、所述相位调制器、所述输出组合器、所述第一输出波导和所述第二输出波导布置在所述芯片上。

Description

用于外差干涉测量的移频器以及具有此类移频器的用于外差 干涉测量的装置
技术领域
根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及一种用于外差干涉测量的移频器，并且更具体地涉及一种包括相位调制器的用于外差干涉测量的移频器。本发明的附加方面涉及一种具有此类移频器的用于外差干涉测量的装置。
背景技术
光学移频器是在激光雷达、光谱学和激光稳定应用中使用的用于外差干涉测量的常用装置。声光移频器通常用于光纤或自由空间干涉仪；然而，这些装置并不容易集成在芯片上。
M. Izutsu等人的《IEEE量子电子学选题期刊》第17期(1981年)和S. Shimotsu等人的《IEEE光子技术快报》第13期(2001年)公开了一种移频器。D. B. Cole等人的《光学快报》第40期(2015年)公开了一种测距干涉仪。
发明内容
因此，本发明旨在通过根据权利要求1所述的用于外差干涉测量的移频器和根据权利要求7所述的用于外差干涉测量的装置来解决上述问题。从属权利要求描述了本发明的优选实施方案。
根据第一方面，一种用于外差干涉测量的移频器包括：芯片；输入波导，所述输入波导被配置为引导光束；至少四个相位调制器；输出组合器，所述输出组合器被布置为使每个相位调制器调制的所述光束发生干涉；第一输出波导；以及第二输出波导。每个相位调制器均被布置为接收来自所述输入波导的所述光束并被配置为调制所述光束的相位。所述第一输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相长干涉的调制光束。所述第二输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相消干涉的所述调制光束。所述输入波导、所述相位调制器、所述输出组合器、所述第一输出波导和所述第二输出波导布置在所述芯片上。
根据第二方面，一种用于外差干涉测量的装置包括所述移频器和发生器，所述发生器耦合到所述相位调制器中的每一个并被配置为向所述相位调制器中的每一个输出调制信号。所述调制信号定义所述相位调制。所述调制信号具有调制频率和调制相位。所述发生器被配置为生成所述调制信号，使得至少两个调制光束在所述输出组合器处相消干涉。
为了创建片上移频器，可以使用在适当的射频(RF)或微波频率和调制指数下驱动并且具有适当的相对相位的至少四个电光或自由载波移相器的组合来生成从光学载波频率偏移驱动频率的单边带。然而，外差干涉测量需要本地振荡器和频移探测光束。在一些实施方案中，上移边带和下移边带被捕获在单独的输出波导中，从而允许一个边带用作本地振荡器，并且另一个边带用作探测光束。这可能得到-1.7 dB的调制效率，同时将相同频移所需的RF驱动频率降低2倍(例如，与探测光束从驱动激光器分离的系统相比)。
现在将阐述本发明的任选特征。这些特征可以单独应用或与本发明的任何方面任意组合应用。
所述移频器还可以包括第一分离器，所述第一分离器具有两个输出端口并且布置在所述输入波导与所述相位调制器之间，其中优选地，提供四个相位调制器，并且其中进一步优选地，两个相位调制器形成马赫-曾德尔干涉仪的一部分，所述干涉仪分别耦合到所述第一分离器的输出端口。
所述第一输出波导可以被配置为将从所述输出组合器接收的调制光束发射到所述芯片的周围环境。
所述移频器还可以包括具有第一输入端口和第二输入端口的相干检测器，所述相干检测器被配置为检测在所述输入端口和所述输出端口处耦合的光束的振幅和/或相位的差异，其中优选地，所述相干检测器布置在所述芯片上。
所述第二输出波导可以耦合到所述相干检测器的所述第一输入端口。
所述第二输入端口可以耦合到接收器结构，其中优选地，所述接收器结构至少部分地布置在所述芯片上，并且进一步优选地，所述接收器结构被配置为接收已由所述第一输出波导发射并被所述芯片的所述周围环境反向散射的光。
可以提供四个相位调制器，其中优选地，所述发生器被配置为生成具有设定调制频率和设定相位的一个修改信号，具有所述设定调制频率和所述设定调制相位加上90°的一个修改信号，具有负设定调制频率和所述设定调制相位的一个修改信号，以及具有所述负设定调制频率和所述设定调制相位减去90°的一个修改信号。
