CN116601887A - 具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法 - Google Patents

具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种在光子集成电路(photonic integrated circuit,PIC)上实现的光学相干成像器，其通过利用偏振分集实现用于发射和接收光学信号的共享路径。本公开还提供一种包括光学相干感测单元阵列以简化成像器的设计和校准的光学相干成像器，以及用于通过光学相干成像器进行相干感测的方法。

Description

具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光 的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年2月9日提交的美国临时申请第63/147,733号的优先权的权益，出于所有目的，其全部内容通过引用并入本文。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在国家科学基金会所授予的编号为2015160的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本公开涉及一种具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法。更具体地，本公开涉及一种具有基于偏振分集的共享输入输出路径的光子集成电路和用于感测相干光的方法。
背景技术
光学相干成像器是一种有源成像系统，该系统包括光学探测器(本文称为“传感器”)阵列和光源(通常是例如激光器等相干光源)。光源用于目标照明以及提供用于光学相干检测(也称为光学外差检测)的本地振荡器(local oscillator,LO)的目的。这样的光学相干成像器可以用于包括三维(three dimensional,3D)频率调制连续波(frequencymodulated continuous wave,FMCW)激光雷达(Laser Radar,LIDAR)和光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)在内的应用中。被目标反射(或散射)并被成像器接收的照明光在此被称为接收到的光学目标信号，或简称为目标信号。
传统上，为了执行光学相干检测，光学相干成像器通过在由成像器的传感器执行检测之前使用体光学(bulk optics)在自由空间中将LO与目标信号相干地组合来操作。相反，具有基于光子集成电路(photonic integrated circuit,PIC)技术的检测传感器的光学相干成像器允许在光子芯片(在本公开中也称为PIC芯片)上混合LO和目标信号。更具体地，基于PIC的传感器包括相干感测单元的阵列，该阵列起到例如电荷耦合器件(chargecoupled device,CCD)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)图像传感器等传统检测阵列的有源检测像素的作用。代替在传统检测阵列中直接在像素处执行光电检测(photo-detection)，基于PIC的传感器的相干感测单元通过自由空间到波导耦合器将来自自由空间的目标信号耦合到PIC芯片上的多个波导中。然后，可以使用在PIC芯片上实现的各种光子部件来操纵和处理在波导中表现为波导模式的目标信号，包括使用2×2光学耦合器和由光电探测器进行的检测来进行与LO的相干混合。这里，LO可以通过耦合器将LO光引入PIC芯片而表现为波导模式。随着激光器在PIC芯片上的单片和异质集成的最新发展，光源甚至可以集成在基于PIC的传感器的同一PIC芯片上。
对于目标照明，有源成像器中通常使用两种方法：(1)全场照明和(2)利用扫描波束的有限场照明。
对于全场照明，目标场景被照明光淹没，使得传感器的整个瞬时视场(field-of-view,FOV)接收从场景反射或散射的光学信号。全场方法的优点包括高帧速率和简化的数据后处理输出格式，因为它使传感器能够像普通相机一样获取图像。全场方法的显著缺点是照明激光功率分布在大面积上，导致反射或散射回成像器传感器的每个感测单元的光子较少。因此，全场方法要求成像器传感器具有更高的灵敏度，这通常需要使用外来且昂贵的材料来制造传感器。由于例如眼睛安全等实际因素，全场方法还可能限制有源成像器在受最大照明激光功率限制的距离内操作。
对于利用扫描波束的有限场照明，通过使用某些扫描机制操纵激光波束，由照明激光波束扫描目标场景。在每个扫描位置，只有成像器传感器的有限FOV接收目标信号。该有限FOV取决于照明激光波束的光斑大小和成像器的成像光学器件。由于有限场照明方法中所使用的FOV较小，激光功率集中在较小的区域，导致成像器传感器在相应FOV处接收到更多的光子。因此，在给定相同的照明激光功率的情况下，有限场照明方法通常允许有源成像器在比全场照明方法更长的距离内操作。
对于利用基于PIC的传感器并以有限场照明方法操作的光学相干成像器，波束扫描机制可以在传感器的同一PIC芯片上实现，以降低成像器的制造成本。可在PIC芯片上实现的常见波束扫描机制包括光学相控阵(optical phased array,OPA)。然而，用于波束扫描机制的光子部件(本文称为“发射器”)通常在PIC芯片的与检测区域分离的区域中实现，该检测区域包括基于PIC的传感器的自由空间到波导耦合器(本文也称为“接收器”)。由于这种分离，发射器和接收器可能需要单独的光学系统，以便分别将照明光波束引导到目标，并且最大限度地将目标信号耦合到接收器。
在利用有限场照明的光学相干成像器中，可能希望发射器和接收器共享相同的光学系统，用于分别照明目标以及接收目标信号。甚至更希望的是，出射探测波束和入射目标信号的光路是相同的。这样的输入输出路径共享成像器的优点包括简化的光学系统和简化的发射器和接收器之间的校准。简化的光学系统可以通过使成像器能够更具体地仅向在波束扫描过程期间从目标接收信号的那些相干感测单元供应LO光来导致激光功率的更有效使用。
参考文献
1.Lawrence C.Gunn,III、Thierry J.Pinguet、Maxime J.Rattier和JeremyWitzens于2003年12月12日提交的美国专利号第7,006,732B2号“偏振分路光栅耦合器”(Lawrence C.Gunn,III,Thierry J.Pinguet,Maxime J.Rattier,and Jeremy Witzens,“POLARIZATION SPLITTING GRATING COUPLERS,”U.S.Patent No.7,006,732B2,filedDec.12,2003)。
2.2014年《光学快报》第22卷第27175-27182页Bing Shen、Peng Wang、RandyPolson和Rajesh Menon的“用于高效紧凑自由空间到波导耦合的集成超材料”(Bing Shen,Peng Wang,Randy Polson,and Rajesh Menon,“Integrated metamaterials forefficient and compact free-space-to-waveguide coupling,”Optics Express,Vol.22,pp.27175-27182(2014))。
3.2011年《光学快报》第36卷第6期第796-798页Xia Chen和Hon K.Tsang，的“用于绝缘体上硅纳米光子波导的偏振无关光栅耦合器”(Xia Chen and Hon K.Tsang,“Polarization-independent grating couplers for silicon-on-insulatornanophotonic waveguides,”Optics Letters,Vol.36,No.6,pp.796-798(2011))。
4.2015年《科学报告》第5期第17532页Junming Zhao,Lianhong Zhang,JensenLi,Yijun Feng,Any Dyke,Sajad Haq和Yang Hao的“基于场变换方法的广角多倍频程宽带波片”(Junming Zhao,Lianhong Zhang,Jensen Li,Yijun Feng,Any Dyke,Sajad Haq,andYang Hao,“AWide-angle Multi-Octave Broadband Waveplate Based on FieldTransformation Approach,”Scientific Reports,5,17532(2015))。
5.2019年《光波技术杂志》第37卷第5期第1463页Paolo Pintus、Duanni Huang、Paul Adrian Morton、Yuya Shoji、Tetsuya Mizumoto、John E.Bowers的“通过Ce:YIG键合的硅光子中的宽带TE光隔离器和环形器”(Paolo Pintus,Duanni Huang,Paul AdrianMorton,Yuya Shoji,Tetsuya Mizumoto,John E.Bowers,“Broadband TE OpticalIsolators and Circulators in Silicon Photonics Through Ce:YIG Bonding,”Journal of Lightwave Technology,Vol.37,No.5,p.1463(2019))。
发明内容
本公开提供一种在光子集成电路(PIC)上实现的光学相干成像器，其通过利用偏振分集实现用于发射和接收光学信号的共享路径。本公开还提供一种包括光学相干感测单元阵列以简化成像器的设计和校准的光学相干成像器，以及用于通过光学相干成像器进行相干感测的方法。
在一方面，本公开提供一种光学相干传感器，该光学相干传感器包括多个相干感测单元和设置在相干感测单元上的偏振变换器。每个相干感测单元包括：偏振分集光学耦合器，其能够将具有第一偏振态的光学信号引导到自由空间和第一波导以及从自由空间和第一波导引导具有第一偏振态的光学信号，并且能够将具有第二偏振态的光学信号引导到自由空间和第二波导以及从自由空间和第二波导引导具有第二偏振态的光学信号；一个或更多个2×2光学耦合器，其通过第一波导和第二波导中的至少一个来光学耦合到偏振分集光学耦合器；以及一个或更多个光电探测器，其光学耦合到2×2光学耦合器。
在一个实施例中，偏振分集光学耦合器包括第一子耦合器和第二子耦合器。
在一个实施例中，第一子耦合器和第二子耦合器中的一个子耦合器是偏振相关的，其与预定偏振态的光学信号最佳地耦合，并且其中，第一子耦合器和第二子耦合器中的另一子耦合器是偏振无关的，其与任何偏振态的光学信号最佳地耦合。
在一个实施例中，第二子耦合器设置在第一子耦合器上并且与第一子耦合器垂直分离。
在一个实施例中，第一子耦合器和第二子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。
在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器和第二子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器和第二子耦合器上。
在一个实施例中，偏振变换器包括至少一个偏振相关分束器。
在一个实施例中，偏振变换器包括一个或更多个偏振转换器，其将线性偏振的光学信号旋转预定角度。
在一个实施例中，至少一个偏振转换器是法拉第旋转器。
在一个实施例中，偏振变换器包括一个或更多个四分之一波片。
在一个实施例中，偏振分集光学耦合器还包括第三子耦合器。在一个实施例中，第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。
在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并且将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器中的两个子耦合器上。
在一个实施例中，偏振分集光学耦合器还包括第四子耦合器。
在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器、第二子耦合器、第三子耦合器和第四子耦合器中的两个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并且将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器、第二子耦合器、第三子耦合器和第四子耦合器中的两个子耦合器上。
在另一方面，本公开提供了一种光学相干成像器，其包括上述光学相干传感器和包括多个透镜的成像光学系统，其中，成像光学系统被设置为使得光学相干传感器位于成像光学系统的成像平面附近。
在又一方面，本公开提供了一种用于光学相干成像的方法，包括：从光学相干成像器沿着一个或更多个光路向一个或更多个目标分别发射一个或更多个出射光学信号，一个或更多个光路分别对应于光学相干成像器的一个或更多个视场位置；由光学相干成像器沿着光路接收从出射光学信号照明的目标反射的一个或更多个入射光学信号；由光学相干成像器的偏振变换器，将每个入射光学信号转换为具有第一偏振态的第一光学分量和具有第二偏振态的第二光学分量，其中，第一偏振态与第二偏振态正交；以及由光学相干成像器的光学相干传感器上的一个或更多个偏振分集光学耦合器，将入射光学信号的第一光学分量和第二光学分量引导到光学相干传感器的一个或更多个光电探测器，以便在光学相干成像器的每个视场位置处利用本地振荡器光来执行外差检测，从而确定视场位置处的目标的信息。
在一个实施例中，发射出射光学信号包括：从光源产生一个或更多个源光学信号；由偏振分集光学耦合器将源光学信号转换为出射光学信号，其中，每个出射光学信号具有第一发射偏振态；以及从偏振分集光学耦合器发射出射光学信号。
在一个实施例中，在从偏振分集光学耦合器发射出射光学信号之后，该方法还包括由光学相干成像器的偏振变换器将每个出射光学信号从第一发射偏振态变换为第二发射偏振态。
在一个实施例中，转换入射光学信号包括将每个入射光学信号的第一偏振态旋转第一预定偏振角，并将每个入射光学信号的第二偏振态旋转第二预定偏振角。
在一个实施例中，转换入射光学信号包括根据第一偏振态和第二偏振态在空间上移位每个入射光学信号的第一分量和第二分量中的至少一个，使得第一分量和第一分量分别入射在每个偏振分集光学耦合器中的第一子耦合器和第二子耦合器上。
附图说明
本领域技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，而不旨在限制所公开主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，所公开主题的各个方面可以在附图中被夸大或放大地示出，以便于理解不同的特征。
图1A示出根据本公开实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图。
图1B示出根据本公开实施例的偏振分集自由空间到波导耦合器的透视图。
图2示出根据本公开另一实施例的偏振分集自由空间到波导耦合器的透视图。
图3示出根据本公开再一实施例的偏振分集自由空间到波导耦合器的透视图。
图4A示出根据本公开实施例的用于内耦合光学信号的偏振分离配置的侧视图。
图4B示出用于外耦合光学信号的图4A中的偏振分离配置的侧视图。
图4C示出用于内耦合和外耦合光学信号的图4A中的偏振分离配置的侧视图。
图5A示出根据本公开实施例的通过法拉第效应所实现的偏振变换配置的透视图。
图5B示出图5A中的光学信号的偏振态的俯视图。
图5C示出根据本公开实施例的结合图5A中的偏振变换配置和图4C中的偏振分离配置的偏振变换分离配置的侧视图。
图6A示出根据本公开另一实施例的通过四分之一波片所实现的偏振变换配置的透视图。
图6B示出图6A中的光学信号的偏振态的俯视图。
图6C示出根据本公开另一实施例的结合图6A中的偏振变换配置和图4C中的偏振分离配置的偏振变换分离配置的侧视图。
图7A示出根据本公开另一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图。
图7B示出根据本公开又一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图。
图8示出根据本公开再一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图。
图9示出根据本公开又一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图。
图10A示出根据本公开实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器的俯视图。
图10B示出图10A中所示的耦合器的透视图。
图10C示出根据本公开实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图10D示出用于内耦合光学信号的图10C中所示的配置的侧视图。
图10E示出图10C中的光学信号的偏振态的俯视图。
图10F示出图10D中的光学信号的偏振态的俯视图。
图11A示出根据本公开另一实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器的透视图。
图11B示出根据本公开另一实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图11C示出用于内耦合光学信号的图11B中所示的配置的侧视图。
图11D示出图11B中的光学信号的偏振态的俯视图。
图11E示出图11C中的光学信号的偏振态的俯视图。
图12A示出根据本公开再一实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图12B示出用于内耦合光学信号的图12A中所示的配置的侧视图。
图12C示出图12A中的光学信号的偏振态的俯视图。
图12D示出图12B中的光学信号的偏振态的俯视图。
图13A示出根据本公开再一实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器的俯视图。
图13B示出图13A中所示的耦合器的透视图。
图13C示出根据本公开又一实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图13D示出图13C中所示的配置的另一侧视图。
图13E示出用于内耦合光学信号的图13C中所示的配置的侧视图。
图13F示出图13E中所示的配置的另一侧视图。
图13G示出图13C和图13D中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。
图13H示出图13E和图13F中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。
图14示出根据本公开实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元的平面图，其中，发射的光学信号的偏振是可调节的。
图15A示出根据本公开实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器的俯视图。
图15B示出图15A中所示的耦合器的透视图。
图15C示出根据本公开实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图15D示出图15C中所示的配置的另一侧视图。
图15E示出图15C和图15D中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。
图15F示出用于内耦合光学信号的图15C中所示的配置的侧视图。
图15G示出图15F中所示的配置的另一侧视图。
图15H示出图15F和图15G中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。
图16A示出根据本公开另一实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器的俯视图。
图16B示出图16A中所示的耦合器的透视图。
图16C示出根据本公开另一实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图16D示出用于内耦合光学信号的图16C中所示的配置的侧视图。
图16E示出图16C中的光学信号的偏振态的俯视图。
图16F示出图16D中的光学信号的偏振态的俯视图。
图17A示出根据本公开再一实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器的透视图。
图17B示出根据本公开再一实施例的偏振变换分离配置的侧视图，该偏振变换分离配置与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。
图17C示出用于内耦合光学信号的图17B中所示的配置的侧视图。
图17D示出图17B中的光学信号的偏振态的俯视图。
图17E示出图17C中的光学信号的偏振态的俯视图。
