DE102020213645A1

DE102020213645A1 - Optischer wellenmesser

Info

Publication number: DE102020213645A1
Application number: DE102020213645.9A
Authority: DE
Inventors: Marcel Zeiler; Bernd Nebendahl
Original assignee: Keysight Technologies Inc
Current assignee: Keysight Technologies Inc
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-05-06
Also published as: JP2021071726A; US20210131873A1; US11536610B2

Abstract

Eine photonische integrierte Schaltung zum Bestimmen einer Wellenlänge eines Eingangssignals ist offenbart. Die PIC weist folgende Merkmale auf: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer, das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter mit einer ersten optischen Weglängendifferenz aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal von einer Lichtquelle zu empfangen. Die PIC weist auch ein zweites Mach-Zehnder-Interferometer auf, das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite optische Wellenleiter mit einer zweiten optischen Weglängendifferenz aufweist, die größer ist als die erste optische Weglängendifferenz und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal von der Lichtquelle zu empfangen.

Description

Die Kenntnis der Wellenlänge eines optischen Signals ist wichtig, wenn ein Signal einer unbekannten optischen Quelle analysiert wird, aber auch wenn die Ausgabe einer (abstimmbaren) Laserquelle gemäß vordefinierten Parametern, z.B. der Wellenlänge, konditioniert werden muss.
Optische Wellenmesser ermöglichen die Messung einer Wellenlänge einer optischen Quelle, häufig einer optischen Schmalbandquelle, wie zum Beispiel einem Laser. Diese optischen Wellenmesser haben praktische Anwendungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine kontinuierliche oder fortlaufende Überwachung der Wellenlänge einer optischen Quelle. Außerdem werden optische Wellenmesser in optischen Spektrumsanalysatoren oder Wellenmessern verwendet, um eine Möglichkeit bereitzustellen, die Wellenlänge eines Referenzsignals zu messen und somit die Genauigkeit der tatsächlichen Messung zu verbessern.
Viele bekannte Wellenmesser basieren auf optischen Volumenkomponenten, die auf einem Tisch angeordnet sind. Solche Tischgeräte sind vergleichsweise teuer, erfordern eine unerwünschte Menge an Raum für die Implementierung und haben eine vergleichsweise begrenzte Aktualisierungsrate.
Obwohl photonische integrierte Schaltungen (photonic integrated ciruit, PIC) für verschiedene Arten von optischen Messungen eingesetzt werden, haben bekannte Vorrichtungen bestimmte Nachteile, die ihre Verwendung behindern. Obwohl bestimmte bekannte PIC-Wellenmesserentwürfe für Anwendungen verwendet werden können, die keine Wellenlängenmessungen bei mehreren Wellenlängen erfordern, ist beispielsweise der nutzbare Wellenlängenbereich dieser bekannten Vorrichtungen vergleichsweise kurz sein. Daher sind dieselben nicht dazu geeignet, den Wellenlängenbereich vieler bekannter gewünschter Anwendungen abzudecken, wie zum Beispiel ein optisches Kommunikationswellenlängenband, das beispielsweise Wellenlängen von 1250 nm bis 1650 nm abdeckt. Außerdem führt bei bestimmten bekannten Vorrichtungen die erforderliche physikalische Länge der Wellenleiter zu optischen Leistungsverlusten, die bei vielen Anwendungen nicht akzeptabel sind, wie zum Beispiel der Messung von optischen Signalen mit vergleichsweise niedriger Leistung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine photonische integrierte Schaltung sowie einen optischen Wellenmesser mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine photonische integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 und einen optischen Wellenmesser gemäß Anspruch 6 gelöst.
Die darstellenden Ausführungsbeispiele sind von der folgenden Beschreibung am besten verständlich, wenn dieselben in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen werden. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Die Abmessungen können in der Tat beliebig vergrößert oder verkleinert sein, um die Erläuterung zu verdeutlichen. Wo es anwendbar und praktisch ist, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines optischen Wellenmessers einer optischen Wellenlänge gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
2 einen Graph einer optischen Leistung über einer Wellenlänge gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
3 eine Draufsicht eines optischen Wellenmessers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
4 eine perspektivische Ansicht des optischen Wellenleiters gemäß dem darstellenden Ausführungsbeispiel von 3; und
5 perspektivische Ansichten von darstellenden Typen von optischen Wellenleitern, die für die Verwendung in Verbindung mit verschiedenen darstellenden Ausführungsbeispielen in Betracht gezogen werden.

In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zu Erläuterungs- und nicht zu Begrenzungszwecken beispielhafte Ausführungsbeispiele, die spezifische Einzelheiten offenbaren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis eines Ausführungsbeispiels gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet, die die vorliegende Offenbarung vorliegen haben, ist jedoch klar, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Einzelheiten abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können Beschreibungen gut bekannter Vorrichtungen und Verfahren ausgelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele nicht zu behindern. Solche Verfahren und Vorrichtungen liegen eindeutig innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht begrenzend. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe wie sie auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren allgemein verstanden und angenommen werden.
Sofern dies nicht anderweitig angemerkt ist, wenn von einem ersten Element (z. B. einem optischen Wellenleiter) gesagt wird, dass derselbe mit einem zweiten Element (z. B. einem anderen optischen Wellenleiter) verbunden ist, umfasst dies Fälle, wo ein oder mehrere Zwischenelemente oder dazwischenliegende Vorrichtungen verwendet werden können, um die beiden Elemente miteinander zu verbinden. Wenn jedoch von einem ersten Element gesagt wird, dass dasselbe direkt mit einem zweiten Element verbunden ist, umfasst dies nur Fälle, wo die beiden Elemente ohne Zwischenelemente oder dazwischenliegende Vorrichtungen miteinander verbunden sind. Gleichartig dazu, wenn von einem Signal gesagt wird, dass dasselbe mit einem Element gekoppelt ist, umfasst dies Fälle, wo ein oder mehrere Zwischenelemente verwendet werden können, um das Signal mit dem Element zu koppeln. Wenn von einem Signal gesagt wird, dass dasselbe direkt mit einem Element gekoppelt ist, umfasst dies jedoch nur Fälle, wo das Signal direkt mit dem Element gekoppelt ist, ohne irgendein Zwischenelement oder eine dazwischenliegende Vorrichtung.
Wie sie in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen verwendet werden, umfassen die Begriffe „ein, eine“ und „der, die, das“ sowohl Singular als auch Plural, es sei denn, der Zusammenhang gibt dies eindeutig anderweitig vor. Somit umfasst beispielsweise „eine Vorrichtung“ eine Vorrichtung und mehrere Vorrichtungen. Wie sie in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen verwendet werden und zusätzlich zu ihren gewöhnlichen Bedeutungen bedeuten die Begriffe „im Wesentlichen“ oder „wesentlich“ innerhalb akzeptabler Grenzen oder eines akzeptablen Ausmaßes. Wie er in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen und zusätzlich zu seiner gewöhnlichen Bedeutung verwendet wird, bedeutet der Begriff „annähernd“ innerhalb einer annehmbaren Grenze oder eines annehmbaren Betrags für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet. Beispielsweise bedeutet „annähernd gleich“, dass ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet die Elemente, die verglichen werden, als gleich betrachten würde.
