JP7333158B2 - リモートセンシング用の集積光学量子弱測定増幅センサ - Google Patents

リモートセンシング用の集積光学量子弱測定増幅センサ Download PDF

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Description

[0001]関連出願の相互参照
本出願は、その内容があらゆる目的のために全体として参照により組み込まれる、２０１８年１０月２２日に出願された米国仮出願第６２／７４８，９９０号の優先権を主張する。
[0002]レーザー振動計は、表面の非接触振動測定を行うために使用されてきた。場合によっては、テストビームが対象の表面に送信され、反射されたレーザービームが受信および分析されて、対象の表面の動きに起因するドップラーシフトが抽出される。典型的なレーザー振動計は、周波数がテストビームと同一の基準ビームにアクセスする必要がある。対象の表面に到達する前に、テストビームはブラッグセルを通過し、ブラッグセルは周波数シフトを加える。反射ビームは、テストビーム、周波数シフト、およびドップラーシフトの周波数を含む周波数を有する。反射ビームおよび基準ビームが光検出器に送り込まれ、その後、２つのビーム間のビート周波数を調べることによってドップラーシフトが推定される。
[0003]多くのアプリケーションにおける従来の振動計の有用性にもかかわらず、テストビーム（すなわち、基準ビーム）のローカルコピーへのアクセスの要件により、従来の手法はリモートセンシングには不向きになる。したがって、新しいシステム、方法、および他の技法が必要とされる。
[0004]本発明の第１の態様では、弱測定増幅（ＷＭＡ）を使用してリモートセンシングを実行する方法が提供される。方法は、振動計の送信機モジュールの問合せレーザーにより、問合せ周波数で問合せ信号を変調することを含んでよい。方法はまた、送信機モジュールにより、遠隔の振動するターゲットに問合せ信号を送信することを含んでよい。方法は、振動計の受信機モジュールのＷＭＡ干渉計の第１のポートで、問合せ信号が遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信することをさらに含んでよい。いくつかの実施形態では、反射信号は、問合せ周波数およびドップラー周波数を含む。方法は、ＷＭＡ干渉計の第１の導波路に反射信号を伝搬することをさらに含んでよい。方法は、ＷＭＡ干渉計の第１のビームスプリッタにより、反射信号を、第１の導波路に伝搬する第１の部分、およびＷＭＡ干渉計の第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割することをさらに含んでよい。方法は、ＷＭＡ干渉計の遅延要素（たとえば、ブラッグ格子）により、反射信号の第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させることをさらに含んでよい。方法は、ＷＭＡ干渉計の１つまたは複数の空間移相器により、反射信号の第１および第２の部分の一方または両方を空間移相することをさらに含んでよい。方法は、ＷＭＡ干渉計の第２のビームスプリッタにより、反射信号の第１および第２の部分を、第１の導波路に伝搬する第３の部分、および第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割することをさらに含んでよい。方法は、ＷＭＡ干渉計の分割検出器により、反射信号の第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出することをさらに含んでよい。方法は、振動計のプロセッサにより、強度差に基づいてドップラー周波数を計算することをさらに含んでよい。
[0005]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の空間移相器は、反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む。いくつかの実施形態では、方法は、送信機モジュールのアフォーカル拡張器により、問合せ信号を拡張することをさらに含む。いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタは、反射信号の第１および第２の部分の間で反射信号の第１のモードを分割させる。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、反射信号の第３の部分が第１のモードを含まないように、反射信号の第１および第２の部分の第１のモードの破壊的干渉を引き起こす。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、反射信号の第３の部分が第２のモードを含むように、反射信号の第２のモードの建設的干渉を引き起こす。いくつかの実施形態では、方法は、受信機モジュールの受信機望遠鏡により、視野内の特定のターゲット位置から反射信号を収集することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、受信機望遠鏡により、第１のポートに結合されたテーパファイバ結合器上に反射信号を画像化することを含む。いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタは、第１の導波路および第２の導波路を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、第１の導波路および第２の導波路を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。いくつかの実施形態では、遅延要素は、反射信号の第２の部分の位相を遅延させるように、第２の導波路に沿って配置される。
[0006]本発明の第２の態様では、ＷＭＡを使用してリモートセンシングを実行するための振動計が提供される。振動計は、遠隔の振動するターゲットに問合せ信号を送信するように構成された送信機モジュールを含んでよい。送信機モジュールは、問合せ周波数で問合せ信号を変調するように構成された問合せレーザーを含んでよい。振動計はまた、受信機モジュールを含んでよい。受信機モジュールは、ＷＭＡ干渉計を含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、問合せ信号が遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信するように構成された第１のポートを含んでよい。いくつかの実施形態では、反射信号は、問合せ周波数およびドップラー周波数を含む。ＷＭＡ干渉計はまた、第１のポートに結合され、反射信号を伝搬するように構成された第１の導波路を含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、第２の導波路をさらに含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、反射信号を、第１の導波路に伝搬する第１の部分、および第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割するように構成された第１のビームスプリッタをさらに含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、第１の導波路および第２の導波路のうちの１つに沿って配置され、反射信号の第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させるように構成された遅延要素（たとえば、ブラッグ格子）をさらに含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、反射信号の第１および第２の部分の一方または両方を空間移相するように構成された１つまたは複数の空間移相器をさらに含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、反射信号の第１および第２の部分を、第１の導波路に伝搬する第３の部分、および第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割するように構成された第２のビームスプリッタをさらに含んでよい。ＷＭＡ干渉計は、反射信号の第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出するように構成された分割検出器をさらに含んでよい。振動計は、強度差に基づいてドップラー周波数を計算するように構成されたプロセッサをさらに含んでよい。
[0007]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の空間移相器は、反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む。いくつかの実施形態では、送信機モジュールは、問合せ信号を拡張するように構成されたアフォーカル拡張器を含む。いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタは、反射信号の第１および第２の部分の間で反射信号の第１のモードを分割させる。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、反射信号の第３の部分が第１のモードを含まないように、反射信号の第１および第２の部分の第１のモードの破壊的干渉を引き起こす。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、反射信号の第３の部分が第２のモードを含むように、反射信号の第２のモードの建設的干渉を引き起こす。いくつかの実施形態では、受信機モジュールは、視野内の特定のターゲット位置から反射信号を収集し、第１のポートに結合されたテーパファイバ結合器上に反射信号を画像化するように構成された受信機望遠鏡を含む。いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタは、第１の導波路および第２の導波路を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタは、第１の導波路および第２の導波路を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。いくつかの実施形態では、遅延要素は、反射信号の第２の部分の位相を遅延させるように、第２の導波路に沿って配置される。