图18A示出根据本公开实施例的相干光学传感器的平面图。
图18B示出根据本公开实施例的相干感测阵列的一行相干感测单元。
图19A示出根据本公开另一实施例的相干光学传感器的平面图。
图19B示出根据本公开实施例的相干感测单元组的平面图。
图20A示出根据本公开再一实施例的相干光学传感器的平面图。
图20B示出根据本公开另一实施例的相干感测单元组的平面图。
图20C示出根据本公开实施例的基于马赫·曾德尔干涉仪的光学开关的平面图。
图21A示出根据本公开实施例的光学相干成像器的侧视图。
图21B示出图21A中的成像器在最终像平面附近的特写视图。
图21C示出图21B中的光学相干成像器的视场上的最终像平面上的示例普通射线和非常射线的偏振图。
图22A示出根据本公开另一实施例的光学相干成像器的侧视图。
图22B示出根据本公开实施例的传播通过实现角位移的偏振相关分束器的光线和传播通过实现横向位移的偏振相关分束器的光线的侧视图。
图23示出根据本公开实施例的使用偏振分集来实现用于发射和接收光学信号的共享路径的光学相干成像的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述包括说明本公开实施例的系统、方法、技术和指令序列。在以下描述中，出于解释的目的，提出许多具体细节，以便提供对本发明主题的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可以在具有或不具有这些特定细节的情况下实践本发明主题的实施例。通常，本领域技术人员熟知的指令实例、协议、结构和技术不一定详细示出。
图1A示出根据本公开实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元100的平面图。多个相干感测单元100可以用于形成光学相干成像器的相干传感器阵列。图1B示出根据本公开实施例的相干感测单元100的偏振分集自由空间到波导耦合器101的透视图。相干感测单元100可以使用光子集成电路(PIC)技术在光子衬底上实现。光子衬底的表面可以由图1A和图1B中所示的坐标系的x轴和y轴所跨越的平面来表示。光子衬底上所实现的相干感测单元100的光子部件可以被镀层(cladding)覆盖，也可以不被镀层所覆盖。这样的部件也可以嵌入或可以不嵌入镀层中。为了简单起见，图1A和图1B以及本公开的其他图中没有示出光子衬底和镀层。此外，在本公开的以下描述中，要由光学相干成像器检测的目标被认为位于沿着正z方向远离衬底表面的位置，并且如果适用的话，位于衬底表面之上的任何光学部件处。为了简单起见，附图中没有明确地示出目标。
PIC芯片上有各种常见的光子波导设计，包括但不限于脊形波导(ridgewaveguide)、肋形波导(rib waveguide)、埋层波导(buried waveguide)和狭缝波导(slotwaveguide)。根据一些实施例，本公开的相干感测单元100的波导可以根据图1A和图1B中所示的实施例中的坐标系被制造成沿z方向的尺寸小于x-y平面上的尺寸，并且被制成支持各种波导模式，包括但不限于横向电(transverse electric,TE)模式、横向磁(transversemagnetic,TM)模式以及TE和TM模式。这里，TE模式可以指具有横向于模式的传播方向和波导所在的光子衬底的表面的主导电场分量的波导模式，而TM模式可以指具有横向于模式的传播方向和波导所在的光子衬底的表面的主导磁场分量的波导模式。本领域技术人员应该熟悉波导这样的常见设计以及这些波导所支持的各种模式。
参考图1A，光源信号ES可以通过波导121提供给相干感测单元100，而本地振荡器(LO)ELO可以通过波导123提供给相干传感单元100。光源信号ES和LO ELO可以来自同一光源，也可以不来自同一光源，其中，光源可以在包括相干感测单元100的同一PIC芯片上实现，也可以不在包括相干感测单元100的同一PIC芯片上实现。根据一些实施例，通过耦合在包括相干感测单元100的PIC芯片的波导中产生ES和ELO的光源(或多个光源)的系统和方法的适当设计，可以使光源信号ES在波导121中表现为基本TE模式，并且可以使LO ELO在波导123中表现为基本TE模式。这样的设计对于本领域技术人员来说是众所周知的。根据其他实施例，可以有意地使光源信号ES在波导121中表现为除基本TE模式之外的TM模式或TE模式。类似地，根据一些实施例，可以有意地使LO ELO在波导123中表现为除基本TE模式之外的TM模式或TE模式。
在图1A中，偏振分集自由空间到波导耦合器101(为了简单起见，下文称为耦合器101)可以同时用作发射器和接收器。它是连接到波导121和122的双波导耦合器，其中，波导121的主要作用是将信号光引导到耦合器101，而波导122的主要作用则是接收来自耦合器101的内耦合光，即使根据一些实施例，来自耦合器101的内耦合光也可以被引导到波导121。因此，关于耦合器101，波导121可以被视为外耦合波导，而波导122可以被视为内耦合波导。偏振分集自由空间到波导耦合器101的区别特征是当到达耦合器101的入射光学信号(图1A中的Ein)的偏振态与从耦合器101输出的出射光学信号(图1A中为Eout)的偏振态正交时，入射光学信号可以被内耦合并且被引导到内耦合波导(图1A中的波导122)，该内耦合波导不同于外耦合波导(图1A中的波导121)。在此处和下文中，自由空间可以指真空、空气、耦合器表面上方的区域，或者具有长度尺度比在其中传播的光学信号的波长大得多(例如，至少10倍)的边界的任何同质介质。
作为发射器，耦合器101可以将来自波导121的光源信号ES作为出射光学信号Eout耦合到自由空间中，该出射光学信号Eout可以用于光学相干成像器的目标照明。耦合器101输出的出射光学信号Eout在x-y平面外的方向上传播(即，Eout的传播方向具有非零z分量)，并且以耦合器101的设计所确定的偏振进行偏振。根据一些实施例，根据耦合器101的设计所定义的坐标系，偏振可以是一对正交线性偏振中的一个，其中，坐标系可以与图1A和图1B中所示的x轴、y轴和z轴所定义的坐标系相同，也可以不同。根据其他实施例，偏振可以是一对正交偏振而不是一对线性偏振中的一个，例如但不限于右圆偏振和左圆偏振以及两个正交椭圆偏振。
作为接收器，耦合器101可以将入射光学信号Ein耦合到相干感测单元100中。入射光学信号Ein本质上是来自先前描述的目标(或目标信号)的光学信号。耦合器101所耦合的入射光学信号Ein可以被引导到波导121和122中的一个或两个，这取决于入射光学信号Ein的偏振态。耦合到波导121和122的入射光学信号Ein的偏振分量取决于耦合器101的设计。根据一些实施例，与出射光学信号Eout的偏振正交的入射光学信号Ein的第一偏振分量可以作为内耦合光学信号Ein(wg)1被引导到波导122，并且与入射光学信号Ein的第一偏振正交的入射光学信号Ein的第二偏振分量可以作为内耦合光学信号Ein(wg)2被引导到波导121。下面将参考图1B描述关于内耦合到耦合器101的两个偏振分量的更多细节。内耦合光学信号Ein(wg)1可以由相干感测单元100的其余电路来处理。在图1A中，内耦合光学信号Ein(wg)2在与光源信号ES的传播方向相反的方向上传播。根据一些实施例，内耦合光学信号Ein(wg)2可以无人看管，而不会影响包括感测单元100的PIC芯片的其他部分。根据一些实施例，例如但不限于图7A中所示的实施例，内耦合光学信号Ein(wg)2可以由包括感测单元700的PIC芯片的一些其他部分来处理。
在图1A中，尽管耦合器101被绘制为单个实体，但是耦合器101可以包括单个光子部件或多个光子部件。在一些方面，耦合器101可以通过偏振分路自由空间到波导耦合器来实现。偏振分路自由空间到波导耦合器的示例包括但不限于，美国专利第7,006,732号“偏振分路光栅耦合器(POLARIZATION SPLITTING GRATING COUPLERS)”中所述的偏振分路光栅耦合器，以及2014年《光学快报》第22期第27175-27182页“用于高效紧凑自由空间到波导耦合的集成超材料”(“Integrated metamaterials for efficient and compact free-space-to-waveguide coupling,”Optics Express 22,27175-27182(2014))中所述的基于超材料的偏振分路自由空间到波导耦合。偏振分路自由空间到波导耦合器的其他示例可以包括但不限于通过等离子体效应或光子微/纳米结构或两者所实现的偏振分路自由空间到波导耦合器。耦合器101的其他实施例在如下所述的图2和图3中示出。根据一些实施例，耦合器101还可以包括TE-TM模式转换器、分路器和组合器中的任何一个。在一些方面中，耦合器101可以包括单层光子材料。在其他方面，耦合器101可以包括多层光子材料，其中，不同层的光子材料可以相同或不同。
参考图1B，根据一些实施例，朝向耦合器101传播的光源信号ES可以在波导121中表现为横向电(TE)模式。作为示例，图1B中的光源信号ES以沿着x方向的主导电场分量向负y方向传播。耦合器101然后可以将光源信号ES耦合到自由空间中，以产生出射光学信号Eout，该出射光学信号Eout根据耦合器101的设计所确定的偏振进行偏振。例如，出射光学信号Eout可以沿着图1B中的x方向被线性偏振。在一些情况下，出射光学信号Eout可以在垂直于衬底表面的方向上传播。例如，如图1B中所示的Eout在z方向上传播。在其他情况下，出射光学信号Eout可以在不垂直于衬底表面的方向上传播，也就是说，Eout可以相对于衬底表面在倾斜角度的方向上传播。
如图1B中所示，入射光学信号Ein可以包括以下两个正交偏振分量中的一个或两个：第一偏振分量Ein1和第二偏振分量Ein2。应当理解，当入射光学信号Ein仅包括第一偏振分量Ein1时，第二偏振分量Ein2的振幅为零，反之亦然。耦合器101可以这样设计，即第一偏振分量Ein1可以像内耦合光学信号Ein(wg)1那样内耦合并被引导到波导122，其中，第一偏振分量Ein1与出射光学信号Eout的偏振正交。类似地，耦合器101可以被这样设计，即第二偏振分量Ein2可以像内耦合光学信号Ein(wg)2那样内耦合并被引导到波导121，该内耦合光学信号Ein(wg)2在与光源信号ES的传播方向相反的方向上传播。内耦合并且被引导到波导122的第一偏振分量Ein1与出射光学信号Eout的偏振正交，而内耦合并且被引导到波导121的第二偏振分量Ein2与第一偏振Ein1正交。第二偏振Ein2可以与出射光学信号Eout的偏振相同，也可以不相同(达到比例因子)，因为出射光学信号Eout和入射光学信号Ein可以沿着相同或不同的方向传播。被耦合到波导121和122的入射光学信号Ein的特定偏振分量取决于耦合器101的设计。
根据一些实施例，耦合器101可以被设计为根据优选偏振基最佳地内耦合光学信号，该优选偏振基被称为耦合偏振基。根据一些实施例，耦合偏振基的分量之一可以与耦合器101所输出的出射光学信号Eout的偏振相同。如图1B中所示，例如，耦合偏振基可以是线性偏振基(例如，x偏振和y偏振)，并且耦合器101可以内耦合入射光学信号Ein的第一线性偏振分量Ein1(例如，沿着y方向偏振)，并将其引导到波导122，其中，第一线性偏振分量Ein1与线性偏振的出射光学信号Eout的偏振(例如，x方向)正交，并且位于与耦合偏振基的第一分量(即，y方向)平行的平面(例如，y-z平面)上。类似地，根据线性偏振基，耦合器101可以内耦合入射光学信号Ein的第二线性偏振分量Ein2(例如，沿着图1B中的x-z平面上的方向)，并将其引导到波导121，其中，第二线性偏振分量Ein2位于与线性偏振的出射光学信号Eout的偏振(即，x方向)和耦合偏振基的第二分量(即，x方向)平行的平面(即，x-z平面)上，并且第二偏振Ein2与第一偏振Ein1正交。
耦合器101可以耦合来自自由空间的入射光学信号分量Ein1，以在波导122中产生内耦合光学信号Ein(wg)1。根据一些实施例，内耦合光学信号Ein(wg)1可以在波导122中表现为TE模式。作为示例，内耦合光学信号Ein(wg)1以沿着y方向的主导电场分量向图1B中的正x方向传播。类似地，耦合器101可以耦合来自自由空间的入射光学信号分量Ein2，以在波导121中产生内耦合光学信号Ein(wg)2。根据一些实施例，内耦合光学信号Ein(wg)2可以在波导121中表现为TE模式。作为示例，内耦合光学信号Ein(wg)2以沿着x方向的主导电场分量向图1B中的正y方向传播。
在一些方面，波导122中的内耦合光学信号Ein(wg)1(如果存在)可以表现为单个波导模式。根据一些实施例，单个波导模式可以是基本TE模式。根据其他实施例，单个波导模式可以是基本TM模式。根据进一步的实施例，单个波导模式可以是除基本TE模式或基本TM模式之外的模式。在其他方面，波导122中的内耦合光学信号Ein(wg)1(如果存在)可以表现为多个波导模式的组合。
类似地，在一些方面，波导121中的内耦合光学信号Ein(wg)2(如果存在)可以表现为单个波导模式。根据一些实施例，单个波导模式可以是基本TE模式。根据其他实施例，单个波导模式可以是基本TM模式。根据进一步的实施例，单个波导模式可以是除基本TE模式或基本TM模式之外的模式。在其他方面，波导121中的内耦合光学信号Ein(wg)2(如果存在)可以表现为多个波导模式的组合。
尽管耦合器101旨在将光学信号的正交偏振分量分离成两个单独的波导121和122，但在耦合器101的一些实施例中可能发生交叉耦合并不罕见。例如，参考图1B，即使入射光学信号Ein可以沿着与Eout的偏振正交的方向线性偏振，并且位于平行于线性偏振基的第一分量的平面上(例如，入射光学信号是Ein1)，除了被引导到波导122的Ein的部分之外，还可以将Ein的非零部分引导到波导121。类似地，对于一些实施例，即使入射光学信号Ein可以沿着位于与Eout的偏振和线性偏振基的第二分量平行的平面上的方向线性偏振(例如，入射光学信号是Ein2)，除了被引导到波导121的Ein的部分之外，Ein的非零部分也可以被引导到波导122。此外，对于一些实施例，除了由耦合器101耦合到自由空间作为出射光学信号Eout的ES的部分之外，波导121中的ES的非零部分可以通过耦合器101直接传播到波导122。这样的交叉耦合可以被认为是耦合器101的设计的缺陷。根据一些实施例，耦合器101可以被设计为最大化各个偏振分量与其意向波导的耦合，同时可以最小化交叉耦合。
根据一些实施例，入射光学信号Ein可以在耦合器101的表面上的空间位置处被耦合到耦合器101，该空间位置与从耦合器101发射的出射光学信号Eout的空间位置相同，即使Eout和Ein被绘制在图1B中的耦合器101的表面上的不同空间位置处。根据其他实施例，入射光学信号Ein可以在耦合器101的表面上的空间位置处被耦合到耦合器101，该空间位置不同于从耦合器101发射的出射光学信号Eout的空间位置。
在一些方面，耦合器101可以将出射光学信号Eout发射到自由空间中，并且同时将入射光学信号Ein耦合到感测单元100中。在其他方面，耦合器101可以将出射光学信号Eout发射到自由空间中，并且在不同时间将入射光学信号Ein耦合到感测单元100中。通常，光学信号Ein和Eout可以沿着相同或不同的方向传播，尽管图1B中的光学信号Ein和Eout被绘制为沿着不同的方向传播。
返回参考图1A，部件102是2×2光学耦合器，其混合来自波导122的内耦合光学信号Ein(wg)1和来自波导123的LO ELO，并将混合信号分路并引导到波导124和125。2×2光学耦合器102的实施例包括但不限于定向耦合器和多模干涉仪(multi-mode interferometer,MMI)。2×2光学耦合器102的混合和分路比取决于耦合器102的设计。在某些方面，2×2光学耦合器102可以具有50/50的分路比。在其他方面，2×2光学耦合器102可以具有除50/50之外的分路比。
在一些方面，波导122中传播的内耦合光学信号Ein(wg)1和波导123中传播的LO ELO可以表现为相同的波导模式。在其他方面，波导122中传播的内耦合光学信号Ein(wg)1和波导123中传播的LO ELO可以表现为不同的波导模式。根据一些实施例，当波导122中传播的内耦合光学信号Ein(wg)1和波导123中传播的LO ELO表现为不同的波导模式时，2×2光学耦合器102可以在其一个或两个输入端口(即，波导122和123)处另外包括一个或更多个模式转换器，以便将波导122中传播的内耦合光学信号Ein(wg)1和波导123中传播的LO ELO中的一个或两者转换表现为相同的波导模式。根据其他实施例，2×2光学耦合器102可以不包括这样的模式转换器，并且仍然可以混合、分路和引导波导122中传播的内耦合光学信号Ein(wg)1和波导123中传播的LO ELO，其表现为不同的波导模式。
在图1A中，部件103是接收并检测来自波导124的光学信号的平方律光电探测器(响应于与其电场的平方成比例的光学信号的功率)。类似地，在图1A中，部件104是接收并检测来自波导125的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，2×2光学耦合器102可以是50/50 2×2光学耦合器，并且耦合器102与光电探测器103和104一起可以形成平衡的光学外差检测设置。根据一些实施例，光电探测器103和104中的一个光电探测器可以从相干感测单元100中被省略，其中，另一个剩余的光电探测器与耦合器102(其可以是50/50耦合器，也可以不是)一起可以形成单一探测器光学外差检测设置。
根据一些实施例，光电探测器103和104可以表现为具有连接到波导124和125的两个光学输入的单个组合光电探测器。具有两个光学输入的组合光电探测器可以测量来自两个输入的光学信号的强度、强度之和与强度之差中的任何一个或更多个。
根据一些实施例，光电探测器103和104可以连接到输出电子电路，该输出电子电路包括电子部件，例如但不限于用于处理光电探测器103和104的电气输出的跨阻抗放大器(transimpedance amplifier,TIA)、晶体管、二极管、电阻器、电容器和电开关中的任何一个或更多个。该输出电子电路在图1A中未示出。
在图1A中，相干感测单元100可以包括未明确示出的部件，包括但不限于用于相位、振幅、频率、波长和时间控制中的任何一个或更多个的电光部件和热光部件中的任何一个或更多个。
图2示出根据本公开另一实施例的偏振分集自由空间到波导耦合器200的透视图。耦合器200包括PIC芯片的不同层上实现的两个子耦合器201和202。根据一些实施例，两个子耦合器201或202中的一个子耦合器可以被设计为最佳地耦合具有特定偏振态的光学信号，而另一子耦合器可以被设计为最佳地耦合具有相应正交偏振态的光学信号。例如，子耦合器201可以被设计为最佳地耦合沿着特定方向(例如，沿着x方向)线性偏振的入射或出射光学信号E1，而子耦合器202可以被设计为最佳地耦合沿着与E1的偏振正交的方向(例如，沿着y方向)线性偏振的入射或出射光学信号E2。子耦合器201和202可以对准于或者可以不对准于相同的x-y位置。
参考图2，子耦合器201可以是自由空间到波导耦合器，例如但不限于光栅耦合器，其可以与根据偏振(例如，沿着x方向的线性偏振)偏振的光学信号E1最佳地耦合，并且可以与根据与E1的偏振正交的偏振(例如，沿着y方向的线性偏振)偏振的光学信号E2最小地耦合。类似地，子耦合器202可以是自由空间到波导耦合器，例如但不限于光栅耦合器，其可以与根据偏振(例如，沿着y方向的线性偏振)偏振的光学信号E2最佳地耦合，并且可以与根据与E2的偏振正交的偏振(例如，沿着x方向的线性偏振)偏振的光学信号E1最小地耦合。子耦合器201和202可以是或可以不是相同的设计。通常，与子耦合器201和202中的一个子耦合器最佳地耦合且与另一子耦合器最小地耦合的一对正交偏振光学信号E1和E2可以是一对正交线性偏振、右圆偏振和左圆偏振以及一对正交椭圆偏振中的任何一个。
在图2中，为了说明的目的，正交光学信号E1和E2绘制在子耦合器201和202的表面上的不同空间位置处。通常，子耦合器201可以在子耦合器201的表面上的相同空间位置处或不同空间位置处与光学信号E1最佳地耦合，并且与E2最小地耦合。类似地，通常，子耦合器202可以在子耦合器202的表面上的相同空间位置处或不同空间位置处与光学信号E2最佳地耦合，并且与E1最小地耦合。
在图2中，光学信号E1和E2被绘制为沿着垂直于衬底表面平面的方向(即，沿着z方向)传播。通常，光学信号E1和E2可以沿着可垂直于或可不垂直于衬底表面平面的方向传播。此外，光学信号E1和E2可以沿着不同的方向传播，尽管在图2中，光学信号E1和E2被绘制为沿着相同的方向传播。
在图2中，子耦合器201和202之间的交叉耦合可以通过在它们之间选择适当的垂直间隔299来最小化。垂直间隔299可以通过在子耦合器201和202之间设置厚度为50纳米至5毫米的光子材料层(或气隙)来形成。通常，间隔299的选择可以取决于因素组合，包括但不限于PIC技术、制造工艺、在子耦合器201和202之间使用的光子材料、信号E1的波长、信号E2的波长、子耦合器201的设计以及子耦合器202的设计。