所述装置还可以包括热控制器、布置在将所述相位调制器耦合到所述输出组合器的输出波导组件处的温度传感器和/或布置在所述输出波导组件处的加热器，其中优选地，所述温度传感器被配置为测量所述输出波导组件的至少一部分并且/或者所述加热器被配置为加热所述输出波导组件的至少一部分，其中进一步优选地，所述热控制器基于由所述温度传感器检测到的所述温度来控制所述加热器，使得所述输出波导组件的光学路径长度保持恒定。
所述装置还可以包括将所述相位调制器连接到所述输出组合器的输出波导组件，其中优选地，所述输出波导组件包括Y分支组合器和/或2×2耦合器，其中进一步优选地，所述2×2耦合器的第一输出耦合到所述输出组合器并且所述2×2耦合器的第二输出耦合到控制光电检测器。
所述第一输出波导和/或所述第二输出波导可以包括输出分离器，所述输出分离器的输出端口耦合到控制光电检测器。
所述发生器可以基于由所述控制光电检测器输出的值来生成所述调制信号，并且/或者所述热控制器基于由温度传感器输出的值来控制所述加热器。
本发明的其他任选特征如下所述。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施方案的用于外差干涉测量的装置的示意图；以及
图2是根据本发明的第二实施方案的用于外差干涉测量的装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图阐明的详细描述意图作为根据本发明提供的感测模块的示例性实施方案的描述，而不意图表示其中可构建或利用本发明的唯一形式。
在一些实施方案中，可以使用用于光学外差干涉测量的移频器和装置。光学外差干涉术是一种提取信息的方法，所述信息编码为例如可见光或红外光的波段中电磁辐射的相位和/或频率的调制。将光信号与来自“本地振荡器”(LO)的标准光或参考光进行比较，如果所述标准光或参考光携带空信息，则所述标准光或参考光在频率和/或相位上与所述信号具有固定偏移。“外差”定义使用多于一种电磁辐射频率。
两个光信号的比较是通过在光电检测器中组合它们来完成的。为此，光电检测器可以具有在能量上是线性的，并且因此在电磁场的振幅上是二次的响应。通常，这两个光频率非常相似，以至于它们的差异或检测器产生的拍频处于可以通过电子手段处理的无线电或微波波段。
为了创建片上移频器，使用在适当的相对射频或微波频率和调制指数下驱动的四个或更多个电光或自由载波移相器的组合来生成从光学载波频率偏移驱动频率的单边带。然而，这些装置的理论最大转换效率为-4.7 dB (34%)。
基于电光相位调制器的单边带调制的理论最大转换效率为-4.7 dB (参见M.Izutsu等人的《IEEE量子电子学选题期刊》第17期(1981年))。对于使用两个此类调制器的拓扑结构，如D. B. Cole等人的《光学快报》第40期(2015年)所展示的硅光子测距干涉仪，损耗翻倍，从而得到-7.7 dB (17%)的调制效率。这里描述的本发明将需要两个边带的拓扑结构的调制效率提高4倍，达到-1.7 dB (68%)的调制效率。
本发明通过用(50/50)定向耦合器或(输出)组合器替换现有技术系统的最终Y分支组合器来修改基于常规电光相位调制器的单边带调制拓扑结构。Y分支组合器将下移边带散射到辐射模式中(参见S. Shimotsu等人的《IEEE光子技术快报》第13期(2001年)的图2)，从而在-4.7 dB的总调制效率中贡献-3 dB。然而，外差干涉测量需要本地振荡器和频移探测光束。通过用定向耦合器替换最终Y分支组合器，上移边带和下移边带被捕获在单独的输出波导中，从而允许一个边带用作本地振荡器，并且另一个边带用作探测光束。这将调制效率提高到-1.7 dB，同时将相同频移所需的驱动频率降低2倍。
该芯片可以为大型波导硅光子(SiPh)平台或氧化硅芯片(或绝缘体上硅(SOI)芯片)。输入波导、第一输出波导、第二输出波导和/或本文描述的任何其他波导可以是能够以低损耗处理高功率的波导。此类波导的高度可以在0.5微米和5微米之间(其中，例如在SOI晶片上制造的SiPh芯片中，高度可以从BOX层(其可以作为下包覆层操作)到波导的顶部测量，测量方向垂直于SOI晶片的平面)。例如，光学芯片可以包括波导硅光子(SiPh)平台作为芯片，其中对于第一波导和/或第二波导，肋形波导的高度为约3微米。
耦合到第一波导中的光束可以由任选地布置在芯片上的光源生成。例如，光源可以与输入波导直接接触。然而，光源也可以与输入波导间隔开。例如，其他光学部件可以布置在光源和输入波导之间。芯片上光源的布置提供了光源和输入波导之间稳定的空间关系；具体地，从光源穿过输入波导的光学路径保持不变。如果光源与输入波导直接接触，则因光源与输入波导管之间的界面处的反射引起的传输损耗可以降至最低。
