基于PIC的多信道收发器的制作方法

发明领域本发明总体上涉及用于光学感测和成像的设备和方法，且特别涉及集成光子设备和包含这种设备的系统。

背景技术：

0、背景

1、在许多光学感测应用中，通过一束或多束光束在目标上辐照多个点，并且来自每个点的反射辐射被处理以分析目标的特性。在一些应用中，诸如光学相干层析成像(oct)和cw lidar，相干光束朝向目标发射，并且反射辐射与所发射的辐射相干地被感测和处理。为了以高分辨率感测目标的特性，应该通过在感兴趣区域内扫描发射的光束或者通过同时发射和感测多个光束的阵列来密集地探测该区域。然而，扫描解决方案通常遭遇低通量。发射器和接收器的阵列可以提高通量，但是它们的分辨率受到阵列的间距的限制，而阵列的间距又受到发射器和接收器本身尺寸的限制。

2、在本说明书和权利要求中使用的术语“光学(optical)”、“光(light)”和“光辐射(optical radiation)”是指可见、红外和紫外光谱范围中的任何一个范围内的电磁辐射。

技术实现思路

0、概述

1、下文描述的本发明的实施例提供了用于光学感测的改进的系统、设备和方法。

2、因此，根据本发明的实施例，提供了一种光电装置，该光电装置包括：载体衬底和双折叠式反射镜，该双折叠式反射镜被安装在该载体衬底上，并且包括相对于该载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面。多个相同的光子集成电路(pic)各自包括：平面衬底；光收发器单元的阵列，该光收发器单元的阵列被设置在该平面衬底上并且包括沿着该平面衬底的边缘设置的相应的边缘耦合器；以及光分配树，该光分配树被耦合以将相干辐射从辐射源传送到光收发器单元。多个相同的pic包括第一pic和第二pic，该第一pic设置在载体衬底上，使得该第一pic的边缘靠近第一反射表面，该第二pic相对于第一pic旋转180°并且被设置在载体衬底上，使得该第二pic的边缘靠近第二反射表面。

3、在公开的实施例中，双折叠式反射镜具有三角形轮廓，其中，第一反射表面和第二反射表面分别以相对于法线的+45°和-45°取向。

4、附加地或替代地，每个pic中的边缘耦合器沿着边缘设置，在边缘耦合器之间具有预定义间距，并且，第一pic和第二pic被设置在载体衬底上，使得第一pic上的边缘耦合器相对于第二pic上的边缘耦合器移位该预定义间距的一半。

5、在一些实施例中，每个pic包括：中心区域，在该中心区域中，边缘耦合器沿着边缘设置，其中边缘耦合器之间具有第一间距；在中心区域的第一侧处的第一外围区域，在该第一外围区域中，没有边缘耦合器沿着边缘设置；以及在中心区域的与第一侧相对的第二侧处的第二外围区域，在该第二外围区域中，边缘耦合器以第二间距设置，该第二间距比第一间距更精细(finer)。在公开的实施例中，第二间距是第一间距的一半。

6、附加地或替代地，多个相同的pic包括：第三pic，该第三pic与第一pic并排设置在载体衬底上，使得第三pic的边缘靠近第一反射表面；以及第四pic，该第四pic相对于第一pic旋转180°并且与第二pic并排设置在载体衬底上，使得该第四pic的边缘靠近第二反射表面。

7、典型地，光分配树包括设置在平面衬底上的波导和交换机的网络。

8、在一些实施例中，光收发器单元被配置为：引导相干辐射通过相应的边缘耦合器，经由双折叠式反射镜朝向目标；经由双折叠式反射镜，通过相应边缘耦合器接收来自目标的光辐射；将相干辐射的一部分与通过边缘耦合器接收的光辐射混合；并且响应于所混合的辐射输出电信号。典型地，边缘耦合器限定光收发器单元的相应的光学孔径，并且，该装置包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件被配置为将光学孔径成像到目标上，从而限定光收发器单元的相应的视场。在公开的实施例中，装置包括扫描仪，该扫描仪被配置为在目标上扫描光收发器单元的视场。

9、根据本发明的实施例，还提供了一种光电设备，该光电设备包括：平面衬底和光收发器单元的阵列，该光收发器单元的阵列被设置在衬底上。每个收发器单元包括光换能器，该光换能器被配置成在收发器单元和在衬底外部的目标之间耦合光辐射。光分配树包括由波导互连的、被设置在衬底上的交换机的分层网络，并且被耦合以将相干辐射从辐射源传送到光收发器单元。分层网络至少包括具有第一交换时间的第一交换机的第一层和具有不同于该第一交换时间的第二交换时间的第二交换机的第二层。控制器被配置为致动交换机，以便选择光收发器单元的不同子组以在不同时间从辐射源接收相干辐射。