[0008]本発明の第３の態様では、リモートセンシングを実行するための装置（たとえば、ＷＭＡ干渉計）が提供される。装置は、問合せ信号が遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信するように構成された第１のポートを含んでよい。いくつかの実施形態では、問合せ信号は問合せ周波数で変調される。いくつかの実施形態では、反射信号は、問合せ周波数およびドップラー周波数を含む。装置はまた、第１のポートに結合され、反射信号を伝搬するように構成された第１の導波路を含んでよい。装置は、第２の導波路をさらに含んでよい。装置は、反射信号を、第１の導波路に伝搬する第１の部分、および第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割するように構成された第１のビームスプリッタをさらに含んでよい。装置は、第１の導波路および第２の導波路のうちの１つに沿って配置され、反射信号の第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させるように構成された遅延要素（たとえば、ブラッグ格子）をさらに含んでよい。装置は、反射信号の第１および第２の部分の一方または両方を空間移相するように構成された１つまたは複数の空間移相器をさらに含んでよい。装置は、反射信号の第１および第２の部分を、第１の導波路に伝搬する第３の部分、および第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割するように構成された第２のビームスプリッタをさらに含んでよい。装置は、反射信号の第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出するように構成された分割検出器をさらに含んでよい。いくつかの実施形態では、ドップラー周波数は強度差に基づいて計算される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の空間移相器は、反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む。
[0009]本発明によって多数の利益が達成される。たとえば、従来のレーザードップラー振動計では、対象の表面によって引き起こされる問合せレーザー信号と反射レーザー信号との間の周波数差を検出するために、ローカル発振器または問合せレーザー信号のローカルコピーが必要とされる。さらに、本発明の実施形態は、レーザー光源のコヒーレンス長によって制限されず、それにより、デバイスの使用可能範囲が拡張される。さらに、本発明の実施形態は、従来の干渉計と比較して著しくよりコンパクトかつ安価に製造することができるチップスケール干渉計を含む。チップスケール干渉計は、振動測定アプリケーションに限定されず、多種多様の周波数測定システムで使用することができる。振動測定以外の可能なアプリケーションの例には、いくつかの実験室規模の測定準備、医用画像、電気通信ネットワーク、ナビゲーションシステム、レーダーシステムなどが含まれる。本発明の他の利益は、当業者には容易に明らかになる。
[0010]以下の図を参照することにより、様々な実施形態の性質および利点のさらなる理解が実現され得る。添付の図では、同様の構成要素または特徴は同じ参照ラベルを有することができる。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、参照ラベルの後にダッシュを付け、同様の構成要素を区別する第２のラベルを付けることによって区別され得る。本明細書において第１の参照ラベルのみが使用される場合、その説明は、第２の参照ラベルに関係なく、同じ第１の参照ラベルをもつ同様の構成要素のいずれにも適用可能である。
振動計のブロック図である。 複数の弱測定増幅（ＷＭＡ）干渉計を備える振動計の一例を示す図である。 ＷＭＡ干渉計の一例を示す図である。 ＷＭＡ干渉計内の反射信号のＴＭ０モードの信号強度の一例を示す図である。 ＷＭＡ干渉計内の反射信号のＴＭ１モードの信号強度の一例を示す図である。 ＴＭ０モードの導波路間の電力伝達の一例を示す図である。 ＴＭ１モードの導波路間の電力伝達の一例を示す図である。 分割検出器による強度差Ｓの検出の一例を示す図である。 図２に示された実施形態に対応する強度差Ｓおよびドップラー周波数ｆｄの空間分解能および時間分解能を示す図である。 ＷＭＡを使用してリモートセンシングを実行する方法を示す図である。 ＷＭＡを使用してリモートセンシングを実行する方法を示す図である。 ＷＭＡ干渉計の例示的なレイアウトを示す図である。 モード変換器の例示的なレイアウトを示す図である。 導波路幅の関数としてのモード実効屈折率変化を示すプロットである。 マルチモード干渉計の例示的なレイアウトを示す図である。 ＴＥ０モードとＴＥ１モードの比率の関数としてのマルチモード干渉導波路のシミュレートされた出力を示すプロットである。 ヒーターを備えたＷＭＡ干渉計の例示的なレイアウトを示す図である。 ＷＭＡ干渉計を試験するための試験設定の一例を示す図である。 入力レーザー波長の関数としての出力光パワーを示すプロットである。 無線周波数（ＲＦ）スペクトルアナライザを使用して測定された変調電圧信号（左側）および出力光信号（右側）を示すプロットである。 簡略化されたコンピュータシステムを示す図である。
[0031]自由空間光学装置を使用する弱値増幅（ＷＶＡ）および逆弱値増幅（ＩＷＶＡ）により、ビーム偏向、周波数シフト、および移相などのアプリケーションにおける超高感度測定が可能になっている。弱値技法は、システムに弱い摂動を導入し、データに対して事後選択を実行することにより、小さい信号の増幅を可能にする。
[0032]集積フォトニクスの分野に弱値技法を持ち込むと、そのアプリケーションが改善される。たとえば、それは測定システムのサイズをミリメートルスケールまで大幅に縮小する。また、集積フォトニックデバイスは本質的に安定しており、したがって、振動などの環境要因の影響を受けにくい。オンチップ弱値増幅デバイスでは、信頼性が高い性能で、少量で正確な測定を実行することができる。
[0033]場合によっては、ＩＷＶＡは、自由空間光学装置および不整列なサニャック干渉計を使用して実証することができる。１つの目標は、干渉計の２つの経路間の相対的な移相φを測定することであり得る。不整列により、干渉計の一方の経路に位相面傾斜ｋがもたらされ、他方の経路に－ｋがもたらされる。

２つの経路がビームスプリッタで干渉すると、ガウス入力を考慮して、ダークポートは

になる。
ダークポートパターンの平均位置シフト－φ／（２ｋ）を測定することにより、移相φが特定される。
[0034]自由空間ＩＷＶＡを集積フォトニクス領域に持ち込むために、上記の式はエルミート－ガウス（ＨＧ）モードに拡張される。ビームは主にＨＧ１モードから構成され、ＨＧ０モードの寄与は小さい。高次モードの寄与は無視できる。したがって、位相面傾斜は、初期ＨＧ０モードを部分的にＨＧ１モードに結合すると見なすことができる。

[0035]導波路の固有モードは、エルミート－ガウスモードと同様である。上述された理論は、導波路の固有モードＴＥ０およびＴＥ１に適用することができる。ＴＥ０モードがデバイスの上部導波路に送信されると仮定する。その電力は半分に分割され、フィールドは

になる。
次いで、２つの経路間の相対位相φが加えられる。
[0036]自由空間の場合と同様に、ＴＥ０モードの一部はＴＥ１モードに結合され、２つの経路で逆位相になる。ａは、ＴＥ１モードに結合されたＴＥ０モードの割合であり、それは小さい数である。

[0037]２つの経路が第２の５０／５０スプリッタで干渉した後、ダークポートは

になる。φは非常に小さいので、

である。
したがって、ＴＥ０モードとＴＥ１モードとの間の比率を分析することにより、位相φを特定することができる。
[0038]本発明の実施形態は、弱測定増幅（ＷＭＡ）を使用して長距離振動測定を実行するための方法およびシステムに関する。具体的には、実施形態は、遠隔の振動するターゲットの振動信号を検出するためのチップスケール集積光学ＷＭＡセンサに関する。いくつかの実施形態によれば、問合せレーザーは、遠隔の振動するターゲットに向けて送信され、戻り振動信号（マイクロドップラー）は、チップスケールＷＭＡ受信機センサで画像化されて、ターゲットの振動プロファイルを生成する。この手法により、長いコヒーレンス長のレーザーを必要とせずに超高感度振動測定が可能になり、技術的なノイズが大幅に減少する。手法により、現在の最新技術の商用遠隔振動計よりも長距離の振動測定ミッションも可能になる。チップスケールでの集積フォトニクス実装により、振動計プラットフォームのプラットフォーム振動感度が大幅に低下し、ＷＭＡセンサがターゲット効果対プラットフォーム効果を測定することが可能になる。モノリシック幾何形状の誘導波を使用するいくつかの異なる干渉計幾何形状での弱値および逆弱値ベースの検出の実装により、（従来の干渉計パッケージと比較して）超小型パッケージでのＷＶＡ効果の実装が可能になる。これにより、振動計プラットフォームに関連する影響が軽減され、ＷＭＡが実際のアプリケーションに進化する。