根据一些实施例，子耦合器201可以包括单层光子材料。根据其他实施例，子耦合器201可以包括多层光子材料，其中，不同层的光子材料可以相同，也可以不同。类似地，根据一些实施例，子耦合器202可以包括单层光子材料。根据其他实施例，子耦合器202可以包括多层光子材料，其中，不同层的光子材料可以相同，也可以不同。
根据一些实施例，为了在图1A中的相干感测单元100中使用，图2中的子耦合器201可以被用作发射器，而图2中的子耦合器202可以被用作接收器，其中，作为发射器的子耦合器201离目标更远，而作为接收器的子耦合器202离目标更近。在这样的情况下，图2中的波导221可以与图1A中作为外耦合波导的波导121相同，或等同地连接到作为外耦合波导的波导121，而图2中的波导222可以与图1A中作为内耦合波导的波导122相同，或等同地连接到作为内耦合波导的波导122。根据其他实施例，为了在图1A中的相干感测单元100中使用，图2中的子耦合器201可以用作接收器，而图2中的子耦合器202可以用作发射器，其中，作为接收器的子耦合器201离目标更远，而作为发射器的子耦合器202离目标更近。在这样的情况下，图2中的波导221可以与图1A中作为内耦合波导的波导122相同，或等同地连接到作为内耦合波导的波导122，而图2中的波导222可以与图1A中作为外耦合波导的波导121相同，或等同地连接到作为外耦合波导的波导121。
图3示出根据本公开再一实施例的偏振分集自由空间到波导耦合器300的透视图。耦合器300包括两个子耦合器301和302，这两个子耦合器301和302被实现为PIC芯片的同一层上的两个单独的耦合器。根据一些实施例，两个子耦合器中的一个子耦合器可以被设计为与具有偏振态的光学信号最佳地耦合，而另一子耦合器则可以被设计为与具有另一偏振态的光学信号最佳地耦合。根据一些实施例，这两个偏振态可以彼此正交。根据其他实施例，这两个偏振态可以彼此不正交。例如，子耦合器301可以被设计为与沿着x方向线性偏振的光学信号E1最佳地耦合，而子耦合器302可以被设计为与沿着y方向线性偏振的光学信号E2最佳地耦合。
参考图3，子耦合器301可以是自由空间到波导耦合器，例如但不限于光栅耦合器，其可以与根据特定偏振(例如，沿着x方向的线性偏振)偏振的光学信号E1最佳地耦合，并且与具有与E1的偏振正交的偏振(例如，沿着y方向的线性偏振)的光学信号最小地耦合。类似地，子耦合器302可以是自由空间到波导耦合器，例如但不限于光栅耦合器，其可以与根据特定偏振(例如，沿着y方向的线性偏振)偏振的光学信号E2最佳地耦合，并且与具有与E2的偏振正交的偏振(例如，沿着x方向的线性偏振)的光学信号最小地耦合。子耦合器301和302可以是相同的设计，也可以是不同的设计。
根据其他实施例，子耦合器301和302中的一个子耦合器可以被设计为与具有偏振态的光学信号最佳地耦合，而另一子耦合器可以是偏振无关自由空间到波导耦合器，其被设计为与具有任何偏振态的光学信号最佳地耦合。2011年《光学快报》第36卷第6期第796页“用于绝缘体上硅纳米光子波导的偏振无关光栅耦合器”(“Polarization-independentgrating couplers for silicon-on-insulator nanophotonic waveguides,”OpticsLetters Vol.36,No.6,p.796(2011))中描述了偏振无关自由空间到波导耦合器的示例。参考图3，一方面，子耦合器301可以是自由空间到波导耦合器，例如但不限于光栅耦合器，其可以与根据一个偏振(例如，沿着x方向的线性偏振)偏振的光学信号E1最佳地耦合，并且与具有与E1的偏振正交的偏振(例如，沿着y方向的线性偏振)的光学信号最小地耦合。另一方面，子耦合器302可以是偏振无关自由空间到波导耦合器，其可以与具有任何偏振的光学信号E2最佳地耦合，其中，光学信号E2可以与光学信号E1正交，也可以不正交。
在图3中，可以通过在子耦合器之间选择适当的横向间隔399来最小化子耦合器301和302之间的交叉耦合。横向间隔399可以通过将子耦合器301和302设置在同一衬底表面上但分开50纳米至5毫米的距离来形成。通常，横向间隔399的选择可以取决于因素组合，包括但不限于PIC技术、制造工艺、用于子耦合器301和302之间的介质的光子材料、信号E1的波长、信号E2的波长、耦合器301的设计以及耦合器302的设计。
根据一些实施例，子耦合器301可以包括单层光子材料。根据其他实施例，子耦合器301可以包括多层光子材料，其中，不同层的光子材料可以相同，也可以不同。类似地，根据一些实施例，子耦合器302可以包括单层光子材料。根据其他实施例，子耦合器302可以包括多层光子材料，其中，不同层的光子材料可以相同，也可以不同。
在图3中，光学信号E1和E2被绘制为沿着垂直于衬底表面平面的方向(即，沿着z方向)传播。通常，光学信号E1和E2可以沿着可垂直于或可不垂直于衬底表面平面的方向传播。此外，光学信号E1和E2可以沿着不同的方向传播，尽管在图3中，光学信号E1和E2被绘制为沿着相同的方向传播。
根据一些实施例，为了在图1A中的相干感测单元100中使用，图3中的子耦合器301可以用作发射器，而图3中子耦合器302可以用作接收器。在这样的情况下，图3中的波导321可以与图1A中作为外耦合波导的波导121相同，或等同地连接到作为外耦合波导的波导121，而图3中的波导322可以与图1A中作为内耦合波导的波导122相同，或等同地连接到作为内耦合波导的波导122。
图4A示出根据本公开实施例的用于内耦合光学信号的偏振分离配置的侧视图。图4B示出用于外耦合光学信号的图4A中的偏振分离配置的侧视图。图4C示出用于内耦合和外耦合光学信号的图4A中的偏振分离配置的侧视图。如图4A、图4B和图4C中所示的偏振分离配置可以与图3中的偏振分集自由空间到波导耦合器300一起使用，以引导(与子耦合器301耦合的)光学信号E1和(与子耦合器302耦合的)光学信号E2沿着自由空间中的公共光路传播，其中，公共光路位于光学部件401和目标之间。
如图4A中所示的偏振分离配置包括偏振相关分束器401。根据一些实施例，偏振相关分束器401可以是双折射波束移位器。根据一些实施例，双折射波束移位器可以由一种或更多种材料制成，例如但不限于方解石晶体、α-硼酸钡晶体、钒酸钇晶体或金红石晶体。双折射波束移位器在本领域是众所周知的。根据其他实施例，偏振相关分束器401可以是除双折射波束移位器之外的偏振相关分束器，例如但不限于双折射楔、偏振波束分路器、偏振相关光栅或偏振相关超透镜。
根据一些实施例，偏振相关分束器401可以是与PIC芯片分离的部件，该PIC芯片包括如图4A中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器300。根据其他实施例，偏振相关分束器401可以附接至包括耦合器300的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振相关分束器401可以在包括耦合器300的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
对于光学信号接收，根据图4A中的实施例，入射光学信号Ein可以从目标到达偏振相关分束器401。偏振相关分束器401可以将入射光学信号Ein分路为两个光学信号E1和E2，其中，光学信号E1和E2的偏振彼此正交。光学信号的分路可以取决于入射光学信号的偏振。光学信号E1和E2中的一个光学信号是普通射线(ordinary ray,o-ray)，另一个光学信号是非常射线(extraordinary ray,e-ray)。例如，光学信号E1可以是o-ray，而光学信号E2可以是e-ray。应该理解，除了它们在双折射分束器的情况下的常见用法之外，本文中使用的术语o-ray和e-ray通常可以指由偏振相关分束器401分路的两条正交偏振光线，其中，由偏振相关分束器的特性来限定分路。
光学信号E1和E2的偏振取决于偏振相关分束器401的材料的介电常数、光轴498的定向和入射光学信号Ein的入射角。在该实施例中，入射光学信号Ein的入射角接近偏振相关分束器401的表面的法线。这样，偏振相关分束器401可以被制造并且光轴498可以被定向为使得在从偏振相关分束器401出射和离开时，o-ray(E1)沿着x方向偏振，并且e-ray(E2)沿着y方向偏振。
根据一些实施例，o-ray和e-ray(例如，图4A中的光学信号E1和E2)可以在从偏振相关分束器401出射时横向移位。横向位移可以取决于任何一个或更多个因素，包括但不限于几何结构(例如，形状和厚度)、材料的介电常数、偏振相关分束器401的光轴498的定向以及入射光学信号Ein的波长和入射角。对于入射光学信号Ein的近法向入射，o-ray E1可以沿着具有第一横向位移的第一光路传播(例如，E1继续具有零横向位移的入射光学信号Ein的路径，如图4A中所示)，而e-ray E2可以沿着相对于如图4A中所示的入射光学信号Ein的路径具有第二横向位移499的第二光路传播，其中，e-ray E2的第二光路不同于o-ray E1的第一光路，并且e-ray E2的第二横向位移不同于o-ray E1的第一横向位移。
根据一些实施例，光学信号E1和E2可以以接近法向入射的角度入射在子耦合器301和302上，如图4A中所示。根据其他实施例，光学信号E1和E2可以以不同于法向入射的角度入射在子耦合器301和302上。对于入射光学信号Ein的任何入射角和偏振相关分束器401的性质(例如其几何结构、介电常数和光轴的定向)，o-ray E1和e-ray E2的偏振和传播方向可以通过麦克斯韦方程确定。
根据一些实施例，子耦合器301可以被配置为基于o-ray E1的偏振和传播方向来与o-ray E1最佳地耦合，其中，o-ray E1的偏振和传播方向可以是预设的。类似地，根据一些实施例，子耦合器302可以被配置为基于e-ray E2的偏振和传播方向与e-ray E2最佳地耦合，其中，e-ray E2的偏振和传播方向可以是预设的。例如，如图4A中所示，入射光学信号Ein的入射角可以接近偏振相关分束器401的表面的法线，并且光轴498可以在y-z平面上以一定角度定向。这样，子耦合器301可以被配置为与沿着z方向传播并沿着x方向偏振的o-rayE1最佳地耦合，而子耦合器302可以被配置为与沿着z方向传播并沿着y方向偏振的e-ray E2最佳地耦合。子耦合器301和302之间的横向间隔399可以通过结合o-ray E1和e-ray E2之间的横向间隔499的信息来确定。
根据其他实施例，子耦合器301可以不被配置为基于o-ray E1的偏振来与o-ray E1最佳地耦合。也就是说，用于与子耦合器301耦合的最佳偏振可以不与o-ray E1的偏振相同。类似地，根据其他实施例，子耦合器302可以不被配置为基于e-ray E2的偏振来与e-rayE2最佳地耦合。也就是说，用于与子耦合器302耦合的最佳偏振可以不与e-ray E2的偏振相同。根据进一步的实施例，子耦合器301可以不被配置为基于o-ray E1的传播方向与o-rayE1最佳地耦合。类似地，根据进一步的实施例，子耦合器302可以不被配置为基于e-ray E2的传播方向与e-ray E2最佳地耦合。
根据一些实施例，子耦合器301可以是偏振无关耦合器，并且可以被配置为仅基于o-ray E1的传播方向来与o-ray E1最佳地耦合。类似地，根据一些实施例，子耦合器302可以是偏振无关耦合器，并且可以被配置为仅基于e-ray E2的传播方向来与e-ray E2最佳地耦合。
对于如图4B中所示的光学信号传输，从子耦合器301出射的光学信号E1可以根据偏振相关分束器401所限定的o-ray的偏振(例如，如图4B中所示的沿着x方向的线性偏振)而被偏振，并且从子耦合器302出射的光学信号E2可以根据偏振相关分束器410所定义的e-ray的偏振(例如，如图4B中所示的沿着y方向的线性偏振)而被偏振。光学信号通过偏振相关分束器401的传播是可逆的。因此，在通过偏振相关分束器401之后，光学信号E1和E2可以被组合以产生出射光学信号Eout，该出射光学信号Eout沿着远离偏振相关分束器401的上表面的光路(例如，如图4B中所示的以零横向位移继续光学信号E1的路径的路径)传播，其中，光学信号E1和E2彼此相干，并且出射光学信号Eout根据光学信号E1和E2的偏振、振幅和相对相位而偏振。
根据一些实施例，从偏振相关分束器401出射和离开的光学信号E1和E2可能在空间上不完全重叠。这可能导致出射光学信号Eout的空间变化偏振。根据一些实施例，偏振相关分束器401和子耦合器301和302可以被配置为使得光学信号E1和E2之间的空间重叠可以产生具有主导(即，大于50％)偏振态的出射光学信号Eout。
偏振相关分束器401可以与耦合器300一起用于发射和接收光学信号，其中，子耦合器301和302中的一个子耦合器可以用于发射出射光学信号Eout，而子耦合器301和302中的另一子耦合器可以用于接收入射光学信号Ein。光学信号Eout和Ein可以沿着位于光学部件401和目标之间的公共光路传播。如图4C中所示，一方面，从子耦合器301出射的光学信号E1可以根据偏振相关分束器401所限定的o-ray的偏振来偏振。在通过偏振相关分束器401之后，光学信号E1可以产生出射光学信号Eout，其中，光学信号E1和Eout的偏振是相同的。例如，如果从子耦合器301出射的光学信号E1沿着偏振相关分束器401的o-ray的偏振而偏振(即，沿着x方向线性偏振)，则出射光学信号Eout可以以与光学信号E1的偏振相同的偏振(即，沿着x方向)从偏振相关分束器401出射并离开，并且沿着远离偏振相关分束器401的光路(例如，如图4C中所示的在没有横向位移的情况下继续光学信号E1的路径的路径)传播。
另一方面，根据一些实施例，入射光学信号Ein可以根据偏振相关分束器401所限定的e-ray的偏振而被偏振，并且沿着与出射光学信号Eout相同的光路但以相反的方向传播。在通过偏振相关分束器401之后，入射光学信号Ein可以产生可以与子耦合器302耦合的光学信号E2，其中，光学信号Ein和E2的偏振是相同的。例如，如图4C中所示，以垂直于偏振相关分束器401的上表面的方向入射的沿着y方向线性偏振的入射光学信号Ein可以产生沿着y方向线性偏振并与子耦合器302耦合的光学信号E2，其中，光学信号E2被偏振相关分束器401横向移位。如图4C中所示，出射光学信号Eout和入射光学信号Ein的偏振彼此正交，并且光学信号E1和E2的偏振彼此垂直。在一个实施例中，当入射光学信号Ein的偏振与出射光学信号Eout的偏振不正交时，入射光学信号Ein可以被分路为o-ray和e-ray，其中，o-ray可以与子耦合器301耦合，e-ray可以与子耦合器302耦合，如图4A中的实施例所示。
根据一些实施例，子耦合器301和302的作用可以互换，使得出射光学信号可以是e-ray E2，而不是o-ray E1，如图4C中所示。
如图4C中所示，耦合偏振基可以由与子耦合器301和302最佳地耦合的一对光学信号的偏振形成。根据一些实施例，耦合偏振基可以与对应于偏振相关分束器401的o-ray和e-ray的偏振相同。根据其他实施例，耦合偏振基可以不同于对应于偏振相关分束器401的o-ray和e-ray的偏振。
根据一些实施例，可以通过光学相干成像器的适当设计来最小化耦合偏振基与对应于偏振相关分束器401的o-ray和e-ray的偏振之间的差异。这样的适当设计可以包括光学部件(例如一个或更多个透镜)，以确保入射光学信号和出射光学信号沿着在偏振相关分束器401的表面上维持接近法向入射的方向传播。这样的适当设计还可以包括光学部件(例如一个或更多个透镜)，以确保入射光学信号和出射光学信号以接近子耦合器301和302的最佳耦合方向的入射角与子耦合器301和302耦合。
参考图4C，当耦合偏振基可能不同于对应于偏振相关分束器401的o-ray和e-ray的偏振时，耦合器300所外耦合的光学信号可以产生从偏振相关分束器401出射的两个出射光学信号，其中，两个出射光学信号是对应于o-ray和e-ray的光学信号。在这种情况下，子耦合器301所发射的光学信号E1可以产生与出射光学信号Eout相同的出射o-ray和沿着与出射光学信号Eout不同的光路的光路传播的出射e-ray(未示出)。对于使用偏振分集来实现用于发射和接收光学信号的共享路径的光学相干成像器，在这种情况下可以忽略出射e-ray，因为与出射e-ray共享相同光路的输入光学信号可能无法与内耦合子耦合器302耦合，如图4C中所示。
根据一些实施例，图4C中的子耦合器301和302中的一个或两个可以是偏振无关自由空间到波导耦合器。使用偏振无关自由空间到波导耦合器可以能够最佳地耦合入射光学信号Ein，而与对应于偏振相关分束器401的o-ray和e-ray的偏振无关。
在光学相干感测的某些情况下，目标所反射的光学信号具有与照明目标的光学信号相同的主导偏振分量。这样的情况包括但不限于镜面反射和从有光泽的目标表面的光反射。为了优化接收到的信号，偏振变换机制可以因此希望与相干感测单元一起使用，该相干感测单元利用偏振分集来进行光学信号的外耦合和内耦合。
图5A示出根据本公开实施例的通过法拉第效应所实现的偏振变换配置510的透视图。偏振变换配置510被布置用于将光学信号与耦合器101内耦合和外耦合，并且包括法拉第旋转器501和可选的偏振旋转器502。图5B示出图5A中的光学信号的偏振态的俯视图。
在图5A中，法拉第旋转器501是设置在目标和偏振分集自由空间到波导耦合器101之间的光学部件。法拉第旋转器501可以被配置为将线性偏振的光学信号旋转一个角度(例如，45度)。如图5A中所示，例如，耦合器101可以发射沿着x方向线性偏振的光学信号E1。法拉第旋转器501然后可以将光学信号E1的偏振旋转45度，以产生沿着相对于x方向成45度角的方向线性偏振的光学信号E2。
在图5A中，可选的偏振旋转器502(为了简单起见，本文称为偏振旋转器)设置在目标和法拉第旋转器501之间。偏振旋转器502的示例可以包括但不限于石英旋转器。在图5A中，偏振旋转器502可以被配置为使得将光学信号E2的偏振进一步旋转一个角度。如图5A中所示，例如，偏振旋转器502将沿着相对于x方向成45度角的方向线性偏振的光学信号E2的偏振旋转45度，以产生沿着y方向线性偏振的光学信号E3。
偏振旋转器502是互易(reciprocal)光学部件，也就是说，偏振旋转器502的偏振旋转不取决于光学信号的传播方向。根据图5A，偏振旋转器502可以将具有与E3相同的线性偏振的入射光学信号E4的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生具有与E2相同偏振的光学信号E5。相比之下，法拉第旋转器501是非互易光学部件。由于E5相对于E2的反向传播方向，法拉第旋转器501可以将光学信号E5的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生沿着与光学信号E1的偏振正交的方向(即，根据图5A的y方向)线性偏振的光学信号E6。根据一些实施例，由于法拉第旋转器501内的光学信号的传播路径的长度和沿着传播路径的磁场强度对偏振旋转的影响可以相互补偿，因此法拉第旋转器501所实现的角旋转可以对光学信号到法拉第旋转器501上的入射角不敏感。法拉第旋转器的工作原理对于本领域技术人员来说是众所周知的。
根据一些实施例，可选的偏振旋转器502可以用于将E3的偏振变换为耦合器101所限定的偏振基分量之一。作为示例，图5A中的耦合器101所限定的偏振基是沿着x方向和y方向的线性偏振。根据其他实施例，可选的偏振旋转器502可以是石英旋转器，当与法拉第旋转器501一起使用时，该可选的偏振旋转器502可以用于实现宽带偏振旋转。例如石英旋转器等常规偏振旋转器对入射光学信号的入射角敏感。根据一些实施例，偏振旋转器502可以是可以接受具有大角度范围的入射光学信号同时可以维持预期相移的偏振旋转器。这样的广角偏振旋转器的示例包括但不限于如2015年《科学报告》第5期第17532页“基于场变换方法的广角多倍频程宽带波片”(“A Wide-angle Multi-Octave Broadband WaveplateBased on Field Transformation Approach,”Scientific Reports,5,17532(2015))中所述的利用场变换方法设计的人工光子结构。
根据一些实施例，偏振变换配置510的部件可以表现为单独部件，如图5A中所示。根据其他实施例，偏振变换配置510中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换配置510可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器101的PIC芯片分离的光学部件，如图5A中所示。根据其他实施例，偏振变换配置510中的一些或所有部件可以附接至包括耦合器101的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换配置510中的一些或所有部件可以在包括耦合器101的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图5A中，为了说明的目的，清楚地绘制了内耦合光学信号E1、E2和E3的传播路径和外耦合光学信号E4、E5和E6的传播路径。通常，内耦合信号和外耦合信号的传播路径可以是空间上不同的，也可以是空间上相同的。此外，在图5A中，为了说明的目的，光学信号E1、E2、E3、E4、E5和E6被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器101、法拉第旋转器501和偏振旋转器502上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射，或者以不同于法向入射的入射角入射。