在替代实施方案中，光源布置在芯片之外或外部。例如，光源可以位于单独的芯片上。这允许使用因大小或尺寸约束而无法布置在芯片上的光源。
光源可以包括激光器(即，并非LED)。光源的功率输出可以为约10 mW，并且在一些实施方案中高达100 mW或更多。在一些实施方案中，激光器并非垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。激光器可以为分布式反馈(DFB)激光器(但也可以为分布式布拉格反射器(DBR)激光器或FP(法布里·珀罗)激光器)，并且可以为可调谐的。激光器可以在相对窄的范围内可调谐(例如，简单地响应于装置的自然波长漂移来调整波长)，或者它们可以在更宽的范围内可调谐，以便响应于光谱学的要求改变激光器的操作波长。激光器(其可以为III-V激光器)可以通过微转印(MTP)来放置。
优选地，光源的激光器可以为不可调谐激光器，因为调制或调谐是通过使用相位调制器实现的。因此，激光器和/或光源被配置为生成具有固定(时间恒定)波长或频率的光束。因此，光源可以被配置为发射具有时间恒定振幅、波长和/或相位的光束。任选地，光源仅由一个激光器组成。
相位调制器可以包括被配置为调制/更改/改变入射光束(诸如来自输入波导的光束)的相位的任何电光部件。因此，相位调制器可以被配置为不更改/变更入射光束的波长和/或振幅。优选地，相位调制器被配置为在入射光束中诱发相移，由此所述相移暂时变化。例如，相位调制器生成的相移具有在射频范围和/或微波频率范围内的频率。由相位调制器施加到入射光束的相移可能取决于外部调制信号，所述外部调制信号可以由下面描述的发生器生成。
相位调制器可以包括电光移相器和/或自由载波移相器。移频器可以包括将输入波导连接到四个相位调制器的输入波导组件。输入波导组件可以包括一个或多个波导和一个或多个分离器，所述一个或多个分离器可以包括Y分支分离器或定向耦合器。例如，输入波导组件包括第一分离器，所述第一分离器耦合到(例如，直接连接到)输入波导，以便将光束分成两个单独的光束。第一分离器的第一输出可以耦合到第二分离器，并且/或者第一分离器的第二输出可以耦合到第三分离器。第二分离器和/或第三分离器可以直接连接到第一分离器，或者在第一分离器和第二分离器/第三分离器之间布置附加波导。第二分离器和第三分离器的输出直接或通过另外的波导耦合到相位调制器。第一分离器、第二分离器、第三分离器和本文所述的其他波导可以具有上述输入波导的特征和/或特性。
第一分离器、第二分离器和/或第三分离器可以根据入射光束的强度、振幅或能量，但独立于入射光束的频率或相位来对入射光束进行分离。例如，从相应分离器发射的两个分离光束可以具有相等强度；换句话说，第一分离器、第二分离器和/或第三分离器可以为50/50分离器。优选地，透射光束的强度和反射光束的强度之间的比率与波长无关。
移频器还可以包括将相位调制器连接到输出组合器的输出波导组件。输出波导组件可以包括一个或多个波导和/或一个或多个组合器，所述一个或多个组合器可以各自包括Y分支组合器和/或定向耦合器。例如，输出波导组件的第一组合器被布置为组合由相位调制器中的两个相位调制器调制的光束。输出波导组件的第二组合器可以被布置为组合由另外两个相位调制器调制的光束。输出组合器耦合到输出波导组件并且任选地布置为组合由第一组合器和第二组合器输出的光束。可以在第一组合器与输出组合器之间和/或在第二组合器与输出组合器之间布置波导或其他光学部件。
上述组合器中的每一个可以为任何(无源)光学部件，其被配置为优选地独立于频率、相位和/或振幅来组合来自相应输入的光束，并输出组合光束。
输出组合器优选地为相干组合器(例如，Y分支组合器)或定向耦合器(例如，50/50耦合器)。输出组合器可以具有两个输入端口和两个输出端口。一个输入端口可以连接到(或耦合到)第一组合器，并且/或者另一个输入端口可以连接到(或耦合到)第二组合器。一个输出端口可以(直接)连接到(或耦合到)第一输出波导，并且/或者另一个输出端口可以(直接)连接到(或耦合到)第二输出波导。具体地，光学部件可以布置在输出组合器与第一输出波导和/或第二输出波导之间。因此，由输出组合器输出的光束耦合到第一输出波导和第二输出波导。耦合到第一波导中的光束的强度与耦合到第二波导中的光束的强度的比率可以通过选择适当类型的输出组合器来适当地设置。
输出组合器被配置为使得在输出组合器处相长干涉的光束被耦合到第一输出波导中。另外，输出组合器被配置为使得在输出组合器处相消干涉的光束耦合到第二输出波导中。因此，输出组合器可以被配置为根据入射光束是否在输出波导处相长干涉来将入射光束引导/路由到第一输出波导和第二输出波导中。