Relative Begriffe, wie zum Beispiel „darüber“, „darunter“, „oben“, „unten“ können verwendet werden, um die Beziehungen der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Diese relativen Begriffe sollen unterschiedliche Ausrichtungen der Elemente umfassen, zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Zeichnungen dargestellt ist. Falls beispielsweise eine Vorrichtung (z. B. ein optischer Wellenmesser), der in einer Zeichnung gezeigt ist, in Bezug auf die Ansicht in den Drehungen umgedreht wird, wäre ein Element, das als „über“ einem anderen Element beschrieben ist, nun „unter“ diesem Element. Gleichartig dazu, falls die Vorrichtung um 90° in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen gedreht wird, wäre ein Element, das „über“ oder „unter“ einem anderen Element beschrieben ist, nun „benachbart“ zu dem anderen Element; wobei benachbart entweder angrenzend an das andere Element oder eine oder mehrere Schichten, Materialien, Strukturen etc. zwischen den Elementen aufweisend bedeutet.
Verschiedene Ausführungsbeispiele eines optischen Wellenmessers sind hierin beschrieben.
Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel weist eine photonische integrierte Schaltung (PIC) zum Bestimmen einer Wellenlänge folgende Merkmale auf: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter mit einem ersten effektiven Brechungsindex aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal von einer Lichtquelle zu empfangen; und ein zweites Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite optische Wellenleiter mit einem zweiten effektiven Brechungsindex aufweist, der größer ist als der erste effektive Brechungsindex, und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal von der Lichtquelle zu empfangen. Das erste MZI weist eine erste Optische-Weglänge(OWL)-Differenz auf und das zweite MZI weist eine zweite OWL-Differenz auf, die größer ist als die erste OWL-Differenz.
Gemäß einem weiteren darstellenden Ausführungsbeispiel ist ein optischer Wellenmesser zum Bestimmen einer optischen Wellenlänge einer Lichtquelle offenbart. Der optische Wellenmesser weist folgende Merkmale auf: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter mit einer ersten OWL-Differenz aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal von einer Lichtquelle zu empfangen; und ein zweites Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite optische Wellenleiter mit einer zweiten Optische-Weglänge(OWL)-Differenz aufweist, die größer ist als die erste OWL-Differenz, und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal von der Lichtquelle zu empfangen. Der optische Wellenmesser weist ferner eine Steuerung auf, die einen Speicher, der Anweisungen speichert, und einen Prozessor aufweist, der die Anweisungen ausführt. Wenn dieselben durch den Prozessor ausgeführt werden, bewirken die Anweisungen, dass die Steuerung einen Prozess implementiert, der folgende Schritte aufweist: Vergleichen des ersten und des zweiten Differenzsignals mit einem ersten und zweiten Differenzwert, die in dem Speicher gespeichert sind, und basierend auf dem Vergleichen, Bestimmen einer Ausgangswellenlänge der Lichtquelle.
Gemäß einem weiteren darstellenden Ausführungsbeispiel ist eine PIC zum Bestimmen einer Wellenlänge eines Eingangssignals offenbart. Die PIC weist folgende Merkmale auf: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter mit einer ersten optischen Weglängendifferenz aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal von einer Lichtquelle zu empfangen. Die PIC weist auch ein zweites Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) auf, das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite optische Wellenleiter mit einer zweiten optischen Weglängendifferenz aufweist, die größer ist als die erste optische Weglängendifferenz und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal von der Lichtquelle zu empfangen.
1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Wellenmessers 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Wie es nachfolgend ausführlicher beschrieben ist, wird der Wellenmesser 100 für eine Instanziierung als photonische integrierte Schaltung (PIC) in Betracht gezogen.
Ein optisches Eingangssignal wird, wie es gezeigt ist, einem Eingang 101 bereitgestellt. Ein erster optischer Teiler 102 ist angepasst, um die Leistung des optischen Eingangssignals in ein erstes optisches Signal 103 und ein zweites optisches Signals 104 mit gleicher Leistung zu teilen. Daher ist der erste optische Teiler ein optischer 50:50 Teiler.
Das erste optische Signal 103 trifft dann auf einen zweiten optischen Teiler 105 und das zweite optische Signal 104 trifft auf einen dritten optischen Teiler 106. Wie der erste optische Teiler 102 sind der zweite und dritte optische Teiler 105, 106 jeweils 50:50 Teiler und daher wird das optische Eingangssignal erneut durch den zweiten und dritten optischen Teiler 105, 106 gleichmäßig geteilt. Der zweite optische Teiler 105 stellt ein erstes optisches Ausgangssignal 107 und ein zweites optisches Ausgangssignal 108 bereit. Gleichartig dazu stellt der dritte optische Teiler 106 ein drittes optisches Ausgangssignal 109 und ein viertes optisches Ausgangssignal 110 bereit. Wenn Leistungsverlust in optischen Wellenleitern und Kopplern außer Acht gelassen wird, ist klar, dass das erste, zweite, dritte und vierte optische Ausgangssignal jeweils ein Viertel der optischen Leistung des optischen Eingangssignals aufweisen, das an dem Eingang 101 bereitgestellt wird.
Das erste optische Ausgangssignal 107 wird an einem ersten Tor eines ersten Arms 122 eines ersten Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) 120 empfangen; und das zweite optische Ausgangssignal 108 wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 124 des ersten MZI 120 empfangen.
Gleichartig dazu wird das dritte optische Ausgangssignal 109 an einem ersten Tor eines ersten Arms 132 eines zweiten Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) 130 empfangen; und das vierte optische Ausgangssignal 110 wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 134 des zweiten MZI 130 empfangen.
Das erste MZI 120 hat einen ersten freien Spektralbereich (FSB) und das zweite MZI 130 hat einen zweiten freien Spektralbereich, der sich von dem ersten FSB des ersten MZI 120 unterscheidet. Wie es nachfolgend näher beschrieben wird, werden die FSB des ersten und zweiten MZI 120, 130 realisiert durch Bereitstellen eines ersten effektiven Brechungsindex für das erste MZI 120 und eines zweiten effektiver Brechungsindex für das zweite MZI 130, der nicht der gleiche ist wie der erste effektive Brechungsindex. Zusätzlich zu oder anstatt der Bereitstellung unterschiedlicher effektiver Brechungsindizes kann das erste MZI 120 eine erste geometrische optische Länge (d. h. physikalische Länge) aufweisen und das zweite MZI 130 kann eine zweite geometrische optische Länge aufweisen, die sich von der ersten geometrischen optischen Länge unterscheidet. Wie es nachfolgend näher beschrieben ist, werden die unterschiedlichen FSB verwendet, um eine Wellenlänge des optischen Eingangssignals zu bestimmen.
Ein erster Ausgang 126 und ein zweiter Ausgang 128 sind von dem ersten und zweiten Arm 122, 124 des ersten MZI 120 zu einem ersten und zweiten Eingang eines ersten Signalkombinierers 140 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 142 zu einem ersten Photodetektor 162 und einen zweiten Ausgangs 144 zu einem zweiten Photodetektor 164 vorsieht. Die Ausgänge des ersten und zweiten Photodetektors 162, 164 sind zu einem ersten Subtrahierer 166 vorgesehen. Wie es gezeigt ist, ist der Ausgang des ersten Subtrahierers 166, der ein Differenzsignal (Leistung) zwischen dem ersten und zweiten Photodetektor 162, 164 ist, als ein erster Eingang zu einer Steuerung 180 vorgesehen, die einen Prozessor 182 und einen Speicher 184 aufweist.