图5C示出根据本公开实施例的与耦合器300一起使用的偏振变换分离配置的侧视图，其中，图5A中的偏振变换配置510与图4C中的偏振分离配置结合。如图5C中所示，偏振相关分束器401设置在耦合器300(包括子耦合器301和302)和偏振变换配置510(包括法拉第旋转器501和偏振旋转器502)之间。图5C中的偏振相关分束器401可以用于使与子耦合器301和302耦合的光学信号能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于偏振相关分束器401和目标之间。例如，如图5C中所示，子耦合器301可以将光学信号E1输出到自由空间中，其中，E1沿着子耦合器301所限定的方向(例如，图5C中的x方向)线性偏振。根据图5C并参考图4C和图5A，一方面，光学信号E1可以产生沿着与E1正交的方向(例如，y方向)线性偏振的光学信号E3。另一方面，具有与E3相同的偏振、并沿着与出射光学信号E3公共的光路但以相反的方向传播的入射光学信号E4，通过偏振旋转器502、法拉第旋转器501和偏振相关分束器401可以产生沿着与E1的偏振正交的方向(即，y方向)线性偏振并且在空间上与E1的路径分离的光学信号E6，使得光学信号E6可以与子耦合器302耦合。
根据一些实施例，偏振变换配置510和偏振相关分束器401的部件可以表现为单独部件，如图5C中所示。根据其他实施例，偏振变换配置510和偏振相关分束器401中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换配置510和偏振相关分束器401可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器300的PIC芯片分离的光学部件，如图5C中所示。根据其他实施例，偏振变换配置510和偏振相关分束器401中的一些或所有部件可以附接到包括耦合器300的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换配置510和偏振相关分束器401中的一些或所有部件可以在包括耦合器300的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图5C中，为了说明的目的，光学信号E1、E3、E4和E6被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器300、偏振相关分束器401、法拉第旋转器501和偏振旋转器502上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射，或者以不同于法向入射的入射角入射。
图6A示出根据本公开另一实施例的通过四分之一波片601所实现的偏振变换配置的透视图。在本实施例中，通过四分之一波片的相位延迟来实现偏振变换。在图6A中，四分之一波片601是设置在目标和偏振分集自由空间到波导耦合器101之间的光学部件。四分之一波片601可以被配置为通过其光轴的适当定向，将线性偏振光学信号变换为圆偏振光学信号。例如，如图6A中所示，四分之一波片601可以将沿x方向线性偏振的光学信号E1变换为相对于E2的传播方向(正z方向)右圆偏振的光学信号E2。图6B示出图6A中的光学信号的偏振态的俯视图。
如图6A中所示，光学信号E3具有与E2的偏振旋转方向相同的圆旋转方向的偏振，但以与E2的传播方向相反的方向传播(即，E2和E3实际上具有相反的旋向性)。四分之一波片601可以用于变换光学信号E3，以产生沿着与E1的偏振正交的方向线性偏振的光学信号E4。例如，如图6A中所示，四分之一波片601将相对于传播方向(负z方向)左圆偏振的光学信号E3变换为沿着y方向线性偏振的光学信号E4。
根据一些实施例，四分之一波片601可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器101的PIC芯片分离的部件，如图6A中所示。根据其他实施例，四分之一波片601可以附接到包括耦合器101的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，四分之一波片601可以在包括耦合器101的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图6A中，为了说明的目的，清楚地绘制了内耦合光学信号E1和E2的传播路径以及外耦合光学信号E3和E4的传播路径。通常，内耦合信号和外耦合信号的传播路径可以是空间上不同的，也可以是空间上相同的。此外，在图6A中，为了说明的目的，光学信号E1、E2、E3和E4被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器101和四分之一波片601上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图6C示出根据本公开另一实施例的用于与耦合器300一起使用的偏振变换分离配置的侧视图，其中，图6A中的偏振变换配置与图4C中的偏振分离配置结合。如图6C中所示，偏振相关分束器401设置在耦合器300(包括子耦合器301和302)和四分之一玻片601之间。图6C中的偏振相关分束器401可以用于使与子耦合器301和302耦合的光学信号能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于偏振相关分束器401和目标之间。例如，如图6C中所示，子耦合器301可以将光学信号E1输出到自由空间中，其中，E1沿着子耦合器301的设计所限定的方向(例如，图6C中的x方向)线性偏振。根据图6C并参考图4C和图6A，一方面，光学信号E1可以产生相对于E2的偏振方向(例如，沿着正z方向)右圆偏振的光学信号E2。另一方面，入射光学信号E3具有与E2的偏振旋转方向相同的圆旋转方向的偏振，并且沿着与出射光学信号E2公共的光路但以相反的方向传播(即，E3相对于其传播方向左圆偏振)。入射光学信号E3，通过四分之一玻片601和偏振相关分束器401，可以产生沿着与E1的偏振正交的方向(即，图6C中的y方向)线性偏振并且与E1的路径在空间上分离的光学信号E4，使得光学信号E4可以与子耦合器302耦合。
根据一些实施例，四分之一波片601和偏振相关分束器401可以表现为单独部件，如图6C中所示。根据其他实施例，四分之一波片601和偏振相关分束器401可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，四分之一波片601和偏振相关分束器401可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器300的PIC芯片分离的光学部件，如图6C中所示。根据其他实施例，四分之一波片601和偏振相关分束器401中的一个或两个可以附接至包括耦合器300的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，四分之一波片601和偏振相关分束器401中的一个或两个可以在包括耦合器300的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图6C中，为了说明的目的，光学信号E1、E2、E3和E4被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器300、偏振相关分束器401和四分之一波片601上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或者以不同于法向入射的入射角入射。
在光学相干感测的一些应用中，目标可以反射或散射照明目标的光学信号，使得返回的光学信号以与照明光学信号的偏振基本上不同的偏振来偏振。为了优化接收到的信号，可以希望相干感测单元能够检测具有任何偏振态的入射光学信号。
图7A示出根据本公开另一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元700的平面图。图7A中的相干感测单元700类似于图1A中的相干传感单元100。根据图1A中相干感测单元100的实施例，相干感测单元700和相干感测单元100之间的主要区别在于，相干感测单元700还可以处理耦合器101所耦合并被引导到波导121的入射光学信号Ein的分量。
更具体地，参考图7A，通过波导731将光源信号ES提供给相干感测单元700，并且通过波导734将本地振荡器(LO)ELO提供给相干感测单元700。在图7A中，部件705是2×2光学耦合器。由于没有来自波导733的信号输入，2×2光学耦合器705可以用作分路耦合器，该分路耦合器将来自波导731的光源信号ES分路并且将ES的一部分作为光学信号E1通过波导721引导到偏振分集自由空间到波导耦合器701。ES的一部分也可以传递到波导732。传递到波导732中的ES的部分可以用于其他目的(例如，如图7B的相干感测单元710中那样)，或者可以简单地被视为损耗。对于后一种情况，传递到波导732的ES的部分可能需要被适当地衰减以避免任何背反射。分别传递到波导721和732的ES的部分取决于2×2光学耦合器705的分路比和损耗。根据一些实施例，2×2光学耦合器705可以是50/50 2×2光学耦合器。根据其他实施例，2×2光学耦合器705可以具有除50/50之外的分路比。
在图7A中，偏振分集自由空间到波导耦合器701(为了简单起见，本文称为耦合器701)类似于图1A中的相干感测单元100的耦合器101，其同时用作发射器和接收器。它是连接到波导721和722的双波导耦合器。
作为发射器，参考图7A，耦合器701可以将来自波导721的光学信号E1耦合到自由空间中，作为出射光学信号Eout，其可以用于光学相干成像器的目标照明。耦合器701输出的出射光学信号Eout在x-y平面外的方向上传播(即，Eout的传播方向具有非零z分量)，并且以耦合器701的设计所限定的偏振来偏振。
作为接收器，参考图7A，耦合器701可以将入射光学信号Ein耦合到相干感测单元700中。耦合器701所耦合的入射光学信号Ein可以被引导到波导721和722中的一个或两个，这取决于入射光学信号Ein的偏振态。耦合到波导721和722的入射光学信号Ein的偏振分量取决于耦合器701的设计。根据一些实施例，与出射光学信号Eout的偏振正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E2被引导到波导722，并且与被引导到波导722的入射光学信号Ein的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E3被引导到波导721。内耦合光学信号E3在与光学信号E1的传播方向相反的方向上传播。由于没有来自波导732的信号输入，2×2光学耦合器705可以用作分路耦合器，该分路耦合器将来自波导721的内耦合光学信号E3分路并且将E3的一部分作为光学信号E4通过波导733引导到2×2光学耦合器712中。E3的一部分也可以传递到波导731，并且以与光源信号ES的传播方向相反的方向传播。根据一些实施例，波导731中的E3的分量可以无人看管，而不会影响包括感测单元700的PIC芯片的其他部分。分别传递到波导731和733的E3的部分取决于2×2光学耦合器705的分路比和损耗。
在图7A中，尽管耦合器701被绘制为单个实体，但是耦合器701通常可以包括单个光子部件或多个光子部件。根据一些实施例，类似于图1A和图1B中所示的耦合器101，耦合器701可以通过偏振分路自由空间到波导耦合器来实现。根据其他实施例，耦合器701可以由图2中的耦合器200来实现，其中，波导221和222可以与波导721和722相同(即，波导721是波导221，波导722是波导222，或者波导721是波导222，波导722是波导221)。根据进一步的实施例，耦合器701可以由图3中的耦合器300来实现，其中，波导321和322可以与波导721和722相同(即，波导721是波导321，波导722是波导322，或者波导721是波导322，波导722是波导321)。根据又进一步的实施例，其中，耦合器701由耦合器300来实现，图4C中的偏振相关分束器401可以与相干感测单元700一起使用，以使出射光学信号Eout和入射光学信号Ein能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于偏振相关分束器401和目标之间。根据一些实施例，类似于图1A和图1B中的耦合器101，耦合器701还可以包括TE-TM模式转换器、分路器和组合器中的任何一个。
此外，根据一些实施例，图5A和图5C中所示的法拉第旋转器501和可选的偏振旋转器502可以与耦合器701一起使用，以使出射光学信号和入射光学信号的偏振旋转。根据一些实施例，图6A和图6C中所示的四分之一波片601可以与耦合器701一起使用，以根据出射光学信号的偏振将出射光学信号变换为线性偏振的、圆偏振的或椭圆偏振的光学信号。
在图7A中，部件706是分路耦合器，其对来自波导734的LO进行分路，并将LO的一部分引导到波导723作为LO ELO,1，并将LO的一部分引导到波导735作为LO ELO,2。分别传递到波导723和735的LO的部分取决于分路耦合器706的分路比和损耗。根据一些实施例，分路耦合器706可以是50/50分路耦合器。根据其他实施例，分路耦合器706可以具有除50/50之外的分路比。
在图7A中，部件702是2×2光学耦合器，其混合来自波导722的内耦合光学信号E2和来自波导723的LO ELO,1，并将混合信号分路并引导到波导724和725。根据一些实施例，2×2光学耦合器702可以类似于图1中的相干感测单元100的2×2光学耦合器102。
在图7A中，部件703是接收并检测来自波导724的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图7A中，部件704是接收并检测来自波导725的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器703和704可以类似于图1中的相干感测单元100的光电探测器103和104。
根据一些实施例，光电探测器703和704可以连接到输出电子电路，该输出电子电路包括电子部件，例如但不限于用于处理光电探测器703和704的电气输出的跨阻抗放大器(TIA)、晶体管、二极管、电阻器、电容器和电气开关中的任何一个或更多个。该输出电子电路在图7A中未示出。
在图7A中，部件712是2×2光学耦合器，其混合来自波导733的内耦合信号E4和来自波导735的LO ELO,2，并且将混合信号分路并引导到波导736和737。
在图7A中，部件713是接收并检测来自波导736的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图7A中，部件714是接收并检测来自波导737的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器713和714可以类似于光电探测器703和704。
根据一些实施例，光电探测器713和714可以连接到输出电子电路，该输出电子电路包括电子部件，例如但不限于用于处理光电探测器713和714的电气输出的跨阻抗放大器(TIA)、晶体管、二极管、电阻器、电容器和电开关中的任何一个或更多个。该输出电子电路在图7A中未示出。根据一些实施例，连接到光电探测器713和714的输出电子电路可以与连接到光电探测器703和704的输出电子电路形成单个电子电路。根据其他实施例，连接到光电探测器713和714的输出电子电路可以与连接到光电探测器703和704的输出电子电路分离。
根据一些实施例，相干感测单元700可以包括未明确示出的部件，包括但不限于电光部件和热光部件中的任何一个或更多个，用于相位、振幅、频率、波长和时间控制中的任何一个或更多个。
图7B示出根据本公开又一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元710的平面图。图7B中的相干感测单元710类似于图7A中的相干感测单元700。相干感测单元700和相干感测单元710之间的主要区别在于，在相干感测单元710中，波导734连接到波导732，使得LO ELO来自被传递到波导732中的光源信号ES的一部分。
图8示出根据本公开再一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元800的平面图。图8中的相干感测单元800类似于图7A中的相干感测单元700。相干感测单元800和相干感测单元700之间的主要区别在于，在相干感测单元800中使用光环形器805来代替相干感测单元700中的2×2光学耦合器705，以引导光学信号的流动。光环形器805的示例可以包括但不限于基于如2019年《光波技术杂志》第37卷第5期第1463页“通过Ge:YIG键合的硅光子中的宽带TE光学耦合器和环形器”(“Broadband TE OpticalLsolators and Circulators in Silicon Photonics Through Ce:YIG Bonding,”,Journal of Lightwave Technology,Vol.37,No.5,p.1463(2019))中所述的马赫·曾德尔干涉仪(MZI)配置中的异质Ce:YIG/硅波导的光环形器。
根据图8中的实施例，光环形器805是在环形方向上路由光学信号的三端口光环形器。更具体地，光环形器805可以沿顺时针方向路由光学信号：从波导731输入的光学信号被引导到波导721，从波导721输入的光学信号被引导到波导733，从波导733输入的光学信号被引导到波导731。
在图8中，光环形器805与波导721、731和733耦合。然后可以从图8中的相干感测单元800中省略图7中的相干感测单元700的波导732。光环形器805可以在波导731中路由光源信号ES，以在波导721中产生光学信号E1。由耦合器701接收到的内耦合光学信号E3可以通过波导721被引导到光环形器805，其中，光环形器805可以将内耦合光学信号E3路由到波导733以产生光学信号E4。
根据一些实施例，可以使用四端口光环形器，例如基于四端口MZI的光环形器所实现的四端口光环形器，而不是用于光环形器805的三端口光环形器，并且图7中的相干感测单元700的波导732可以保留在图8中的相干感测单元800中。在这样的情况下，四端口光环形器可以耦合到波导721、731、732和733，其中，四端口光环形器将光学信号从波导731路由到波导721、从波导721路由到波导733、从波导733路由到波导732、并且从波导732路由到波导731。
在图8中，在相干感测单元800中使用光环形器805来代替相干感测单元700中的2×2光学耦合器705理想情况下可以具有避免传递到波导732中的光源信号ES的一部分的损失的优点。尽管如此，目前最先进的片上光环形器的插入损耗(>10dB)可能仍然太高，而无法在相干感测单元700的配置中施加优于使用2×2光学耦合器705的优势。
图9示出根据本公开又一实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元900的平面图。相干感测单元900类似于检测具有任何偏振态的入射光学信号的相干感测单元700、710和800。相干感测单元900和相干感测单元100、700、710和800之间的主要区别在于，相干感测单元900包括偏振分集自由空间到波导耦合器，该偏振分集自由空间到波导耦合器将具有任何偏振态的内耦合光学信号引导到不同于携带出射光学信号的波导的波导。
更具体地，参考图9，通过波导921将光源信号ES提供给相干感测单元900，并且通过波导934将本地振荡器(LO)ELO提供给相干感测单元900。
在图9中，偏振分集自由空间到波导耦合器901(为了简单起见，本文称为耦合器901)是连接到波导921、922和933的三波导耦合器。耦合器901既可以用作发射器，也可以用作接收器。
作为发射器，参考图9，耦合器901可以将来自波导921的出射光学信号E1(其基本上与光源信号ES相同)作为出射光学信号Eout耦合到自由空间中，出射光学信号Eout可以用于光学相干成像器的目标照明。耦合器901所输出的出射光学信号Eout在x-y平面外的方向上传播(即，Eout的传播方向具有非零z分量)，并且以耦合器901的设计所限定的偏振态偏振。
作为接收器，耦合器901可以将入射光学信号Ein耦合到相干感测单元900中。耦合器901所耦合的入射光学信号Ein可以被引导到波导922和933中的一个或两个，这取决于入射光学信号Ein的偏振态。耦合到波导922和933的入射光学信号Ein的偏振分量取决于耦合器901的设计。根据一些实施例，与出射光学信号Eout的偏振正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E2被引导到波导922，并且与被引导到波导922的入射光学信号Ein的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E3被引导到波导933。