[0039]いくつかの実施形態では、テーパファイバ結合器は、導波路の伝搬経路に２つのビームスプリッタを作成することによって干渉計を形成するように設計された個々のチップスケールシリコン導波路に、受信機の視野内の特定のターゲット位置からの光を結合する。遠隔の振動するターゲットから導波路に注入される信号は、初期レーザー周波数（すなわち、問合せ周波数）と、初期レーザー周波数（たとえば、ＴＨｚレーザー周波数）の上に重ね合わされたドップラー信号およびマイクロドップラー信号の両方を含む。導波路は、たとえば、導波路の横方向のプロファイル全体で屈折率を空間的に変化させることにより、２つの伝搬モードを作成するために所与の屈折率差で設計される。２つのビームスプリッタは、より高い情報を含むモードの建設的な干渉、および最も低いモードの破壊的な干渉を引き起こす。
[0040]図１は、本発明のいくつかの実施形態による、振動計１００のブロック図を示す。振動計１００は、遠隔の振動するターゲット１０８に問合せ信号１０６を送信するように構成された送信機モジュール１１０と、問合せ信号１０６が遠隔の振動するターゲット１０８から反射されることによって生成された反射信号１１２を受信するように構成された受信機モジュール１２０とを含む。送信機モジュール１１０は、通常、ＴＨｚ周波数範囲内の問合せ周波数ｆｏで問合せ信号１０６を変調するための問合せレーザー１０２を含んでよい。場合によっては、アフォーカル拡張器１０４は、その送信の前に問合せ信号１０６を拡張してビーム発散を低減するために使用することができる。受信機モジュール１２０は、振動計１００の視野内の特定のターゲット位置から反射信号１１２を収集し、ＷＭＡ干渉計１５０上に反射信号１１２を画像化するための受信機望遠鏡１１６を含んでよい。本明細書に記載されたように、ＷＭＡ干渉計１５０は、遠隔の振動するターゲット１０８によって反射信号１１２にもたらされたドップラー周波数ｆｄの抽出を可能にする方法で反射信号１１２を処理する。
[0041]いくつかの実施形態では、振動計１００は、送信機モジュール１１０および受信機モジュール１２０の各々に通信可能に結合された制御／処理電子機器１３０を含む。たとえば、制御／処理電子機器１３０は、送信機モジュール１１０および受信機モジュール１２０の各々に制御信号を送信し、各々から情報信号を受信することができる。少なくとも１つの実施形態によれば、制御／処理電子機器１３０は、問合せレーザー１０２をオンにし、問合せ周波数ｆｏを設定し、遠隔の振動するターゲット１０８に問合せレーザー１０２を向けさせるために、送信機モジュール１１０に一組の制御信号を送信することができる。一組の制御信号は、一例として、遠隔の振動するターゲット１０８が視野全体に問合せレーザー１０２を向けることによって空間的に走査されている間に、問合せ周波数ｆｏが周波数の範囲にわたって駆動され得る、より洗練された制御アルゴリズムを実施することができる。制御／処理電子機器１３０は、ＷＭＡ干渉計１５０の出力に基づいて、ドップラー画像１３２などのターゲット振動プロファイルを生成することができる。
[0042]図２は、本発明のいくつかの実施形態による、複数のＷＭＡ干渉計１５０を備える振動計１００の一例を示す。いくつかの実施形態では、受信機望遠鏡１１６は、反射信号１１２の到来角に基づいて、複数のＷＭＡ干渉計１５０の特定のＷＭＡ干渉計１５０上に反射信号１１２を画像化するように構成された対物レンズ１１４を含んでよい。いくつかの実施形態では、複数のＷＭＡ干渉計１５０の各々は、ドップラー画像１３２のピクセルに対応する。複数のＷＭＡ干渉計１５０の出力は、出力を処理し、かつ／または制御／処理電子機器１３０に供給されるデータストリームの中に出力をシリアル化するデジタル読出し集積回路１１８に送り込まれてよい。いくつかの実施形態では、デジタル読出し集積回路１１８は、制御／処理電子機器１３０によって要求された複数のＷＭＡ干渉計１５０の出力のうちの１つまたは複数を転送するマルチプレクサとして挙動する。
[0043]図３は、本発明のいくつかの実施形態による、ＷＭＡ干渉計１５０の一例を示す。ＷＭＡ干渉計１５０は、反射信号１１２を伝搬するための第１の導波路３１２－１および第２の導波路３１２－２を含む。ＷＭＡ干渉計１５０は、第１の導波路３１２－１に結合された第１のポート３０６－１および第２の導波路３１２－２に結合された第２のポート３０６－２などの１つまたは２つの入力ポートを含んでよい。テーパファイバ結合器３０２は、第１のポート３０６－１に結合されてよく、反射信号１１２を受信するように構成されてよい。図示された実施形態では、第２のポート３０６－２は、真空または周囲大気に結合される。
[0044]第１の導波路３１２－１の部分は、第１のビームスプリッタ３１０－１および第２のビームスプリッタ３１０－２を実装するために、第２の導波路３１２－２の部分に（たとえば、しきい値距離内に）近接して配置されてよい。第１のビームスプリッタ３１０－１は、反射信号１１２を反射信号の第１の部分１１２－１および反射信号の第２の部分１１２－２に分割するように構成されてよく、第１の部分１１２－１は、第１のビームスプリッタ３１０－１によって分割された後に第１の導波路３１２－１に伝搬する反射信号１１２の部分に対応し、第２の部分１１２－２は、第１のビームスプリッタ３１０－１によって分割された後に第２の導波路３１２－２に伝搬する反射信号１１２の部分に対応する。第２のビームスプリッタ３１０－２は、反射信号の第１の部分１１２－１および反射信号の第２の部分１１２－２を、反射信号の第３の部分１１２－３および反射信号の第４の部分１１２－４に分割し、第３の部分１１２－３は、第２のビームスプリッタ３１０－２によって分割された後に第１の導波路３１２－１に伝搬する第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２の部分に対応し、第４の部分１１２－４は、第２のビームスプリッタ３１０－２によって分割された後に第２の導波路３１２－２に伝搬する第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２の部分に対応する。
[0045]図示された実施形態では、ＷＭＡ干渉計１５０は、ビームスプリッタ３１０の間の第２の導波路３１２－２に沿って配置されたブラッグ格子などの遅延要素３３０を含む。いくつかの実施形態では、遅延要素３３０は、ビームスプリッタ３１０の間の第１の導波路３１２－１に沿って配置される。いくつかの実施形態では、両方の導波路３１２に沿って配置された２つの遅延要素（たとえば、２つのブラッグ格子）が利用される。遅延要素３３０は、第２の部分１１２－２が第１の部分１１２－１に対して相対位相φを取得するように、反射信号の第２の部分１１２－２の位相を遅延させるように構成されてよい。これは、屈折率が周期的に変動するように遅延要素３３０を製造することによって達成することができる。
[0046]いくつかの実施形態では、ＷＭＡ干渉計１５０は、モードＴＭ０およびＴＭ１が反対の傾斜位相面を取得し、２つのモード間の相対移相が発生するように、反射信号の第１の部分１１２－１を空間移相するように構成された、第１の導波路３１２－１に沿って配置された第１の空間移相器３１８－１と、反射信号の第２の部分１１２－２を空間移相するように構成された、第２の導波路３１２－２に沿って配置された第２の空間移相器３１８－２とを含む。いくつかの実施形態では、追加の空間移相は、次のモードを引き出すことと同等である
Figure 0007333158000011
の形式で作成される。いくつかの実施形態では、単一の空間移相器のみが使用される。空間移相器３１８の一方または両方は、（伝搬方向に対して）遅延要素３３０の前および／またはビームスプリッタ３１０－１の前などの、図示された実施形態に示されたものとは異なるＷＭＡ干渉計１５０内の位置に配置されてよい。いくつかの実施形態では、空間移相器３１８の一方または両方は、反射信号１１２内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成された、導波路３１２の一方または両方内に製造されたプリズムなどのモード励起器を含んでよい。モード励起器は、電界振幅の一部を第１の励起モードに転移させる、導波路の横方向プロファイル全体の屈折率の勾配を含んでよい。いくつかの実施形態では、空間移相器３１８は、導波路３１２に沿った特定の拡大点で導波路３１２を拡大することによって実装され、その結果、拡大点の前に単一モードのみがサポートされ、拡大点の後に第２のモードがサポートされる。
[0047]いくつかの実施形態では、ＷＭＡ干渉計１５０は、第１の導波路３１２－１に結合された分割検出器３２２を含む。分割検出器３２２は、反射信号の第３の部分１１２－３を受信し、第３の部分１１２－３の第１のローブと第２のローブとの間の強度差Ｓを検出するように構成される。ＷＭＡ干渉計１５０内の伝搬中に反対の傾斜位相面を取得するＴＭ０およびＴＭ１モードに起因して、第２のビームスプリッタ３１０－２は、第３の部分１１２－３内のＴＭ０モードの破壊的な干渉を引き起こし、ＴＭ１モードの相対的な寄与を増強する。したがって、第３の部分１１２－３内の検出可能な電力のかなりの部分は、情報を含むＴＭ１モードに存在する。