从相应相位调制器到输出组合器的光学路径长度可以彼此相同并且时间恒定。例如，沿着输出波导组件的不同分支从相位调制器到输出组合器的相应距离可以相同。然而，可以通过在输出波导组件中提供附加光学部件来实现相同的光学路径，以确保从相应相位调制到输出组合器的每个分支具有相同的光学路径长度。因此，与在输出组合器内相比，紧接在相位调制器之后的调制光束之间的相位差可能没有变化。因此，在输出组合器处存在由相位调制器施加到光束的相位调制，以及由此由相应相位调制器调制的不同光束之间的相位差。
相位调制器、输入波导组件和/或输出波导组件形成两个平行布置的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。具体地，两个相位调制器与输入波导组件和输出波导组件的各部分结合形成马赫-曾德尔干涉仪。详细而言，第二分离器、相位调制器中的两个和第一组合器形成第一马赫-曾德尔干涉仪，而第三分离器、相位调制器中的两个和第二组合器形成第二马赫-曾德尔干涉仪。
发生器电子连接到相位调制器中的每一个。发生器生成调制信号，由此每个调制信号都不同。因此，每个相位调制器接收不同的调制信号。调制信号包括调制频率和调制相位。调制信号对应于将由相应相位调制器施加到入射光束的相移。因此，发生器被配置为生成至少四个电子波信号，所述至少四个电子波信号各自具有相应的波长和相位。发生器可以为信号发生器或频率发生器。
调制频率对应于由相应相位调制器施加到入射光束的相移频率。调制相位是由相应相位调制器施加到入射光束的相移的相位。因此，可以认为两个调制信号具有相同的调制频率但不同的调制相位，因为相同的调制信号被施加到不同的相位调制器，但在不同的时间点施加。
由发生器生成的调制信号具有调制频率和调制相位，使得由相位调制器调制的光束在输出组合器处相长干涉和相消干涉。详细地说，在输出组合器处，两个光束可能相长干涉，并且两个光束可能相消干涉。然而，本发明不限于此。可能存在五个或更多个相位调制器，其调制光束可以在输出组合器处组合(例如，通过输出波导组件内的附加组合器)。同样，部分光束在输出组合器处相长干涉。那些光束被耦合到第一输出波导中，而在输出组合器处相消干涉的光束被耦合到第二输出波导中。
在四个相位调制器的情况下，第一调制信号可以具有设定或预定调制频率和设定或预定调制相位。例如，调制频率可以为ω+，其可能在射频范围或微频率范围内。预定调制相位可以为零。第二调制信号可以具有相同的设定或预定调制频率ω+。第二调制信号的调制相位可以为第一调制信号的调制相位加上90°，例如90°。第三调制信号可以具有与第一调制信号的调制频率相同的值，但是具有相反的符号，例如ω-。第三调制信号的调制相位可以为与第一调制信号相同的调制相位。第四调制信号可以具有与第三调制信号相同的调制频率ω-。第四调制信号的调制相位可以为第一调制信号的调制相位减去90°，例如-90°。
因此，第一调制信号和第二调制信号具有相同的调制频率。此外，第三调制信号和第四调制信号具有相同的调制频率，所述调制频率与第一调制信号和第二调制信号的调制频率相反。因此，与第三调制信号和第四调制信号相比，第一调制信号和第二调制信号沿不同的方向旋转。第一调制信号和第三调制信号的调制相位相同。在这种情况下，根据第一调制信号和第三调制信号调制的光束在输出组合器处相长干涉，而根据第二调制信号和第四调制信号调制的光束在输出组合器处相消干涉。因此，在第一输出波导中传播的光束具有调制频率ω+，而在第二输出波导中传播的光束具有调制频率ω-。在第一波导中传播的光束可以用作探测光束，而在第二波导中传播的光束可以用作参考光束，或者换句话说，可以用作本地振荡器。
本文描述的不同类型的组合器和相位调制器被布置在芯片上。
在第一输出波导中传播的光束(探测光束)可以被引导至待分析样品。为此，第一输出波导可以耦合到光学部件(诸如一个或多个透镜或透镜系统)，用于将在第一输出波导中传播的光束聚焦和/或引导到样品上。样品在芯片的外部。光学部件可以布置在芯片之外或外部。例如，在第一输出波导中传播的光束在其端面处离开第一输出波导。第一输出波导的端面可以与芯片的边缘重合。
移频器还可以包括具有第一输入端口和第二输入端口的相干检测器。相干检测器被配置为检测在输入端口和输出端口处耦合的光束的振幅和/相位的差异。例如，所述相干检测器为相干检测器。所述相干检测器可以为平衡检测器或不平衡检测器。所述相干检测器可以包括一个或多个光电检测器和接收器组合器/耦合器。