在图9中，尽管耦合器901被绘制为单个实体，但是耦合器901通常可以包括单个光子部件或多个光子部件。耦合器901的实施例在下文中进一步详细描述的图10A、图11A和图13A中示出。根据一些实施例，类似于图1A和图1B中的耦合器101，耦合器901还可以包括TE-TM模式转换器、分路器和组合器中的任何一个。
在图9中，分路耦合器906对来自波导934的LO ELO进行分路，并将LO的一部分作为LO ELO,1引导到波导923，并将LO的一部分作为LO ELO,2引导到波导935。分别传递到波导923和935的LO的部分取决于分路耦合器906的分路比和损耗。根据一些实施例，分路耦合器906可以是50/50分路耦合器。根据其他实施例，分路耦合器906可以具有除50/50之外的分路比。
在图9中，部件902是2×2光学耦合器，其混合来自波导922的内耦合光学信号E2和来自波导923的LO ELO,1，并将混合信号分路并引导到波导924和925。根据一些实施例，2×2光学耦合器902可以类似于图7A中的相干感测单元700中的2×2光学耦合器702。
在图9中，部件903是接收并检测来自波导924的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图9中，部件904是接收并检测来自波导925的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器903和904可以类似于图7A中的相干感测单元700的光电探测器703和704。
在图9中，类似于图7A中的相干感测单元700中的2×2光学耦合器712，部件912是2×2光学耦合器，其混合来自波导933的内耦合光学信号E3和来自波导935的LO ELO,2，并将混合信号分路并引导到波导936和937。
在图9中，部件913是接收并检测来自波导936的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图9中，部件914是接收并检测来自波导937的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器913和914可以类似于图7A中的相干感测单元700中的光电探测器713和714。
图10A示出根据本公开实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1000的俯视图。图10B示出图10A中所示的耦合器1000的透视图。图10B另外示出与子耦合器1001和1002耦合的偏振的出射光学信号和入射光学信号E10、E23和E33。如图10A中的虚线所示，耦合器1000包括两个子耦合器1001和1002。根据一些实施例，子耦合器1001可以通过如图1B中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器101或如图2中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器200来实现，而子耦合器1002可以通过耦合到单个波导的自由空间到波导耦合器来实现，自由空间到波导耦合器包括但不限于光栅耦合器。根据其他实施例，子耦合器1002可以通过偏振无关自由空间到波导耦合器来实现。
参照图10A，一方面，波导921作为外耦合波导连接到子耦合器1001，并且波导922作为第一内耦合波导连接到子耦合器1001。另一方面，波导933作为第二内耦合波导连接到子耦合器1002。这里，波导921、922和933与图9中所示的相干感测单元900中的波导921、922和933相同。
如图10A和图10B所示，子耦合器1001的一个主要功能是充当发射器以外耦合用于目标照明的光学信号。可以通过子耦合器1001将波导921中的光学信号E1外耦合到自由空间中作为出射光学信号E10。类似于图1B中的耦合器101，出射光学信号E10根据子耦合器1001的设计而被偏振。例如，如图10B中所示，光学信号E10沿着x方向被线性偏振。
如图10A和图10B中所示，子耦合器1001的另一个主要功能是充当接收器，以将入射光学信号内耦合到相干感测单元900中，其中，入射光学信号的偏振态与出射光学信号的偏振正交。具有与出射光学信号E10正交的偏振的入射光学信号E23由子耦合器1001内耦合，以在波导922中产生内耦合光学信号E2。类似于图1中的耦合器101，子耦合器1001所最佳地内耦合的入射光学信号E23的偏振根据子耦合器1001的设计来确定。例如，如图10B中所示，最佳地耦合的光学信号E23沿着y方向线性偏振。
如图10A和图10B中所示，子耦合器1002的主要功能是充当接收器，以将入射光学信号内耦合到相干感测单元900，其中，入射光学信号的偏振态与子耦合器1001所耦合到波导922中的入射光学信号的偏振正交。具有与光学信号E23的偏振正交的偏振的入射光学信号E33由子耦合器1002内耦合，以在波导933中产生内耦合光学信号E3。类似于子耦合器1001，子耦合器1002所最佳地内耦合的入射光学信号E33的偏振是根据子耦合器1002的设计来确定的。例如，如图10B中所示，最佳地内耦合的光学信号E33沿着x方向线性偏振，这与出射光学信号E10的偏振相同。
图10C示出根据本公开实施例的偏振变换分离配置1010的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器一起使用，用于外耦合光学信号。图10D示出用于内耦合光学信号的图10C中所示的配置1010的侧视图。偏振变换分离配置1010使得到达耦合器1000的入射光学信号E23和E33以及耦合器1000所发射的出射光学信号E10能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于配置1010和目标之间。偏振变换分离配置1010包括法拉第旋转器1051、可选的偏振旋转器1052和偏振相关分束器1041，如图10C和图10D中所示。为了说明的目的，图10E示出图10C中的光学信号的偏振态的俯视图。类似地，图10F示出图10D中的光学信号的偏振态的俯视图。
对于光学信号传输，如图10B和图10C中所示，耦合器1000的子耦合器1001可以将来自波导921的光学信号E1外耦合以产生光学信号E10，光学信号E10根据子耦合器1001的设计被线性偏振(例如，沿着x方向线性偏振)，并且从子耦合器1001传播出去(例如，朝向正z方向)进入自由空间。如图10C和图10E中所示，法拉第旋转器1051可以将光学信号E10的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生光学信号E11(例如，E11沿着相对于x方向成45度角的方向线性偏振)。类似于图5C中的偏振旋转器502的可选的偏振旋转器1052可以进一步将E11的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生光学信号E12(例如，E12沿着y方向线性偏振)。类似于图4C中的偏振相关分束器401的偏振相关分束器1041可以被配置为使得通过偏振相关分束器1041，光学信号E12(根据偏振相关分束器1041的配置可以表现为o-ray)可以产生沿着预期光路(例如，沿着与E12相同的光路而没有横向位移)传播的光学信号E13。根据一些实施例，光学信号E13可以以与E12相同的偏振而偏振(即，沿着y方向线性偏振)。光学信号E13然后可以用于目标照明。类似于图5A和图5C中的偏振旋转器502，根据一些实施例，可选的偏振旋转器1052的功能可以是使从偏振相关分束器1041出射的用于目标照明的光学信号能够沿着与耦合器1000所限定的偏振基分量之一相同的方向(例如，与根据图10C中的实施例的光学信号E10的偏振正交)偏振。
根据一些实施例，可以省略偏振变换分离配置1010中的可选的偏振旋转器1052，使得具有与光学信号E11相同的偏振态的出射光学信号可以用于目标照明。在这样的情况下，可能需要配置偏振相关分束器1041，例如通过根据光学信号E11的偏振方向对偏振相关分束器1041的光轴进行定向，以使得光学信号E11可以作为沿着预期光路传播(例如，在没有横向位移的情况下继续E11的路径)的单个光学信号从偏振相关分束器1041出射。根据一些实施例，偏振相关分束器1041可以相对于子耦合器1001配置，使得根据偏振相关分束器1041的配置，光学信号E11可以表现为o-ray。
对于光学信号接收，来自目标的、沿着与图10C中的光学信号E13相同但方向相反的光路传播的入射光学信号可以包括两个入射光学信号分量中的一个或两个，其偏振与图10D中所示的入射光学信号E20和E30的偏振相同，其中，光学信号E20沿着与光学信号E13的偏振相同的方向线性偏振，并且光学信号E30沿着与光学信号E20的偏振正交的方向线性偏振。例如，如图10D中所示，E20沿着y方向线性偏振，E30沿着x方向线性偏振。
参考图10D和图10F，入射光学信号E20可以通过偏振相关分束器1041，以产生具有与图10C中的E12相同的偏振(即，沿着y方向线性偏振)的光学信号E21，其中，光学信号E21可以表现为相对于偏振相关分束器1041的o-ray。鉴于光学传播互易性，偏振旋转器1052然后可以将E21的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生沿着与图10C中的光学信号E11的偏振相同的方向线性偏振的光学信号E22。然而，由于光学信号E22的传播方向与光学信号E11的传播方向相反，因此破坏光学传播互易性的法拉第旋转器1051可以将光学信号E22的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生具有与光学信号E10的偏振正交的线性偏振(即，沿着y方向)的光学信号E23。光学信号E23然后可以通过子耦合器1001被内耦合，以产生被引导到波导922的内耦合光学信号E2，如图10B中所示。
参考图10D和图10F，由于光学信号E30沿着与E20的偏振正交的方向线性偏振，通过偏振相关分束器1041，光学信号E30可以产生光学信号E31，该光学信号E31沿着与光学信号E21的光路在空间上不同的光路传播，并且以与E21的偏振正交的偏振来偏振。根据图10D中的实施例，入射光学信号E31沿着x方向线性偏振，并且沿着与光学信号E21相同方向、但是朝向负x方向横向移位的光路传播。如图10D中所示，光学信号E31可以表现为关于偏振相关分束器1041的e-ray。偏振旋转器1052然后可以将E31的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生沿着与光学信号E22的偏振正交的方向线性偏振的光学信号E32。法拉第旋转器1051可以将光学信号E32的偏振旋转一个角度(例如，45度)，以产生具有与光学信号E23的偏振正交的线性偏振(即，沿着x方向)的光学信号E33。光学信号E33然后可以通过子耦合器1002被内耦合，以产生被引导到波导933的内耦合光学信号E3，如图10B中所示。
根据前面描述的一些实施例，其中，可以省略可选的偏振旋转器1052，使得具有与E11相同偏振的光学信号可以用于目标照明。因此，来自目标的、沿着与图10C中的光学信号E11相同但方向相反的光路传播的入射光学信号可以包括具有与图10D中所示的光学信号E22和E32的偏振相同的偏振的两个入射光学信号分量中的一个或两个，其中，光学信号E22沿着与光学信号E11的偏振相同的方向线性偏振，并且光学信号E32沿着与光学信号E22的偏振正交的方向线性偏振。在这样的情况下，根据光学信号E11的偏振方向配置的偏振相关分束器1041可以产生与E11的光路相同但方向相反的光学信号E22的光路，而光学信号E32可以沿着另一个空间上不同的光路传播，该光路与具有偏振旋转器1052的情况不同地移位。例如，入射光学信号E32现在可以沿着如下的光路传播，该光路与光学信号E22的方向相同，但是朝向x-y平面上不再是如图10D中的负x方向的方向横向移位。为了补偿横向位移的不同方向，可能需要相应地调整子耦合器1002在衬底表面上的位置。
根据一些实施例，偏振变换分离配置1010的部件可以表现为单独部件，如图10C中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1010中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换分离配置1010可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器1000的PIC芯片分离的光学部件，如图10C中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1010中的一些或所有部件可以附接到包括耦合器1000的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换分离配置1010中的一些或所有部件可以在包括耦合器1000的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图10B、图10C和图10D中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器1000、偏振相关分束器1041、法拉第旋转器1051和偏振旋转器1052上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图11A示出根据本公开另一实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1100的透视图。如图11A中的虚线所示，三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1100(为了简单起见，本文称为耦合器1100)包括三个子耦合器1101、1102和1103。根据一些实施例，子耦合器1101、1102和1103中的每一个子耦合器可以通过耦合到单个波导的自由空间到波导耦合器来实现，该自由空间到波导耦合器包括但不限于光栅耦合器。根据其他实施例，子耦合器1102和1103中的每一个子耦合器可以通过偏振无关自由空间到波导耦合器来实现。
参考图11A，波导921作为外耦合波导连接到子耦合器1101，波导922作为第一内耦合波导连接到子耦合器1102，波导933作为第二内耦合波导连接到子耦合器1103。这里，图11A中的波导921、922和933与图9中的相干感测单元900的波导921、922和933相同。
如图11A中所示，子耦合器1101的主要功能是充当发射器以外耦合光学信号用于目标照明。波导921中的光学信号E1通过子耦合器1101外耦合到自由空间中，作为出射光学信号E01。出射光学信号E01根据子耦合器1101的设计被偏振。例如，如图11A中所示，光学信号E01沿着x方向被线性偏振。
如图11A中所示，子耦合器1102的主要功能是充当接收器，以将入射光学信号内耦合到图9中的相干感测单元900中，其中，入射光学信号的偏振态与出射光学信号的偏振正交。参考图11A，具有与出射光学信号E01正交的偏振的入射光学信号E24可以通过子耦合器1102内耦合，以在波导922中产生内耦合光学信号E2。子耦合器1102最佳地内耦合的入射光学信号E24的偏振是根据子耦合器1102的设计来确定的。作为示例，最佳地耦合的光学信号E24沿着y方向线性偏振，如图11A中所示。
如图11A中所示，子耦合器1103的主要功能是充当接收器，以将入射光学信号内耦合到图9中的相干感测单元900中，其中，入射光学信号的偏振态与由子耦合器1102耦合到波导922中的入射光学信号的偏振正交。参考图11A，具有与光学信号E24正交的偏振的入射光学信号E34通过子耦合器1103被内耦合，以在波导933中产生内耦合光学信号E3。由子耦合器1103最佳地耦合的入射光学信号E34的偏振是根据子耦合器1104的设计来确定的。例如，最佳地耦合的光学信号E34沿着x方向线性偏振，如图11A中所示。
图11B示出根据本公开另一实施例的偏振变换分离配置1110的侧视图，该偏振变换分离配置1110与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1100一起使用，用于外耦合光学信号。图11C示出用于内耦合光学信号的图11B中所示的配置1110的侧视图。如图11B和图11C中所示，配置1110使到达耦合器1100的入射光学信号E24和E34以及由耦合器1100发射的出射光学信号E01能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于配置1110和目标之间。偏振变换分离配置1110包括法拉第旋转器1151、可选的偏振旋转器1152以及偏振相关分束器1141和1142，如图11B和图11C中所示。为了说明的目的，图11D示出图11B中的光学信号的偏振态的俯视图。类似地，图11E示出图11C中的光学信号的偏振态的俯视图。
图11B和图11C中的偏振变换分离配置1110类似于图10C和图10D中的偏振变换分离配置1010。配置1110和配置1010之间的主要区别在于，如图11B和图11C中所示的配置1110具有附加的偏振相关分束器1142，其设置在法拉第旋转器1151和偏振分集自由空间到波导耦合器1100之间。更具体地，图11B和图11C中的部件1141是偏振相关分束器，其类似于图10C和图10D中的偏振相关分束器1041。图11B和图11C中的部件1152是可选的偏振旋转器，其类似于图10C和图10D中的偏振旋转器1052。图11B和图11C中的部件1151是法拉第旋转器，其类似于图10C和图10D中的法拉第旋转器1051。
参考图11A和图11B，耦合器1100的子耦合器1101可以将出射光学信号E01输出到自由空间中。根据一些实施例，配置1110中的附加偏振相关分束器1142可以被配置为使得光学信号E01可以在x-y平面上横向移位，以产生具有与光学信号E01相同偏振的光学信号E10，其中，光学信号E01可以表现为相对于偏振相关分束器1142的e-ray。如图11B中所示，光学信号E01沿着x方向线性偏振，并且出射光学信号朝向正x方向移位。类似于图10C中的偏振变换分离配置1010，偏振变换分离配置1110中的法拉第旋转器1151、偏振旋转器1152和偏振相关分束器1141可以变换图11B中的光学信号E10以产生光学信号E13。如图11B中所示，光学信号E13沿着与光学信号E01的方向正交的方向(即，沿着y方向)线性偏振。
对于光学信号接收，来自目标的、沿着与图11B中的光学信号E13相同但方向相反的光路传播的入射光学信号可以包括具有与入射光学信号E20和E30相同的偏振的两个入射光学信号分量中的一个或两个，如图11C中所示，其中，光学信号E20沿着与光学信号E13的偏振相同的方向线性偏振，并且光学信号E30沿着与光学信号E20的偏振正交的方向线性偏振。例如，如图11C中所示，E20沿着y方向线性偏振，E30沿着x方向线性偏振。类似于偏振变换分离配置1010，偏振变换分离配置1110中的偏振相关分束器1141、偏振旋转器1152和法拉第旋转器1151可以变换图11C中的光学信号E20，以产生具有与图11B中的光学信号E10的偏振正交的偏振的光学信号E23。如图11B和图11C中所示，配置1110中的附加偏振相关分束器1142被配置为使得光学信号E23可以产生光学信号E24，其具有与图11B中的光学信号E01的偏振正交的偏振并且沿着光路传播以到达子耦合器1102。也就是说，光学信号E24可以表现为相对于偏振相关分束器1142的o-ray。光学信号E24然后可以通过子耦合器1102被内耦合，以产生被引导到波导922的内耦合光学信号E2，如图11A中所示。
类似地，偏振变换分离配置1110中的偏振相关分束器1141、偏振旋转器1152和法拉第旋转器1151可以变换图11C中的光学信号E30，以产生具有与图11C中的光学信号E23的偏振正交的偏振的光学信号E33。由于附加偏振相关分束器1142的配置，光学信号E33可以在x-y平面上横向移位，以产生具有与光学信号E24的偏振正交的偏振的光学信号E34，其方式与产生光学信号E10的光学信号E01相同，但方向相反。如图11C中所示，光学信号E33沿着x方向线性偏振，并且朝向负x方向移位，以产生同样沿着x方向线性偏振的光学信号E34。类似于光学信号E01，光学信号E33可以表现为相对于偏振相关分束器1142的e-ray。光学信号E34然后可以通过子耦合器1103被内耦合，以产生被引导到波导933的内耦合光学信号E3，如图11A中所示。
根据一些实施例，可以省略偏振变换分离配置1110中的可选的偏振旋转器1152，使得具有与光学信号E11相同的偏振态的出射光学信号可以用于目标照明。类似于从偏振变换分离配置1010中省略可选的偏振旋转器1052，在偏振分离配置1110中省略偏振旋转器1152可能需要根据光学信号E11的偏振方向重新配置偏振相关分束器1141，诸如通过对偏振相关分束器1141的光轴进行定向。子耦合器1102和1103的位置中的一个或两个也可能需要在衬底表面上相应地调整，以便补偿偏振相关分束器1141的光轴的不同定向。