[0048]図４は、本発明のいくつかの実施形態による、ＷＭＡ干渉計１５０内の反射信号１１２のＴＭ０モードの信号強度の一例を示す。第１のビームスプリッタ３１０－１に到達する前に、ＴＭ０モードの電力は第１の導波路３１２－１に集中する。反射信号１１２が第１のビームスプリッタ３１０－１を通って伝搬するとき、ＴＭ０モードの電力は、導波路３１２間で５０／５０に分割される。反射信号１１２が第２のビームスプリッタ３１０－２を通って伝搬するとき、ＴＭ０モードの電力は、第２の導波路３１２－２にシフトする。
[0049]図５は、本発明のいくつかの実施形態による、ＷＭＡ干渉計１５０内の反射信号１１２のＴＭ１モードの信号強度の一例を示す。第１のビームスプリッタ３１０－１に到達する前に、ＴＭ１モードの電力は第１の導波路３１２－１に集中する。反射信号１１２が第１のビームスプリッタ３１０－１を通って伝搬するとき、ＴＭ１モードの電力は、第１の導波路３１２－１に残る。反射信号１１２が第２のビームスプリッタ３１０－２を通って伝搬するとき、ＴＭ１モードの電力は、第１の導波路３１２－１に残る。
[0050]図６は、本発明のいくつかの実施形態による、ビームがＺ軸に沿って伝搬するときのＴＭ０モードの導波路間の電力伝達の一例を示す。ページから得られるＹ軸は、右側に示された信号強度レベルに対応する。図示された実施形態では、上部および下部の導波路は、クラッド内のエバネッセント波による結合により、ＴＭ０モードの電力が導波路間で５０／５０に分割されるように、特定の伝搬距離にわたって十分近くに配置される。
[0051]図７は、本発明のいくつかの実施形態による、ビームがＺ軸に沿って伝搬するときのＴＭ１モードの導波路間の電力伝達の一例を示す。ページから得られるＹ軸は、右側に示された信号強度レベルに対応する。図示された実施形態では、上部および下部の導波路は、クラッド内のエバネッセント波による結合により、ＴＭ１モードの電力が上部の導波路に残るように、特定の伝搬距離にわたって十分近くに配置される。
[0052]図８は、本発明のいくつかの実施形態による、分割検出器３２２による強度差Ｓの検出の一例を示す。いくつかの実施形態では、強度差ＳはＳ＝ＩＲ－ＩＬとして計算される場合があり、ここで、ＩＲは導波路の右半分の強度であり、ＩＬは導波路の左半分の強度である。いくつかの実施形態では、強度差Ｓは、Ｓ＝（ＩＲ－ＩＬ）／（ＩＲ＋ＩＬ）として計算される場合がある。分割検出器３２２は、それぞれ強度ＩＬおよびＩＲを検出するための左側領域３２６および右側領域３２８を含んでよい。図示された実施形態では、時間Ｔ１で検出されたＳ１＝０の強度差がプロファイル８０２に示され、時間Ｔ２で検出されたＳ２＞０の強度差がプロファイル８０４に示される。
[0053]いくつかの実施形態では、強度差Ｓは、以下のようにドップラー周波数ｆｄを計算するために使用されてよい。システムが（平衡信号が０である）基準周波数ωに合わせて較正される場合、遠隔の振動するターゲット１０８からの周波数のわずかな変化は、以下の依存関係の連鎖を有する。干渉計のアーム（すなわち、第１および第２の導波路３１２）間の相対的な移相は、組合せｎ（ω）ωΔＬ／ｃによって制御され、ここで、ｎは周波数依存の屈折率であり、ΔＬは経路長の差であり、ｃは光速である。したがって、周波数の変化δωは、δφ＝δω（∂ω／∂φ）－１≒τｇδωの相対位相の変化をもたらし、ここで、τｇは「群遅延」であり、光のパルスの時間遅延の量は、屈折率の周波数導関数に比例する分散性媒質の通過を被る。分割検出器によって読み出された正規化信号Ｓ＝（ＩＲ－ＩＬ）／（ＩＲ＋ＩＬ）は、Ｓ＝ｃｍφ／（κｄ）によって相対位相φに関係し、ここで、κは位相面の傾斜であり、ｄは導波路の幅（モードの空間的広がり）であり、ｃｍはモード関数に関係する定数である。したがって、小さい移相の場合、位相と検出された信号との間に線形関係が存在する。上記の観察結果を組み合わせると、周波数内のシフトδωは、シフトされた信号の読取り値δＳに以下のように関係する：δＳ＝（（ｃｍτｇ）／κｄ）δω。その結果、群遅延が大きいほど、同じ量のドップラーシフトに対してより多くの信号が得られる。同様に、１／κは弱値増幅効果である。
[0054]図９は、図２に示された実施形態に対応する強度差Ｓおよびドップラー周波数ｆｄの空間分解能および時間分解能を示す。強度差Ｓの各々は、２つのインデックス：強度差を検出した特定の（１から１６の番号が付けられた）ＷＭＡ干渉計、および強度差が検出された（１、２、…、Ｎの番号が付けられた）時間によって特徴付けられる。図示されたように、時間および空間の値にわたって検出された強度差Ｓは、同じ時間および空間の値にわたるドップラー周波数ｆｄに変換される。
[0055]もう一度図９を参照すると、強度差Ｓの空間マップ９１０は、第１の時間（Ｔ１）にドップラー周波数ｆｄの空間マップ９１２に変換されている。強度差の空間マップ（空間マップ９２０および９３０）が、それぞれ、第２の時間（Ｔ２）および第Ｎの時間に対して示されている。さらに、ドップラー周波数ｆｄの空間マップ（空間マップ９２２および９３２）が、それぞれ、第２の時間（Ｔ２）および第Ｎの時間に対して示されている。したがって、本発明の実施形態により、遠隔の振動するターゲット１０８に関連付けられた振動測定データの空間マップが測定され、その後、特定の用途に適切に利用されることが可能になる。
[0056]図１０Ａ～図１０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ＷＭＡを使用してリモートセンシングを実行する方法１０００を示す。方法１０００の１つまたは複数のステップは、図示された実施形態とは異なる順序で実行されてよく、方法１０００の１つまたは複数のステップは、方法１０００の実行中に省略されてよい。
[0057]ステップ１００２において、問合せレーザー１０２が問合せ周波数ｆｏで問合せ信号１０６を変調する。いくつかの実施形態では、問合せ周波数ｆｏは、遅延要素３３０のバンドギャップの近くになるように選択される。様々な実施形態では、問合せ周波数ｆｏは、数ある可能性の中でも、４００ＴＨｚ、４５０ＴＨｚ、５００ＴＨｚ、５５０ＴＨｚ、６００ＴＨｚ、６５０ＴＨｚ、７００ＴＨｚのうちのいずれか１つであってよい。
[0058]ステップ１００４において、アフォーカル拡張器１０４が問合せ信号１０２を拡張する。いくつかの実施形態では、アフォーカル拡張器１０４は、遠隔の振動するターゲット１０８上のエネルギーを最大化するために、問合せ信号１０２を拡張してビーム発散を低減する。いくつかの実施形態では、アフォーカル拡張器１０４は対物レンズ１１４を含む。
[0059]ステップ１００６において、送信機モジュール１１０が遠隔の振動するターゲット１０８に問合せ信号１０６を送信する。いくつかの実施形態では、ステップ１００６は、遠隔の振動するターゲット１０８に向けて、アフォーカル拡張器１０４を介して問合せ信号１０６を送信する問合せレーザー１０２を含んでよい。問合せ信号１０６が遠隔の振動するターゲット１０８によって反射されると、ターゲット自身のプラットフォームドップラーシフトが遠隔の振動するターゲット１０８によってもたらされ、ターゲットマイクロドップラーシフトは、遠隔の振動するターゲット１０８上の局所的な表面振動によって誘発される。
[0060]ステップ１００８において、受信機望遠鏡１１６が振動計１００の視野内の特定のターゲット位置から反射信号１１２を収集し、テーパファイバ結合器３０２上に反射信号１１２を画像化する。いくつかの実施形態では、受信機望遠鏡１１６は、反射信号１１２の到来角に基づいて、複数のテーパファイバ結合器のうちの特定のテーパファイバ結合器３０２上に反射信号１１２を画像化することができる。
[0061]ステップ１０１０において、第１のポート３０６－１が反射信号１１２を受信する。いくつかの実施形態では、ステップ１０１０は、テーパファイバ結合器３０２から反射信号１１２を受信する第１のポート３０６－１を含む。ステップ１０１０と同時に、またはステップ１０１０に続いて、第１の導波路３１２－１は、第１のポート３０６－１を介して反射信号１１２を受信することができ、反射信号１１２は第１の導波路３１２－１に伝搬することができる。
[0062]ステップ１０１２において、第１のビームスプリッタ３１０－１が、反射信号１１２を反射信号の第１の部分１１２－１および反射信号の第２の部分１１２－２に分割し、第１の部分１１２－１は、第１のビームスプリッタ３１０－１によって分割された後に第１の導波路３１２－１に伝搬する反射信号１１２の部分に対応し、第２の部分１１２－２は、第１のビームスプリッタ３１０－１によって分割された後に第２の導波路３１２－２に伝搬する反射信号１１２の部分に対応する。いくつかの実施形態では、第１のビームスプリッタ３１０－１は、反射信号１１２がエバネッセント波結合を介して第１および第２の導波路３１２に結合されるように、第１および第２の導波路３１２を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。第１および第２の導波路３１２を十分に近づけることにより、クラッド内のエバネッセント波による結合は、伝搬距離の関数として各導波路間で電力をシフトさせる。そのような効果は、自由空間の５０／５０ビームスプリッタ用の信頼性が高いアナログを作成するために利用することができる。
[0063]ステップ１０１４において、遅延要素３３０が、第２の部分１１２－２が第１の部分１１２－１に対して相対位相φを取得するように、反射信号の第２の部分１１２－２の位相を遅延させる。いくつかの実施形態では、遅延要素３３０はブラッグ格子を含む。いくつかの実施形態では、遅延要素３３０は、屈折率が周期的に変動するように製造されてよい。遅延要素３３０内の進行波は、形式β＝βＢ±（δ２－κ２）１／２の解を有し、高分散と高伝搬との間の競合を意味する、Ｖｇ＝∂β／βωとして群速度が０になるフォトニックバンドギャップをもたらす。いくつかの実施形態では、２つの空間波長を提供する結合κ１およびκ２を有する２つのバンドギャップをもつダブルブラッグ格子が使用されてよい。２つのバンドギャップを含むそのような実施形態は、高伝搬、高分散、および低群速度の周波数ウィンドウを作成する。