Ein erster Ausgang 136 und ein zweiter Ausgang 138 sind von dem ersten und zweiten Arm 132, 134 des zweiten MIZ 130 zu einem ersten und zweiten Eingang eines zweiten Signalkombinierers 150 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 152 zu einem ersten Photodetektor 172 und einen zweiten Ausgang 154 zu einem zweiten Photodetektor 174 vorsieht. Die Ausgänge des ersten und zweiten Photodetektors 172, 174 sind zu einem zweiten Subtrahierer 176 vorgesehen. Wie es gezeigt ist, ist der Ausgang des zweiten Subtrahierers 166, der ein Differenzsignal (Leistung) zwischen dem ersten und zweiten Photodetektor 172, 174 ist, als ein zweiter Eingang zu der Steuerung 180 vorgesehen.
Wie es nachfolgend näher beschrieben ist, ist die Steuerung 180 angepasst, um eine Wellenlänge des Eingangssignals zu bestimmen, das dem Eingang 101 des Wellenmessers 100 bereitgestellt wird.
Wie angemerkt, weist die Steuerung 180 den Prozessor 182 auf, der greifbar und nicht flüchtig ist und darstellend für einen oder mehrere Prozessoren ist. Wie er hierin verwendet wird, soll der Begriff „nicht flüchtig“ so interpretiert werden, dass er keine Charakteristik eines dauerhaften Zustands ist, sondern eine Charakteristik eines Zustands, der für eine Zeitperiode anhält. Der Begriff „nicht flüchtig“ ist insbesondere keine flüchtige Charakteristik, wie zum Beispiel Charakteristika einer Trägerwelle oder eines Signals oder anderer Formen, die an irgendeiner Position zu irgendeinem Zeitpunkt nur vorübergehend existieren. Der Prozessor 182 der vorliegenden Lehren ist ein Herstellungsartikel und/oder eine Maschinenkomponente. Der Prozessor 182 für die Steuerung 180 ist dazu konfiguriert, Softwareanweisungen auszuführen, um Funktionen wie in den verschiedenen Ausführungsbeispielen hierin beschrieben, durchzuführen. Der Prozessor 182 kann ein Universalprozessor sein oder kann Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) sein. Der Prozessor 182 kann auch ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer, ein Prozessorchip, eine Steuerung, ein Mikrocontroller, ein Digitalsignalprozessor (DSP), eine Zustandsmaschine oder ein programmierbares Logikbauelement sein (oder umfassen). Der Prozessor 182 kann auch eine logische Schaltung sein (oder umfassen), die ein programmierbares Gatterarray (PGA) umfasst, wie zum Beispiel ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA) oder eine andere Art von Schaltung, die diskrete Gatter und/oder Transistorlogik umfasst. Der Prozessor 182 kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) oder beides sein. Außerdem kann der Prozessor 182 mehrere Prozessoren, parallele Prozessoren oder beides aufweisen. Mehrere Prozessoren können in einer einzelnen Vorrichtung oder mehreren Vorrichtungen enthalten sein oder damit gekoppelt sein.
Der Speicher 184 kann einen Hauptspeicher oder einen statischen Speicher oder beides aufweisen, wobei die Speicher über einen Bus (nicht gezeigt) miteinander kommunizieren können. Der hierin beschriebene Speicher 184 ist ein greifbares Speichermedium, das Daten und ausführbare Anweisungen speichern kann und während der Zeit, während der Anweisungen in demselben gespeichert sind, nicht flüchtig ist. Wie er hierin verwendet wird, soll der Begriff „nicht flüchtig“ so interpretiert werden, dass er keine Charakteristik eines dauerhaften Zustands ist, sondern eine Charakteristik eines Zustands, der für eine Zeitperiode anhält. Der Begriff „nicht flüchtig“ ist insbesondere keine flüchtige Charakteristik, wie zum Beispiel Charakteristika einer Trägerwelle oder eines Signals oder anderer Formen, die an irgendeiner Position zu irgendeinem Zeitpunkt nur vorübergehend existieren. Ein hierin beschriebener Speicher ist ein Herstellungsartikel und/oder eine Maschinenkomponente. Hierin beschriebene Speicher sind computerlesbare Medien, von denen Daten und ausführbare Anweisungen durch einen Computer gelesen werden können. Speicher, wie sie hierin beschrieben sind, können ein Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), Flash-Speicher, elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM), Register, eine Festplatte, eine entfernbare Platte, Band, CD-Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), digitale vielseitige Platte (DVD), Floppy-Disk, Blu-Ray-Disk oder eine andere Form von Speichermedium sein, die in der Technik bekannt ist. Speicher können flüchtig oder nicht flüchtig, sicher und/oder verschlüsselt, nicht sicher und/oder nicht verschlüsselt sein.
Schließlich können, wie es klar ist, durch Bereitstellen von zusätzlichen ähnlich konfigurierten MZI (in 1-2 nicht gezeigt) zusätzlich zu dem ersten MZI 120 und dem zweiten MZI 130, die FSB von solchen zusätzlichen MZI bestimmt werden. Wie es von der weiteren vorliegenden Beschreibung klarer wird, werden diese zusätzlichen MZI und resultierenden FSB bei der Bestimmung der Wellenlänge des optischen Signals, das dem Eingang 101 bereitgestellt wird, eine größere Auflösung ermöglichen.
2 ist ein Graph 200 einer optischen Leistung über einer Wellenlänge gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Verschiedene Aspekte des Wellenmessers 100, der in Verbindung mit 1 beschrieben ist, sind bei der Beschreibung des Graphs 200 gleich und werden nicht wiederholt. Darüber hinaus werden verschiedene Aspekte des Graphs 200 nachfolgend in Verbindung mit den darstellenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in Verbindung mit 3-4 beschrieben sind.
Die erste Kurve 201 zeigt die Ausgangsleistung basierend auf dem Differenzsignal zwischen dem ersten Photodetektor 163 und dem zweiten Photodetektor 164 über der Wellenlänge. Insbesondere gibt es durch Differenzbildung zwischen den Signalen von dem ersten Photodetektor 163 und dem zweiten Photodetektor 164 keine Gleichsignalkomponente der ersten Kurve 201. Es ist klar, dass die erste Kurve 201 den Abstand bei der optischen Wellenlänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden übertragenen optischen Intensitätsmaxima oder Minima (d. h. dem ersten FSB) des ersten MZI 130 darstellt, das oben beschrieben ist.
Die zweite Kurve 202 zeigt die Ausgangsleistung basierend auf dem Differenzsignal zwischen dem ersten Photodetektor 173 und dem zweiten Photodetektor 174 über der Wellenlänge. Insbesondere gibt es durch Differenzbildung zwischen den Signalen von dem ersten Photodetektor 173 und dem zweiten Photodetektor 174 keine Gleichsignalkomponente der zweiten Kurve 202. Es ist klar, dass die zweite Kurve 202 den Abstand bei der optischen Wellenlänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden übertragenen optischen Intensitätsmaxima oder Minima (d. h. dem zweiten FSB) des zweiten MZI 130 darstellt, das oben beschrieben ist.
