JP2019510277A - シリコンオンインシュレータプラットフォームのための自動エンドレス偏光コントローラ - Google Patents

Abstract

第１および第２の直交偏光成分を有する光ビーム（１００５）の固定ターゲット偏光を提供するためのフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラ（１０００）であって、偏光コントローラ（１０００）は、偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）（１１００）と、ＰＲＳ（１１００）に結合された第１のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）段（１２００）と、第１のＭＺＩ段（１２００）に結合された第２のＭＺＩ段（１３００）と、第２のＭＺＩ段（１３００）に結合された第３のＭＺＩ段（１４００）と、光学タップ（１５１０）とを備える。安価な偏光コントローラが提供される。

Description

（関連出願の参照）

本出願は、２０１６年３月３１日に出願された米国特許出願第１５／０８７，４４９号の優先権を主張しており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は一般に、フォトニック集積回路用の偏光コントローラに関し、より詳細には、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フラットフォームのためのエンドレス偏光コントローラに関する。

光偏光コントローラは、入射光の偏光状態の動的変換のための装置である。偏光コントローラは、単一の偏光状態で動作するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）に頻繁に必要とされる。外部偏光成分は、ＰＩＣ用の偏光コントローラを構成するために使用されることがある。しかし、ＰＩＣに対する複数のオフチップ光学部品の位置合わせおよび組み立ては時間がかかるし、コストがかかることが多い。

したがって、ＰＩＣと共に使用するのに適した安価な偏光コントローラが必要である。

以下は、本発明の基本的な理解を提供するために、本発明のいくつかの態様または実施形態の簡略化された概要を提示する。この要約は本発明の広範な概要ではない。本発明のキーまたは重要な要素を特定すること、または本発明の範囲を描写することを意図するものではない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの実施形態を簡略化した形で提示することである。

本明細書は、フォトニックプラットフォーム、例えば、シリコンオンインシュレータプラットフォームのための自動エンドレス偏光コントローラを開示する。偏光コントローラは、制御されたターゲット偏光出力、例えば、横方向電気（ＴＥ）偏光出力を光入力から提供する。また、制御されたターゲット偏光出力、例えば、横方向電気偏光出力をフォトニックプラットフォーム上の光入力から提供するための方法も開示される。

本開示の一態様は、第１および第２の直交偏光成分を有する光ビームの固定ターゲット偏光を提供するためのフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラである。偏光コントローラは、光ビームを第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに分割する偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）を含み、第１および第２のフィードは同一の固定偏光状態を有する。偏光コントローラは、ＰＲＳに結合されたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）段であり、第１の制御信号に基づいて第１および第２のフィード間に第１の光位相遅延を与える第１の位相シフタと、第３および第４のフィードを提供するために、第１の光位相遅延をその間に有する第１および第２のフィードを混合する第１のミキサとを含む第１のＭＺＩ段を備える。偏光コントローラはまた、第１のＭＺＩ段に結合された第２のＭＺＩ段であり、第２の制御信号に基づいて第３および第４のフィード間に第２の光位相遅延を与える第２の位相シフタと、第５および第６のフィードを提供するために、第２の光位相遅延をその間に有する第３および第４のフィードを混合する第２のミキサとを含む第２のＭＺＩ段を備える。偏光コントローラはさらに、第２のＭＺＩ段に結合された第３のＭＺＩ段であり、第３の制御信号に基づいて第５および第６のフィード間に第３の光位相遅延を与える第３の位相シフタと、固定ターゲット偏光を有する光ビームを提供するために、第３の光位相遅延をその間に有する第５および第６のフィードを混合する第３のミキサとを含む第３のＭＺＩ段を備える。偏光コントローラはさらに、光ビームの一部を分割するために第３のミキサに光学的に結合された光学タップを備える。

本開示の別の態様は、第１および第２の直交偏光成分を有する入力光ビームの固定ターゲット偏光を提供するフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラである。偏光コントローラは、入力光ビームを第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに分割する偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）を含み、第１および第２のフィードは同一の固定偏光状態を有する。偏光コントローラはまた、第１の制御信号に基づいて第１および第２のフィード間に第１の光位相遅延を与えるためにＰＲＳに結合される第１の位相シフタおよび、第３および第４のフィードを提供するために、第１の光位相遅延をその間に有する第１および第２のフィードを混合するために第１の位相シフタに結合される第１の２×２光カプラを備える。偏光コントローラはさらに、第２の制御信号に基づいて第３および第４のフィード間に第２の光位相遅延を与えるために２×２光カプラに結合される第２の位相シフタおよび、第５および第６のフィードを提供するために、第２の光位相遅延をその間に有する第３および第４のフィードを混合するために第２の位相シフタに結合される第２の２×２光カプラを備える。偏光コントローラはさらに、第３の制御信号に基づいて第５および第６のフィード間に第３の光位相遅延を与えるために第２の２×２光カプラに結合される第３の位相シフタおよび、固定ターゲット偏光を有する出力光ビームを提供するために、第３の光位相遅延をその間に有する第５および第６のフィードを混合するために第３の位相シフタに結合される出力光カプラを備える。偏光コントローラはまた、出力光ビームの一部を分割するために第３のミキサに光学的に結合された光学タップを備える。

本開示のさらに別の態様は、第１および第２の直交偏光成分を有する光ビームの固定ターゲット偏光を提供する方法である。方法は、光ビームを第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに、第１および第２のフィードが同一の固定偏光状態を有するように、分割するステップと、第１の制御信号に基づいて第１および第２のフィード間の第１の光位相遅延を調整するステップと、第３および第４のフィードを提供するために、第１の光位相遅延をその間に有する第１および第２のフィードを混合するステップとを伴う。方法はさらに、第２の制御信号に基づいて第３および第４のフィード間の第２の光位相遅延を調整するステップと、第５および第６のフィードを提供するために、第２の光位相遅延をその間に有する第３および第４のフィードを混合するステップとを伴う。方法はさらに、第３の制御信号に基づいて第５および第６のフィード間の第３の光位相遅延を調整するステップと、固定ターゲット偏光を有する光ビームを提供するために、第３の光位相遅延をその間に有する第５および第６のフィードを混合するステップと、光学タップを用いて光ビームの一部を分割するステップとを伴う。