[0064]遅延要素３３０は、第２の導波路３１２－２に沿って配置されると本明細書に記載されているが、いくつかの実施形態では、遅延要素３３０は、反射信号１１２－２の第１の部分の位相を遅延させるように第１の導波路３１２－１に沿って配置されてよい。いくつかの実施形態では、第１の遅延要素は、第１の部分１１２－１の位相を遅延させるように第１の導波路３１２－１に沿って配置されてよく、第２の遅延要素は、第２の部分１１２－２の位相を遅延させるように第２の導波路３１２－２に沿って配置されてよい。いくつかの実施形態では、遅延要素３３０は、自由空間の実施形態において実装され得るルビジウムセルのように機能し、２つのアーム間に相対位相φを発生させる。
[0065]ステップ１０１６において、モードＴＭ０およびＴＭ１が反対の傾斜位相面を取得し、２つのモード間の相対移相が発生するように、第１の導波路３１２－１に沿って配置された第１の空間移相器３１８－１が、反射信号の第１の部分１１２－１を空間移相し、第２の導波路３１２－２に沿って配置された第２の空間移相器３１８－２が、反射信号の第２の部分１１２－２を空間移相する。いくつかの実施形態では、単一の空間移相器のみが使用される。いくつかの実施形態では、第１の空間移相器３１８－１および第２の空間移相器３１８－２の一方または両方は、それぞれ、第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成される。これは、第１の導波路３１２－１および第２の導波路３１２－２の一方または両方の中にプリズムを製造することによって達成されてよい。たとえば、プリズムは、電界振幅の一部を第１の励起モードに転移させる、第１の導波路３１２－１および／または第２の導波路３１２－２の横方向プロファイル全体の屈折率の勾配を含んでよい。いくつかの実施形態では、プリズムは、最初のゼロ次モード入力から奇数次モードの重ね合わせを励起することができる。それにより、プリズムは、２つの伝搬モードに従って反射信号１１２を伝搬させることができる。
[0066]ステップ１０１８において、第２のビームスプリッタ３１０－２が、反射信号の第１の部分１１２－１および反射信号の第２の部分１１２－２を、反射信号の第３の部分１１２－３および反射信号の第４の部分１１２－４に分割し、第３の部分１１２－３は、第２のビームスプリッタ３１０－２によって分割された後に第１の導波路３１２－１に伝搬する第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２の部分に対応し、第４の部分１１２－４は、第２のビームスプリッタ３１０－２によって分割された後に第２の導波路３１２－２に伝搬する第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２の部分に対応する。いくつかの実施形態では、第２のビームスプリッタ３１０－２は、第１の部分１１２－１および第２の部分１１２－２がエバネッセント波結合を介して第１および第２の導波路３１２に結合されるように、第１および第２の導波路３１２を互いにしきい値距離内に配置することによって形成される。ステップ１０１８における反対の傾斜位相面を取得するＴＭ０およびＴＭ１モードに起因して、第２のビームスプリッタ３１０－２は、第３の部分１１２－３内のＴＭ０モードの破壊的な干渉を引き起こし、ＴＭ１モードの相対的な寄与を増強する。
[0067]ステップ１０２０において、分割検出器３２２が、反射信号の第３の部分１１２－３を受信し、第３の部分１１２－３の第１のローブと第２のローブとの間の強度差Ｓを検出する。ＷＭＡ干渉計１５０が逆弱値領域内で動作するように調整されると、分割検出器３２２上に二重ローブパターンが生成される。いくつかの実施形態では、分割検出器３２２は、右側および左側を有する２要素検出器または２つの別個の検出器を含む。いくつかの実施形態では、分割検出器３２２は、２つの相対的な最大強度値を識別し、それらの間の差を特定する。いくつかの実施形態では、分割検出器３２２は、２つの所定の空間位置（たとえば、ｘ＝±１・１０－６ｍ）において２つの強度値を特定する。いくつかの実施形態では、第３の部分１１２－３のプロファイルを空間的に分割して、強度差Ｓを測定し検出するために、Ｙ分岐が使用されてよい。
[0068]ステップ１０２２において、振動計１００のプロセッサが、強度差Ｓに基づいてドップラー周波数ｆｄを計算する。ＷＭＡ干渉計１５０が適切に調整されると、周波数の変化（ドップラー変化）に起因して強度差Ｓがシフトする。そのため、周波数の変化率に対する強度差Ｓの変化率を計算することができる。ステップ１０２２は、数ある可能性の中でも、受信機モジュール１２０または制御／処理電子機器１３０内のプロセッサによって実行されてよい。
[0069]図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、ＷＭＡ干渉計１１００の例示的なレイアウトを示す。ＷＭＡ干渉計１１００は、第１および第２の方向性結合器（ＤＣ１およびＤＣ２）、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）、ならびに出力（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、およびＯ４）を含む。いくつかの実施形態では、デバイスの設計のために、窒化ケイ素をガイド材料として使用することができ、二酸化ケイ素をクラッド材料として使用することができ、試験波長は１５５０ｎｍであり得る。これらの材料および波長は、既存の製造および試験技法との良好な互換性を有する。閉じ込めと結合のしやすさのバランスを取るために、窒化ケイ素の厚さとして３００ｎｍが選択される。
[0070]自由空間のマッハザンダー干渉計は、２つのビームスプリッタによって実現することができる。フォトニックチップ上で、ビームスプリッタのアナログは方向性結合器である。２つの導波路が近く、それらのモードの位相が一致するとき、一方の導波路の光が他方の導波路に結合する。結合比は、２つの導波路間の間隔および結合領域の長さに依存する。この構造は方向性結合器と呼ばれる。
[0071]図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、モード変換器１２００の例示的なレイアウトを示す。モード変換器１２００は、基本モード（ＴＥ０）の一部を二次モード（ＴＥ１）に結合することによって位相面傾斜を導入するために使用することができる。下部導波路であり得る入力導波路Ｗ１は、ＴＥ０モードのみをサポートするシングルモード導波路であり得る。第１の方向性結合器において、入力ＴＥ０モードのごく一部が、上部導波路であり得る同一の導波路Ｗ２のＴＥ０モードに結合される。次いで、Ｗ１はテーパ領域に入り、そこで、ＴＥ０モードとＴＥ１モードの両方をサポートするマルチモード導波路になるまで、Ｗ１の幅が徐々に増加する。幅の変化が遅いので、ＴＥ０モードの光は、高次モードに結合し放散するのではなく、ＴＥ０モードに閉じ込められたままになる傾向がある。
[0072]Ｗ１によってサポートされるＴＥ１モードは、Ｗ２のＴＥ０と位相が一致するように設計することができる。したがって、第２の方向性結合器において、Ｗ２のＴＥ０がＷ１のＴＥ１に結合する。Ｗ１のＴＥ０はＷ２のどのモードとも位相が一致しないので、Ｗ１に留まる。結果として、Ｗ１はほとんどＴＥ０モードを含み、この構造の最後に少量のＴＥ１モードが含まれる。２つのモード間の比率は、第１の方向性結合器の結合比に依存する。また、２つのモード間の位相差は、２つの結合器間のＷ１とＷ２の光路差に依存する。
[0073]図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、導波路幅の関数としてのモード実効屈折率変化を示すプロットを示す。図１３は、導波路の幅が、Ｗ２の場合は１．２μｍ、Ｗ１の場合は２．７５μｍの幅に対応する実効屈折率が１．６であるＴＥ０モードおよびＴＥ１モードに一致するように設計できることを実証する。
[0074]図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、マルチモード干渉計１４００の例示的なレイアウトを示す。いくつかの実施形態では、平均位置シフトは、ダークポートにおけるＴＥ０モードとＴＥ１モードの比率を測定することによって測定することができる。したがって、ＴＥ０モードとＴＥ１モードに対して異なる反応を示すマルチモード干渉導波路を使用することができる。マルチモード干渉導波路は、後に２つのシングルモード導波路が続く、多くのモードをサポートする導波路のセグメントである。マルチモード干渉領域では、光は伝搬速度が異なるいくつかのモードに結合される。したがって、それらの干渉パターンは伝搬するにつれて変化し、こうして、２つのシングルモード導波路の出力電力が変化する。
[0075]図１５は、ＴＥ０モードとＴＥ１モードの比率の関数としてのマルチモード干渉導波路のシミュレートされた出力を示すプロットを示す。図示されたように、固有モードマルチモード干渉拡張法（ＦＩＭＭＰＲＯＰ、Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ）を使用するマルチモード干渉導波路のシミュレーションは、ＴＥ０モードまたはＴＥ１モードの出力比が５０／５０であるが、２つのモードを追加すると異なる結果が与えられることを示す。ＴＥ０モードの割合が増加すると、出力の１つが減少する。これにより、ＴＥ０モードとＴＥ１モードの比率が出力光信号で特定されることが可能になる。