10、在一些实施例中，第一层中的每个第一交换机具有至少两个第一输出，该至少两个第一输出分别耦合到第二层中的第二交换机中的至少两个第二交换机，而第二层中的每个第二交换机具有耦合到收发器单元的至少两个第二输出，并且，第一交换时间短于第二交换时间。在公开的实施例中，光收发器单元和第二交换机按第一分组和第二分组布置在衬底的不同的相应的第一区域和第二区域中，并且，波导将第一交换机和第二交换机互连，使得每个第一交换机的第一输出中的一个第一输出耦合到收发器单元和第二交换机的第一分组，而每个第一交换机的第一输出中的另一个第一输出耦合到收发器单元和第二交换机的第二分组。

11、在一些实施例中，设备包括扫描仪，该扫描仪被配置为在目标上扫描光收发器单元的相应的视场，其中，控制器被配置为致动交换机，以便选择光收发器单元的不同子组来在扫描仪在目标上的不同扫频(sweep)期间，朝向目标传送相干辐射。在一个实施例中，在目标上扫描光收发器单元的相应的视场限定在目标上的多条相应的扫描线，其中，第一交换时间短于第二交换时间，并且其中，控制器被配置为致动第一交换机，以便在目标上的每次扫频中，激活扫描线的不同分组。附加地或替代地，控制器被配置为致动交换机，以便选择性地在目标上的感兴趣区域中激活扫描线。

12、在公开的实施例中，控制器被配置为处理由收发器单元输出的信号以产生目标的三维(3d)图。

13、交换机包括热光交换机。

14、根据本发明的实施例，提供了一种热光交换机，该热光交换机包括：干涉仪，该干涉仪包括具有相应的输入端和输出端的第一波导和第二波导；以及第一加热器和第二加热器，该第一加热器和第二加热器被配置为分别加热第一波导和第二波导。分光器被耦合以接收相干光信号并将该光信号输入到第一波导和第二波导两者的输入端。混合器被耦合以接收和混合来自第一波导和该第二波导的输出端的光信号，并且根据第一波导和第二波导之间的相移，将所混合的光信号引导到交换机的第一输出或第二输出。控制器被耦合以控制第一加热器和该第二加热器，以便在第一输出和该第二输出之间交换混合的光信号。

15、在一些实施例中，控制器被配置为交替地驱动第一加热器和该第二加热器，以在第一输出和第二输出之间切换(toggle)混合的光信号。在公开的实施例中，控制器被配置为在每次切换输出时，利用包括预加重脉冲的电压波形来驱动第一加热器和第二加热器。附加地或替代地，控制器被配置为以相应的电压驱动第一加热器和第二加热器，该相应的电压使得第一波导和第二波导的相应的温度在第一输出和第二输出之间的切换的多个循环内连续地增加。

16、在公开的实施例中，控制器包括第一数字/模拟转换器(dac)和第二数字/模拟转换器，该第一数字/模拟转换器和第二数字/模拟转换器被配置为响应于相应的数字输入而向第一加热器和第二加热器施加相应的电压。

17、根据本发明的实施例，还提供了一种光束移位器，该光束移位器包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，该第一微透镜阵列和第二微透镜阵列包括设置在相应的第一平面和第二平面中并且具有公共的预定义间距的微透镜。双折射材料的一层或更多层被包含在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间。每个层的厚度和双折射率(birefringence)被选择成使得通过微透镜中的一个进入该层的第一偏振的光横向移位等于微透镜阵列的间距的距离，而与第一偏振正交的第二偏振的光穿过该层而不移位。

18、在一些实施例中，光束移位器包括定向偏振旋转器，该定向偏振旋转器在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间，与双折射材料一起，并且该定向偏振旋转器被配置为使沿给定方向穿过该定向偏振旋转器的光的偏振旋转90°，而不使沿相反方向穿过该定向偏振旋转器的光的偏振旋转。在公开的实施例中，偏振旋转器包括法拉第旋转器(faradayrotator)和半波片(half-wave plate)。

19、附加地或替代地，双折射材料的一层或更多层包括与第一微透镜阵列相邻的第一层和与第二微透镜阵列相邻的第二层，其中，定向偏振旋转器被包含在双折射材料的该第一层和第二层之间。在一个实施例中，双折射材料的第一层和第二层被取向成使得第一层和第二层两者使第一偏振的光在相同方向上横向移位。在替代实施例中，双折射材料的第一层和第二层被取向成使得第一层和第二层使第一偏振的光在相反方向上横向移位。