所述光电检测器可以具有一个或多个波长滤波器(或无)。检测可以为直接的或相干的，可能具有增强的信噪比(SNR)。光源的振幅、相位和/或频率调制可能是可用的，并且可以提供关于样品的各种信息或增强SNR。
光电检测器可以包括AC耦合光电二极管或焦平面阵列检测器。光电检测器可以包括一个检测器(例如，由其组成)。在一些实施方案中，光电检测器包括一个或多个光电二极管。
光电检测器可以具有足以检测频率对应于相位调制器的调制频率的振幅变化的检测速率。例如，相位调制器的波长变化的频率可以在射频范围内，使得光电检测器能够检测在射频范围内的振幅变化。
不平衡相干检测器可以包括一个光电检测器和一个接收器组合器。接收器组合器组合在第一输入端口和第二输入端口处耦合的光束并将组合光束路由/引导到光电检测器。
平衡相干检测器可以包括两个光电检测器和一个接收器耦合器，所述接收器耦合器可以为定向2x2耦合器或50/50耦合器。接收器耦合器的输出端口可以各自连接到相应光电检测器。接收器耦合器的输入端口对应于第一输入端口和第二输入端口。
所述装置还可以包括连接到相干检测器的分析装置。所述分析装置可以布置在芯片的外部。所述分析装置可以包括处理器和/或用于分析由相干检测器检测到的干涉图案的其他电子部件。
相干检测器(特别是光电检测器和/或接收器耦合器/组合器)被布置在芯片上。
相干检测器的第一输入端口可以耦合到第二输出波导。为此，第二输出波导可以直接连接到相干检测器的输入端口。
相干检测器的第二输入端口可以被配置和布置为接收从样品反向散射的光，特别是反向散射的探测光束(即，最初来自第一输出波导)。为此，移频器可以包括接收器结构。所述接收器结构被配置和布置为收集从样品反向散射的光并将所述光耦合到相干检测器的第二输入端口中。所述接收器结构可以包括一个或多个透镜和/或接收器波导。所述一个或多个透镜可以布置在芯片的外部和/或被配置为将光聚焦到接收器波导中。所述接收器波导可以布置在芯片上并且可以直接连接到相干检测器的第二输入端口。
所述装置还可以包括热控制器、温度传感器和/或加热器。所述热控制器可以布置在芯片的外部并且/或者电子耦合到发生器。所述温度传感器和/或所述加热器可以布置在芯片上或芯片下方。可以提供多个温度传感器和/或加热器。所述温度传感器可以被配置为测量周围环境的温度。所述温度传感器优选地与输出波导组件直接接触。具体地，所述温度传感器与输出波导组件的波导直接接触。例如，输出波导组件的一些分支或所有分支都设置有温度传感器。因此，可以同时测量输出波导组件的一个或多个分支的温度。
类似地，可以提供一个或多个加热器用于加热输出波导组件的各部分。每个加热器均可以与输出波导组件的一部分直接接触，并且可以被配置为生成用于加热输出波导组件的热量。一个加热器可以加热输出波导组件的一个或多个分支。优选的是，每个加热器加热输出组件的相应分支。具体地，每个加热器均与温度传感器的相应传感器相关联，使得每个加热器均可以基于使用相关联温度传感器检测到的温度来控制。
加热器和温度传感器(具体地，温度传感器和加热器)电子耦合到热控制器。可以提供加热器，以确保每个分支中的光学路径长度保持恒定。温度变化导致波导折射率经由材料热光系数发生变化，这进而更改光学路径长度，从而更改MZI臂之间的相对相位。热控制器相应地控制加热器，即，使得输出波导组件的每个分支中的光学路径长度保持恒定和/或相同。
输出波导组件可以包括2x2耦合器，而不是Y分支组合器。第一组合器可以为2×2耦合器。例如，耦合器的两个输出端口中的一个连接到输出组合器，而另一个输出端口耦合到控制光电检测器。类似地，第二组合器可以附加地或替代地为2×2耦合器。同样，耦合器的两个输出端口中的一个连接到输出组合器，而另一个输出端口耦合到控制光电检测器。
控制光电检测器可以被配置为上述光电检测器。控制光电检测器可以电子耦合到发生器。发生器可以根据控制光电检测器的测量结果来调整调制信号。
第一输入波导和/或第二输入波导可以包括输出分离器，其中输出分离器的输出端口耦合到控制光电检测器。分离器可以为Y分支分离器或定向耦合器。控制光电检测器也可以电子耦合到发生器，所述发生器可以根据控制光电检测器的测量结果来调整调制信号。
转向图1，用于外差干涉测量的装置100包括移频器102和发生器104。移频器102可以布置在芯片106上。发生器104可以布置在芯片106之外或外部。
移频器102可以包括光源107、输入波导105、输入波导组件109、相位调制器115、输出波导组件116、输出组合器120、第一输出波导122、第二输出波导124和/或相干检测器125。