開示のこれらおよび他の特徴は、以下の添付の図面を参照する説明からより明らかになるであろう。
図１は、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラを示す。 図２は、制御方法の概要を示すフローチャートである。 図３は、システムが起動されたときの初期調整に適した走査方法を示すフローチャートである。 図４は、図３の方法の追加のステップを示すフローチャートである。 図５は、図３の初期走査方法の後に良好な性能を維持するための終点回避を伴うヒルクライミング法のフローチャートを示す。 図６は、システムが起動されたときの初期調整に適した別の走査方法を示すフローチャートを示す。 図７は、図６の走査を表す数学的モデルの視覚化である。 図８は、図６の走査を表す数学的モデルの別の視覚化である。

以下の詳細な説明は、本発明の完全な理解を提供するために、説明目的で多数の特定の実施形態、実装、例および詳細を含む。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細なしに、または同等の配置で実施され得ることは明らかである。他の例では、発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために、いくつかの周知の構造およびデバイスがブロック図形式で示される。説明は決して、本明細書に例示され、説明された例示的な設計および実装を含む、以下に示される例示的な実装、図面および技術に限定されるべきではなく、それらの均等物の全範囲とともに添付の特許請求の範囲内で変更され得る。

図１に示す実施形態では、フォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラ１０００は、第１および第２の直交偏光成分を有する光ビーム１００５の固定ターゲット偏光を提供する。偏光コントローラ１０００は、光ビーム１００５を、第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィード１０１０、１０２０に分割する偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）１１００を含む。第１および第２のフィード１０１０、１０２０は、同じ固定偏光状態を有する。偏光コントローラ１０００は、ＰＲＳ１１００に結合されかつ第１の制御信号ＣＳ１に基づいて第１および第２のフィード１０１０、１０２０間に第１の光位相遅延を与える第１の位相シフタ（ＰＳ１）１２１０と、第１の光位相遅延をその間に有する第１および第２のフィード１０１０、１０２０を混合する第１のミキサ１２２０、例えば、２×２マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラとを含む第１のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）段１２００を備える。偏光コントローラ１０００はまた、第１のＭＺＩ段１２００に結合されかつ第２の制御信号（ＣＳ２）に基づいて第３および第４のフィード１２３０、１２４０との間に第２の光位相遅延を与える第２の位相シフタ（ＰＳ２）１３１０と、第５および第６のフィード１３３０、１３４０を提供するために、第２の光位相遅延をその間に有する第３および第４のフィード１２３０、１２４０を混合する第２のミキサ１３２０とを含む第２のＭＺＩ段１３００を備える。偏光コントローラ１０００はまた、第２のＭＺＩ段１３００に結合されかつ第３の制御信号（ＣＳ３）に基づいて第５および第６のフィード１３３０、１３４０との間に第３の光位相遅延を与える第３の位相シフタ（ＰＳ３）１４１０と、固定ターゲット偏光を有する光ビーム１００５を提供するために、第３の光位相遅延をその間に有する第５および第６のフィード１２３０、１２４０を混合する第３のミキサ１４２０とを含む第３のＭＺＩ段１４００を備える。偏光コントローラ１０００はまた、光ビーム１００５の一部を分割する第３のミキサ１４２０に光学的に結合された光タップ１５１０を含む。光ビーム１００５は、導かれる、または自由空間とすることができることに注意されたい。

本明細書でおよび本明細書の残りの全部分にわたって、用語「フォトニックプラットフォームベース」は、シリコンプラットフォーム、ＳＯＩプラットフォーム、ＩｎＰプラットフォームなどの光プラットフォームに実装されることを意味する。フォトニックプラットフォームは、ＰＲＳ１１００、ＭＺＩ段１２００、１３００、１４００、および光タップ１５１０の導波路およびカプラを含むことができる。有利なことに、偏光コントローラ１０００は、偏光入力を必要とするフォトニックデバイスと同じフォトニックプラットフォーム内に構築して、外部光学要素の精密な光学位置合わせの必要性を軽減し得る。さらに、個々の偏光コントローラの小型化のために、偏光コントローラ１０００のアレイを同じ光プラットフォーム上に製作し、それによって光集積を容易にし得る。本明細書の目的のために、ＭＺＩ段がＰＲＳ１１００から、または前のＭＺＩ段から、入力スプリッタを借りる（すなわち、利用する）ため、用語「ＭＺＩ」の代わりに「ＭＺＩ段」という表現が使用される。

図１に示す実施形態では、第１および第２のミキサ１２２０、１３２０は、２×２マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラであってもよい。あるいは、第１および第２のミキサ１２２０、１３２０は、２×２エバネセントカプラまたは任意の他の適切なカプラであってもよい。第３のミキサ１４２０は、この図に例として示すＭＭＩカプラのような任意の適切な２×２または２×１カプラであってもよい。

図１に示す実施形態では、偏光コントローラ１０００はさらに、光ビーム１００５の一部に基づいて光検知器信号を提供するために、光タップ１５１０に光学的に結合された光検知器を含む出力光パワー測定モジュール１５００を含む。図１に示される実施形態では、偏光コントローラ１０００は、光検知器信号に基づいて光ビーム１００５の光パワーを増加させるために、光検知器および第１〜３の位相シフタ１２１０、１３１０、１４１０に結合されかつ第１〜３の制御信号をそれぞれ第１〜３の移相器１２１０、１３１０、１４１０に提供するように構成された制御信号決定モジュール１６００をさらに含む。制御信号決定モジュール１６００は、選択された制御信号が所定の閾値に到達するときに、第１〜３の制御信号のうちの選択された一つを徐々に低減するとともに、固定偏光および第３のミキサ１４２０によって提供される光ビーム１００５の光パワーレベルを維持するように第１〜３の制御信号のうち少なくとも別の１つを調整するように構成される。この技術は、エンドレスな偏光制御を提供する。