20、根据本发明的实施例，另外提供了光学装置，该装置包括：如以上所描述的光束移位器；和光子集成电路(pic)，光子集成电路包括至少一行光耦合器，该至少一行光耦合器以预定义间距间隔开并且与第一微透镜阵列对准，以便在光耦合器和第一阵列中的相应的微透镜之间耦合光的相应的光束。因此，耦合到该至少一行中的相邻光学耦合器中和从该至少一行中的该相邻光学耦合器中耦合出去的第一偏振的光束和第二偏振的光束在第二微透镜阵列处被组合。

21、在一些实施例中，光耦合器包括边缘耦合器。在一个实施例中，转向镜被设置在边缘耦合器和设备之间。

22、替代地，光耦合器包括被设置在pic的表面上的竖直耦合器。在公开的实施例中，该竖直耦合器被设置在pic的表面上的位置的二维矩阵中，并且，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列包括与该竖直耦合器的二维矩阵对准的微透镜的二维阵列。

23、根据本发明的实施例，还提供了光学装置，该光学装置包括光子集成电路(pic)，光子集成电路包括至少一行竖直耦合器，该至少一行竖直耦合器被设置在pic的表面上并且以预定义间距间隔开，并且被配置为将光的相应的光束耦合到pic中和从pic中耦合出去，同时准直该相应的光束。光束移位器被设置在pic上方并且包括：微透镜阵列，该微透镜阵列包括被设置在平面中、以预定义间距间隔开并且与竖直耦合器对准的微透镜；以及被包含在pic和微透镜阵列之间的双折射材料的一层或更多层。每个层的厚度和双折射率被选择成使得通过微透镜或竖直耦合器中的一个进入该层的第一偏振的光横向移位等于该间距的距离，而与第一偏振正交的第二偏振的光穿过该层而不移位。

24、在一些实施例中，光束移位器包括定向偏振旋转器，该定向偏振旋转器在微透镜阵列和pic之间，与双折射材料一起，并且该定向偏振旋转器被配置为使沿给定方向穿过该定向偏振旋转器的光的偏振旋转90°，而不使沿相反方向穿过该定向偏振旋转器的光的偏振旋转。在公开的实施例中，双折射材料的一层或更多层包括与第一微透镜阵列相邻的第一层和与pic相邻的第二层，其中，定向偏振旋转器被包含在双折射材料的该第一层和第二层之间。

25、根据本发明的实施例，还提供了光学装置，该光学装置包括光子集成电路(pic)，光子集成电路包括至少一行光耦合器，该至少一行光耦合器以预定义间距间隔开并且被配置为将光的相应的光束耦合到pic中和从pic中耦合出去。棱镜包括双折射材料，该双折射材料被设置成靠近该一行光耦合器。棱镜的双折射率和棱镜角度被选择成使得穿过该棱镜的、去往或来自光耦合器中的一个的第一偏振的光被偏转第一角度，而与该第一偏振正交的第二偏振的光在穿过该棱镜时被偏转不同于第一角度的第二角度。第一角度和第二角度被选择成使得耦合到该至少一行中的相邻光耦合器中和从该至少一行中的该相邻光耦合器中耦合出去的第一偏振的光束和第二偏振的光束被棱镜组合。

26、根据本发明的实施例，另外提供了一种光学设备，该光学设备包括：衬底和设置在该衬底上的偏振分光器。该偏振分光器包括具有第一端、第二端和第一锥形段的第一波导，第一端被配置为接收包括te偏振分量和tm偏振分量两者的输入光束，第二端被配置为输出te偏振分量，并且第一锥形段具有在从第一端朝向第二端的方向上减小的第一宽度。第二波导具有靠近第一锥形段的第二锥形段，该第二锥形段具有在从第一端朝向第二端的方向上增加的第二宽度，使得tm偏振分量从第一锥形段耦合到第二锥形段中。

27、在公开的实施例中，该设备包括偏振旋转器，该偏振旋转器被设置在衬底上并且被耦合以从第二波导接收tm偏振分量并且将该tm偏振分量转换为te偏振。

28、根据本发明的实施例，还提供了信号处理装置，该信号处理装置包括相干检测单元的阵列。每个单元包括：检测器，该检测器被配置为响应于由该单元接收的辐射而输出相应的拍频信号(beat signal)；以及混合器，该混合器被耦合以将相应的拍频信号与处于相应调制频率的载波混合，由此，相干检测单元输出处于不同的相应调制频率的相应的经调制信号。模拟加法器被耦合以对由相干检测单元的阵列输出的经调制信号求和，以输出求和信号。模数转换器(adc)被耦合以将该求和信号数字化，以便输出数字数据流。处理电路被配置为将该数字数据流解复用到处于相应的调制频率的多个频率信道中，并且从这些频率信道中的每一个提取相应的拍频。