类似于偏振变换分离配置1010，根据一些实施例，偏振变换分离配置1110的部件可以表现为单独部件，如图11B中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1110中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换分离配置1110可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器1100的PIC芯片分离的光学部件，如图11B中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1110中的一些或所有部件可以附接到包括耦合器1100的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换分离配置1110中的一些或所有部件可以在包括耦合器1100的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图11A、图11B和图11C中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器1100、偏振相关分束器1141和1142、法拉第旋转器1151和偏振旋转器1152上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图12A示出根据本公开再一实施例的偏振变换分离配置1210的侧视图，该偏振变换分离配置与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1100一起使用，用于外耦合光学信号。图12B示出用于内耦合光学信号的图12A中所示的配置1210的侧视图。配置1210使到达耦合器1100的入射光学信号E24和E34以及耦合器1100所发射的出射光学信号E01能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于配置1210和目标之间。如图12A和图12B中所示，偏振变换分离配置1210包括法拉第旋转器1251、可选的偏振旋转器1252、偏振相关分束器1241和1242和可选的四分之一波片1261。为了说明的目的，图12C示出图12A中的光学信号的偏振态的俯视图。类似地，图12D示出图12B中的光学信号的偏振态的俯视图。
图12A和图12B中的偏振变换分离配置1210是图11B和图11C中的偏振变换分离配置1110的修改实施例。配置1210相对于配置1110的主要修改包括以下内容：(1)配置1210中的偏振旋转器1252(如果存在的话)以这样的方式配置，即在与配置1110中的偏振旋转器1152所实现的旋转方向相反的方向上实现偏振旋转；(2)配置1210中的偏振相关分束器1241通过例如以如下这样的方式定向1241的光轴来配置，即在与偏振相关分束器1242在存在可选的偏振旋转器1252的情况下所实现的横向位移相反的方向上实现横向位移(如果有的话)；以及(3)配置1210包括附加的四分之一波片1261，其设置在偏振相关分束器1241和目标之间。因此，配置1210中的偏振相关分束器1242类似于配置1110中的偏振相关分束器1142，并且配置1210中的法拉第旋转器1251类似于配置1110中的法拉第旋转器1151。
一方面，参考图12B，与如图11C中所示的配置1110中的对应光路相比，上述配置1210中的修改(1)和(2)可以导致光学信号E20、E21、E22、E23和E24的光路具有与光学信号E30、E31、E32、E33和E34的光路的路径长度类似的路径长度。修改(1)和(2)因此可以具有最小化分别到达子耦合器1102和1103的光学信号E24和E34之间的相位差的优点。参考图12A，如果存在可选的偏振旋转器1252，则上述修改(1)和(2)还可以使光学信号E13能够以偏振相关分束器1241的表面上的位置和方向被发射，该位置和方向类似于子耦合器1101的表面上的光学信号E01的发射位置和方向。因此，修改(1)和(2)可以具有另一个优点，即通过使用来自耦合器1100中的子耦合器1101的出射光学信号，能够实现偏振变换分离配置1210的安装与耦合器1100的简化光学对准。
另一方面，参考图12A和图12C，上述修改(3)可以能够使用圆偏振光学信号E1C用于目标照明。更具体地，四分之一波片1261可以变换线性偏振光学信号E13，以产生用于目标照明的圆偏振光学信号E1C。如图12A和12C中所示，光学信号E13沿着x方向线性偏振，并且光学信号E1C相对于其传播方向右圆偏振。对于光学信号接收，可以根据任何两个正交偏振来分解来自目标的入射光学信号。如图12B和图12D中所示，从目标朝向负z方向传播的入射光学信号可以包括两个偏振分量E2C和E3C中的一个或两个，其中，它们中的一个相对于其传播方向是右圆偏振的，而它们中的另一个相对于其传播方向是左圆偏振的。如图12B和图12D中所示，相对于负z方向，E2C是右圆偏振的，E3C是左圆偏振的。如图12B中所示，四分之一波片1261可以变换光学信号E2C以产生线性偏振光学信号E20，并且变换光学信号E3C以产生具有与E20正交的偏振的光学信号E30。如图12B和图12D中所示，E20沿着x方向线性偏振，E30沿着y方向线性偏振。在一些方面，使用圆偏振光学信号而不是通过修改(3)实现的用于目标照明的线性偏振光学信号可以具有最小化由于目标或目标表面的某些特性而引起的显著信号损失的几率(odd)的优点。这样的显著信号损失可能在例如但不限于目标表面优先反射具有线性偏振的光时的情况下出现，该线性偏振恰好与线性偏振照明光学信号正交。圆偏振照明光学信号总是包括一对正交的线性偏振分量，在这样的情况下，该对正交的线性偏振分量可以避免反射光学信号的消失。
根据一些实施例，可以省略偏振变换分离配置1210中的可选的偏振旋转器1252。类似于从偏振变换分离配置1110中省略可选的偏振旋转器1152，在偏振变换分离配置1210中省略偏振旋转器1252可能需要重新配置偏振相关分束器1241和四分之一波片1261，例如通过根据光学信号E11的偏振方向来定向偏振相关分束器1241和四分之一波片1261的光轴。为了补偿偏振相关分束器1241和四分之一波片1261的光轴的不同定向，子耦合器1102和1103的位置中的一个或两个也可能需要在衬底表面上相应地调整。
类似于偏振变换分离配置1110，根据一些实施例，偏振变换分离配置1210的部件可以表现为单独部件，如图12A中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1210中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换分离配置1210可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器1100的PIC芯片分离的光学组件，如图12A中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1210中的一些或所有部件可以附接到包括耦合器1100的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换分离配置1210中的一些或所有部件可以在包括耦合器1100的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图12A和图12B中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器1100、偏振相关分束器1241和1242、法拉第旋转器1251、偏振旋转器1252和四分之一波片1261上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图13A示出根据本公开再一实施例的三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1300的俯视图。图13B示出图13A中所示的耦合器1300的透视图。此外，图13B示出分别与子耦合器1301、1302和1303耦合的偏振的出射光学信号和入射光学信号E01、E24和E34。如图13A和图13B中的虚线所示，三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1300(为了简单起见，本文称为耦合器1300)包括三个子耦合器1301、1302和1303。根据一些实施例，子耦合器1301、1302和1303中的每一个子耦合器可以通过耦合到单个波导的自由空间到波导耦合器来实现，该自由空间到波导耦合器包括但不限于光栅耦合器。根据其他实施例，子耦合器1302和1303中的每一个子耦合器可以通过偏振无关自由空间到波导耦合器来实现。耦合器1300是如图11A中所示的耦合器1100的修改实施例。图13A和图13B中的耦合器1300的子耦合器1301类似于图11A中的耦合器1100的子耦合器1101。图13A和图13B中的耦合器1300的子耦合器1302类似于图11A中的耦合器1100的子耦合器1102。图13A和图13B中的耦合器1300的子耦合器1303类似于图11A中的耦合器1100的子耦合器1103。比较耦合器1300和耦合器1100，耦合器1300的子耦合器的空间布置对于图9中的相干感测单元900的一些实施例可能是有利的(例如，更紧凑)。
图13C示出根据本公开又一实施例的偏振变换分离配置1310的侧视图，该偏振变换分离配置1310与三波导偏振分集自由空间到波导耦合器1300一起使用，用于外耦合光学信号。图13D示出图13C中所示的配置1310的另一侧视图。图13E示出用于内耦合光学信号的如图13C中所示的配置1310的侧视图。图13F示出图13E中所示的配置1310的另一侧视图。如图13C和图13E中所示，配置1310使到达耦合器1300的入射光学信号E24和E34以及耦合器1300所发射的出射光学信号E01能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于配置1310和目标之间。
为了说明的目的，图13G示出图13C和图13D中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。图13G中还示出了示出耦合器1300的俯视图的插图，其指示子耦合器1301、1302和1303在x-y平面上的位置，作为图13G中的光学信号的路径位置的参考。类似地，图13H示出图13E和图13F中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。图13H中x-y平面上的路径位置可以参考图13G的插图中指示的子耦合器1301、1302和1303的位置。
根据图13C、图13D、图13E和图13F，偏振变换分离配置1310包括法拉第旋转器1351、可选的偏振旋转器1352、偏振相关分束器1341和1342以及可选的四分之一波片1361。
图13C、图13D、图13E和图13F中所示的偏振变换分离配置1310是图11B和图11C中的偏振变换分离配置1110的修改实施例。配置1310相对于配置1110的主要修改包括以下内容：(1)配置1310的偏振相关分束器1341被配置为例如但不限于通过以如下这样的方式定向偏振相关分束器1341的光轴来配置，即在x-y平面上的方向上实现横向位移(如果有的话)，该方向垂直于偏振相关分束器1342在存在可选的偏振旋转器1352的情况下所实现的横向位移；以及(2)配置1310包括附加的四分之一波片1361，其设置在偏振相关分束器1341和目标之间。因此，配置1310的偏振相关分束器1342类似于配置1110的偏振相关分束器1142，配置1310的法拉第旋转器1351类似于配置1110的法拉第旋转器1151，并且配置1310的偏振旋转器1352类似于配置1110的偏振旋转器1152。
更具体地，在偏振变换分离配置1310中，偏振相关分束器1342实现沿着x方向的横向位移(如果有的话)，如图13C和图13E中所示，而偏振相关分束器1341实现沿着y方向的横向位移(如果有的话)，如图13D和图13F中所示。这与偏振变换分离配置1110和1210形成对比，其中，任一配置中的偏振相关分束器实现沿着x方向的横向位移(如果有的话)。
类似于图12A和图12B中的偏振变换分离配置1210，参考图13E和图13F，与如图11C中所示的配置1110中的对应光路相比，上述配置1310中的修改(1)可以导致光学信号E20、E21、E22、E23和E24的光路的路径长度与光学信号E30、E31、E32、E33和E34的光路的路径长度类似。如图13E和图13F中所示的光学信号E2C和E3C中的每一个在从四分之一波片1361通过偏振相关分束器1341、偏振旋转器1352、法拉第旋转器1351和偏振相关分束器1342传播到耦合器1300时经历一个横向位移。因此，修改(1)可以具有最小化分别到达子耦合器1302和1303的光学信号E2C和E3C之间的相位差的优点。
另一方面，类似于图12A和图12B中的配置1210，参考图13C和图13D中的配置1310，上述修改(2)也可以能够使用圆偏振光学信号E1C用于目标照明。
根据一些实施例，可以省略偏振变换分离配置1310中的可选的偏振旋转器1352。类似于从偏振变换分离配置1210中省略可选的偏振旋转器1252，在偏振分离配置1310中省略偏振旋转器1352可能需要重新配置偏振相关分束器1341和四分之一波片1361，例如通过根据光学信号E11的偏振方向来定向偏振相关分束器1341和四分之一波片1361的光轴。子耦合器1302和1303的位置中的一个或两个也可能需要在衬底表面上相应地调整，以便补偿偏振相关分束器1341和四分之一波片1361的光轴的不同定向。
类似于偏振变换分离配置1110，根据一些实施例，偏振变换分离配置1310的部件可以表现为分离部件，如图13C中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1310中的一些或所有部件可以表现为单个组合部件。此外，根据一些实施例，偏振变换分离配置1310可以是与包括偏振分集自由空间到波导耦合器1300的PIC芯片分离的光学组件，如图13C中所示。根据其他实施例，偏振变换分离配置1310中的一些或所有部件可以附接到包括耦合器1300的PIC芯片的表面。根据进一步的实施例，偏振变换分离配置1310中的一些或所有部件可以在包括耦合器1300的PIC芯片内或是PIC芯片的一部分。
在图13B、图13C、图13D、图13E和图13F中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器1300、偏振相关分束器1341和1342、法拉第旋转器1351、偏振旋转器1352和四分之一波片1361上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
分别在图1A、图7A、图7B、图8和图9中示出的相干感测单元100、700、710、800和900可以产生用于目标照明的具有固定偏振的出射光学信号。在光学相干感测的一些应用中，可能希望照明光学信号的偏振态是动态可调的。
图14示出根据本公开实施例的用于基于偏振分集发射和接收光学信号的相干感测单元1400的平面图，其中，发射的光学信号的偏振是可调节的。相干感测单元1400类似于检测具有任何偏振态的入射光学信号的相干感测单元700、710、800和900。相干感测单元1400和相干感测单元900之间的主要区别在于，相干感测单元1400包括偏振分集自由空间到波导耦合器，除了将具有任何偏振态的内耦合光学信号引导到与携带出射光学信号的波导不同的波导之外，该偏振分集自由空间到波导耦合器还可以用于外耦合具有任何偏振态的出射光学信号。
更具体地，参考图14，光源信号ES1和ES2中的至少一个被提供给相干感测单元1400。光源信号ES1和ES2分别通过波导1421和1431被引导到相干感测单元1400中。根据一些实施例，光源信号ES1和ES2可以来自同一光源。在这样的情况下，从ES1和ES2产生的出射光学信号可以相干地组合以形成单个光学信号。根据其他实施例，光源信号ES1和ES2可以来自不同的光源。波导1421和1431中的一个或两个可以连接到可选的移相器，该移相器用于调节波导1421和1431中的光学信号之间的相对相位。作为示例，在图14中，波导1431可以连接到移相器1451，该移相器将相移的光源信号ES2作为光学信号E4引导到波导1432。根据一些实施例，移相器1451可以是但不限于电光移相器或热光移相器。本地振荡器(LO)ELO通过波导1434被提供给相干感测单元1400。
在图14中，偏振分集自由空间到波导耦合器1401(为了简单起见，本文称为耦合器1401)是连接到波导1421、1422、1432和1433的四波导耦合器。耦合器1401既可以用作发射器，也可以用作接收器。
作为发射器，参考图14，耦合器1401可以将来自波导1421的光学信号E1(其基本上与光源信号ES1相同)和来自波导1432的光学信号E4耦合到自由空间中作为一个或更多个出射光学信号，其可以用于光学相干成像器的目标照明。耦合器1401所输出的出射光学信号在x-y平面之外的方向上传播(即，Eout的传播方向具有非零z分量)。出射光学信号以耦合器1401的设计所限定的偏振态来偏振。根据一些实施例，由光学信号E1产生的出射光学信号可以相对于由光学信号E4产生的出射光学信号正交偏振。其中，根据一些实施例，其中，光学信号E1和E4是相干的，出射光学信号可以表现为具有由耦合器1401的设计以及光学信号E1与E4的振幅和相对相位所限定的偏振态的单个出射光学信号Eout。
作为接收器，耦合器1401可以将入射光学信号Ein耦合到相干感测单元1400中。由耦合器1401耦合的入射光学信号Ein可以被引导到波导1422和1433中的一个或两个，这取决于入射光学信号Ein的偏振态。耦合到波导1422和1433的入射光学信号Ein的偏振分量取决于耦合器1401的设计。根据一些实施例，其中，光学信号E1为非零的，与由光学信号E1产生的出射光学信号Eout的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E2被引导到波导1422，并且与被引导到波导1422的入射光学信号Ein的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E3被引导到波导1433。根据其他实施例，其中，光学信号E4为非零的，与由光学信号E4产生的出射光学信号Eout的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E3被引导到波导1433，并且与被引导到波导1433的入射光学信号Ein的偏振分量正交的入射光学信号Ein的偏振分量可以作为内耦合光学信号E2被引导到波导1422。
在图14中，尽管耦合器1401被绘制为单个实体，但是耦合器1401通常可以包括单个光子部件或多个光子部件。耦合器1401的实施例在下面将要描述的图15A、图16A和图17A中示出。根据一些实施例，类似于图1A和图1B中的耦合器101，耦合器1401还可以包括TE-TM模式转换器、分路器和组合器中的任何一个。
在图14中，分路耦合器1406对来自波导1434的LO ELO进行分路，并将LO的一部分作为LO ELO,1引导到波导1423，将LO的一部分作为LO ELO,2引导到波导1435。分别传递到波导1423和1435的LO的部分取决于分路耦合器1406的分路比和损耗。根据一些实施例，分路耦合器1406可以是50/50分路耦合器。根据其他实施例，分路耦合器1406可以具有除50/50之外的分路比。
在图14中，部件1402是2×2光学耦合器，其混合来自波导1422的内耦合光学信号E2和来自波导1423的LO ELO,1，并将混合信号分路并引导到波导1424和1425。根据一些实施例，2×2光学耦合器1402可以类似于图9中的相干感测单元900的2×2光学耦合器902。
在图14中，部件1403是接收并检测来自波导1424的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图14中，部件1404是接收并检测来自波导1425的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器1403和1404可以类似于图9中的相干感测单元900的光电探测器903和904。
在图14中，类似于图9中的相干感测单元900的2×2光学耦合器912，部件1412是2×2光学耦合器，其混合来自波导1433的内耦合光学信号E3和来自波导1435的LO ELO,2，并将混合信号分路并引导到波导1436和1437。
在图14中，部件1413是接收并检测来自波导1436的光学信号的平方律光电探测器。类似地，在图14中，部件1414是接收并检测来自波导1437的光学信号的平方律光电探测器。根据一些实施例，光电探测器1413和1414可以类似于图9中的相干感测单元900的光电探测器913和914。