Es ist klar, dass die erste Kurve 201 einen größeren Abstand bei der optischen Wellenlänge aufweist als die zweite 202, und somit hat die erste Kurve 201 einen größeren FSB als die zweite Kurve. Gemäß darstellenden Ausführungsbeispielen werden der Betrag (sowohl absolut als auch relativ) des ersten FSB (erste Kurve 201) und des zweiten FSB (zweite 202) durch die Auswahl gewünschter geometrischer Längen der optischen Wellenleiter realisiert, die das erste MZI 120 und das zweite MZI 130 bilden. Alternativ oder zusätzlich werden die Beträge (sowohl absolut als auch relativ) des ersten FSB (erste Kurve 201) und des zweiten FSB (zweite 202) durch die Auswahl der Materialen und deren relative Abmessung realisiert, um die gewünschten effektiven Brechungsindizes (n_eff) der Wellenleiter einzustellen, die das erste MZI 120 und das zweite MZI 130 bilden. Genauer gesagt, durch die Auswahl der Längen und/oder der Materialien und Abmessungen der optischen Wellenleiter, die das erste MZI 120 und das zweite MZI 130 bilden, ermöglichen gewünschte Differenzen bei den optischen Weglängen zwischen den verschiedenen optischen Wellenleitern, die das erste MZI 120 und das zweite MZI 130 bilden, die Einstellung des ersten FSB (erste Kurve 201) und des zweiten FSB (zweite 202).
Eine Prüfung der ersten und zweiten Kurve 201, 202 offenbart für jedes Differenzsignal von dem ersten und zweiten Photodetektor 162, 164 und von dem ersten und zweiten Photodetektor 172, 174, dass jeder Leistungspegel einer Wellenlänge entspricht. Nur zu Darstellungszwecken entspricht ein Leistungspegel von 0,1 mW etwa 1510 nm und 1575 nm in der ersten Kurve 201, während dieser Leistungspegel 1505 nm, 1525 nm, 1540 nm, 1565 nm und 1580 nm in der zweiten Kurve 202 entspricht. Somit kann die Wellenlänge des optischen Eingangssignals an dem Eingang 101 basierend auf nur einer der ersten und der zweiten Kurve 201, 202 nicht eindeutig bestimmt werden.
Durch die vorliegenden Lehren kann die Wellenlänge des optischen Signals, das dem Eingang 101 bereitgestellt wird, bestimmt werden durch Messen der Differenzsignale (Leistung) zwischen dem ersten und zweiten Photodetektor 162, 164 und zwischen dem ersten und zweiten Photodetektor 172, 174 basierend auf der Differenzleistungsmessung von den gemessenen Differenzsignalen. Zu Darstellungszwecken, falls das Differenzleistungssignal zwischen dem ersten Photodetektor 162 und dem zweiten Photodetektor 164 0,2 mW misst; und das Differenzleistungssignal zwischen dem ersten Photodetektor 162 und dem zweiten Photodetektor 164 des ersten MZI 120 0,2 mW misst (Punkt 203); und das Differenzleistungssignal zwischen dem ersten Photodetektor 172 und dem zweiten Photodetektor 174 des zweiten MZI 130 0,1 mW misst (Punkt 204), muss die Wellenlänge des optischen Signals, das dem Eingang 101 bereitgestellt wird, 1580 nm betragen, da dies die einzige Wellenlänge ist, die dieser Kombination entspricht.
Insbesondere, und wie es auch oben angemerkt wurde, können durch Bereitstellen zusätzlicher ähnlich konfigurierter MZI (in 1-2 nicht gezeigt) zusätzlich zu dem ersten MZI 120 und dem zweiten MZI 130, die FSB solcher zusätzlicher MZI bestimmt werden. Durch diese zusätzlichen FSB, die sich von den FSB des ersten und zweiten MZI 120, 130 und voneinander unterscheiden, können zusätzliche Leistungsdaten über der Wellenlänge bestimmt werden. Dies ermöglicht es, dass drei oder mehr Sätze von Differenzleistungssignalen/Wellenlängen verwendet werden können, um eine genauere Bestimmung der Wellenlänge des optischen Signals bereitstellen, das dem Eingang 101 bereitgestellt wird. Anders ausgedrückt, der Graph 200 liefert zwei Sätze von Differenzleistung/Wellenlängen und somit ist die Auflösung und der eindeutige Wellenlängenbereich begrenzt darauf, was basierend auf den zwei Sätzen von Differenzleistung/Wellenlängen bestimmt werden kann. Hinzufügen eines dritten (oder weiteren) Satzes von Differenzleistung/Wellenlängendaten ermöglicht es, dass jede Wellenlänge genauer bestimmt wird oder eine größere eindeutige Wellenlänge aufweist oder beides, da es jede bestimmte Wellenlänge erfordert, dass drei (oder mehr) Datensätze bestimmt werden.
Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel können die Daten von der ersten Kurve 201 und der zweiten Kurve in dem Speicher 184 in der Steuerung 180 gespeichert werden, die in 1 gezeigt ist. Während einer Messung der Wellenlänge eines optischen Signals, das an dem Eingang 101 bereitgestellt wird, werden Messdaten von dem ersten und zweiten Subtrahierer 166, 176 durch den Prozessor 182 der Steuerung 180 empfangen. Wie es oben angemerkt ist, speichert der Speicher 184 Anweisungen und der Prozessor 182 führt die Anweisungen aus. Wenn die Anweisungen durch den Prozessor 182 ausgeführt werden, bewirken dieselben, dass die Steuerung 180 einen Prozess implementiert des Vergleichens des ersten und des zweiten Differenzsignals (Leistung) von dem ersten und zweiten Subtrahierer 166, 176 mit einem ersten und zweiten Differenzwert, der in dem Speicher 184 gespeichert ist. Basierend auf dem Vergleichen bestimmt der Prozessor 182 eine Ausgangswellenlänge der Lichtquelle, die das optische Eingangssignal dem Eingang 101 bereitstellt. Erneut ist die Verwendung von zwei MZI lediglich darstellend. Durch Versehen eines dritten (oder weiterer) MZI mit einem dritten (oder weiteren) FSB unter Verwendung von Prinzipien der vorliegenden Lehren können zusätzliche Differenzleistungssignale von dem dritten (oder weiteren) Subtrahierern (in 1-2 nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um die Auflösung oder den eindeutigen Wellenlängenbereich, oder beides, der Messung der Wellenlänge des optischen Signals zu erhöhen, das dem Eingang 101 durch eine optische Quelle (nicht gezeigt) bereitgestellt wird.
3 ist eine Draufsicht eines optischen Wellenmessers 300 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Insbesondere, und wie es von einer Durchsicht der Beschreibung der darstellenden Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 4 beschrieben sind, klarer wird, ist der optische Wellenmesser 300 eine PIC.