[0076]図１６は、本発明のいくつかの実施形態による、ヒーターを備えたＷＭＡ干渉計１６００の例示的なレイアウトを示す。デバイスを試験するために、位相φの発生源が必要とされる場合がある。導波路に位相調整可能性を追加する一般的な方法は、マイクロヒーターを使用することである。導波路被覆の上に金属線を堆積させ、それらに電圧を印加することにより、それらは熱を発生させ、その下の導波路の温度を上昇させることができる。温度変化は導波路材料の屈折率変化を誘導し、非加熱導波路と比較して位相差をもたらす。測定のための意図的な位相差を導入するために、第１の方向性結合器の後に第１のヒーター（Ｈ１）が配置されてよい。
[0077]ヒーターは、製造誤差に起因してデバイス全体にわたって望ましくない位相が蓄積する場合にも役立つ。理論的には、位相φ＝０のとき、ＴＥ０モードおよびＴＥ１モードは、それらが干渉する前に同相である必要がある。位相蓄積の他の発生源は、測定の感度を低下させる。これらの望ましくない位相の発生源を補償するために、デバイスの各経路に２つの他のヒーターを配置して、ターゲット位相φを適用する前に２つのモードを位相調整することができる。ヒーター２（Ｈ２）は、ＴＥ０モードに対するＴＥ１モードの相対的な位相を制御することができる。ヒーター３（Ｈ３）は、それらの異なる伝搬速度に起因するＴＥ０とＴＥ１との間の位相差を補償することができる。
[0078]いくつかの実装形態では、ＷＭＡ干渉計１６００は、４μｍの熱的に成長した二酸化ケイ素を備えた４インチのシリコンウェーハから製造することができる。２８９ｎｍの窒化ケイ素の層は、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）で堆積させることができる。次いで、導波路は電子ビームリソグラフィでパターン化することができ、窒化ケイ素は、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）でエッチングすることができる。導波路は、高度プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を介して堆積した２．６μｍの二酸化ケイ素で覆うことができる。
[0079]導波路の上にヒーターを配置するために、以下のような「リフトオフ」法を使用することができる。最初に、二酸化ケイ素の上にフォトレジストの層を回転させ、ヒーターの形状をＤＵＶフォトリソグラフィ（ＡＳＭＬ ３００Ｃ ＤＵＶステッパ－２４８ｎｍ）でパターン化することができる。次いで、二酸化ケイ素に接着するために１０ｎｍのクロムを堆積させ、ヒーターとして１００ｎｍの白金を堆積させる。次に、ウェーハをアセトンに浸し、アセトンはフォトレジストを溶解し、こうして余分な金属が取り除かれる。クラッドの表面に残った金属は、導波路上にヒーターを形成する。
[0080]図１７は、ＷＭＡ干渉計１７００を試験するための試験設定の一例を示す。いくつかの実装形態では、デバイスを試験するための光源は、１５５０ｎｍの波長を中心とする波長可変レーザー（Ｓａｎｔｅｃ ＴＳＬ－７１０）である。レーザー出力の電力は１ｍＷである。光は、テーパシングルモードファイバ１７０２で導波路に結合することができ、出力は、４０倍の対物レンズ１７０４でＩｎＧａＡｓ検出器１７０６上に画像化することができる。対物レンズ１７０４は、各出力画像位置に１つの検出器を配置することにより、ＭＭＩの２つの出力を同時に測定することを可能にする。入力ファイバにファイバ偏波パドルを使用することができ、浮遊ＴＭモードの影響を排除するために、検出器の前に偏光板を配置することができる。
[0081]ヒーターに電圧を印加するために、電気ケーブルに取り付けられた金属プローブを使用することができる。プローブはチップ上のヒーターと接触させることができ、電気ケーブルは電圧源１７０８に接続することができる。ヒーターに電圧を印加することなく、レーザーの波長をスキャンすることができ、デバイスの出力スペクトルを記録することができる。分かりやすくするために、１つのヒーターの接続のみが図示されている。
[0082]図１８は、入力レーザー波長の関数としての出力光パワーを示すプロットを示す。スペクトルの一般的な傾向は、マッハツェンダー干渉計から予想される正弦波の挙動を示す。しかしながら、出力電力の比率は予想通りではない。これは、望ましくない位相の蓄積に起因する可能性が高く、ヒーター２および３を調整することによって補償することができる。わずかな変動は、スキャン中の入力ファイバの振動に起因する。これは、ファイバをチップに融合することなどの、集積フォトニクス実装技法によって大幅に改善することができる。
[0083]ファイバの変動のために、定位相信号が印加されたときの光信号の変化の原因を特定することは困難である。したがって、変調された位相信号を送信することができる。ヒーター１が正弦波電圧信号で調整されると、対応する周波数を有する光信号を出力で観測することができる。
[0084]図１９は、無線周波数（ＲＦ）スペクトルアナライザを使用して測定された変調電圧信号（左側）および出力光信号（右側）を示すプロットを示す。信号発生器からの変調周波数成分は、９．９９ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、および１０．０１ｋＨｚである。屈折率の応答は、印加電圧（つまり、ヒーターによって放散される電力）の２乗に比例するので、周波数成分間の差は、測定された出力光で２倍になる。したがって、９．９８ｋＨｚおよび１０．０２ｋＨｚの信号周波数を出力で観測することができる。これは、出力光を検出することにより、干渉計アーム間の位相差の変化を測定するデバイスの能力を実証する。
[0085]図２０は、本明細書に記載されたいくつかの実施形態による、簡略化されたコンピュータシステム２０００を示す。図２０に示されたコンピュータシステム２０００は、本明細書に記載された送信機モジュール１１０、受信機モジュール１２０、または制御／処理電子機器１３０などのデバイスに組み込まれてよい。図２０は、様々な実施形態によって提供された方法のステップのいくつかまたはすべてを実行することができるコンピュータシステム２０００の一例の概略図を提供する。図２０は、様々な構成要素の一般化された図を提供することのみを意図しており、それらのいずれかまたはすべてが必要に応じて利用され得ることに留意されたい。したがって、図２０は、個々のシステム要素が、比較的分離するか、または比較的より統合された方式でどのように実装され得るかを大まかに示す。
[0086]コンピュータシステム２０００は、バス２００５を介して電気的に結合することができるか、またはさもなければ、必要に応じて通信することができるハードウェア要素を備えて示されている。ハードウェア要素は、１つもしくは複数の汎用プロセッサおよび／またはデジタル信号処理チップ、グラフィックス加速プロセッサなどの１つもしくは複数の専用プロセッサを限定なしに含む１つまたは複数のプロセッサ２０１０と、マウス、キーボード、カメラなどを限定なしに含むことができる１つまたは複数の入力デバイス２０１５と、ディスプレイデバイス、プリンタなどを限定なしに含むことができる１つまたは複数の出力デバイス２０２０とを含んでよい。
[0087]コンピュータシステム２０００は、ローカルおよび／またはネットワークアクセス可能なストレージを限定なしに含むことができ、かつ／またはディスクドライブ、ドライブアレイ、光ストレージデバイス、プログラム可能、フラッシュ更新可能などであり得るランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）および／もしくは読取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）などのソリッドステートストレージデバイスを限定なしに含むことができる、１つまたは複数の非一時的ストレージデバイス２０２５をさらに含み、かつ／またはそれらと通信することができる。そのようなストレージデバイスは、様々なファイルシステム、データベース構造などを限定なしに含む任意の適切なデータストアを実装するように構成されてよい。
[0088]コンピュータシステム２０００はまた、通信サブシステム２０１９を含んでよく、それは、モデム、ネットワークカード（ワイヤレスもしくは有線）、赤外線通信デバイス、ワイヤレス通信デバイス、および／またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイス、８０２．１１デバイス、ＷｉＦｉデバイス、ＷｉＭａｘデバイス、セルラー通信設備などのチップセットを限定なしに含むことができる。通信サブシステム２０１９は、一例を挙げれば、以下に記載されるネットワークなどのネットワーク、他のコンピュータシステム、テレビ、および／または本明細書に記載された他のデバイスとデータが交換されることを可能にするために、１つまたは複数の入力および／または出力の通信インターフェースを含んでよい。所望の機能および／または他の実装上の懸念に応じて、ポータブル電子デバイスまたは同様のデバイスは、通信サブシステム２０１９を介して画像および／または他の情報を通信することができる。他の実施形態では、ポータブル電子デバイス、たとえば、第１の電子デバイスは、コンピュータシステム２０００、たとえば、入力デバイス２０１５としての電子デバイスに組み込まれてよい。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム２０００は、上述されたように、ＲＡＭまたはＲＯＭデバイスを含むことができる作業メモリ２０３５をさらに備える。
