CN116710740A - 光子集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于高光谱光谱术的光子集成电路。所述光子集成电路包括：多谱段激光源，所述多谱段激光源被配置成产生多谱段光学信号；调制器，所述调制器被配置成将所述多谱段光学信号分离成第一分量和第二分量，并且对所述第一分量应用升频啁啾调制简表并对所述第二分量应用降频啁啾调制简表；第一传输器和接收器模块，所述第一传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第一分量并接收所述第一分量的反射；以及第二传输器和接收器模块，所述第二传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第二分量并接收所述第二分量的反射。

Description

光子集成电路
技术领域
本发明涉及一种光子集成电路。
背景技术
通常用于LiDAR和远程感测的相干光学测量依赖于扫频激光干涉仪，通过所述扫频激光干涉仪对激光器(例如DBR激光器)的波长进行线性啁啾。这种啁啾可通过外部空腔、对激光器的驱动电流的直接调制或由适当的RF波形驱动的电光IQ调制器来达成(参见例如Gao等，2012)。
接着将扫频源分离在两个路径之间，所述两个路径中的一者含有目标，所述目标反射并散射入射光并且因此返回弱探测束。此弱探测束与另一分离路径(被称为本地振荡器或LO)中的光混合以形成在RF或微波频率下的可测量拍音信号。使用硅光子装置集成电路执行的这种类型的测量的示例包括调频连续波LiDAR(Poulton等，2016)和光学相干断层摄影术(Schneider等，2016)。
然而，提供可更容易应用于集成多通道相干光度计中的可包装硅光子集成电路将是有利的。
发明内容
因此，在第一方面中，本发明的实施方案提供一种用于高光谱光谱术的光子集成电路，所述光子集成电路包括：
多谱段激光源，所述多谱段激光源被配置成产生多谱段光学信号；
调制器，所述调制器被配置成将所述多谱段光学信号分离成第一分量和第二分量，并且对所述第一分量应用升频啁啾调制简表并对所述第二分量应用降频啁啾调制简表；
第一传输器和接收器模块，所述第一传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第一分量并接收所述第一分量的反射；以及
第二传输器和接收器模块，所述第二传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第二分量并接收所述第二分量的反射。
所述光子集成电路能够对目标(例如生物组织)进行高光谱吸收/散射光谱术。这种光谱术可在近红外线中执行。所述电路使用相干检测来提高光度检测器的最小可检测功率。
所述光子集成电路可具有以下任选特征中的任一者或任何组合，只要所述任选特征兼容即可。
所述调制器可以是双单边带调制器。所述双单边带调制器可包括一对马赫-曾德尔干涉仪，每个马赫-曾德尔干涉仪含有一对相位调制器。每个马赫-曾德尔干涉仪可含有一个或多个加热器。
所述多谱段激光源可包括多个单频激光器，所述单频激光器连接到提供多谱段光学信号的波长多路复用器。
所述多谱段激光器可包括可调谐激光源。
所述多谱段激光器可包括单频激光器和可调谐外部空腔。所述激光器可以是分布式布拉格反射器(DBR)激光器。
所述传输器和接收器模块中的一者或两者可包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括第一臂和第二臂，其中：
所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第一臂将所述调制器连接到所述传输面；并且
所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第二臂：
将所述调制器连接到耦合区；并
将接收面连接到耦合区；
并且其中所述耦合区被配置成将相应的已调制分量与所述相应的已调制分量的反射混合，并将混合信号提供到第一光电二极管和第二光电二极管。
所述传输器和接收器模块中的一者或两者可包括迈克耳孙干涉仪，所述迈克耳孙干涉仪包括第一波导和第二波导，其中所述第一波导将所述调制器连接到输入面和输出面，并且所述第二波导将镜连接到光电二极管，所述第一波导与所述第二波导在所述镜与所述光电二极管之间的耦合区处耦合。
所述升频啁啾调制简表和所述降频啁啾调制简表可以是线性啁啾调制简表。
所述升频啁啾调制简表和所述降频啁啾调制简表在射频范围内。所述升频啁啾调制简表和所述降频啁啾调制简表可为至少1GHz并且不超过40GHz。
所述第一传输器和接收器模块和/或所述第二传输器和接收器模块可经由放大器连接到主控制单元。
在第二方面中，本发明的实施方案提供一种分光镜系统架构，所述分光镜系统架构包括多个第一方面的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式。