図１の例示された実施形態では、第１、第２および第３のＭＺＩ段１２００、１３００、１４００は、３段カスケードのＭＺＩを構成する。この実施形態では、偏光コントローラ１０００は、３段のみを有する、すなわち、それは第４のカスケードのＭＺＩ段を欠く。３段しかない設計は、より簡単な設計を提供するとともになおエンドレスな偏光制御を提供する。

図１の実施形態では、固定（静的）出力偏光は、偏光回転子スプリッタ１１００によって生成されるのと同じ偏光である。偏光回転子スプリッタ１１００の下流では、光の偏光状態に対するさらなる変更はない。偏光回転子スプリッタ１１００の後では、光の位相および強度のみが変更される。

偏光デバイスの光出力から期待される偏光は、光出力の測定可能な光パワーと高度に相関し、それによって最大の測定可能な光パワーが出力の期待される偏光と一致することが観察された。この相関は、少なくともいくつかの実施形態では、未知の偏光の光入力から、別々の導波路上に異なる空間モードを有する第１および第２の直交偏光成分に対応する２つの偏光フィードを得るために利用される。位相遅延が、たとえば、０から６π、または０から４π、または０から２πの調整範囲を有する位相シフタを使用して導入される。第１、第２および第３の位相シフタ１２１０、１３１０、１４１０は、それぞれの第１、第２および第３の制御信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３（例えば、駆動電流または電圧）に応答してそれぞれの位相シフトを生じさせる。２πの調整範囲は、動作する最小の範囲であり、０から４πまたは０から６πの範囲の使用により、より大きな調整範囲が与えられる。偏光コントローラ１０００はまた、図１に例として示すように、過度の中断なしで出力パワー測定モジュール１５００を使用して、例えば、光方向性結合器タップを光タップ１５１０として使用して、光ビーム１００５の一部分、例えば、光パワーの１％、または、例えば、５%未満などの小さい部分をタップオフして出力パワー測定モジュール１５００内の光検知器に向けてそれを出力する。出力光パワー測定モジュール１５００は、第１のＴＥ偏光出力の光パワーを（例えば、光検知器を使用して）測定する。制御信号決定モジュール１６００は、出力光パワー測定モジュール１５００を使用して出力光パワーを測定するとともに、ＣＳ１、ＣＳ２およびＣＳ３のそれぞれを、例えば、正または負であり得る電圧増分（ΔＶ１）で順次変化させることにより最大の光パワーを得るために、第１、第２および第３の制御信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３に対する値、例えば、電圧値を決定する。図１の実施形態において、この実施形態では可変ＤＣ電圧である、第１、第２および第３の制御信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３は、出力パワーを最大にして光出力の偏光を制御するために位相シフタに印加される。制御信号は、任意の適切な駆動信号、駆動電流、または制御電圧であり得る。言い換えれば、電圧の代わりに別の形態の駆動信号、例えば、直流レベルまたはパルス幅変調フォーマットのような電流または電力を使用し得る。そのようなあまり精巧でないシステムでは、入力偏光状態の大きな変化を補償するために電圧値の不連続的ジャンプが必要とされ、これらのジャンプにより出力光にグリッチまたは停止を生じるため、それらのそれぞれの範囲に沿って１つまたは２つの位相シフタを使用することにより、出力偏光の適切な制御がいつも行われないかもしれないことが観察されている。本発明の実施形態は、可変偏光フィード、すなわちランダムに偏光された入力について３つの位相シフタを使用する。それが効力を増大させるようには見えない一方、追加の位相シフタがまた同じ可変偏光フィードについて使用されることが潜在的に可能である。入力偏光がランダムとなりかつ時間が変化することがあり、変化がポアンカレ球周囲の多数のループを含み得ることを強調する価値がある。言い換えれば、入力偏光は、ポアンカレ球上の任意の点にあり得る。偏光コントローラ１０００および制御方法は、ポアンカレ球上のランダムでかつ時間的に変化する点を、ポアンカレ球上の所定でかつ静的（固定または目標）な点、例えば、ＴＥ出力偏光に対応する点に変換する。さらに、どの軌跡が球面上の入力偏光によって経時的に追跡されても、この状態は、常に所定の正確度内で満たされることができる。偏光コントローラ１０００は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトニックプラットフォーム上などのフォトニックプラットフォーム上に実装することができる。したがって、フォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラ１０００を提供するために、偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）１１００、３つのマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）段１２００、１３００および１４００、出力光パワー測定モジュール１５００および制御信号決定モジュール１６００は、ＳＯＩプラットフォームに統合されることができる。偏光コントローラ１０００はまた、オプションの出力セレクタ１７００を含むことがあり、その機能は以下に説明される。

図１に示す実施形態では、偏光コントローラ１０００の下面アームの位相シフタＰＳ１’、ＰＳ２’、ＰＳ３’は、オプションとして破線で示されるが、それでも同調範囲を２倍にするまたは挿入損失の均衡するためには有益である。下面アーム位相シフタＰＳ１’、ＰＳ２’、ＰＳ３'を含む偏光コントローラ１０００の実施形態では、これらは、図示のように第１、第２および第３のＭＺＩ段１２００、１３００、１４００内に配置される。