[0089]コンピュータシステム２０００はまた、オペレーティングシステム２０４０、デバイスドライバ、実行可能ライブラリ、および／または、１つもしくは複数のアプリケーションプログラム２０４５などの他のコードを含む、作業メモリ２０３５内に現在配置されているものとして示されたソフトウェア要素を含むことができ、それらは、本明細書に記載されたように、様々な実施形態によって提供されたコンピュータプログラムを備えることができ、かつ／または他の実施形態によって提供される方法を実施し、かつ／もしくはシステムを構成するように設計することができる。単なる例として、上述された方法に関して記載された１つまたは複数の手順は、コンピュータおよび／またはコンピュータ内のプロセッサによって実行可能なコードおよび／または命令として実装されてよく、次いで、一態様では、そのようなコードおよび／または命令は、記載された方法に従って１つまたは複数の動作を実行するように汎用コンピュータまたは他のデバイスを構成および／または適合させるために使用することができる。
[0090]これらの命令および／またはコードのセットは、上述されたストレージデバイス２０２５などの非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてよい。場合によっては、記憶媒体は、コンピュータシステム２０００などのコンピュータシステム内に組み込まれてよい。他の実施形態では、記憶媒体は、コンピュータシステムから分離される、たとえば、コンパクトディスクなどのリムーバブル媒体であり、かつ／または、そこに記憶された命令／コードで汎用コンピュータをプログラム、構成、および／または適合させるために記憶媒体を使用することができるように、インストールパッケージで提供されてよい。これらの命令は、コンピュータシステム２０００によって実行可能な実行可能コードの形を取ってよく、かつ／または、たとえば、様々な一般的に利用可能なコンパイラ、インストールプログラム、圧縮／解凍ユーティリティなどを使用する、コンパイルおよび／もしくはコンピュータシステム２０００へのインストール時にソースおよび／もしくはインストール可能コードの形を取ってよく、次いで、実行可能コードの形を取る。
[0091]特定の要件に従って実質的な変更が行われてよいことは当業者には明らかである。たとえば、カスタマイズされたハードウェアも使用されてよく、かつ／または特定の要素が、ハードウェア、アプレットなどのポータブルソフトウェアを含むソフトウェア、もしくは両方に実装されてよい。さらに、ネットワーク入力／出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続が使用されてよい。
[0092]上述されたように、一態様では、いくつかの実施形態は、コンピュータシステム２０００などのコンピュータシステムを使用して、技術の様々な実施形態による方法を実行することができる。一組の実施形態によれば、そのような方法の手順のいくつかまたはすべては、作業メモリ２０３５に含まれるオペレーティングシステム２０４０および／またはアプリケーションプログラム２０４５などの他のコードに組み込まれ得る、１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを実行するプロセッサ２０１０に応答して、コンピュータシステム２０００によって実行される。そのような命令は、１つまたは複数のストレージデバイス２０２５などの別のコンピュータ可読媒体から作業メモリ２０３５に読み込まれてよい。単なる例として、作業メモリ２０３５に含まれる命令のシーケンスの実行は、本明細書に記載された方法の１つまたは複数の手順をプロセッサ２０１０に実行させてよい。追加または代替として、本明細書に記載された方法の一部は、特殊なハードウェアを介して実行されてよい。
[0093]本明細書で使用される「機械可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、特定の方式で機械を動作させるデータの提供に関与する任意の媒体を指す。コンピュータシステム２０００を使用して実装される実施形態では、様々なコンピュータ可読媒体は、実行のためにプロセッサ２０１０に命令／コードを提供することに関与してよく、かつ／またはそのような命令／コードを記憶および／もしくは搬送するために使用されてよい。多くの実装形態では、コンピュータ可読媒体は、物理的および／または有形の記憶媒体である。そのような媒体は、不揮発性媒体または揮発性媒体の形を取ることができる。不揮発性媒体には、たとえば、ストレージデバイス２０２５などの光ディスクおよび／または磁気ディスクが含まれる。揮発性媒体は、作業メモリ２０３５などの動的メモリを限定なしに含む。
[0094]物理的および／または有形のコンピュータ可読媒体の一般的な形態には、たとえば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、もしくは任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンをもつ任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、またはコンピュータが命令および／もしくはコードを読み取ることができる任意の他の媒体が含まれる。
[0095]様々な形態のコンピュータ可読媒体は、実行のためにプロセッサ２０１０に１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを搬送することに関与してよい。単なる例として、命令は、最初に、リモートコンピュータの磁気ディスクおよび／または光ディスクに搬送されてよい。リモートコンピュータは、命令をその動的メモリにロードし、コンピュータシステム２０００によって受信および／または実行される伝送媒体を介して信号として命令を送信してよい。
[0096]通信サブシステム２０１９および／またはその構成要素は、一般に、信号を受信し、次いで、バス２００５は、信号および／または信号によって搬送されるデータ、命令などを作業メモリ２０３５に搬送してよく、そこからプロセッサ２０１０は、命令を取得し実行する。作業メモリ２０３５によって受信された命令は、場合によっては、プロセッサ２０１０による実行の前または後のいずれかに、非一時的ストレージデバイス２０２５に記憶されてよい。
[0097]上記で説明された方法、システム、およびデバイスは例である。様々な構成は、必要に応じて、様々な手順または構成要素を省略、置換、または追加することができる。たとえば、代替の構成では、方法は、記載された順序とは異なる順序で実行されてよく、かつ／または様々な段階が追加、省略、および／もしくは組み合わされてよい。また、いくつかの構成に関して記載された特徴は、様々な他の構成で組み合わされてよい。構成の異なる態様および要素は、同様の方式で組み合わされてよい。また、技術は進化しているので、要素の多くは例であり、開示の範囲または特許請求の範囲を制限するものではない。
[0098]実装形態を含む例示的な構成の完全な理解を実現するために、説明において具体的な詳細が与えられる。しかしながら、構成はこれらの具体的な詳細なしに実践されてよい。たとえば、よく知られている回路、プロセス、アルゴリズム、構造、および技法は、構成を不明瞭にすることを回避するために、不必要な詳細なしに示されている。この説明は、例示的な構成のみを提供し、特許請求の範囲の範囲、適用可能性、または構成を制限するものではない。むしろ、前述の構成の説明は、記載された技法を実装するための有効な説明を当業者に提供する。本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置において様々な変更が行われてよい。
[0099]また、構成は、概略フローチャートまたはブロック図として描写されるプロセスとして記載されてよい。各々が逐次プロセスとして動作を記載する場合があるが、動作の多くは並行して実行することも、同時に実行することもできる。加えて、動作の順序は並べ替えられてよい。プロセスは、図に含まれない追加のステップを有してよい。さらに、方法の例は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組合せによって実装されてよい。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードに実装されるとき、必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などの非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶されてよい。プロセッサは、記載されたタスクを実行することができる。
[0100]いくつかの例示的な構成を記載しているが、本開示の趣旨から逸脱することなく、様々な修正、代替構造、および均等物が使用されてよい。たとえば、上記の要素は、より大きいシステムの構成要素であってよく、他のルールは、技術のアプリケーションに優先するか、またはさもなければ、それを修正することができる。また、上記の要素が考慮される前、間、または後に、いくつかのステップが着手されてよい。したがって、上記の説明は特許請求の範囲を拘束するものではない。
[0101]本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数形の参照を含む。したがって、たとえば、「ユーザ」への言及は複数のそのようなユーザを含み、「プロセッサ」への言及は、１つまたは複数のプロセッサおよび当業者に知られているその均等物への言及を含む、などである。
[0102]また、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という単語は、本明細書および以下の特許請求の範囲で使用されるとき、記載された特徴、整数、構成要素、またはステップの存在を指定するものであるが、それらは、１つまたは複数の他の特徴、整数、構成要素、ステップ、動作、またはグループの存在または追加を排除しない。