光源107可以被配置为发射具有固定波长的相干光束。光源107可以为激光器。由光源107发射的光束被耦合到输入波导105中。例如，光源107直接连接到输入波导105。输入波导105可以耦合到(例如，直接连接到)输入波导组件109。输入波导组件109被配置和布置为将在输入波导105中传播的光束分离到相位调制器115。
输入波导组件109可以包括第一分离器110、第二分离器111和/或第三分离器112，它们各自可以包括Y分支分离器或定向耦合器。每个分离器110、111、112可以被配置为将入射光束分离成具有相同强度的两个相同光束。每个分离器110、111、112均可以独立于入射光束的波长工作。此外，输入波导组件109可以包括一个或多个波导，所述一个或多个波导连接相应的分离器110、111、112。
输入波导105可以耦合到第一分离器111。第一分离器110的输出端口可以耦合到第二分离器111。第一分离器110的另一输出端口可以耦合到第三分离器112。第二分离器111和第三分离器112的每个输出端口耦合到相应的相位调制器115。
相位调制器115通过输出波导组件116连接到输出组合器120，所述输出波导组件可以包括第一组合器117和/或第二组合器118。第一组合器117和/或第二组合器118可以为相干组合器，诸如Y分支组合器或定向耦合器。每个相位调制器115均耦合到第一组合器117和/或第二组合器118的输入端口。第一组合器117和/或第二组合器118的输出端口耦合到输出组合器120。输出波导组件116还可以包括将相位调制器115耦合到第一组合器117和/或第二组合器118并且/或者将第一组合器117和/或第二组合器118耦合到输出组合器120的波导。
输出组合器120的第一输出端口耦合到第一输出波导122，而输出组合器120的第二输出端口耦合到第二输出波导124。输出组合器120可以为相干组合器，诸如定向耦合器或50/50耦合器。
输出组合器120被配置为将在输出组合器120处相长干涉的光束引导/路由到第一输出波导122中，并将在输出组合器120处相消干涉的光束引导/路由到第二输出波导124中。在输出组合器120处相长干涉和相消干涉的光束来自相位调制器115并由所述相位调制器调制。为此，从每个相位调制器115到输出组合器120的光学路径长度可以相同。
输入波导组件109、相位调制器115和输出波导组件116可以形成两个马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。相位调制器115从发生器104接收调制信号。施加到第一相位调制器115的调制信号可以包括调制频率和调制相位。施加到第二相位调制器115的调制信号可以包括相同的调制频率和施加到第一相位调制器115的调制相位加上90°。施加到第三相位调制器115的调制信号可以包括与施加到第一相位调制器相同的调制频率乘以-1，以及施加到第一相位调制器编号115的相同调制相位。施加到第四相位调制器115的调制信号可以包括与施加到第一相位调制器相同的调制频率，但乘以-1(即，施加到第三相位调制器115的调制频率)，以及施加到第三相位调制器115的调制相位减去90°。
在第一输出波导122中传播的光束对应于探测光束并被发射到芯片106的周围环境。例如，可以使用一个或多个透镜将探测光束引导至样品119。样品119反向散射的光(即，反射或反向散射的探测光束)可以由接收器结构130收集，所述接收器结构可以部分地布置在芯片106上。
在第二输出波导124中传播的光束可以用作本地振荡器并耦合到相干检测器125。第二输出波导124可以直接连接到相干检测器125。在图1所描绘的实施方案中，相干检测器125包括接收器耦合器126和两个光电检测器128。第二输出波导124可以连接到接收器耦合器126的输入端口。接收器耦合器126的另一个输入端口可以连接到接收器结构130。
接收器耦合器126的输出端口各自耦合到光电检测器128，以提供平衡相干检测器。光电检测器128可以电子耦合到分析装置132，所述分析装置可以布置在芯片106的外部。分析装置132可以包括处理器和/或其他电子部件，用于分析由光电检测器128检测到的干涉图案。
接收器结构130可以包括一个或多个透镜，用于收集由样品119反向散射的光(探测光束)。接收器结构130还可以包括可以布置在芯片106上的波导。一个或多个透镜可以被配置为将从样品119反向散射的光引导/聚焦到接收器结构130的波导中。一个或多个透镜可以布置在芯片106的外部。