それから、制御信号決定モジュール１６００はさらに、光パワー出力を最大にするために制御信号ＣＳ１’、ＣＳ２’およびＣＳ３’（例えば、電圧値）を提供し得る。制御信号ＣＳ１’、ＣＳ２’およびＣＳ３’（例えば、電圧値）は、ΔＶ１に等しくなり得るかまたは等しくないかもしれない電圧増分ΔＶ２を使用することによって決定され得る。オプションの出力セレクタ１７００は、第１および第２のＴＥ偏光出力の両方または一方のみを提供してよく、その結果出力光パワー測定モジュール１５００は、偏光コントローラ１０００の一方または両方のアームの光パワーを測定することができる。図２から図５を特に参照して明らかになるように、制御信号が印加電圧であるいくつかの実施形態では、第２の電圧増分（ΔＶ１’および／またはΔＶ２’）は、電圧値の決定を精密化するために使用されることがある。

図１に一例として示された自動エンドレス偏光コントローラ１０００は、小型で、電力消費が少なく、挿入損失も少ない。さらに、自動エンドレス偏光コントローラ１０００は、任意の入力偏光状態（ＳＯＰ）に対して固定されたＴＥ偏光出力を提供する。さらに、熱光学位相シフタの迅速な応答時間は、出力信号の迅速な調整を可能にする。熱光学移相器は数マイクロ秒までの応答時間を下げることが知られているが、一方でほとんどの実際の配備環境の偏光状態は数百マイクロ秒以上の特性時間で変化する。したがって、偏光コントローラ１０００は、入力偏光の変動を高精度で追跡するのに十分迅速に反応することができる。任意選択的に、熱光学位相シフタは、偏光追跡速度を犠牲にして、電力消費および熱クロストークを低減するアンダーカットを有する。

入力偏光が変化する場合には、任意の偏光状態をＴＥ偏光出力に変換するには、２段、例えば、偏光コントローラ１０００の段１２００、１３００だけで十分であるが、第１または第２の位相シフタ１２１０、１３１０は、その範囲の終わりに到達し、エラーを引き起こすリセットを求め得る。エンドレス偏光コントローラ１０００は、３つの位相シフタ１２１０、１３１０、１４１０のうちの１つがその範囲の終わりに近づく場合に、それは徐々にリセットされるとともに他の２つは調整され続けるように、エンドレス偏光トラッキングを達成するために、第３の位相シフタ１４１０（および第３のＭＭＩカプラ１４２０）を含み、その結果、偏光の入力状態がどれくらい変化するかにかかわらず、偏光の出力状態を所望のＴＥ偏光出力の所定の正確度内に維持することができる。偏光の入力状態の変化は、直線偏光の回転の特別な場合に留まらず、光のすべての可能な偏光を表すポアンカレ球の全点にわたる変化を指すことに留意されたい。

本開示の別の態様は、図２に示す、第１および第２の直交偏光成分を有する光ビーム１００５の固定ターゲット偏光を提供する方法２０００である。方法２０００は、光ビーム１００５を受信するステップ２１００と、光ビーム１００５を第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィード１０１０、１０２０に分割するステップ２２００とを伴い、その結果、第１および第２のフィード１０１０、１０２０が同じ固定の偏光状態を有する。方法２０００は、第１の制御信号ＣＳ１に基づいて第１のフィード１０１０と第２のフィード１０２０との間の第１の光位相遅延を調整するステップ２３００、すなわち、第３および第４のフィード１２３０、１２４０を提供するために、第１の位相シフトを実行し、次に第１の光位相遅延をその間に有する第１および第２のフィード１０１０、１０２０を混合するステップを伴う。方法２０００は、第２の制御信号に基づいて第３および第４のフィード１２３０、１２４０との間の第２の光位相遅延を調整するステップ２４００、すなわち、第５および第６のフィード１３３０、１３４０を提供するために、第２の位相シフトを実行し、次に第２の光位相遅延をその間に有する第３および第４のフィード１２３０、１２４０を混合するステップを伴う。方法２０００は次に、第３の制御信号に基づいて第５および第６のフィード１３３０、１３４０との間の第３の光位相遅延を調整するステップ２５００、すなわち、固定ターゲット偏光を有する光ビーム１００５を提供するために、第３の位相シフトを実行し、次に第３の光位相遅延をその間に有する第５および第６のフィード１３３０、１３４０を混合するステップを伴う。方法２０００は次に、光ビーム１００５のタップされた部分の出力光パワーを測定すること２６００のための光タップ１５１０を使用して光ビーム１００５の一部を分割（タップ）する。出力パワーに基づいて、制御信号決定モジュールは、２７００において制御信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３の新しい（増加されたまたは減少された）値を決定する。

したがって、図２は、関心または「ターゲット偏光」、例えば、固定された横方向電気（ＴＥ）偏光を提供するために、偏光コントローラ１０００、例えば、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォーム上の偏光コントローラ１０００の出力偏光を制御する方法２０００のフローチャートを示す。別の実施形態では、ターゲット偏光は、横磁気（ＴＭ）偏光であってもよい。図２に示すように、方法は、偏光コントローラ１０００を調整するために、出力における光パワーを測定することを伴う。図２の方法２０００の１つの具体的な実装では、方法は、２３００において、第１の制御電圧に基づいて第１の位相シフタ（例えば、ＭＺＩ１２００のＰＳ１）で第１の位相シフトを実行する。第１の位相シフタからの結果は次に、２４００において、第２の制御電圧に基づいて、第２の位相シフタ（例えば、ＭＺＩ１３００のＰＳ２）で位相シフトされる。同様に、第２の位相シフタからの結果は、２５００において、第３の制御電圧に基づいて第３の位相シフタ（例えば、ＭＺＩ１４００のＰＳ３）で位相シフトされる。方法２０００のこの特定の実施形態では、２６００において出力光パワーを測定しながら、ＤＣ１、ＤＣ２およびＤＣ３のそれぞれを電圧増分で順次変更することによって、２７００において第１の電圧、第２の電圧および第３の電圧を決定する。