在第三方面中，本发明的实施方案提供一种高光谱分光镜，所述高光谱分光镜包括多个第一方面的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式，所述阵列安装在扫描检流计上，其中每个光子集成电路的所述调制的第一分量和第二分量被引导到一个或多个远心透镜中，所述分光镜被配置成产生高光谱共焦图像。
第三方面的光子集成电路可具有第一方面的任选特征中的任一者或任何组合，只要所述任选特征兼容即可。
在第四方面中，本发明的实施方案提供一种使用第三方面的分光镜的高光谱光谱术方法。
在第五方面中，本发明的实施方案提供LiDAR成像装置，所述LiDAR成像装置包括多个第一方面的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式，所述阵列安装在扫描检流计上，其中每个光子集成电路的所述调制的第一分量和第二分量被引导到准直微透镜中，所述LiDAR成像装置被配置成产生点云。
第五方面的光子集成电路可具有第一方面的任选特征中的任一者或任何组合，只要所述任选特征兼容即可。
在第六方面中，本发明的实施方案提供一种使用第五方面的LiDAR成像装置的LiDAR成像方法。
本发明的其他方面提供包括代码的计算机程序，所述代码当在计算机上运行时使得计算机执行第四方面或第六方面的方法；计算机可读介质，所述计算机可读介质存储包括代码的计算机程序，所述代码当在计算机上运行时使得所述计算机执行第四方面或第六方面的方法；计算机系统，所述计算机系统被编程为执行第四方面或第六方面的方法。
附图说明
现在将通过示例参考附图描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出根据本发明的光子集成电路；
图2A和图2B示出图1的电路中使用的多谱段激光源的相应实施方式；
图3是图1的电路中使用的双单边带调制器的示意图；
图4A和图4B示出图1的电路中使用的第一传输器和接收器模块和/或第二传输器和接收器模块的相应实施方式；
图5示出分光镜系统架构，所述分光镜系统架构包括呈阵列形式的多个图1的电路；
图6示出使用图5的系统架构的高光谱分光镜；并且
图7示出使用图5的系统架构的LiDAR成像装置。
具体实施方式
现在将参考附图论述本发明的各个方面和实施方案。本领域技术人员将明白其他方面和实施方案。此文本中所提及的所有文档并入本案供参考。
图1示出光子集成电路100。所述电路包括多谱段激光源101，所述多谱段激光源被配置成产生多谱段光学信号。激光源101连接到双单边带DSSB调制器102。DSSB调制器将从激光源101接收到的信号分离成第一分量和第二分量。接着，DSSB调制器对第一分量应用升频啁啾调制简表并且对第二分量应用降频啁啾调制简表。接着，将第一分量提供到第一传输器和接收器模块103a，而将第二分量提供到第二传输器和接收器模块103b。每个传输器和接收器模块包括干涉仪和接收器，所述接收器连接到所述干涉仪。
电路100还包括主控制单元MCU 104。MCU被配置成通过提供适当的控制信号来控制激光源(下文详细地论述)。举例来说，MCU将为可调谐激光器提供驱动电流，所述驱动电流也用于选择激光器的频率。MCU还连接到DSSB并且提供啁啾波形，依据所述啁啾波形生成调制简表。在此示例中，主控制单元将啁啾波形提供到RF生成器，所述RF生成器将I值和Q值(指示量值和相位)提供到DSSB 102。MCU还将驱动电流I驱动器提供到DSSB内的一个或多个加热器。DSSB含有一个或多个光电二极管抽头，所述光电二极管抽头提供DSSB内的各种光学信号的功率的指示。这些抽头连接到相应的跨阻抗放大器(TIA)，所述跨阻抗放大器将抽头光电二极管信号提供到MCU。MCU 104还连接到第一传输器和接收器模块103a以及第二传输器和接收器模块103b中的每一者。因此，MCU 104从第一传输器和接收器模块接收升频啁啾拍音并且从第二传输器和接收器模块接收降频啁啾拍音。MCU可由此执行相干检测并且因此促进高光谱光谱术。
图2A和图2B示出图1的电路中使用的多谱段激光源的相应实施方式。在图2A中所示的激光源200中，多个单频稳定分布式布拉格反射器(DBR)激光器：LD1–LDn。n可取至少128的值。每个激光器LDi在以从MCU接收到的驱动电流I驱动器被驱动时提供具有波长λi的光。将来自激光器中的每一者的输出提供到波长多路复用器中，所述波长多路复用器将所述输出组合成单个光学信号。经由输出波导将此多路复用的光学信号提供到DSSB，其中采用抽头来测量多路复用的光学信号的频率和功率。将这些测量提供到MCU。
在图2B中所示的激光源220中，提供单个频率可调谐DBR。频率可调谐DBR提供具有波长λ的光学信号，波长λ至少部分地由MCU提供的驱动电流I驱动器确定。经由输出波导将此光学信号提供到DSSB，其中采用抽头来测量所述光学信号的频率和功率。将此测量提供到MCU。