Neben anderen Vorteilen ist der optische PIC-Wellenmesser der darstellenden Ausführungsbeispiele stabiler als eine optische Volumenlösung, wenn derselbe Umgebungsfaktoren ausgesetzt ist, wie zum Beispiel Temperaturänderungen, Änderungen des Umgebungsdrucks oder der Zusammensetzung der Medien zwischen den optischen Volumenelementen, Stößen und Schwingungen, da die optischen Signale, die den optischen Wellenmesser 300 durchlaufen, in dem Chip und nicht durch mehrere optische Volumenkomponenten geführt werden. Im Gegensatz dazu könnten sich optische Volumenelemente beispielsweise in Bezug zueinander bewegen, wenn der optische Volumenwellenmesser fallengelassen wird. Alternativ können sich der Brechungsindex der Luft und der optischen Volumenkomponenten unterschiedlich verändern, wenn sich die Temperatur ändert und einen unvorhersehbaren Effekt auf den FSB des MZI haben, in dem dieselben angeordnet sind.
Viele Aspekte der darstellenden Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben sind, sind für die Beschreibung des optischen Wellenmessers 300 gleich. Darüber hinaus werden verschiedene Aspekte des optischen Wellenmessers 300 nachfolgend in Verbindung mit dem darstellenden Ausführungsbeispiel beschrieben, das in Verbindung mit 4 beschrieben ist.
Ein optisches Eingangssignal wird wie gezeigt einem Eingang 301 bereitgestellt. Ein erster optischer Teiler 302 ist angepasst, um die Leistung des optischen Eingangssignals in ein erstes optisches Signal 303 und ein zweites optisches Signal 304 mit gleicher Leistung zu teilen. Daher ist der erste optische Teiler ein optischer 50:50 Teiler.
Das erste optische Signal 303 trifft dann auf einen zweiten optischen Teiler 305 und das zweite optische Signal 304 trifft auf einen dritten optischen Teiler 306. Wie der erste optische Teiler 302 sind der zweite und dritte optische Teiler 305, 306 jeweils 50:50 Teiler und daher ist das optische Eingangssignal erneut durch den zweiten und dritten optischen Teiler 305, 306 gleichmäßig geteilt. Der zweite optische Teiler 305 stellt ein erstes optisches Ausgangssignal 307 und ein zweites optisches Ausgangssignal 308 bereit. Gleichartig dazu stellt der dritte optische Teiler 306 ein drittes optisches Ausgangssignal 309 und ein viertes optisches Ausgangssignal 310 bereit. Wenn Leistungsverlust in optischen Wellenleitern und Kopplern außer Acht gelassen wird, ist klar, dass das erste, zweite, dritte und vierte optische Ausgangssignal ein Viertel der optischen Leistung des optischen Eingangssignals aufweisen, das dem Eingang 301 bereitgestellt wird.
Das erste optische Ausgangssignal 307 wird an einem ersten Tor eines ersten Arms 322 eines ersten Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) 320 empfangen; und das zweite optische Ausgangssignal 308 wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 324 des ersten MZI 320 empfangen.
Gleichartig dazu wird das dritte optische Ausgangssignal 309 an einem ersten Tor eines ersten Arms 332 eines zweiten Mach-Zehnder Interferometers (MZI) 330 empfangen; und das vierte optische Ausgangssignal wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 334 des zweiten MZI 330 empfangen.
Ein erster Ausgang 326 und ein zweiter Ausgang 328 sind von dem ersten und zweiten Arm 322, 324 des ersten MZI 320 zu dem ersten und zweiten Eingang eines ersten Signalkombinierers 340 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 342 zu einem ersten Photodetektor PD1 und einen zweiten Ausgang 344 zu einem zweiten Photodetektor PD2 vorsieht.
Ein erster Ausgang 336 und ein zweiter Ausgang 338 sind von dem ersten und zweiten Arm 332, 334 des zweiten MZI 330 zu einem ersten und zweiten Eingang eines zweiten Signalkombinierers 350 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 352 zu einem dritten Photodetektor PD3 und einen zweiten Ausgang 354 zu einem vierten Photodetektor PD4 vorsieht.
Die Ausgänge der Photodetektoren PD1, PD2, PD3 und PD4 sind auf eine Weise, die oben näher beschrieben ist, zu jeweiligen Subtrahierern (in 3 nicht gezeigt) vorgesehen und Differenzsignale (Leistung) werden einer Steuerung (in 3 nicht gezeigt) bereitgestellt für eine weitere Verarbeitung, wie es oben beschrieben ist.
Das erste MZI 320 hat einen ersten freien Spektralbereich (FSB) und das zweite MZI 330 hat einen zweiten freien Spektralbereich, der sich von dem ersten FSB des ersten MZI 320 unterscheidet. Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel werden die FSB des ersten und zweiten MZI 320, 330 realisiert durch Bereitstellen eines ersten effektiven Brechungsindex für das erste MZI 320 und eines zweiten effektiven Brechungsindex für das zweite MZI 330, der nicht der gleiche ist wie der erste effektive Brechungsindex. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die durch die vorliegenden Lehren in Betracht gezogen werden, um eine gewünschte Differenz bei dem ersten effektiven Brechungsindex für das erste MZI 320 und einem zweiten effektiven Brechungsindex für das zweite MZI 330 bereitzustellen. Eine Möglichkeit zum Bereitstellen der gewünschten effektiven Brechungsindizes besteht darin, die Abmessungen (Breite-y-Richtung in dem Koordinatensystem von 3) und Höhe (+z-Richtung in dem Koordinatensystem von 3) der Kerne der optischen Wellenleiter auszuwählen, die das erste und zweite MZI 320, 330 bilden. Zu diesem Zweck, und wie es durch die Beschreibung der darstellenden Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 4 beschrieben sind, deutlich wird, hat jeder optische Wellenleiter einen Kern und eine Umhüllung. Wenn die Breite oder eine Höhe oder beides eines Kerns in einem MZI größer ist als eine Breite oder Höhe oder beides eines anderen MZI, überlappt ein kleinerer Bruchteil des elektromagnetischen Feldprofils der geführten Mode die Umhüllung und mehr überlappt den Kern. Dies führt zu einem vergleichsweise höheren Brechungsindex für die Mode, die den breiteren und/oder größeren Kern durchläuft.
Es kann gezeigt werden, dass der FSB eines MZI gegeben ist durch: $FSB = \frac{λ^{2}}{2 * n_{eff} Δ L}$
wobei λ die Wellenlänge des optischen Signals ist, das das MZI durchläuft, n_eff der effektive Brechungsindex der Wellenleiter (bei der Wellenlänge λ) des ersten und zweiten Arms des MZI ist und ΔL die Differenz bei der geometrischen Länge des optischen Wellenleiters in dem ersten Arm und des Wellenleiters des zweiten Arms des MZI ist.
Lediglich darstellend haben optische Wellenleiter in dem ersten MZI 320 eine Breite von 400 nm und stellen eine erste Kurve 201 in 2 bereit; während die optischen Wellenleiter des zweiten MZI 330 eine Breite von 550 nm aufweisen und die zweite Kurve 202 in 2 bereitstellen. Daher ist durch Auswählen der Breite der optischen Wellenleiter in dem ersten MZI 320, so dass dieselbe geringer ist als die Breite der optischen Wellenleiter des zweiten MZI 330, der effektive Brechungsindex des ersten MZI 320 kleiner als der effektive Brechungsindex des zweiten MZI 330. Von der obigen Gleichung hat das erste MZI einen größeren FSB (wie er in der ersten Kurve 201 gezeigt ist) als das zweite MZI 330 (wie er in der zweiten 202 gezeigt ist).