[0103]また、本明細書に記載された例および実施形態は説明目的のためにすぎず、様々な修正または変更がその観点から当業者に示唆され、本出願の趣旨および範囲ならびに添付の特許請求の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (20)

  1. ポートにおいて、問合せ信号が遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信するステップと、
    前記反射信号を第１の導波路に伝搬するステップと、
    第１のビームスプリッタにより、前記反射信号を、前記第１の導波路に伝搬する第１の部分、および第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割するステップと、
    遅延要素により、前記反射信号の前記第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させるステップと、
    １つまたは複数の空間移相器による、前記反射信号の前記第１または第２の部分の一方または両方を空間移相するステップと、
    第２のビームスプリッタにより、前記反射信号の前記第１および第２の部分を、前記第１の導波路に伝搬する第３の部分、および前記第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割するステップと、
    分割検出器により、前記反射信号の前記第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出するステップと、
    前記強度差に基づいてドップラー周波数を計算するステップと
    を含む、方法。
  2. 問合せレーザーにより、問合せ周波数で前記問合せ信号を変調するステップと、
    前記遠隔の振動するターゲットに前記問合せ信号を送信するステップと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. アフォーカル拡張器により、前記問合せ信号を拡張するステップ
    をさらに含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記１つまたは複数の空間移相器が、前記反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１のビームスプリッタが、前記反射信号の第１のモードを、前記反射信号の前記第１および第２の部分の間で分割させ、
    前記第２のビームスプリッタが、前記反射信号の前記第３の部分が前記第１のモードを含まないように、前記反射信号の前記第１および第２の部分の前記第１のモードの破壊的な干渉を引き起こす、
    請求項１に記載の方法。
  6. 前記第２のビームスプリッタが、前記反射信号の前記第３の部分が第２のモードを含むように、前記反射信号の前記第２のモードの建設的な干渉を引き起こす、
    請求項５に記載の方法。
  7. 受信機望遠鏡により、視野内の特定のターゲット位置から前記反射信号を収集するステップと、
    前記受信機望遠鏡により、前記ポートに結合されたテーパファイバ結合器上に前記反射信号を画像化するステップと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１のビームスプリッタが、前記第１の導波路の第１の領域および前記第２の導波路の第１の領域を互いに第１のしきい値距離内に配置することによって形成され、
    前記第２のビームスプリッタが、前記第１の導波路の第２の領域および前記第２の導波路の第２の領域を互いに第２のしきい値距離内に配置することによって形成される、
    請求項１に記載の方法。
  9. 前記遅延要素が、前記反射信号の前記第２の部分の前記位相を遅延させるように、前記第２の導波路に沿って配置される、請求項１に記載の方法。
  10. 前記遅延要素がブラッグ格子を含む、請求項１に記載の方法。
  11. 弱測定増幅（ＷＭＡ）を使用してリモートセンシングを実行するための振動計であって、前記振動計が、
    遠隔の振動するターゲットに問合せ信号を送信するように構成された送信機モジュールであって、前記送信機モジュールが、
    問合せ周波数で前記問合せ信号を変調するように構成された問合せレーザー
    を備える、送信機モジュールと、
    ＷＭＡ干渉計であって、前記ＷＭＡ干渉計が、 前記問合せ信号が前記遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信するように構成された第１のポートであって、前記反射信号が前記問合せ周波数およびドップラー周波数を含む、第１のポートと、
    前記第１のポートに結合され、前記反射信号を伝搬するように構成された第１の導波路と、
    第２の導波路と、
    前記反射信号を、前記第１の導波路に伝搬する第１の部分、および前記第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割するように構成された第１のビームスプリッタと、
    前記第１の導波路および前記第２の導波路のうちの１つに沿って配置され、前記反射信号の前記第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させるように構成された遅延要素と、
    前記反射信号の前記第１または第２の部分の一方または両方を空間移相するように構成された１つまたは複数の空間移相器と、
    前記反射信号の前記第１および第２の部分を、前記第１の導波路に伝搬する第３の部分、および前記第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割するように構成された第２のビームスプリッタと、
    前記反射信号の前記第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出するように構成された分割検出器
    を備える、ＷＭＡ干渉計
    を備える、受信機モジュールと、
    前記強度差に基づいて前記ドップラー周波数を計算するように構成されたプロセッサと
    を備える、振動計。
  12. 前記１つまたは複数の空間移相器が、前記反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む、請求項１１に記載の振動計。
  13. 前記送信機モジュールが、
    前記問合せ信号を拡張するように構成されたアフォーカル拡張器
    をさらに備える、請求項１１に記載の振動計。
  14. 前記第１のビームスプリッタが、前記反射信号の第１のモードを、前記反射信号の前記第１および第２の部分の間で分割させ、
    前記第２のビームスプリッタが、前記反射信号の前記第３の部分が前記第１のモードを含まないように、前記反射信号の前記第１および第２の部分の前記第１のモードの破壊的な干渉を引き起こす、
    請求項１１に記載の振動計。
  15. 前記第２のビームスプリッタが、前記反射信号の前記第３の部分が第２のモードを含むように、前記反射信号の前記第２のモードの建設的な干渉を引き起こす、
    請求項１４に記載の振動計。
  16. 前記受信機モジュールが、
    視野内の特定のターゲット位置から前記反射信号を収集し、前記第１のポートに結合されたテーパファイバ結合器上に前記反射信号を画像化するように構成された受信機望遠鏡
    をさらに備える、請求項１１に記載の振動計。
  17. 前記第１のビームスプリッタが、前記第１の導波路の第１の領域および前記第２の導波路の第１の領域を互いに第１のしきい値距離内に配置することによって形成され、
    前記第２のビームスプリッタが、前記第１の導波路の第２の領域および前記第２の導波路の第２の領域を互いに第２のしきい値距離内に配置することによって形成される、
    請求項１１に記載の振動計。
  18. 問合せ信号が遠隔の振動するターゲットから反射されることによって生成された反射信号を受信するように構成された第１のポートと、
    前記第１のポートに結合され、前記反射信号を伝搬するように構成された第１の導波路と、
    第２の導波路と、
    前記反射信号を、前記第１の導波路に伝搬する第１の部分、および前記第２の導波路に伝搬する第２の部分に分割するように構成された第１のビームスプリッタと、
    前記第１の導波路および前記第２の導波路のうちの１つに沿って配置され、前記反射信号の前記第１および第２の部分のうちの１つの位相を遅延させるように構成された遅延要素と、
    前記反射信号の前記第１または第２の部分の一方または両方を空間移相するように構成された１つまたは複数の空間移相器と、
    前記反射信号の前記第１および第２の部分を、前記第１の導波路に伝搬する第３の部分、および前記第２の導波路に伝搬する第４の部分に分割するように構成された第２のビームスプリッタと、
    前記反射信号の前記第３の部分の第１のローブと第２のローブとの間の強度差を検出するように構成された分割検出器と
    を備える、装置。
  19. 前記１つまたは複数の空間移相器が、前記反射信号内の奇数次モードの重ね合わせを励起するように構成されたモード励起器を含む、請求項１８に記載の装置。
  20. 前記遅延要素がブラッグ格子を含む、請求項１８に記載の装置。
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