方法のいくつかの実施形態では、決定ステップ２７００は、第２のＴＥ偏光フィードに対して、制御信号ＣＳ１’、ＣＳ２’およびＣＳ３’を決定することを含むようにしてよい。方法は、その場合、２つの出力間で選択するステップを含み得る（例えば、出力セレクタ１７００を使用して）。

制御信号値ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３を決定するプロセスは、以下のようにして達成することができる。ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３が概念的に３次元空間を表す場合、プロセスは一般に、最高出力パワーを有する点を識別するために、粗ステップサイズを使用して３次元空間全体を走査する第１のステップを含む。これにより、粗設定パラメータが求まる。次に、プロセスは、粗設定パラメータに近接する３次元空間の領域を走査するために、細ステップサイズを使用する第２のステップを含む。第２のステップは、第２のステップが失敗するまで自動エンドレス偏光コントローラ１０００の動作を維持するために繰り返され、失敗の場合、プロセスは第１のステップに戻る。擬似コードでは、３次元空間の走査は、以下のように実行されることができる。
Define an increment for CS1, CS2, CS3
For CS1 = minimum setting to maximum setting
Increment CS1
For CS2 = minimum setting to maximum setting
Increment CS2
For CS3 = minimum setting to maximum setting
Increment CS3
Measure present output signal
If present output signal > best output signal then
best output signal = previous output signal
best CS1,CS2,CS3 = CS1,CS2,CS3
Next CS3
Next CS2
Next CS1
If best output signal >= desired output signal then
Training status = pass
Apply best CS1, CS2, CS3 to apparatus
Else training status = fail

図３は、方法２０００における決定ステップ２７００を実行する別のプロセスのフローチャートを示し、ここでは、可能な制御信号（ＣＳ）値の範囲（位相シフト範囲に対応する）が、位相シフタＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３のそれぞれについて所定の増分を使用して掃引される。図３の例では、第１、第２および第３の制御信号値ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３は、３１００において、制御信号決定モジュール１６００によって、可能な最低値に初期設定される。当業者は、別の開始値が値の範囲が掃引される限り選択され得ると理解するだろう。デフォルトでは、期待偏光を得るためのターゲットＣＳ値は初期に、可能な限り低い値に対応し、それに応じて初期パワー測定値が測定される。

第１の位相シフタ（Ｘ=１）３１５０が最初に選択される。次に、位相シフタＸ=１〜３のそれぞれについてループが実行される。３２００においてＣＳ１の可能な最高値に達しない限り、３３００において光パワーが測定され、３４００においてターゲットＣＳＸが更新され、３５００においてＣＳＸが増加する。測定されたパワーが前回測定されたパワー測定値よりも高い場合、ターゲットＣＳＸが更新される。それ以外の場合は、ターゲットＣＳＸ値は変更されない。それから、ＣＳＸは、３５００においてインクリメントされる。ループは３２００に戻り、ＣＳ１の可能な最高値に達していない限り、３３００〜３５００が繰り返される。次に、３６００において、Ｘを位相シフタの最大数までインクリメントして、ループ３２００〜３５００を次の位相シフタに対して繰り返す。ステップ３１００、３１５０、３２００、３４００、３５００および３６００は、制御信号決定モジュール１６００によって実行されてもよい。ステップ３３００は、出力光パワー測定モジュール１５００によって実行されてもよい。

図４は、図３の例示的な方法から得られるターゲットＣＳＸ値の周りで実行され得るいくつかの任意の追加ステップを示す。図４に示されるように、前回の増分に等しい幅を有する範囲は、リファインされた増分を使用して掃引され得る。具体的には、Ｘ=１〜３の場合、初期ＣＳＸのターゲット値は、４１００において、前回使用された増分の半分だけ減少されたターゲットＣＳＸ値に設定される。Ｘは初期に、動作４１５０において１に設定される。ＣＳＸ’が、前回使用された増分の半分だけ増加されたターゲットＣＳＸを超過しない限り（動作４２００）、４３００において新規出力パワーが測定され、４４００においてターゲットＣＳＸ’が更新され、４５００においてＣＳＸ’が増加される。測定されたパワーが前回測定された値と比べ増加であれば、４４００において、ターゲットＣＳＸ値が登録される。それから、４５００おいてＣＳＸ’はリファイン増分だけ増加され、次に、ＣＳＸ’が前回使用された増分の半分だけ増加したターゲットＣＳＸを超過しない限り４２００〜４５００が繰り返される。次いで、４５００において位相シフタの総数に達するまで、Ｘがインクリメントされる。

図４において、新規ＣＳＸ値を決定するステップ２７００は、初期ＣＳＸ値にかかわらず、偏光の結果を改善しようとする。この決定ステップ２７００は、範囲終了回避を伴うヒルクライミング法として理解され得る。位相シフタのそれぞれについて、初期値から、現在のＣＳ値（＋および−）周囲の偏光結果を改善する試みが行われる。ステップ４１００、４１５０、４２００、４４００、４５００および４６００は、制御信号決定モジュール１６００によって実行されてもよい。ステップ４３００は、出力光パワー測定モジュール１５００によって実行されてもよい。