图15A示出根据本公开实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1500(为了简单起见，本文称为耦合器1500)的俯视图。图15B示出图15A中所示的耦合器1500的透视图。图15B另外示出分别与子耦合器1501、1502、1503和1504耦合的偏振的出射光学信号和入射光学信号E01、E24、E34和E04。如图15A中的虚线所示，耦合器1500包括四个子耦合器1501、1502、1503和1504。根据一些实施例，子耦合器1501、1502、1503和1504中的每一个子耦合器可以通过耦合到单个波导的自由空间到波导耦合器来实现，该自由空间到波导耦合器包括但不限于光栅耦合器。根据一些实施例，子耦合器1502和1503中的每一个子耦合器可以通过偏振无关自由空间到波导耦合器来实现。耦合器1500是如图13A中所示的耦合器1300的修改实施例，增加了连接到图14中的相干感测单元1400的波导1432的子耦合器1504。
图15C示出根据本公开实施例的偏振变换分离配置1510的侧视图，该偏振变换分离配置与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1500一起使用，用于外耦合光学信号。图15F示出用于内耦合光学信号的如图15C中所示的配置1510的侧视图。配置1510使到达耦合器1500的入射光学信号E24和E34以及由耦合器1500发射的出射光学信号E01和E04能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于配置1510和目标之间。图15D示出图15C中所示的配置1510的另一侧视图。图15G示出图15F中所示的配置1510的另一侧视图。在图15C、图15D、图15F和图15G中示出由光学信号E1和E4产生的出射光学信号以及产生E2和E3的入射光学信号的光路和偏振态的实施例。为了简单起见，波导1421、1422、1432和1433在图15C、图15D、图15F和图15G中未明确地示出。
为了说明的目的，图15E示出图15C和图15D中的光学信号的偏振态和在x-y平面上的路径位置的俯视图。图15E另外示出耦合器1500的俯视图的插图，其指示子耦合器1501、1502、1503和1504在x-y平面上的位置，作为图15E中的光学信号的路径位置的参考。类似地，图15H示出图15F和图15G中的光学信号的偏振态和x-y平面上的路径位置的俯视图。图15H中的插图示出耦合器1500的俯视图，其指示子耦合器1501、1502、1503和1504在x-y平面上的位置，作为图15H中的光学信号的路径位置的参考。
图15C、图15D、图15F和图15G中所示的偏振变换分离配置1510与图13C、图13D、图13E和图13F中所示的偏振变换分离配置1310基本相同，不同之处在于省略了用于产生用于目标照明的圆偏振出射光学信号的四分之一波片1361。与耦合器1500和偏振变换分离配置1510一起操作的相干感测单元1400可以通过调节波导1421和1432中的光学信号E1和E4的振幅和相对相位来产生具有任何偏振态(包括线性偏振、圆偏振或椭圆偏振)的出射光学信号，用于目标照明。根据一些实施例，为了使用偏振变换分离配置1510产生具有特定偏振态的出射光学信号，耦合器1500的子耦合器1501、1502、1503和1504可能需要被设计并且被配置为最大化出射光学信号E13和E43的空间交叠，如图15C、图15D和图15E中所示，以最小化从光学信号E13和E43组合的出射光学信号的偏振的空间变化。
在图15B、图15C、图15D、图15F和图15G中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且以法向入射在耦合器1500、偏振相关分束器1541和1542、法拉第旋转器1551和偏振旋转器1552上。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图16A示出根据本公开另一实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1600(为了简单起见，本文称为耦合器1600)的俯视图。图16B示出图16A中所示的耦合器1600的透视图。图16B另外示出与子耦合器1601和1602耦合的偏振的出射光学信号和入射光学信号E10、E40、E23和E33。如图16A中的虚线所示，耦合器1600包括两个子耦合器1601和1602。根据一些实施例，子耦合器1601和1602中的每一个子耦合器可以通过如图1B中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器101或如图2中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器200来实现。耦合器1600是如图10A中所示的耦合器1000的修改实施例，其中附加波导1432连接到图16A中的相干感测单元1600的子耦合器1602，用于外耦合光学信号E4。
在图16B中，出于说明的目的，出射光学信号E10和入射光学信号E23被绘制为在不同空间位置处与子耦合器1601耦合。通常，出射光学信号E10和入射光学信号E23可以根据一些实施例在相同空间位置处与子耦合器1601耦合，或者根据其他实施例在不同空间位置处与子耦合器1601耦合。类似地，出射光学信号E40和入射光学信号E33可以根据一些实施例在相同空间位置处与子耦合器1602耦合，或者根据其他实施例在不同空间位置处与子耦合器1602耦合。
图16C示出根据本公开另一实施例的偏振变换分离配置1610的侧视图，该偏振变换分离配置1610与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1600一起使用，用于外耦合光学信号。图16D示出用于内耦合光学信号的图16C中所示的配置1610的侧视图。为了说明的目的，图16E示出图16C中的光学信号的偏振态的俯视图，而图16F示出图16D中的光学信号的偏振态的俯视图。偏振变换分离配置1610基本上与如图10C和图10D中所示的偏振变换分离配置1010相同。图16C、图16D、图16E和图16F中示出由光学信号E1和E4产生的出射光学信号以及产生光学信号E2和E3的入射光学信号的光路和偏振态的实施例。为了简单起见，波导1421、1422、1432和1433在图16C和图16D中未明确地示出。
在图16B、图16C和图16D中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且以法向入射在耦合器1600、偏振相关分束器1641、法拉第旋转器1651和偏振旋转器1652上。通常，光学信号的传播方向可以相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图17A示出根据本公开再一实施例的四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1700(为了简单起见，本文称为耦合器1700)的透视图。图17A另外示出与子耦合器1701、1702和1703耦合的偏振的出射光学信号和入射光学信号E01、E04、E24和E34。如图17A中的虚线所示，耦合器1700包括三个子耦合器1701、1702和1703。根据一些实施例，子耦合器1701可以通过如图1B中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器101或如图2中所示的偏振分集自由空间到波导耦合器200来实现，而子耦合器1702和1703中的每一个子耦合器可以通过耦合到单个波导的自由空间到波导耦合器来实现，包括但不限于光栅耦合器。根据其他实施例，子耦合器1702和1703中的每一个子耦合器可以通过偏振无关自由空间到波导耦合器来实现。耦合器1700是如图11A中所示的耦合器1100的修改实施例，其中附加波导1432连接到图17A中的相干感测单元1700的子耦合器1701，用于除了外耦合来自波导1421的光学信号E1之外还外耦合光学信号E4。
在图17A中，为了说明的目的，出射光学信号E01和出射光学信号E04被绘制为在不同空间位置处与子耦合器1701耦合。根据一些实施例，出射光学信号E01和出射光学信号E04可以在相同空间位置处与子耦合器1701耦合，以确保两个出射光学信号的最大空间重叠。根据其他实施例，出射光学信号E01和出射光学信号E04可以在不同空间位置处与子耦合器1701耦合。
图17B示出根据本公开再一实施例的偏振变换分离配置1710的侧视图，该偏振变换分离配置1710与四波导偏振分集自由空间到波导耦合器1700一起使用，用于外耦合光学信号。图17C示出用于内耦合光学信号的图17B中所示的配置1710的侧视图。为了说明的目的，图17D示出图17B中的光学信号的偏振态的俯视图，而图17E示出图17C中的光学信号的偏振态的俯视图。偏振变换分离配置1710基本上与如图11B和图11C中所示的偏振变换分离配置1110相同。图17B、图17C、图17D和图17E中示出由光学信号E1和E4产生的出射光学信号以及产生光学信号E2和E3的入射光学信号的光路和偏振态的实施例。偏振变换分离配置1710与耦合器1700一起使用可以确保信号E01、E10、E11、E12和E13的光路长度基本上与信号E04、E40、E41、E42和E43的光路长度相同，使得来自光学信号E13和E43的相干组合光学信号的偏振基本上与来自光学信号E01和E04的相干组合光学信号的偏振相同。为了简单起见，波导1421、1422、1432和1433在图17B和图17C中未明确地示出。
在图17A、图17B和图17C中，为了说明的目的，光学信号被描绘为沿着z方向传播，并且在耦合器1700、偏振相关分束器1741和1742、法拉第旋转器1751和偏振旋转器1752上以法向入射。通常，光学信号的传播方向可以是相对于这些部件以法向入射或以不同于法向入射的入射角入射。
图18A示出根据本公开实施例的相干光学传感器1800的平面图。相干光学传感器1800包括相干感测阵列1810以及在PIC芯片上实现的光学路由电路1820和1830。
在图18A中，光学路由电路1820用于将LO ELO路由到相干感测阵列1810中。例如，图18A中的光学路由电路1820将LO ELO路由到相干感测阵列1810的不同行中。光学路由电路1820包括光学波导网络，其中，LO ELO的流动由网络中的多个光学开关控制。作为示例，在图18A中，光学路由电路1820包括光学开关1821、1822和1823，其可以是但不限于基于马赫·曾德尔干涉仪(MZI)的光学开关或基于MEMS的光学开关。
可以理解的是，光学路由电路1820的其他实现方式也是可能的。例如，图18A中的光学路由电路1820可以是二进制树的形式。光学开关将来自输入的LO ELO引导到开关的一个或更多个输出端口。根据一些实施例，图18A中的光学开关1821可以将波导1824中的LOELO引导到波导1825和1826中的一个或两个。
光学路由电路1830用于将光源信号ES路由到相干感测阵列1810中。根据一些实施例，光学路由电路1830可以呈现与光学路由电路1820的结构类似的结构。在一个实施例中，光学路由电路1830可以是包括光学开关1831、1832和1833的二进制树的形式。根据其他实施例，光学路由电路1830可以呈现不同于光学路由电路1820的结构的结构。
在图18A中，相干感测阵列1810包括相干感测单元1801的阵列。在一个实施例中，相干感测阵列1810包括以4×6矩形格式(即，4行和6列)布置的24个相干感测单元1801。图18B示出根据本公开实施例的相干感测阵列1810的一行6个相干感测单元。
在图18A中，相干感测阵列1810的每个相干感测单元1801连接到两个波导，这两个波导用作相干感测单元的光学输入端口。根据一些实施例，相干感测单元1801可以是如图1A中所示的相干感测单元100。根据其他实施例，相干感测单元1801可以是如图7A中所示的相干感测单元700。根据其他实施例，相干感测单元1801可以是如图8中所示的相干感测单元800。根据进一步的实施例，相干感测单元1801可以是如图9中所示的相干感测单元900。
在图18A中，连接到相干感测单元1801的两个波导可以用于将光源信号ES和LO ELO引导到该感测单元1801中。例如，参考图18B，波导1843可以用于将光源信号ES引导到相干感测单元1801中，该相干感测单元1801连接到图18B中的波导1843和1844，而波导1844可以用于将LO ELO引导到同一相干感测单元中。在相干感测阵列1810中可以使用分路耦合器来将光源信号ES和LO ELO分配到不同的相干感测单元1801中。如图18B中所示，分路耦合器1811、1812、1813、1814和1815可以用于将光源信号ES分配到六个相干感测单元1801中。分路耦合器1811、1812、1813、1814和1815可以具有相同的或不同的分路比。根据将光源信号ES均匀分配到六个相干感测单元1801中的一些实施例，分路耦合器1811可以具有5:1的分路比，分路耦合器1812可以具有4:1的分路比，分路耦合器1813可以具有3:1的分路比，分路耦合器1814可以具有2:1的分路比，并且分路耦合器1815可以具有1:1的分路比。类似地，根据图18B中的实施例，分路耦合器1851、1852、1853、1854和1855可以用于将LO ELO分配到六个相干感测单元1801中，其中，分路耦合器1851、1852、1853、1854和1855类似于分路耦合器1811、1812、1813、1814和1815，其可以将LO ELO均匀地分配到六个相干感测单元1801，也可以不均匀地将LO ELO分配到六个相干感测单元1801。
图18A中的相干光学传感器1800还可以包括未在图中明确地示出的激光源、电气控制电路和电气读出电路。
图19A示出根据本公开另一实施例的相干光学传感器1900的平面图。相干光学传感器1900包括相干感测单元1901的阵列，其通过H树的拓扑中的光学路由电路耦合到光源信号ES。例如，如图19A中所示的相干光学传感器1900表现为具有八个相干感测单元1901的三电平H树。相干光学传感器1900中的H树光学路由电路由与多个光学开关1902耦合的波导的网络构成。图19A中的光学开关1902可以类似于图18A中的相干光学传感器1800的光学开关1821、1822、1823、1831、1832和1833。
如图19A中所示，相干感测单元1901中的每一个可以耦合到将光源信号ES提供给相干感测单元的单个波导。光源信号ES可以用作相干感测单元1901中用于目标照明的光源信号和用于外差检测的LO。根据一些实施例，每个相干感测单元1901可以是如图7B中所示的相干感测单元710。根据其他实施例，每个相干感测单元1901可以是如图1A中所示的相干感测单元100、如图7A中所示的相关感测单元700、如图8中所示的相关感测单元800或如图9中所示的相干感测单元900，其中，分路耦合器可以用于将提供给每个相干感测单元1901的光源信号ES分路为用作源信号的光源信号ES的一部分和用作相干感测单元的LO ELO的ES的一部分。根据进一步的实施例，每个相干感测单元1901可以是如图19B中所示的相干感测单元组1910。图19A中的相干光学传感器1900还可以包括未在图中明确地示出的激光源、电气控制电路和电气读出电路。
图19B示出根据本公开实施例的相干感测单元组1910的平面图。在一个实施例中，相干感测单元组1910包括以H树拓扑布置的多个相干感测单元1911。例如，图19B中的相干光学传感器1910表现为具有四个相干感测单元1911的二电平H树。在图19B中，部件1913是可以用于对光源信号ES分路的分路耦合器，以将光源信号ES的一部分提供给相干感测单元组1910的每个相干感测单元1911。根据一些实施例，分路耦合器1913的分路比可以是50/50，以将源信号均匀地分配到相干感测单元组1910的所有相干感测单元1911。在图19B中，部件1912是分路耦合器，该分路耦合器可以用于将提供给每个相干感测单元1911的光源信号ES分路为作为光源信号的光源信号ES的一部分和作为相干感测单元的LO的光源信号ES的一部分。分路耦合器1912的分路比可以是50/50，也可以不是50/50。
在图19B中，相干感测单元1911中的每一个可以是如图1A中所示的相干感测单元100、如图7A中所示的相干感测单元700、如图8中所示的相干感测单元800或如图9中所示的相干感测单元900。
图20A示出根据本公开再一实施例的相干光学传感器2000的平面图。相干光学传感器2000包括感测区域2010以及在PIC芯片上实现的光学路由电路2020和2030。根据一些实施例，感测区域2010包括多个相干感测单元组2001。每个相干感测单元组2001包括发射用于目标照明的出射光学信号的多个相干感测单元，其中，出射光学信号的偏振是可调节的。
在图20A中，光学路由电路2020可以用于将本地振荡器ELO路由到感测区域2010中的相干感测单元组2001。根据一些实施例，光学路由电路2020可以类似于相干光学传感器1800的光学路由电路1820。在图20A中，光学路由电路2030可以用于将源光ES路由到感测区域2010中的相干感测单元组2001。根据一些实施例，光学路由电路2030可以类似于相干光学传感器1800的光学路由电路1830。
图20B示出根据本公开另一实施例的相干感测单元组2001的平面图。相干感测单元组2001包括多个相干感测单元2002，这些相干感测单元2002发射具有可调节偏振的出射光学信号用于目标照明。为了说明的目的，相干感测单元组2001在图20B中被绘制为包括四个相干感测单元2002。每个相干感测单元2002包括用于内耦合LO ELO的一个输入波导和用于内耦合源光的两个输入波导，其中，两个波导中的源光的振幅和相对相位确定从相干感测单元2002发射的出射光学信号的偏振态。根据一些实施例，相干感测单元2002可以由如图14中所示的相干感测单元1400来实现。
如图20B中所示，每个相干感测单元组2001包括多个分路耦合器2051、2052和2053，以将LO ELO分配到相干感测单元组2001的每个相干感测单元2002。根据一些实施例，分路耦合器2051、2052和2053可以类似于分路耦合器1851、1852、1853、1854和1855，这些分路耦合器可以将LO ELO均匀地分配到相干感测单元组2001的每个相干感测单元2002，也可以不均匀地分配。
如图20B中所示，每个相干感测单元组2001可以包括光学开关2021，该光学开关2021将源光ES分为两部分。源光ES的两部分然后可以通过分路耦合器被分配给每个相干感测单元2002。例如，源光ES的一部分可以通过分路耦合器2011、2012和2013被分配给相干感测单元2002。根据一些实施例，分路耦合器2011、2012和2013可以类似于分路耦合器1811、1812、1813、1814和1815，这些耦合器可以将源光ES均匀地分配给相干感测单元组2001的每个相干感测单元2002，也可以不均匀地分配。类似地，源光ES的一部分可以通过类似于分路耦合器2011、2012和2013的分路耦合器2014、2015和2016被分配给每个相干感测单元2002。根据一些实施例，相干感测单元组2001可以包括波导交叉2022，以使光学信号能够在紧凑的PIC布局中以最小的损耗和串扰彼此交叉。
图20C示出根据本发明实施例的基于马赫·曾德尔干涉仪的光学开关2021的平面图。作为马赫·曾德尔干涉仪的光学开关2021包括移相器2031，以控制光学开关2021的输出部分。根据一些实施例，移相器2031可以是电光移相器或热光移相器。
图20A中的相干光学传感器2000可以包括未明确地示出的激光源、电气控制电路和电气读出电路。此外，图20B中的相干感测单元组2001可以包括未明确地示出的电气控制电路和电气读出电路。
图21A示出根据本公开实施例的光学相干成像器2100的侧视图。光学相干成像器2100包括相干光学传感器2101、偏振变换分离组件2102和成像光学系统2103。光学相干成像器2100还可以包括其他部件，包括但不限于为了简单起见在图21A中未明确地示出的激光源、电子控制器、电子接口和数字信号处理器中的任何一个或更多个。
图21A中的相干光学传感器2101是包括本公开的多个相干感测单元的传感器。根据一些实施例，相干光学传感器2101可以是分别在图18A、图19A和图20A中示出的相干光学传感器1800、1900和2000中的一个。从相干光学传感器2101发出用于目标照明的出射光学信号。从相干光学传感器2101的不同相干感测单元通过成像光学系统2103发射的出射光学信号可以产生不同视场位置的照明波束，使得每个视场位置对应于相干光学传感器的相干感测单元。图21A中的成像光学系统2103的细节仅出于说明目的而示出。其他光学设置可以用于成像光学系统2103。根据在相干光学传感器2101中使用的相干感测单元的具体设计，根据一些实施例，偏振变换分离组件2102可以是图4C、图5A、图5C、图6A、图6C、图10C、图11B、图12A、图13C、图15C、图16C和图17B中所示的配置之一。偏振变换分离组件2102可以用于使从相干光学传感器2101发射的用于目标照明的出射光学信号和由相干光学传感器210接收的入射光学信号(即，目标信号)能够沿着公共光路传播，其中，公共光路位于组件2102和目标2104之间。