Die Auswahl unterschiedlicher Breiten und/oder Höhen für die Wellenleiter in jedem MZI ist eine veranschaulichende Möglichkeit zum Bereitstellen unterschiedlicher Brechungsindizes in jedem MZI und folglich eine Möglichkeit zum Bereitstellen von MZI mit unterschiedlichen FSB in einer PIC. Alternativ können Materialien, die für den Kern und die Umhüllung der Wellenleiter der jeweiligen MZI verwendet werden, ausgewählt werden, um unterschiedliche effektive Brechungsindizes für Wellenleiter bereitzustellen, die das MZI bilden. Beispielsweise können der Kern/die Umhüllung für die optischen Wellenleiter darstellender Ausführungsbeispiele Kombinationen aus Silizium (Si), Germanium (Ge), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄); oder Indiumphosphid-basiert (InP) sein. Insbesondere können diese Materialien entweder dotiert oder undotiert oder Kombinationen aus dotierten und undotierten Materialien sein. Diese Materialsysteme sind lediglich darstellend und andere Materialsysteme können verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Zusätzlich zu oder statt der Bereitstellung unterschiedlicher Brechungsindizes kann das erste MZI 320 eine erste geometrische optische Länge (d. h. physikalische Länge) aufweisen und das zweite MZI 330 kann eine zweite geometrische optische Länge aufweisen, die sich von der ersten geometrischen optischen Länge unterscheidet. Wie es ersichtlich ist, ist die geometrische optische Länge des ersten Arms 322 des ersten MZI 320 zu diesem Zweck größer als die geometrische optische Länge des zweiten Arms 324 des ersten MZI 320. Daher ist der FSB des ersten MZI 320 ein erster Wert. Gleichartig dazu ist die geometrische optische Länge des ersten Arms 332 des zweiten MZI 330 größer als die geometrische optische Länge des zweiten Arms 334 des zweiten MZI 330. Wie es von der obigen Gleichung ersichtlich ist, kann der FSB eines MZI durch Verringern der geometrischen optischen Weglängendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Arm des MZI erhöht werden. Das Erhöhen der geometrischen optischen Weglängendifferenz führt zu einem kleineren FSB.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Wellenmessers 400 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Es ist klar, dass der optische Wellenmesser 400 eine PIC ist.
Neben anderen Vorteilen ist der optische PIC-Wellenmesser der darstellenden Ausführungsbeispiele stabiler als eine optische Volumenlösung, wenn derselbe Umgebungsfaktoren ausgesetzt ist, wie zum Beispiel Temperaturänderungen, Stößen und Schwingungen, da die optischen Signale, die den optischen Wellenmesser 400 durchlaufen, in dem Chip und nicht durch mehrere optische Volumenkomponenten geleitet werden. Im Gegensatz dazu könnten sich optische Volumenelemente in Bezug zueinander bewegen, wenn der optische Volumenwellenmesser fallengelassen wird. Alternativ können sich der Brechungsindex der Luft und der optischen Volumenkomponenten unterschiedlich ändern, wenn sich die Temperatur ändert, und einen unvorhersehbaren Effekt auf den FSB des MZI haben, in dem dieselben angeordnet sind.
Viele Aspekte darstellender Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 1-3 beschrieben sind, sind bei der Beschreibung des optischen Wellenmessers 400 gleich und werden nicht wiederholt.
Ein optisches Eingangssignal wird, wie es gezeigt ist, an einem Eingang 401 bereitgestellt. Ein erster optischer Teiler 402 ist angepasst, um die Leistung des optischen Eingangssignals in ein erstes optisches Signal 403 und ein zweites optisches Signal 404 zu teilen, die gleiche Leistung aufweisen. Daher ist der erste optische Teiler ein optischer 50:50 Teiler.
Das erste optische Signal 403 trifft dann auf einen zweiten optischen Teiler 405 und das zweite optische Signal 404 trifft auf einen dritten optischen Teiler 406. Wie der erste optische Teiler 402 sind der zweite und dritte optische Teiler 405, 406 jeweils 50:50 Teiler und daher ist das optische Eingangssignal erneut durch den zweiten und dritten optischen Teiler 405, 406 gleichmäßig geteilt. Wenn Leistungsverlust in optischen Wellenleitern und Kopplern außer Acht gelassen wird, ist klar, dass das erste, zweite, dritte und viertes optische Ausgangssignal jeweils ein Viertel der optischen Leistung des optischen Eingangssignals aufweisen, das an dem Eingang 401 bereitgestellt wird.
Das erste optische Ausgangssignal 407 wird an einem ersten Tor eines ersten Arms 422 eines ersten Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) 420 empfangen; und das zweite optische Ausgangssignal 408 wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 424 des ersten MZI 420 empfangen.
Gleichartig dazu wird das dritte optische Ausgangssignal 409 an einem ersten Tor eines ersten Arms 432 eines zweiten Mach-Zehnder Interferometers (MZI) 430 empfangen; und das vierte optische Ausgangssignal wird an einem zweiten Tor eines zweiten Arms 434 des zweiten MZI 430 empfangen.
Ein erster Ausgang 426 und ein zweiter Ausgang 428 sind von dem ersten und zweiten Arm 422, 424 des ersten MZI 420 zu dem ersten und zweiten Eingang eines ersten Signalkombinierers 440 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 442 zu einem ersten Photodetektor PD1 und einen zweiten Ausgang 444 zu einem zweiten Photodetektor PD2 vorsieht.
Ein erster Ausgang 436 und ein zweiter Ausgang 438 sind von dem ersten und zweiten Arm 432, 434 des zweiten MZI 430 zu einem ersten und zweiten Eingang eines zweiten Signalkombinierers 450 vorgesehen, der einen ersten Ausgang 452 zu einem dritten Photodetektor PD3 und einen zweiten Ausgang 454 zu einem vierten Photodetektor PD4 vorsieht.
Die Ausgänge der Photodetektoren PD1, PD2, PD3 und PD4 sind auf eine Weise, die oben näher beschrieben ist, zu jeweiligen Subtrahierern (in 3 nicht gezeigt) vorgesehen und Differenzsignale (Leistung) werden einer Steuerung (in 3 nicht gezeigt) bereitgestellt für eine weitere Verarbeitung, wie es oben beschrieben ist.
Das erste MZI 420 hat einen freien Spektralbereich (FSB) und das zweite MZI 430 hat einen zweiten freien Spektralbereich, der sich von dem ersten FSB des ersten MZI 420 unterscheidet. Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel werden die FSB des ersten und zweiten MZI 420, 430 realisiert durch Bereitstellen eines ersten effektiven Brechungsindex für das erste MZI 420 und eines zweiten effektiven Brechungsindex für das zweite MZI 430, der nicht der gleiche ist wie der erste effektive Brechungsindex. Es gibt verschiedene Möglichen, die durch die vorliegenden Lehren in Betracht gezogen werden, um eine gewünschte Differenz bei dem ersten Brechungsindex für das erste MZI 420 und einem zweiten effektiven Brechungsindex für das zweite MZI 430 bereitzustellen.