29、在公开的实施例中，处理电路被配置为通过将数字数据流变换到频域并且识别经变换的数据流中的相应的一对峰来将数字数据流解复用到多个频率信道中，该相应的一对峰被分开每个单元的相应调制频率的两倍。

30、在一些实施例中，相干检测单元中的每一个包括相应的第一混合器和第二混合器，该第一混合器和第二混合器被配置为将相应的拍频信号与处于不同的相应的第一调制频率和第二调制频率的相应的第一载波和第二载波混合，使得相干检测单元输出相应的第一经调制信号和第二经调制信号，其中在由相干检测单元中的每一个输出的第一经调制信号和第二经调制信号之间具有不同的相应的频率差。处理电路响应于相应的频率差将数字数据流解复用到多个频率信道中。在公开的实施例中，模拟加法器包括第一加法器和第二加法器，该第一加法器和第二加法器分别被耦合以对分别由相干检测单元中的第一混合器和第二混合器输出的第一经调制信号和第二经调制信号求和，并且adc包括第一adc和第二adc，该第一adc和第二adc被耦合以接收和数字化分别由第一加法器和第二加法器输出的相应的第一求和信号和第二求和信号，以便生成用于输入到处理电路的第一数据流和第二数据流。

31、根据本发明的实施例，另外提供了一种光学装置，该光学装置包括：第一衬底和设置在该第一衬底上的光子集成电路(pic)的第一阵列。每个pic包括与第一衬底的上表面相邻的一个或更多个光学边缘耦合器。第二衬底包括转向镜的第二阵列，并且被安装在该第一衬底的上表面上，使得第二阵列中的每个转向镜与pic中的相应的一个pic上的一个或更多个光学边缘耦合器对准，由此，光经由转向镜耦合到光学边缘耦合器中和从光学边缘耦合器中耦合出去。

32、在公开的实施例中，转向镜具有相对于安装在第一衬底的上表面上的第二衬底的下表面倾斜45°的相应的反射表面。

33、在一些实施例中，该第一衬底和该第二衬底包括半导体材料，该半导体材料被图案化和蚀刻以产生pic和转向镜。附加地或替代地，第一衬底被图案化以在pic之间限定腔，其中边缘耦合器与腔中相应的腔相邻，并且第二衬底被图案化，使得当第二衬底被安装在第一衬底的该上表面上时，转向镜突出到靠近边缘耦合器的腔中。

34、根据本发明的实施例，还提供了一种用于生产光电设备的方法，该方法包括将双折叠式反射镜安装在载体衬底上，该双折叠式反射镜包括相对于载体衬底的法线以对角设置的第一反射表面和第二反射表面。在载体衬底上安装多个相同的光子集成电路(pic)，每个pic包括：平面衬底；光收发器单元的阵列，其设置在平面衬底上并且包括沿着平面衬底的边缘设置的相应的边缘耦合器；以及光分配树，该光分配树被耦合以将相干辐射从辐射源传送到光收发器单元。多个相同的pic包括第一pic和第二pic，第一pic被安装在载体衬底上，使得该第一pic的边缘靠近第一反射表面，第二pic相对于第一pic旋转180°并且被安装在载体衬底上，使得该第二pic的边缘靠近第二反射表面。

35、根据本发明的实施例，还提供了一种用于生产光电设备的方法，该方法包括在平面衬底上形成光收发器单元的阵列，每个收发器单元包括光换能器，该光换能器被配置为在收发器单元与在衬底外部的目标之间耦合光辐射。耦合光分配树，以将相干辐射从辐射源传送到光收发器单元，该光分配树包括由波导互连的、被设置在衬底上的交换机的分层网络。该分层网络至少包括具有第一交换时间的第一交换机的第一层和具有不同于该第一交换时间的第二交换时间的第二交换机的第二层。耦合控制器以致动交换机，以便选择光收发器单元的不同子组以在不同时间从辐射源接收相干辐射。