図５に示された別の方法では、第１の位相シフタ（Ｘ=１）の場合５１５０、５１００において初期の出力パワー測定値が最初に登録される。ＣＳＸ値が範囲の限界に近い場合（５２００）、５３００においてＣＳＸ値が限界からある値だけ（すなわち、範囲の中心のほうに）オフセットされる。ＣＳＸ値が限界に近すぎるかは、相対的な尺度（例えば、範囲幅の１０％などの範囲限界からのパーセンテージ）または絶対値（例えば、ΔＶ’より大きい）を用いて決定し得る。それ以外の場合（すなわち、ＣＳＸ値が限界に近くない場合）、５３１０において、ターゲットＣＳＸは、範囲幅の一部（例えば、１％）を表す特定の値（例えば、ΔＶ’）だけ減少する。５３１２において、パワー測定値がＣＳＸ−ΔＶ’で取得される。同様に、５３２０において、ターゲットＣＳＸはΔＶ’だけ増加し、５３２２において、パワー測定値はＣＳＸ＋ΔＶ’で取得される。いくつかの実施形態では、測定されたパワー５３１２または５３２２が５１００において登録された値を超える改善を表さないときにのみ、増加または減少ΔＶ’のうちの一方のみが最初に実行され（図示せず）、他方が実行される。そのような場合、最も近い範囲限界（図示せず）からの距離を考慮して、ΔＶ’の減少または増加を優先付けし得る。さらに、減少および増加は、異なるインクリメント値（例えば、ΔＶ’およびΔＶ”）を使用し得る。単一のΔＶまたはΔＶ’値を用いることが最良であると考えられても、異なる移相器は異なるインクリメント値を有することもある。測定されたパワー５３２２または５３１２が動作５１００において登録された値と比較して増加を表す場合、５４００においてターゲットＣＳＸが更新される。ステップ５１００から５４００は、５５００において次の位相シフタ（増分Ｘ＝３）について実行される。方法は、図５に示す判定プロセス２７００を繰り返す前にクロック信号を待つステップを含み得る。図５に示すステップは、出力光パワー測定モジュール１５００によって実行され得るステップ５３１２および５３２２を除き、制御信号決定モジュール１６００によって実行されてもよい。

ヒルクライミング手順（図示せず）の別の実施形態では、サイクルタイムクロックが受信されると、位相シフタが最大に近いか否かが判定される。もし、そうであれば、位相シフタの設定値が減少され、次の位相シフタのための解析が行われる。そうでなければ、位相シフタが最小に近いか否が判定される。もしそうであれば、位相シフタの設定値が増加され、次の位相シフタについての分析が実行される。そうでなければ、出力信号の元のパワー測定値が登録される。位相シフタの設定はそれから上げられ、測定が行われる。測定値が登録値よりも良い場合は、新しい設定が保持される。そうでなければ、移相器の設定は２回減少し（すなわち、反対方向に１回減少することに相当する）、新たな測定が行われる。新しい測定値が登録された値よりも良い場合、最新の設定値が保持される。そうでなければ、位相シフタの設定が増加され（すなわち元の値に戻る）、次の位相シフタが解析される。上記の方法において、「近く」は、問題の値が最大調整可能範囲の１０％以内であることを意味する。しかしながら、他の場合には他の値が使用され得ることを理解されたい。

擬似コードでは、ヒルクライミング手順は以下のように書いてもよい。
phase increment = phase shifter range / 100
Repeat for ever {
For each phase shifter {
Wait until time clock
If phase shifter setting is within 10% of maximum then decrement phase shifter setting
Else if phase shifter within 10% of minimum then increment phase shifter
Else { ** try to climb hill
Original output signal = read output signal
Original phase shifter setting = current phase shifter setting
Increment phase shifter setting
If output signal is worse than Original output signal then {
Decrement phase shifter setting twice
If output signal is worse than Original output signal then {
phase shifter setting = original phase shifter setting /** Taking a step made it worse. Go back to the original setting.
}
}
}
}
}

図３の走査方法は任意であることに留意されたい。図５のヒルクライミング法は、コールドスタートのために、すなわち、システムを初期化または起動するために使用してもよい。

図６は、システムが起動されたときの初期調整のために３次元空間を走査する方法を示す。擬似コードでは、この方法は以下のように進行し、ＤＣ１、ＤＣ２、およびＤＣ３はまた、制御信号を３つの駆動電流の形態で表す。
Define an increment for DC1, DC2, DC3
For DC1 = minimum setting to maximum setting
Increment DC1
For DC2 = minimum setting to maximum setting
Increment DC2
For DC3 = minimum setting to maximum setting
Increment DC3
Measure present output signal
If present output signal > best output signal then
best output signal = previous output signal
best DC1,DC2,DC3 = DC1,DC2,DC3
Next DC3
Next DC2
Next DC1

図６に例として示されるように、方法は、ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３を可能な最低値に設定するステップ６０１０を必要とする。ステップ６０２０において、最良出力パワーはゼロに設定される。ステップ６０３０において、最良のＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３の値は、現在のＤＣ１、ＤＣ２およびＤＣ３の値に等しくなるように設定される。ステップ６０４０において、現在の出力電力が測定される。現在の出力パワーが最良出力パワーよりも大きい場合（判断ステップ６０５０）、ＤＣ３はＤＣ３増分だけステップ６０８０で増加される。そうでない場合、最良出力パワーは現在の出力パワーに等しく設定される（ステップ６０６０で）。最良のＤＣ１、ＤＣ２およびＤＣ３値は、現在のＤＣ１、ＤＣ２およびＤＣ３値に等しくなるように設定される（ステップ６０７０で）。ＤＣ３が可能な限り高いＤＣ３値に達するまで（判断ステップ６１００）、図示されているようにステップ６０４０に戻るサイクルを繰り返すことによって、動作が繰り返される。最も高いＤＣ３に達した後、動作はステップ６１２０に進み、そこでＤＣ２がＤＣ２の増分だけ増加される。ＤＣ２が最高可能ＤＣ２に達するまで（ステップ６１４０で）、図示の通り、前動作が繰り返され、ステップ６０４０に戻る。一番高いＤＣ２に達すると、ＤＣ１をＤＣ１増加分だけ増加させる（ステップ６１６０で）。ＤＣ１が可能な限り高いＤＣ１値に達するまで（判断ステップ６１８０で）、ステップ６０４０に戻って示されるように先行する動作が繰り返される。

ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３の値をスキャンするプロセスの数学的図は、図７および図８に示される。これらの図は、所与の入力偏光状態に対する最大可能出力パワーの少なくとも０．９９７（９９．７％）の出力パワーを生成する（ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３）ポイントの軌跡を示す。図７では、Ｘ成分の入力パワーの一部は０．１８であり、入力Ｘ成分とＹ成分の間の相対位相シフトは−０．４１である。図８では、Ｘ成分の入力パワーの一部は０．３２であり、入力ＸおよびＹ成分の間の相対位相は０．８９である。図７および図８から、以下の観察が行われる。第１に、最大出力電力の軌跡は、ＤＣ１軸に平行な線の回りに螺旋状である。螺旋の利き手は、Ｘ入力における光学パワーの一部が０．５より大きいか小さいかに依存する。螺旋の断面は、パワー比が０に近いまたは１に近いときの小さな円である。出力比が０．５に近いとき、螺旋の断面は大きな正方形の円である。第２に、偏光コントローラが適切に機能するためには、ＤＣ１とＤＣ２の最小調整範囲は２π位相変化であるが、ＤＣ３については、それはπ位相変化である。

上述の方法は、ＳＯＩプラットフォームのための自動エンドレス偏光コントローラ１０００を可能にする。自動エンドレス偏光コントローラ１０００は、出力ポートで光パワーを追跡することによって、任意の入力偏光またはＳＯＰ（偏光状態）を固定されたＴＥ偏光出力に変換する。光パワーは、オンチップフォトダイオードによって測定することができる。チップ上のフィードバック制御回路は、自動追跡および制御を提供することができる。この自動エンドレス偏光コントローラ１０００は、時変ＳＯＰを有する光入力に応答して偏波を迅速に追跡し、調整することができる。偏光コントローラ１０００はまた、低挿入損失、例えば、（Ｃバンド上で−１．６ｄＢ）、低消費電力、低熱クロストークを示す。有益な点は、偏光コントローラ１０００は、位相検知器、ＳＯＰ検知器および偏光計を必要としないことである。

単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数の指示対象を含むことを理解されたい。したがって、例えば、「デバイス」への言及は、そのようなデバイスの１つまたは複数への言及、すなわち、少なくとも１つのデバイスが存在することを含む。「備える」、「有する」、「含む」、「伴う」および「含有する」、またはその動詞の時制変形は、オープンエンドの用語（すなわち、「含むが、それに限定されない」を意味する）として解釈されるべきである。本明細書中に記載されるすべての方法は、本明細書中で他に指示されない限り、または文脈によって明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実施されることができる。例または例示的な用語（例えば、「〜のような」）の使用は、単に発明の実施形態をよりよく説明または記述することを意図しており、特に断らない限り、発明の範囲を限定することを意図していない。

本開示においていくつかの実施形態が提供されたが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱せずに、多くの他の特定の形態で具体化され得ることを理解されるべきである。現在の例は、例示的であり制約的ではないと考えられるべきであり、意図は本明細書で述べられた詳細に限定されない。例えば、様々な要素または構成要素は、組み合わされ、または別のシステムに統合されることがあるし、または特定の機能は省かれなくてもよいし、あるいは実施されなくてもよい。

さらに、本開示の範囲から逸脱せずに、様々な実施形態において個別もしくは単独として述べられおよび例示された技法、システム、サブシステム、および方法は、他のシステム、モジュール、技法、もしくは方法と組み合わされるまたは統合され得る。互いに結合される、もしくは直接結合される、または通信するように示されたまたは述べられた他の項目は、電気的に、機械的に、もしくは他の形で、何らかのインタフェース、デバイス、もしくは中間構成要素を通して、間接的に結合され得るまたは通信し得る。本明細書で開示された発明概念から逸脱せずに、当業者によって変更、置換、および変形の他の例が確認され、実施され得る。

Claims (20)