在图21A中，光线2171示出光学相干成像器2100的视场位置的示例光路，并且光线2172示出光学相干成像器2100另一视场位置的示例光路。成像光学系统2103可以具有至少一个像平面。偏振变换分离组件2102可以设置在靠近成像光学系统2103的像平面的位置处。例如，在图21A中，偏振变换分离组件2102被设置在靠近相干光学传感器2101的位置处，相干光学传感器2101被设置在成像光学系统2103的最终像平面2161处。
图21B示出图21A中的成像器2100在最终像平面2161附近的特写视图。为了说明的目的，在图21B中，偏振变换分离组件2102可以表现为图6C中所示的偏振变换分离配置。如图21B中所示，对于光学相干成像器2100的每个视场位置，来自目标的关于出射光学信号共享公共光路的入射光学信号可以通过偏振相关分束器401在最终像平面上空间间隔。在图21B中，空间间隔2198是偏振相关分束器401所实现的入射光线和出射光线2171的空间间隔，并且空间间隔2199是偏振相关分束器401所实现的入射光线和出射光线2172的空间间隔。根据一些实施例，成像光学系统2103可以具有图像空间远心性，其使偏振相关分束器401的空间间隔能够在光学相干成像器2100的视场上是均匀的。光线2171的空间间隔2198因此可以类似于光线2172的空间间隔2199。此外，光线2171的对向角(angular subtense)2188也可以类似于光线2172的对向角2189。在这样的情况下，相干光学传感器2101中的相干感测单元的偏振分集自由空间到波导耦合器可以被设计为根据公共入射角(例如，法向入射)、公共对向角以及(如果适用的话)子耦合器之间的公共间隔来与光学信号最佳地耦合。根据其他实施例，其中，成像光学系统2103可能不具有图像空间远心性，根据偏振变换分离组件2102和成像光学系统2103的规范，相干光学传感器2101中的相干感测单元的每个偏振分集自由空间到波导耦合器可以被单独地设计为与光学信号最佳地耦合。
图21C示出在图21B中的光学相干成像器的视场上相对于相干光学传感器2101上的偏振相关分束器401的示例普通射线(o-ray)和非常射线(e-ray)的偏振图。在图21C中，偏振2191示出o-ray偏振的示例，并且偏振2192示出e-ray偏振的示例。作为示例，根据图21B中位于x-z平面上的光轴498的定向，o-ray偏振是具有沿着y方向的主导分量的线性偏振，而e-ray偏振则是具有沿着x方向的主导分量的线性偏振。根据一些实施例，其中，成像光学系统2103正好是精确图像空间远心的，o-ray偏振和e-ray偏振在光学相干成像器的视场上都可以是均匀的。根据其他实施例，例如图21C中所示的实施例，当成像光学系统2103并非正好是图像空间远心时，o-ray和e-ray的偏振可能偏离均匀性。根据一些实施例，可以设计相干光学传感器2101中的相干感测单元的偏振分集自由空间到波导耦合器，其中，忽略不均匀性。根据其他实施例，相干光学传感器2101中的相干感测单元的每个偏振分集自由空间到波导耦合器可以被单独设计为根据成像光学系统2103的视场上的o-ray和e-ray的偏振的变化来与光学信号最佳地耦合。
图22A示出根据本公开另一实施例的光学相干成像器2200的侧视图。光学相干成像器2200包括相干光学传感器2201、成像光学系统2203和偏振变换分离组件，偏振变换分离组件具有与成像光学系统220的光学部件一起布置的部件。作为图示，偏振变换分离组件包括偏振相关分束器2241和2242、法拉第旋转器2251、偏振旋转器2252和四分之一波片2261。该偏振变换分离组件类似于图12A和图12B中的偏振变换分离配置1210，不同之处在于偏振相关分束器2241的使用实现了角位移而不是配置1210中的偏振相关分束器1241所实现的横向位移。根据一些实施例，偏振相关分束器2241可以是双折射楔。在图22A中，光线2271示出光学相干成像器2200的视场位置的示例光路，并且光线2272示出光学相干成像器2200的另一视场位置的示例光路。
图22B示出根据本公开实施例的传播通过实现角位移的偏振相关分束器2241的光线和传播通过实现横向位移的偏振相关分束器2242的光线的侧视图。参考图22B，偏振相关分束器2242可以产生入射光线的横向位移，该横向位移取决于光线偏振。例如，在图22B中，当光线通过偏振相关分束器2242时，光线的x偏振分量和y偏振分量以不同的位移横向移位。相反，偏振相关分束器2241可以产生入射光线的角位移，该角位移取决于光线偏振。例如，在图22B中，当光线通过偏振相关分束器2241时，光线的x偏振分量和y偏振分量以不同的角度发生角移位。
返回参考图22A，偏振相关分束器2242被设置在靠近成像光学系统2203的像平面的位置处，而偏振相关分束器2241被设置在靠近成像光学系统2203的焦平面的位置处。偏振相关分束器2241在焦平面上的角位移可以有效地产生像平面上的横向位移。偏振相关分束器2241的使用可以具有在用于在成像光学系统2203中设置包括但不限于偏振相关分束器2241和2242、法拉第旋转器2251、偏振旋转器2252和四分之一波片2261的光学部件的各种位置实现更大灵活性的优点。
如图22A中所示，法拉第旋转器2251、偏振旋转器2252和四分之一波片2261可以设置在成像光学系统2203中光线的入射角相对较小(即，接近法向入射)的位置处。根据一些实施例，对于光学相干成像的某些应用，一些偏振相关部件可能比其他部件具有更大的性能容差。例如，容忍光线入射角的法拉第旋转器2251可以设置在偏振旋转器2252和偏振相关分束器2242之间的任何位置处。作为另一示例，四分之一波片2261可以设置在不同视场位置处光线的入射角变化较大的位置处。四分之一波片2261可以将处于法向入射的线性偏振的出射光学信号变换为圆偏振光学信号，并且将以不同于法向入射的入射角线性偏振的出射光学信号变换为椭圆偏振光学信号。因此，在不同视场位置处的四分之一波片2261上的入射角变化的结果可能基本上导致用于不同目标场景位置的照明的不同椭圆偏振光，这可能不会对光学相干成像的相关应用造成重大问题。此外，相干光学传感器2201的一些实施例，例如图20A中所示的相干光学传感器2000，可以实现动态偏振调节，这可以减轻用于不同目标场景位置的照明的不同椭圆偏振光的问题。
在图22A中，偏振变换分离组件的部件与成像光学系统2203的光学部件单独设置。根据一些实施例，偏振变换分离组件的一个或更多个部件可以与成像光学系统2203的光学部件一起设置。
图23示出根据本公开实施例的使用偏振分集来实现用于发射和接收光学信号的共享路径的光学相干成像的方法的流程图。
在步骤2301中，从光源产生源光。
在步骤2303中，源光通过波导电路被引导到光学相干成像器的相干光学传感器中的一个或更多个偏振分集自由空间到波导耦合器。根据一些实施例，可以通过使用控制系统控制波导电路中的电光开关或热光开关来实现将源光引导通过波导电路。根据一些实施例，源光被引导到的偏振分集自由空间到波导耦合器的选择可以由要照明的目标场景的位置来确定。更具体地，每个目标场景位置对应于光学相干成像器的视场位置，该视场位置又对应于光学相干成像器的相干光学传感器中的偏振分集自由空间到波导耦合器。
在步骤2305中，对于源光被引导到的所选择的每个偏振分集自由空间到波导耦合器(为了简单起见，本文称为耦合器)，源光从耦合器外耦合到自由空间中，以产生具有第一偏振的出射光。这里，自由空间可以指真空、空气、耦合器表面上方的区域、或者具有长度尺度远大于(例如，至少10倍)在其中传播的光学信号的波长的边界的任何同质介质。根据一些实施例，偏振分集自由空间到波导耦合器可以通过关于图1B示出和描述的耦合器101、关于图2示出和描述的耦合器200、关于图3示出和描述的耦合器300、关于图10A示出和描述的耦合器1000、关于图11A示出和描述的耦合器1100、关于图13A示出和描述的耦合器1300、关于图15A示出和描述的耦合器1500、关于图16A示出和描述的耦合器1600、或者关于图17A示出和描述的耦合器1700来实现。
在步骤2307中，对于由所选择的每个偏振分集自由空间到波导耦合器发射的出射光，可以通过偏振变换配置将出射光的第一偏振变换为第二偏振。第二偏振可以与第一偏振相同，也可以不同。第二偏振可以是线性偏振、圆偏振或椭圆偏振中的任何一个。根据一些实施例，偏振变换可以通过包括但不限于法拉第旋转器、偏振旋转器和四分之一波片的一个光学部件或光学部件的组合来实现。
在步骤2307中，根据一些实施例，出射光的光路可以另外横向地或在角度上移位，或者横向地并且在角度上移位。位移可以通过例如但不限于偏振相关分束器的光路位移部件中的至少一个来实现。根据一些实施例，偏振变换和光路位移的操作可以通过包括但不限于法拉第旋转器、偏振旋转器、四分之一波片和偏振相关分束器的光学部件的组合来实现。根据一些实施例，这样的操作可以通过但不限于图4C、图5A、图5C、图6A、图6C、图10C、图11B、图12A、图13C、图15C、图16C和图17B中所示的配置中的至少一个来实现。根据一些实施例，用于这样的操作的配置可以与成像光学系统的其他光学部件一起设置，也可以不一起设置。例如，参考图22A，具有光路位移的偏振变换配置包括与成像光学系统2203的光学部件(透镜)一起设置的部件2241、2242、2251、2252和2261。
在步骤2309中，经变换的出射光被引导到位于光学相干成像器的视场位置处的一个或更多个目标，该视场位置对应于根据步骤2303所选择的偏振分集自由空间到波导耦合器。根据一些实施例，经变换的出射光可以被引导到目标，其中附加的成像光学系统被设置在所选择的耦合器和目标之间。
在步骤2311中，目标可以反射或散射经变换的用于对其照明的出射光。来自目标的反射光或散射光可以由光学相干成像器在成像器的视场位置处接收，该视场位置对应于步骤2309中描述的所选择的偏振分集自由空间到波导耦合器。根据一些实施例，反射光或散射光可以利用设置在所选择的耦合器和目标之间的附加的成像光学系统来接收。根据一些实施例，光学成像系统可以与步骤2309中的成像光学系统相同。
在步骤2313中，可以通过与如步骤2307中描述的相同的偏振变换配置来变换从目标反射或散射的接收光。在步骤2311中描述的成像器的每个视场位置处，接收光可以包括具有与经变换的出射光的第二偏振相同的第三偏振的分量和具有与第三偏振分量正交的第四偏振的分量中的一个或两个。在每个视场位置处，偏振变换配置可以将接收光的第三偏振变换为第五偏振，该第五偏振与该位置处的出射光的第一偏振正交。类似地，偏振变换配置可以将接收光的第四偏振变换为第六偏振，该第六偏振与经变换的接收光的第一偏振正交。根据一些实施例，在每个视场位置处，接收光的至少一个偏振分量的光路可以另外移位步骤2307中描述的相同的光路移位分量。根据一些实施例，移位的接收光的偏振分量可以是第三偏振和第四偏振中的一个或两个。
在步骤2315中，可以使用一个或更多个偏振分集自由空间到波导耦合器将经变换的接收光从自由空间耦合到内耦合波导中。根据一些实施例，这些偏振分集自由空间到波导耦合器可以是在步骤2305中用于发射出射偏振光的偏振分集自由空间到波导耦合器中的同一组耦合器。对于每个偏振分集自由空间到波导耦合器，通过偏振分集自由空间到波导耦合器接收一些或所有经变换的接收光的至少一个内耦合波导不同于根据步骤2303将源光引导到耦合器的波导(即，外耦合波导)。
更具体地，一方面，根据一些实施例，偏振分集自由空间到波导耦合器可以将经变换的接收光的、与从耦合器发射的出射光的第一偏振正交的第五偏振内耦合到不同于外耦合波导的至少一个波导。这可以通过偏振分集自由空间到波导耦合器的设计来实现，该偏振分集自由空间到波导耦合器将经变换的接收光的第五偏振耦合到不同于外耦合波导的内耦合波导。根据一些实施例，这可以通过接收光的第三偏振的光路位移来实现，使得经变换的接收光的第一偏振可以在不同于从耦合器发射出射光的空间位置的空间位置处到达耦合器。
另一方面，根据一些实施例，偏振分集自由空间到波导耦合器可以将经变换的接收光的、与经变换的接收光的第五偏振正交的第六偏振内耦合到与外耦合波导不同的至少一个波导。这可以通过接收光的第四偏振的光路位移来实现，使得经变换的接收光的第六偏振可以在不同于从耦合器发射出射光的空间位置的空间位置处到达耦合器。根据一些实施例，接收光的第三偏振和第四偏振的光路位移可以通过步骤2313中描述的相同的光路位移分量来实现。
在步骤2317中，内耦合波导中的内耦合接收光可以由设置在内耦合经变换的接收光的偏振分集自由空间到波导耦合器附近的检测器来检测。检测器可以被布置为外差检测设置，以利用提供给外差检测设置的本地振荡器光来执行外差检测。
在步骤2319中，可以对检测到的信号进行处理以提取关于目标的信息。信号的处理可以由信号处理单元执行，该信号处理单元可以是光学相干成像器的一部分，也可以不是光学相干成像器的一部分。根据一些实施例，目标的信息可以包括但不限于目标的坐标和目标表面的反射率。根据一些实施例，目标的信息可以包括目标与光学相干成像器的距离。根据一些实施例，目标的信息可以包括目标的速度信息。根据一些实施例，可以通过根据FMCW LIDAR的方法在步骤2301中对源光进行调制以获得距离和速度信息，并且可以通过对检测到的信号进行傅立叶变换来提取距离和速度信息。
为了描述和定义本公开的目的，应注意的是，本文可以使用程度术语(例如，“基本上”、“轻微地”、“大约”、“可比较的”等)来表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定性程度。本文中也可以使用这样的程度术语来表示定量表示在不导致所讨论主题的基本功能的改变的情况下相对于所声称的参考可以变化的程度(例如，约10％或更低)。除非本文另有说明，否则本公开中出现的任何数值都被视为经过一定程度的修改(例如，“大约”)，从而反映其内在的不确定性。
尽管本文已经详细描述了本公开的各种实施例，但是本领域普通技术人员将容易理解在不脱离所附权利要求中所述的本公开的精神和范围的情况下的修改和其他实施例。

Claims (21)

1.一种光学相干传感器，包括多个相干感测单元和设置在所述相干感测单元上的偏振变换器，其中，所述相干感测单元中的每一个包括：
偏振分集光学耦合器，其能够将具有第一偏振态的光学信号引导到自由空间和第一波导以及从所述自由空间和所述第一波导引导具有所述第一偏振态的光学信号，并且能够将具有第二偏振态的光学信号引导到所述自由空间和第二波导以及从所述自由空间和所述第二波导引导具有所述第二偏振态的光学信号；
一个或更多个2×2光学耦合器，其通过所述第一波导和所述第二波导中的至少一个来光学耦合到所述偏振分集光学耦合器；以及
一个或更多个光电探测器，其光学耦合到所述2×2光学耦合器。
2.根据权利要求1所述的光学相干传感器，其中，所述偏振分集光学耦合器包括第一子耦合器和第二子耦合器。
3.根据权利要求2所述的光学相干传感器，其中，所述第一子耦合器和所述第二子耦合器中的一个子耦合器是偏振相关的，该子耦合器与预定偏振态的光学信号最佳地耦合，并且其中，所述第一子耦合器和所述第二子耦合器中的另一子耦合器是偏振无关的，该另一子耦合器与任何偏振态的光学信号最佳地耦合。
4.根据权利要求2所述的光学相干传感器，其中，所述第二子耦合器设置在所述第一子耦合器上并且与所述第一子耦合器垂直分离。
5.根据权利要求2所述的光学相干传感器，其中，所述第一子耦合器和所述第二子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。
6.根据权利要求5所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器将来自所述第一子耦合器和所述第二子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到所述自由空间中的光路，并且将来自所述光路的入射光学信号分离为具有所述第一偏振态的第一光学信号和具有所述第二偏振态的第二光学信号，所述第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被所述偏振变换器在空间上移位，使得所述第一光学信号和所述第二光学信号分别入射在所述第一子耦合器和第二子耦合器上。
7.根据权利要求2所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器包括至少一个偏振相关分束器。
8.根据权利要求1所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器包括一个或更多个偏振转换器，所述一个或更多个偏振转换器将线性偏振的光学信号旋转预定角度。
9.根据权利要求8所述的光学相干传感器，其中，所述偏振转换器中的至少一个是法拉第旋转器。
10.根据权利要求1所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器包括一个或更多个四分之一波片。
11.根据权利要求2所述的光学相干传感器，其中，所述偏振分集光学耦合器还包括第三子耦合器。
12.根据权利要求11所述的光学相干传感器，其中，所述第一子耦合器、所述第二子耦合器和所述第三子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。
13.根据权利要求11所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器将来自所述第一子耦合器、所述第二子耦合器和所述第三子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并且将来自所述光路的入射光学信号分离为具有所述第一偏振态的第一光学信号和具有所述第二偏振态的第二光学信号，所述第一光学信号和所述第二光学信号中的一个或两个被所述偏振变换器在空间上移位，使得所述第一光学信号和所述第二光学信号分别入射在所述第一子耦合器、所述第二子耦合器和所述第三子耦合器中的两个子耦合器上。
14.根据权利要求11所述的光学相干传感器，其中，所述偏振分集光学耦合器还包括第四子耦合器。
15.根据权利要求14所述的光学相干传感器，其中，所述偏振变换器将来自所述第一子耦合器、所述第二子耦合器、所述第三子耦合器和所述第四子耦合器中的两个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并将来自所述光路的入射光学信号分离为具有所述第一偏振态的第一光学信号和具有所述第二偏振态的第二光学信号，所述第一光学信号和所述第二光学信号中的一个或两个被所述偏振变换器在空间上移位，使得所述第一光学信号和所述第二光学信号分别入射在所述第一子耦合器、所述第二子耦合器、所述第三子耦合器和所述第四子耦合器中的两个子耦合器上。
16.一种光学相干成像器，包括根据权利要求1所述的光学相干传感器和包括多个透镜的成像光学系统，其中，所述成像光学系统被设置为使得所述光学相干传感器位于所述成像光学系统的像平面附近。
17.一种用于光学相干成像的方法，包括：
从光学相干成像器沿着一个或更多个光路向一个或更多个目标分别发射一个或更多个出射光学信号，所述一个或更多个光路分别对应于所述光学相干成像器的一个或更多个视场位置；
由所述光学相干成像器沿着所述光路接收从由所述出射光学信号照明的所述目标反射的一个或更多个入射光学信号；
由所述光学相干成像器的偏振变换器，将所述入射光学信号中的每一个转换为具有第一偏振态的第一光学分量和具有第二偏振态的第二光学分量，其中，所述第一偏振态与所述第二偏振态正交；以及
由所述光学相干成像器的光学相干传感器上的一个或更多个偏振分集光学耦合器，将所述入射光学信号的第一光学分量和第二光学分量引导到所述光学相干传感器的一个或更多个光电探测器，以便在所述光学相干成像器的每个视场位置处利用本地振荡器光来执行外差检测，从而确定在所述视场位置处的所述目标的信息。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，发射所述出射光学信号包括：
从光源产生一个或更多个源光学信号；
通过所述偏振分集光学耦合器将所述源光学信号转换为所述出射光学信号，其中，每个出射光学信号具有第一发射偏振态；以及
从所述偏振分集光学耦合器发射所述出射光学信号。
19.根据权利要求18所述的方法，在从所述偏振分集光学耦合器发射所述出射光学信号之后，还包括通过所述光学相干成像器的所述偏振变换器将所述出射光学信号中的每一个从所述第一发射偏振态变换到第二发射偏振态。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，转换所述入射光学信号包括将所述入射光学信号中的每一个的第一偏振态旋转第一预定偏振角，并将所述入射光学信号中的每一个的第二偏振态旋转第二预定偏振角。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，转换所述入射光学信号包括根据所述第一偏振态和第二偏振态在空间上移位所述入射光学信号中的每一个的第一分量和第二分量中的至少一个，使得所述第一分量和所述第二分量分别入射在所述偏振分集光学耦合器中的每一个的第一子耦合器和第二子耦合器上。
CN202180081093.3A 2021-07-21 2021-07-21 具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法 Pending CN116601887A (zh)

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