被引导到样品119上、被样品119反向散射并通过接收器结构130耦合到相干检测器125中的探测光束(即，在第一输出波导122中传播的光束)在光电检测器128上与参考光束发生干涉，所述参考光束对应于通过第二输出波导124传播的光束。这允许具有提供外差干涉测量的能力。
图1的实施方案可以附加地或替代地描述如下：光可以被馈送到激光输入波导105上的移频器102，并被第一分离器110分离到两条路径中。两条路径中的每一条均包括马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。每个马赫-曾德尔干涉仪均具有两个相位调制器115，每个臂中一个相位调制器，被异相驱动，并且每个马赫-曾德尔干涉仪均被配置为作为振幅调制器(或“MZI调制器”)操作。MZI调制器115中的每一个的驱动振幅被选择为产生抑制载波振幅调制，并且两个MZI调制器的驱动信号被选择为具有90度的相位差，使得一个MZI调制器产生的振幅调制与另一个MZI调制器115产生的振幅调制相差90度。相位差的影响是，例如，当由上MZI调制器产生的两个第一边带(第一上边带和第一下边带(参考输入光，其具有在调制频率下沿相反方向旋转的相位))彼此同相时，下MZI调制器的两个第一边带具有相反的相位。
在输出组合器120中组合两个振幅调制信号。如果从MZI调制器中的每一个到输出组合器120的光学延迟被适当地选择，则对于边带中的一个(例如，上边带ω+，如图1所示)，将在组合器120的第一输出(例如，上输出，如图1所示的)处发生相长干涉。由于当上边带同相时下边带ω-异相，因此它们在输出组合器120的第一输出处相消干涉，并且因此在输出组合器120的第二输出(例如，下输出)处相长干涉，如图所示。上边带光可以被传输(例如，发射到自由空间中进行感测，如在激光雷达应用中)，并且下边带光可以用作相干检测器125中的本地振荡器信号，用于检测所接收的反射光或反向散射光。
图2中描绘了装置100的另一实施方案，其与图1中描绘的装置100的实施方案具有相同的特征和/或特性，以下差异除外：
装置100还可以包括热控制器134、一个或多个温度传感器136、加热器138和/或控制光电检测器140。热控制器134可以布置在芯片106的外部并且可以包括一个或多个处理器。提供热控制器134用于维持相位调制器115与输出组合器120之间和/或输入波导105与相位调制器115之间的光学路径长度。所有温度传感器136和加热器138均电子耦合到热控制器134，但图2中未描绘。
一个或多个温度传感器136和/或加热器138与输出波导组件116一起提供。例如，输入波导组件109和/或输出波导组件116的一个、几个或所有分支可以设置有温度传感器136和/或加热器138。温度传感器136被配置为确定温度，而加热器138被配置为根据温度传感器136所测量的温度来加热输入波导组件109和/或输出波导组件116的部分。
在图2所描绘的实施方案中，第一组合器117和/或第二组合器118由2x2耦合器构成。第一组合器117和/或第二组合器118的一个输出端口各自耦合到输出组合器120。第一组合器117和/或第二组合器118的另一个输出端口各自耦合到控制光电检测器140。控制光电检测器140电子耦合到发生器104，所述发生器根据控制光电检测器140进行的测量来调整调制信号。
根据图2中描绘的实施方案的装置100还可以包括一个或多个输出分离器142，所述一个或多个输出分离器耦合到第一输出波导122和/或第二输出波导124。输出分离器142的一个输出端口可以耦合到附加控制光电检测器140，所述附加控制光电检测器也电子耦合到发生器104，但图2中未示出。耦合到第一输出波导122和/或者第二输出波导124的控制检测器140的测量可以附加地用于调整馈送到相位调制器115的调制信号。
由温度传感器136测量的温度可以被转发到发生器104。为此，温度传感器136可以直接耦合到发生器104，或者温度测量信号经由热控制器134转发到发生器104。调制信号也可以由发生器104根据温度传感器136所测量的温度进行调整。
图2的实施方案可以附加地或替代地描述如下：主动控制用于控制到达输出组合器120的两个振幅调制光信号的光相位差。例如，可以使用一个或多个温度传感器136和加热器138主动稳定温度。在一些实施方案中，MZI调制器中的每一个在其输出处具有2x2耦合器(而不是如图1所示的Y分支耦合器)，用于组合来自两个相位调制器115的光。在此类实施方案中，相位调制器115中的每一个具有两个输出(携带互补信号)，其中一个输出连接到输出组合器120。相位调制器115中的每一个的另一个输出可用作用于调谐RF驱动信号和热调谐器的反馈。