图3是图1的电路中使用的双单边带DSSB调制器300的示意图。DSSB可被视为包括两个马赫-曾德尔干涉仪304a和304b，所述两个马赫-曾德尔干涉仪各自接收在输入端301处提供的激光器光信号的一部分。分离器302按照50:50的比率分离所述激光器光信号。第一马赫-曾德尔干涉仪MZI 304a包括一对相位调制器306a和306b，并且第二马赫-曾德尔干涉仪304b也包括一对相位调制器306c和306d。相位调制器可以是电光移相器或自由载波移相器的组合，并且以适当的RF频率和调制指数被驱动。每一对相位调制器中的给定相位调制器被驱动成异相，并且使得每个MZI作为振幅调制器(也被称为MZI调制器)操作。MZI调制器中的每一者的驱动振幅被选择成产生抑制载波振幅调制简表，并且两个MZI调制器的驱动信号被选择成具有90°的相位差，使得由一个MZI调制器产生的振幅调制与由另一MZI调制器产生的振幅调制90°异相。相位差的效果是例如当由第一MZI调制器产生的两个第一边带(第一上边带和第一下边带(以输入光为参考，具有以调制频率在相反的方向上旋转的相位))彼此同相时，第二MZI调制器的两个第一边带具有相反的相位。相位调制器(在此实例中，IQ相位调制器)上的驱动电压是可控的，以在1GHz至40GHz的范围内在每个接收到的波长下对接收到的激光信号进行线性啁啾。
在组合器308中组合两个振幅调制的信号。如果适合地选择从每个MZI调制器到组合器308的光学延迟，则所述边带中的一者(在此示例中，升频啁啾边带)在第一输出端310a处将发生相长干涉。由于当升频啁啾边带同相时降频啁啾边带异相，因此升频啁啾边带与降频啁啾边带在组合器308的第一输出端310a处相消干涉并且因此在组合器308的第二输出端310b处相长干涉。由此，可通过单独的输出波导312a和312b分别提供升频啁啾边带(+啁啾输出)和降频啁啾边带(-啁啾输出)。
在此实施方案和其他实施方案中，使用主动控制来控制到达组合器308的两个振幅调制的光学信号的光学相位差。举例来说，可使用温度传感器以及一个或多个加热器H1–H6来主动地将温度稳定下来。此外，在此实施方案中，在每个MZI调制器与耦合器308之间设置2x2耦合器。因此，每个MZI调制器具有两个输出(携载互补信号)，所述两个输出中的一者连接到组合器308。每个MZI调制器的另一输出可用作反馈以例如通过将所述输出提供到光电二极管(PD1或PD2)来调谐RF驱动信号和/或热调谐器。另一选择为，代替2x2耦合器，而是每个MZI可设置有Y耦合器并且因此仅提供单个输出。此外，从第一输出端310a和第二输出端310b中的每一者获取抽头并提供到相应的光电二极管PD3和PD4。将来自这些抽头的信号提供到MCU，使得可执行进一步调谐。
图4A和图4B示出图1的电路中使用的第一传输器和接收器模块和/或第二传输器和接收器模块的相应实施方式400和420。图4A中所示的第一实施方式400是迈克耳孙干涉仪。将啁啾输入(调制的第一分量或第二分量中的一者)提供到第一波导402的输入端。接着，将此啁啾输入携载到耦合区404，并且将啁啾输入的一部分耦合到第二波导406中以提供本地振荡器。经由输出面410将啁啾输入的其余部分传输到目标，并且来自目标的反射被接收回到相同面中。接着，在耦合区处将来自目标的反射耦合到第二波导406中，其中来自目标的反射与本地振荡器的反射(已从位于第二波导的末端处的宽带镜408反射的本地振荡器信号)混合。接着将混合信号提供到光电二极管PD1，所述光电二极管将所述混合信号转换成光电流。经由TIA放大此光电流，并接着提供到MCU以供分析。
图4B示出第二实施方式420，所述第二实施方式是马赫-曾德尔干涉仪MZI。将啁啾输入提供到MZI的输入端422，所述输入端将信号分离到MZI的第一臂424和第二臂426中。第一臂424连接到输出面434，通过所述输出面将啁啾信号传输到目标。携载本地振荡器的第二臂426包括两个波导：第一波导428和第二波导430。第一波导经由耦合区432将MZI的输入端422连接到第一光电二极管PD1。第二波导经由同一耦合区432将输入面436连接到第二光电二极管PD2，来自目标的反射是通过所述输入面接收。因此，在耦合区432中，本地振荡器与接收到的信号混合，如先前所述。接着，将混合信号提供到PD1和PD2两者以转换成光电流。经由TIA再次放大所述光电流并提供到MCU以供分析。
图5示出分光镜系统架构，所述分光镜系统架构包括呈阵列形式的多个图1的电路100。每个电路100提供两个通道，所述两个通道的频率可由单个MCU控制。MCU连接到并控制电路100中的每一者。在所示的示例中，存在M个电路并且因此所述架构能够在2M个通道处成像。M可具有至少128的值。
图6示出使用图5的系统架构的高光谱分光镜。电路100的阵列安装在单轴扫描检流计上，并且通过一个或多个远心透镜602提供每个电路的输出。此允许对样本进行高光谱成像。
图7示出使用图5的系统架构的LiDAR成像装置。电路100的阵列同样安装在单轴扫描检流计上，而在此实例中，通过被设置成准直微透镜阵列720的相应准直微透镜702来聚焦每个电路的输出。此允许生成LiDAR点云。