1. 第１および第２の直交偏光成分を有する光ビームの固定ターゲット偏光を提供するためのフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラであって、
   前記光ビームを、前記第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに分割する偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）であって、前記第１および第２のフィードは偏光の同一の固定状態を有する、ＰＲＳと、
   前記ＰＲＳに結合された第１のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）段であり、かつ第１の制御信号に基づいて前記第１および第２のフィード間に第１の光位相遅延を与える第１の位相シフタと、第３および第４のフィードを提供するために、その間に前記第１の光位相遅延を有する前記第１および第２のフィードを混合する第１のミキサとを含む第１のＭＺＩ段と、
   前記第１のＭＺＩ段に結合された第２のＭＺＩ段であり、かつ第２の制御信号に基づいて前記第３および第４のフィード間に第２の光位相遅延を与える第２の位相シフタと、第５および第６のフィードを提供するために、その間に前記第２の光位相遅延を有する前記第３および第４のフィードを混合する第２のミキサとを含む第２のＭＺＩ段と、
   前記第２のＭＺＩ段に結合された第３のＭＺＩ段であり、かつ第３の制御信号に基づいて前記第５および第６のフィード間に第３の光位相遅延を与える第３の位相シフタと、前記固定ターゲット偏光を有する前記光ビームを提供するために、その間に前記第３の光位相遅延を有する前記第５および第６のフィードを混合する第３のミキサとを含む第３のＭＺＩ段と、
   前記光ビームの一部を分割するために前記第３のミキサに光学的に結合された光学タップと
   を含む偏光コントローラ。
2. 前記第１および第２のミキサはそれぞれ、２×２光カプラを含み、前記第３のミキサは２×１光カプラを含む、請求項１に記載の偏光コントローラ。
3. 前記２×２光カプラおよび２×１光カプラはそれぞれ、多モード干渉光カプラを含む、請求項２に記載の偏光コントローラ。
4. 前記光ビームの前記一部に基づいて光検知器信号を提供するために前記光タップに光学的に結合された光検知器をさらに含む、請求項１に記載の偏光コントローラ。
5. 前記光検知器および前記第１〜３の位相シフタに結合し、かつ前記光検知器信号に基づいて前記光ビームの光パワーを増加するために前記第１〜３の制御信号を前記第１〜３の位相シフタにそれぞれ提供するように構成された制御モジュールをさらに含む、請求項４に記載の偏光コントローラ。
6. 前記制御モジュールは、前記選択された制御信号が所定の閾値に到達したときに前記第１〜３の制御信号のうちの選択された一つを徐々に低減すると同時に、前記固定偏光、および前記第３のミキサによって提供される前記光ビームの光パワーレベルを維持するように前記第１〜３の制御信号のうち少なくとも別の１つを調整するように構成される、請求項５に記載の偏光コントローラ。
7. 前記第１〜３のＭＺＩ段は、３段カスケードのＭＺＩを形成する、請求項１に記載の偏光コントローラ。
8. ４段カスケードのＭＺＩを有さない、請求項７に記載の偏光コントローラ。
9. 前記フォトニックプラットフォームは、シリコンオンインシュレータを含む、請求項１に記載の偏光コントローラ。
10. 前記ターゲット固定偏光は横方向電気偏光である、請求項９に記載の偏光コントローラ。
11. 第１および第２の直交偏光成分を有する入力光ビームの固定ターゲット偏光を提供するフォトニックプラットフォームベースの偏光コントローラであって、
    前記入力光ビームを前記第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに分割する偏光回転子スプリッタ（ＰＲＳ）であり、前記第１および第２のフィードは同一の固定偏光状態を有するＰＲＳと、
    第１の制御信号に基づいて前記第１および第２のフィード間に第１の光位相遅延を与えるために前記ＰＲＳに結合される第１の位相シフタおよび、第３および第４のフィードを提供するために、前記第１の光位相遅延をその間に有する前記第１および第２のフィードを混合するために前記第１の位相シフタに結合される第１の２×２光カプラと、
    第２の制御信号に基づいて前記第３および第４のフィード間に第２の光位相遅延を与えるために前記２×２光カプラに結合される第２の位相シフタおよび、第５および第６のフィードを提供するために、前記第２の光位相遅延をその間に有する前記第３および第４のフィードを混合するために前記第２の位相シフタに結合される第２の２×２光カプラと、
    第３の制御信号に基づいて前記第５および第６のフィード間に第３の光位相遅延を与えるために前記第２の２×２光カプラに結合される第３の位相シフタおよび、前記固定ターゲット偏光を有する出力光ビームを提供するために、前記第３の光位相遅延をその間に有する前記第５および第６のフィードを混合するために前記第３の位相シフタに結合される出力光カプラと、
    前記出力光ビームの一部を分割するために前記第３のミキサに光学的に結合された光学タップと
    を備えた偏光コントローラ。
12. 前記光ビームの前記一部に基づいて光検知器信号を提供するために前記光タップに光学的に結合された光検知器と、
    前記光検知器および前記第１〜３の位相シフタに結合し、前記光検知器信号に基づいて前記光ビームの光パワーを増加するために前記第１〜３の制御信号を前記第１〜３の位相シフタにそれぞれ提供するように構成された制御モジュールとをさらに含み、前記制御モジュールは、前記第１〜３の制御信号のうちの選択された一つを、前記選択された制御信号が所定の閾値に到達すると、徐々に低減すると同時に、前記固定偏光および前記第３のミキサによって提供される前記光ビームの光パワーレベルを維持するように前記第１〜３の制御信号のうち少なくとも別の１つを調整するように構成される、請求項１１に記載の偏光コントローラ。
13. 前記ターゲット固定偏光は横方向電気偏光である、請求項１２に記載の偏光コントローラ。
14. 第１および第２の直交偏光成分を有する光ビームの固定ターゲット偏光を提供する方法であって、
    前記光ビームを前記第１および第２の直交偏光成分にそれぞれ対応する第１および第２のフィードに、前記第１および第２のフィードが同一の固定偏光状態を有するように、分割するステップと、
    第１の制御信号に基づいて前記第１および第２のフィード間の第１の光位相遅延を調整するステップと、
    第３および第４のフィードを提供するために、前記第１の光位相遅延をその間に有する前記第１および第２のフィードを混合するステップと、
    第２の制御信号に基づいて前記第３および第４のフィード間の第２の光位相遅延を調整するステップと、
    第５および第６のフィードを提供するために、前記第２の光位相遅延をその間に有する前記第３および第４のフィードを混合するステップと、
    第３の制御信号に基づいて前記第５および第６のフィード間の第３の光位相遅延を調整するステップと、
    前記固定ターゲット偏光を有する前記光ビームを提供するために、前記第３の光位相遅延をその間に有する前記第５および第６のフィードを混合するステップと、
    光学タップを用いて前記光ビームの一部を分割するステップと
    を含む方法。
15. 前記光タップに光学的に結合された光検知器を用いて前記光ビームの前記一部に基づいて光検知器信号を提供するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記光検知器信号を前記光検知器に結合された制御モジュールで受信するステップと、
    前記光検知器信号に基づいて前記光ビームの光パワーを増加するために前記第１〜３の制御信号を前記第１〜３の位相シフタにそれぞれ提供するステップと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１〜３の制御信号のうちの選択された一つを、前記選択された制御信号が所定の閾値に到達すると、徐々に低減すると同時に、前記固定偏光および前記光ビームの光パワーレベルを維持するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ターゲット固定偏光は横方向電気偏光である、請求項１７に記載の方法。
19. 粗いステップサイズを使用して走査することによって、前記第１、第２および第３の制御信号用の粗い設定パラメータを決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１、第２および第３の制御信号を決定するステップは、前記粗い設定パラメータの近傍の細かいステップを使用して走査するステップを含む、請求項１９に記載の方法。

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