Es ist klar, dass der optische Wellenmesser 400 eine Reihe von verbundenen optischen Wellenleitern aufweist, wie sie hierin beschrieben sind. Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel sind die optischen Wellenleiter in dem Wellenmesser Streifenwellenleiter, die aus einem Kanal (Kern) bestehen, der aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex hergestellt ist, der in einem Material (Umhüllung) mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kanal angeordnet oder durch dasselbe umgeben ist. Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel können die Wellenleiter des optischen Wellenmessers 400 einen Kern 460 aufweisen, der beispielsweise Silizium ist, angeordnet in der Umhüllung 470 aus Siliziumdioxid, der auf einem Siliziumsubstrat angeordnet sein kann. Wie es oben angemerkt ist, kann der optischen Wellenmesser 400 verschiedener Ausführungsbeispiele in jedem Materialsystem implementiert sein, in dem ein Wellenleiter gebaut sein kann. Beispielsweise, wie es oben angemerkt ist, können der Kern 460/die Umhüllung 470 für den Streifenwellenleiter Kombinationen aus Silizium (Si), Germanium (Ge), Siliziumdioxid, (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄); oder Indiumphosphid-basiert (InP) sein. Es ist anzumerken, dass diese Materialien entweder dotiert oder undotiert oder Kombinationen aus dotierten oder undotierten Materialien sein können. Diese Materialsysteme sind lediglich darstellend und andere Materialsysteme können verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Wie es oben angemerkt wurde, besteht eine Möglichkeit zum Bereitstellen der gewünschten Brechungsindizes darin, die Abmessungen (Breite-z-Richtung in dem Koordinatensystem von 4) und Höhe (+x-Richtung in dem Koordinatensystem von 4) der Kerne der optischen Wellenleiter auszuwählen, die das erste und zweite MZI 420, 430 bilden. Zu diesem Zweck, und wie es durch die Beschreibung der darstellenden Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 4 beschrieben sind, deutlich wird, hat jeder optische Wellenleiter einen Kern und eine Umhüllung. Wenn die Breite oder eine Höhe oder beides des Kerns in einem MZI größer ist als eine Breite oder Höhe oder beides eines anderen MZI, überlappt weniger Energie der geführten Mode die Umhüllung und mehr überlappt den Kern. Dies führt zu einem vergleichsweise höheren Brechungsindex für die Mode, die den breiteren und/oder größeren Kern durchläuft.
Lediglich darstellend haben optische Wellenleiter in dem ersten MZI 420 eine Breite von 400 nm und stellen eine erste Kurve 201 in 2 bereit; während die optischen Wellenleiter des zweiten MZI 430 eine Breite von 550 nm aufweisen und eine zweite Kurve 202 in 2 bereitstellen. Daher ist durch Auswählen der Breite der optischen Wellenleiter in dem ersten MZI 420, so dass dieselbe geringer ist als die Breite der optischen Wellenleiter des zweiten MZI 430 der effektive Brechungsindex des ersten MZI 420 kleiner als der effektive Brechungsindex des zweiten MZI 430. Von der obigen Gleichung hat das erste MZI einen größeren FSB (wie er in der ersten Kurve 201 gezeigt ist) als das zweite MZI 430 (wie er in der zweiten 202 gezeigt ist).
Die Auswahl unterschiedlicher Breiten und/oder Höhen für die Wellenleiter in jedem MZI ist eine veranschaulichende Möglichkeit zum Bereitstellen unterschiedlicher effektiver Brechungsindizes in jedem MZI und folglich eine Möglichkeit zum Bereitstellen von MZI mit unterschiedlichen FSB in einer PIC. Alternativ können Materialien, die für den Kern und die Umhüllung der Wellenleiter der jeweiligen MZI verwendet werden, ausgewählt werden, um unterschiedliche effektive Brechungsindizes für Wellenleiter bereitzustellen, die das MZI bilden. Beispielsweise kann der Kern, der in der Umhüllung für die optischen Wellenleiter darstellender Ausführungsbeispiele angeordnet ist, Kombinationen aus Silizium (Si), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄); oder dotiertes Indiumphosphid (InP) und undotiertes Indiumphosphid sein. Diese Materialsysteme sind lediglich darstellend und andere Materialsysteme können aufgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Zusätzlich zu oder statt der Bereitstellung unterschiedlicher effektiver Brechungsindizes kann das erste MZI 420 eine erste geometrische optische Länge (d. h. physikalische Länge) aufweisen und das zweite MZI 430 kann eine zweite geometrische optische Länge aufweisen, die sich von der ersten geometrischen optischen Länge unterscheidet. Wie es ersichtlich ist, ist die geometrische optische Länge des ersten Arms 422 des ersten MZI 420 zu diesem Zweck größer als die geometrische optische Länge des zweiten Arms 424 des ersten MZI 420. Daher ist der FSB des ersten MZI 420 ein erster Wert. Gleichartig dazu ist die geometrische optische Länge des ersten Arms 432 des zweiten MZI 430 größer als die geometrische optische Länge des zweiten Arms 434 des zweiten MZI 330. Erneut, wie es von der obigen Gleichung klar ist, kann der FSB eines MZI durch Verringern der geometrischen optischen Weglängendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Arm des MZI erhöht werden. Das Erhöhen der geometrischen optischen Weglängendifferenz führt zu einem kleineren FSB.
5 zeigt perspektivische Ansichten veranschaulichender Typen von optischen Wellenleitern, die für die Verwendung in Verbindung mit verschiedenen darstellenden Ausführungsbeispielen in Betracht gezogen werden. Erneut sind viele Aspekte darstellender Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit 1-4 beschrieben sind, bei der Beschreibung der optischen Wellenleiter der darstellenden Ausführungsbeispiele von 5 gleich und werden nicht wiederholt.
Anfangs weist jeder der optischen Wellenleiter 501, 502, 503, 504, 505, 506 und 507 Kerne auf, die über einem geeigneten Umhüllungsmaterial angeordnet sind. Zusätzliches Umhüllungsmaterial, das dazu vorgesehen ist, dass es über und auf den Seiten von jedem der Kerne der optischen Wellenleiter 501-507 angeordnet ist, ist nicht gezeigt, um eine bessere Ansicht der jeweiligen Kerne zu ermöglichen. Daher würde das Umhüllungsmaterial mit Bezugnahme auf 4 die jeweiligen Kerne im Wesentlichen umgeben, wie die Umhüllung 470 von 4 den Kern 460 im Wesentlichen umgibt. Darüber hinaus, wie es oben angemerkt ist, können die Kerne und Umhüllungen der optischen Wellenleiter 501, 502, 503, 504, 505, 506 und 507 Kombinationen aus Silizium (Si), Germanium (Ge), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), oder Indiumphosphid-basiert (InP) sein. Insbesondere können diese Materialien entweder dotiert oder undotiert oder Kombinationen aus dotierten und undotierten Materialien sein können. Diese Materialsysteme sind lediglich darstellend und andere Materialsysteme können aufgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen.