虽然已结合上文描述的示例性实施方案描述了本发明，但当给出本公开时，本领域技术人员将明白许多等效修改和变化。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案被视为说明性的而非限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对所述实施方案做出各种改变。
参考资料
S.Gao和R.Hui，Opt.Lett.,37(2012)
C.V.Poulton等，W4E.3OFC(2016)
S.Schieider等，Opt.Express24(2016)。

Claims (17)

1.一种用于高光谱光谱术的光子集成电路，所述光子集成电路包括：
多谱段激光源，所述多谱段激光源被配置成产生多谱段光学信号；
调制器，所述调制器被配置成将所述多谱段光学信号分离成第一分量和第二分量，并且对所述第一分量应用升频啁啾调制简表并对所述第二分量应用降频啁啾调制简表；
第一传输器和接收器模块，所述第一传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第一分量并接收所述调制的第一分量的反射；以及
第二传输器和接收器模块，所述第二传输器和接收器模块被配置成传输所述调制的第二分量并接收所述调制的第二分量的反射。
2.如权利要求1所述的光子集成电路，其中所述调制器是双单边带调制器。
3.如权利要求2所述的光子集成电路，其中所述双单边带调制器包括一对马赫-曾德尔干涉仪，每个马赫-曾德尔干涉仪含有一对相位调制器。
4.如权利要求3所述的光子集成电路，其中每个马赫-曾德尔干涉仪含有一个或多个加热器。
5.如任一项前述权利要求所述的光子集成电路，其中所述多谱段激光源包括多个单频激光器，所述单频激光器连接到提供所述多谱段光学信号的波长多路复用器。
6.如权利要求1至4中任一项所述的光子集成电路，其中所述多谱段激光源包括可调谐激光源。
7.如权利要求1至4中任一项所述的光子集成电路，其中所述多谱段激光源包括单频激光器和可调谐外部空腔。
8.如任一项前述权利要求所述的光子集成电路，其中所述传输器和接收器模块中的一者或两者包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括第一臂和第二臂，其中：
所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第一臂将所述调制器连接到传输面；并且
所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第二臂：
将所述调制器连接到耦合区；并且
将接收面连接到所述耦合区；
并且其中所述耦合区被配置成将相应的已调制分量与所述相应的已调制分量的反射混合，并将混合信号提供到第一光电二极管和第二光电二极管。
9.如前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中所述传输器和接收器模块中的一者或两者包括迈克耳孙干涉仪，所述迈克耳孙干涉仪包括第一波导和第二波导，其中所述第一波导将所述调制器连接到输入面和输出面，并且所述第二波导将镜连接到光电二极管，并且所述第一波导与所述第二波导在所述镜与所述光电二极管之间的耦合区处耦合。
10.如任一项前述权利要求所述的光子集成电路，其中所述升频啁啾调制简表和所述降频啁啾调制简表是线性啁啾调制简表。
11.如任一项前述权利要求所述的光子集成电路，其中所述升频啁啾调制简表和所述降频啁啾调制简表在射频范围内。
12.如任一项前述权利要求所述的光子集成电路，其中所述第一传输器和接收器模块和/或所述第二传输器和接收器模块经由放大器连接到主控制单元。
13.一种分光镜系统架构，所述分光镜系统架构包括多个如权利要求1至12中任一项所述的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式。
14.一种高光谱分光镜，所述高光谱分光镜包括多个如权利要求1至12中任一项所述的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式，所述阵列安装在扫描检流计上，其中每个光子集成电路的所述调制的第一分量和所述调制的第二分量被引导到一个或多个远心透镜中，所述分光镜被配置成产生高光谱共焦图像。
15.一种使用如权利要求14所述的分光镜执行的高光谱光谱术方法。
16.一种LiDAR成像装置，所述LiDAR成像装置包括多个如权利要求1至12中任一项所述的光子集成电路，所述光子集成电路呈阵列形式，所述阵列安装在扫描检流计上，其中每个光子集成电路的所述调制的第一分量和所述调制的第二分量被引导到准直微透镜中，所述LiDAR成像装置被配置成产生点云。
17.一种使用如权利要求16所述的LiDAR成像装置执行的LiDAR成像方法。
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