Claims (12)

1.一种用于外差干涉测量的移频器，其包括
芯片，
输入波导，所述输入波导被配置为引导光束，
至少四个相位调制器，所述至少四个相位调制器各自被布置为接收来自所述输入波导的所述光束并被配置为调制所述光束的相位，
输出组合器，所述输出组合器被布置为使由每个相位调制器调制的所述光束发生干涉，
第一输出波导，所述第一输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相长干涉的所述调制光束，以及
第二输出波导，所述第二输出波导耦合到所述输出组合器并被配置为接收在所述输出组合器处相消干涉的所述调制光束，
其中所述输入波导、所述相位调制器、所述输出组合器、所述第一输出波导和所述第二输出波导布置在所述芯片上。
2.根据权利要求1所述的移频器，其还包括第一分离器，所述第一分离器具有两个输出端口并且布置在所述输入波导与所述相位调制器之间，其中优选地，提供了四个相位调制器，并且其中进一步优选地，两个相位调制器形成马赫-曾德尔干涉仪的一部分，所述干涉仪分别耦合到所述第一分离器的输出端口。
3.根据权利要求1或2所述的移频器，其中所述第一输出波导被配置为将从所述输出组合器接收的所述调制光束发射到所述芯片的周围环境。
4.根据前述权利要求中任一项所述的移频器，其还包括具有第一输入端口和第二输入端口的相干检测器，所述相干检测器被配置为检测在所述输入端口和所述输出端口处耦合的光束的振幅和/或相位的差异，其中优选地，所述相干检测器布置在所述芯片上。
5.根据权利要求4所述的移频器，其中所述第二输出波导耦合到所述相干检测器的所述第一输入端口。
6.根据权利要求4或5所述的移频器，其中所述第二输入端口耦合到接收器结构，其中优选地，所述接收器结构至少部分地布置在所述芯片上，并且其中进一步优选地，所述接收器结构被配置为接收由所述第一输出波导发射并被所述芯片的所述周围环境反向散射的光。
7.一种用于外差干涉测量的装置，其包括
根据前述权利要求中任一项所述的移频器，以及
发生器，所述发生器耦合到所述相位调制器中的每一个并被配置为向述相位调制器中的每一个输出调制信号，所述调制信号定义所述相位调制，所述调制信号具有调制频率和调制相位，
其中所述发生器被配置为生成所述调制信号，使得至少两个调制光束在所述输出组合器处相消干涉。
8.根据权利要求7所述的装置，其中提供了四个相位调制器，其中优选地，所述发生器被配置为生成具有设定调制频率和设定相位的一个修改信号，具有所述设定调制频率和所述设定调制相位加上90°的一个修改信号，具有负设定调制频率和所述设定调制相位的一个修改信号，以及具有所述负设定调制频率和所述设定调制相位减去90°的一个修改信号。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其还包括热控制器、布置在将所述相位调制器耦合到所述输出组合器的输出波导组件处的温度传感器和/或布置在所述输出波导组件处的加热器，其中优选地，所述温度传感器被配置为测量所述输出波导组件的至少一部分并且/或者所述加热器被配置为加热所述输出波导组件的至少一部分，其中进一步优选地，所述热控制器基于由所述温度传感器检测到的所述温度来控制所述加热器，使得所述输出波导组件的光学路径长度保持恒定。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其还包括将所述相位调制器连接到所述输出组合器的输出波导组件，其中优选地，所述输出波导组件包括Y分支组合器和/或2×2耦合器，其中进一步优选地，所述2×2耦合器的第一输出耦合到所述输出组合器并且所述2×2耦合器的第二输出耦合到控制光电检测器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一输出波导和/或所述第二输出波导包括输出分离器，所述输出分离器的输出端口耦合到控制光电检测器。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述发生器基于由所述控制光电检测器输出的值来生成所述调制信号，并且/或者所述热控制器基于由温度传感器输出的值来控制所述加热器。
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