5 zeigt eine optischen Streifenwellenleiter 501, der einen Kern 501' aufweist und über einer Umhüllung 501" angeordnet ist.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer Rippenwellenleiter 502, der einen Kern 502' aufweist und über einer Umhüllung 503" angeordnet ist.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer Schlitzwellenleiter 503, der zwei Kerne 503' aufweist, die mit einem dritten Material gefüllt sind und über einer Umhüllung 503" angeordnet sind.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer photonischer Kristallwellenleiter 504, der einen Kern 504' aufweist und über einer Umhüllung 504" angeordnet ist.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer Subwellenlängengitter(SWG)-Wellenleiter 505, der einen Kern 505' aufweist und über einer Umhüllung 505" angeordnet ist.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer SWG-Schlitzwellenleiter 506, der einen Kern 506' aufweist und über einer Umhüllung 506" angeordnet ist.
Ein weiterer in Betracht gezogener optischer Wellenleiter ist ein optischer Oberflächenplasmonpolariton(SPP)-Schlitzwellenleiter 507, der einen Kern 507' aufweist, der benachbart zu der Metallschicht 507''' angeordnet ist und über einer Umhüllung 507" angeordnet ist.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung näher dargestellt und beschrieben wurde, sollen diese Darstellung und Beschreibung lediglich veranschaulichend oder beispielhaft und nicht beschränkend angesehen werden; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt.
Andere Variationen der offenbarten Ausführungsbeispiele sind für Fachleute auf diesem Gebiet klar und können beim Praktizieren der beanspruchten Erfindung ausgeführt werden anhand eines Studiums der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der unbestimmte Artikel „ein/eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in zueinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgezählt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft verwendet werden kann.
Obwohl hierin darstellende Ausführungsbeispiele offenbart sind, erkennt ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet, dass viele Variationen gemäß den vorliegenden Lehren möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs des angehängten Anspruchssatzes bleiben. Die Erfindung ist daher nur innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche begrenzt.

Claims

Photonische integrierte Schaltung (PIC) zum Bestimmen einer Wellenlänge eines Eingangssignals (101), wobei die PIC folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter (501) mit einem ersten effektiven Brechungsindex aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal (107) von einer Lichtquelle zu empfangen; und ein zweites (202) Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite (202) optische Wellenleiter (501) mit einem zweiten (202) effektiven Brechungsindex aufweist, der größer ist als der erste effektive Brechungsindex, und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal (108) von der Lichtquelle zu empfangen, wobei das erste MZI (120) eine Optische-Weglänge(OWL)-Differenz aufweist, das zweite MZI (130) eine zweite (202) Optische-Weglänge(OWL)-Differenz aufweist, die größer ist als die erste OWL-Differenz.
PIC gemäß Anspruch 1, bei der die ersten optischen Wellenleiter (501) eine erste Kern (460)-Breite aufweisen, die zweiten (202) optischen Wellenleiter (501) eine zweite (202) Kern (460)-Breite aufweisen und die zweite (202) Kern (460)-Breite größer ist als die erste Kern (460)-Breite.
PIC gemäß Anspruch 1, bei der die ersten optischen Wellenleiter (501) eine erste Kern (460)-Höhe aufweisen, wobei die zweiten (202) optischen Wellenleiter (501) eine zweite (202) Kern (460)-Höhe aufweisen und die zweite (202) Kern (460)-Höhe größer ist als die erste Kern (460)-Höhe.
PIC gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der der erste und der zweite (202) optische Wellenleiter (501) jeweils einer der folgenden sind: ein optischer Streifenwellenleiter (501), ein optischer Rippenwellenleiter (502), ein optischer Schlitzwellenleiter (503), ein optischer photonischer Kristallwellenleiter (505), ein optischer Subwellenlängengitter(SWG)-Wellenleiter (505), ein optischer Schlitz-SWG-Wellenleiter (505) und ein optischer Oberflächenplasmonpolariton-Schlitzwellenleiter (503).
PIC gemäß Anspruch 4, bei der der erste und der zweite (202) optische Wellenleiter (501) unterschiedlich zueinander sind.
Optischer Wellenmesser (300) zum Bestimmen einer optischen Wellenlänge einer Lichtquelle, wobei der optische Wellenmesser (300) folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das erste optische Wellenleiter (501) mit einer ersten optischen Weglängendifferenz aufweist und dazu konfiguriert ist, ein erstes optisches Ausgangssignal (107) von einer Lichtquelle zu empfangen; ein zweites (202) Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das über dem Substrat angeordnet ist, das zweite (202) optische Wellenleiter (501) mit einer zweiten (202) optischen Weglängendifferenz aufweist, die größer ist als die erste optische Weglängendifferenz und dazu konfiguriert ist, ein zweites optisches Ausgangssignal (108) von der Lichtquelle zu empfangen; einen ersten Photodetektor (162) und einen zweiten Photodetektor (164), wobei ein erstes Differenzsignal basierend auf ersten Ausgängen des ersten MZI (120) bereitgestellt wird; einen dritten Photodetektor und einen vierten Photodetektor, wobei ein zweites (202) Differenzsignal basierend auf zweiten (202) Ausgängen des zweiten MZI (130) bereitgestellt wird; und eine Steuerung (180), die einen Speicher (184), der Anweisungen speichert, und einen Prozessor (182) aufweist, der die Anweisungen ausführt, wobei die Anweisungen, wenn dieselben durch den Prozessor (182) ausgeführt werden, bewirken, dass die Steuerung (180) einen Prozess implementiert, der folgende Schritte aufweist: Vergleichen des ersten und zweiten (202) Differenzsignals mit ersten und zweiten (202) Differenzwerten, die in dem Speicher (184) gespeichert sind, und basierend auf dem Vergleichen, Bestimmen einer Ausgangswellenlänge der Lichtquelle.
System gemäß Anspruch 6, bei dem der erste optische Wellenleiter (505) eine erste Kern (460)-Breite aufweist, der zweite (202) Wellenleiter eine zweite (202) Kern (460)-Breite aufweist und die zweite (202) Kern (460)-Breite größer ist als die erste Kern (460)-Breite.
System gemäß Anspruch 6, bei dem der erste optische Wellenleiter (505) eine erste Kern (460)-Höhe aufweist, der zweite (202) Wellenleiter eine zweite (202) Kern (460)-Höhe aufweist und die zweite (202) Kern (460)-Höhe größer ist als die erste Kern (460)-Höhe.
System gemäß Anspruch 7, bei dem der erste und zweite (202) optische Wellenleiter (501) jeweils einer der folgenden sind: ein optischer Streifenwellenleiter (501), ein optischer Rippenwellenleiter (502), ein optischer Schlitzwellenleiter (503), ein optischer photonischer Kristallwellenleiter (505), ein optischer Subwellenlängengitter(SWG)-Wellenleiter (505), ein optischer Schlitz-SWG-Wellenleiter (505) und ein optischer Oberflächenplasmonpolariton-Schlitzwellenleiter (503).
System gemäß Anspruch 8, bei dem der erste und zweite (202) optische Wellenleiter (501) jeweils einer der folgenden sind: ein optischer Streifenwellenleiter (501), ein optischer Rippenwellenleiter (502), ein optischer Schlitzwellenleiter (503), ein optischer photonischer Kristallwellenleiter (505), ein optischer Subwellenlängengitter(SWG)-Wellenleiter (505), ein optischer Schlitz-SWG-Wellenleiter (505) und ein optischer Oberflächenplasmonpolariton-Schlitzwellenleiter (503).