36、根据本发明的实施例，另外提供了一种用于交换的方法，该方法包括：提供一种热光交换机，该热光交换机包括：干涉仪，该干涉仪包括具有相应的输入端和输出端的第一波导和第二波导；第一加热器和第二加热器，该第一加热器和该第二加热器被配置为分别加热第一波导和第二波导；分光器，该分光器被耦合以接收相干光信号并将该光信号输入到第一波导和该第二波导两者的输入端；以及混合器，该混合器被耦合以接收和混合来自第一波导和第二波导的输出端的光信号，并且根据第一波导和第二波导之间的相移，将所混合的光信号引导到交换机的第一输出或第二输出。控制第一加热器和第二加热器，以便在第一输出和第二输出之间交换混合的光信号。

37、根据本发明的实施例，还提供了一种用于光束移位的方法。该方法包括提供第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，该第一微透镜阵列和该第二微透镜阵列包括被设置在相应的第一平面和第二平面中并且具有公共的预定义间距的微透镜。在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间插入双折射材料的一层或更多层。每个层的厚度和双折射率被选择成使得通过微透镜中的一个进入该层的第一偏振的光横向移位等于微透镜阵列的间距的距离，而与第一偏振正交的第二偏振的光穿过该层而不移位。

38、根据本发明的实施例，另外提供了一种用于光束移位的方法，该方法包括提供光子集成电路(pic)，该pic包括至少一行竖直耦合器，该至少一行竖直耦合器被设置在pic的表面上并且以预定义间距间隔开，并且被配置为将光的相应的光束耦合到pic中和从pic中耦合出去，同时准直该相应的光束。提供光束移位器，该光束移位器包括：微透镜阵列，该微透镜阵列包括被设置在平面中且以该预定义间距间隔开的微透镜；以及被包含在pic和微透镜阵列之间的双折射材料的一层或更多层。每个层的厚度和双折射率被选择成使得通过微透镜或竖直耦合器中的一个进入该层的第一偏振的光横向移位等于该间距的距离，而与第一偏振正交的第二偏振的光穿过该层而不移位。将光束移位器定位在pic上方，使得微透镜相应地与竖直耦合器对准。

39、根据本发明的实施例，还提供了一种用于光束移位的方法，该方法包括：提供光子集成电路(pic)，该pic包括至少一行光耦合器，该至少一行光耦合器以预定义间距间隔开并且被配置为将光的相应的光束耦合到该pic中和从该pic中耦合出去。将包括双折射材料的棱镜定位成靠近该一行光耦合器。棱镜的双折射率和棱镜角度被选择成使得穿过该棱镜的、去往或来自光耦合器中的一个的第一偏振的光被偏转第一角度，而与第一偏振正交的第二偏振的光在穿过该棱镜时被偏转不同于第一角度的第二角度，并且第一角度和第二角度被选择成使得耦合到该至少一行中的相邻光耦合器中和从该至少一行中的该相邻光耦合器中耦合出去的第一偏振的光束和第二偏振的光束被棱镜组合。

40、根据本发明的实施例，还提供了一种用于光束控制的方法，该方法包括在衬底上形成第一波导，该第一波导具有第一端、第二端和第一锥形段，该第一端被配置为接收包括te偏振分量和tm偏振分量两者的输入光束，该第二端被配置为输出te偏振分量，以及该第一锥形段具有在从第一端朝向第二端的方向上减小的第一宽度。在衬底上形成第二波导，该第二波导具有靠近第一锥形段的第二锥形段，该第二锥形段具有在从第一端朝向第二端的方向上增加的第二宽度，使得tm偏振分量从第一锥形段耦合到第二锥形段中。

41、根据本发明的实施例，另外提供了一种用于信号处理的方法，该方法包括：提供相干检测单元的阵列，每个单元包括检测器，该检测器被配置为响应于由该单元接收的辐射而输出相应的拍频信号。将由每个单元输出的相应的拍频信号与处于相应调制频率的载波混合，由此，该相干检测单元输出处于不同的相应调制频率的相应的经调制信号。对由相干检测单元的阵列输出的经调制信号求和，以便产生求和模拟信号。将该求和模拟信号数字化，以便产生数字数据流。将该数字数据流解复用到处于相应调制频率的多个频率信道中。从频率信道中的每一个提取相应的拍频。

42、根据本发明的实施例，还提供了一种用于光学制造的方法，该方法包括在第一衬底上形成光子集成电路(pic)的第一阵列。每个pic包括与第一衬底的上表面相邻的一个或更多个光学边缘耦合器。在第二衬底上形成转向镜的第二阵列。将第二衬底安装在第一衬底的上表面上，使得第二阵列中的每个转向镜与pic中的相应一个pic上的一个或更多个光学边缘耦合器对准，由此，光经由转向镜耦合到光学边缘耦合器中和从该光学边缘耦合器中耦合出去。

43、根据本发明实施例的以下详细描述并结合附图，本发明将得到更充分的理解，在附图中：