用于遥感的集成光学量子弱测量放大传感器

摘要

用于使用WMA执行遥感的系统、设备和方法。实施例包括调制询问信号，将询问信号发送到远程振动目标，以及在WMA干涉仪的第一端口处接收反射信号。实施例也包括通过第一分束器将反射信号分裂成沿第一波导和第二波导向下传播的第一部分和第二部分，通过延迟元件延迟反射信号的相位，以及对反射信号进行空间上的相移。实施例还可以包括：通过第二分束器，将反射信号的第一部分和第二部分分裂成沿第一波导和第二波导向下传播的第三部分和第四部分，探测反射信号的第三部分的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差，并基于强度差来计算多普勒频率。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月22日提交的62/748,990号美国临时申请的优先权，其全部内容在此以引用方式并入本文中以用于所有目的。

背景技术

激光振动计已经用于进行表面的非接触振动测量。在一些实例中，测试束被传输到感兴趣的表面，并且反射激光束被接收和分析以提取由于感兴趣的表面的运动引起的多普勒频移。典型的激光振动计需要使用频率与测试束相同的参考束。在到达感兴趣的表面之前，测试束穿过布拉格单元，这增加了频移。反射束具有包含测试束的频率的频率、频移和多普勒频移。反射束和参考束被馈送入光电探测器，然后通过研究两个波束之间的拍频来估算多普勒频移。

尽管传统的振动计在许多应用中有用，但是对测试束(即参考束)的本地拷贝的使用需求使得传统方法不适用于遥感。相应地，需要新的系统、方法和其他技术。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了一种使用弱测量放大(Weak MeasurementAmplification，WMA)来执行遥感的方法。该方法可以包括通过振动计的发送器模块(transmitter module)的询问激光器(interrogation laser)，以询问频率调制询问信号。该方法还可以包括通过发送器模块，将询问信号发送到远程振动目标。该方法还可以包括在振动计的接收器模块的WMA干涉仪的第一端口处，接收由从远程振动目标反射回来的询问信号产生的反射信号。在一些实施例中，反射信号包含询问频率和多普勒频率。该方法还可以包括沿着WMA干涉仪的第一波导向下传播反射信号。该方法还可以包括通过WMA干涉仪的第一分束器，将反射信号分裂成沿第一波导向下传播的第一部分和沿WMA干涉仪的第二波导向下传播的第二部分。该方法还可以包括通过WMA干涉仪的延迟元件(例如，布拉格光栅)，延迟反射信号的第一部分和第二部分中的一者的相位。该方法还可以包括通过WMA干涉仪的一个或多个空间移相器，对反射信号的第一部分和第二部分中的一者或两者进行空间上的相移。该方法还可以包括通过WMA干涉仪的第二分束器，将所述反射信号的所述第一部分和所述第二部分分裂成沿所述第一波导向下传播的第三部分和沿所述第二波导向下传播的第四部分。该方法还可以包括通过WMA干涉仪的分裂式探测器，探测反射信号的第三部分的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差。该方法还可以包括通过振动计的处理器，基于强度差来计算多普勒频率。

在一些实施例中，该一个或多个空间移相器包括模式激励器(mode exciter)，模式激励器被配置为激励反射信号中的奇数阶模式的叠加。在一些实施例中，该方法还包括通过发送器模块的无源扩束器来扩展询问信号。在一些实施例中，第一分束器致使反射信号的第一模式在反射信号的第一部分和第二部分之间分裂。在一些实施例中，第二分束器引起反射信号的第一部分和第二部分的第一模式的相消干涉，以使得反射信号的第三部分不包含第一模式。在一些实施例中，第二分束器引起反射信号的第二模式的相长干涉，以使得反射信号的第三部分包含第二模式。在一些实施例中，该方法包括通过接收器模块的接收器望远镜，收集来自视场内的特定目标位置的反射信号。在一些实施例中，该方法包括通过接收器望远镜，将反射信号成像到被耦合到第一端口的锥形光纤耦合器上。在一些实施例中，第一分束器是通过将第一波导和第二波导定位在距离彼此阈值距离以内来形成的。在一些实施例中，所述第二分束器是通过将第一波导和第二波导定位在距离彼此阈值距离以内来形成的。在一些实施例中，延迟元件沿着第二波导进行定位，以延迟反射信号的第二部分的相位。

在本发明的第二方面，提供了一种用于使用WMA来执行遥感的振动计。该振动计可以包括发送器模块，该发送器模块被配置为向远程振动目标发送询问信号。该发送器模块可以包括询问激光器，该询问激光器被配置为以询问频率调制询问信号。该振动计也可以包括接收器模块。该接收器模块可以包括WMA干涉仪。该WMA干涉仪可以包括第一端口，该第一端口被配置为接收由从远程振动目标反射回来的询问信号产生的反射信号。在一些实施例中，反射信号包含询问频率和多普勒频率。该WMA干涉仪也可以包括第一波导，该第一波导耦合到第一端口并被配置为传播反射信号。该WMA干涉仪还可以包括第二波导。该WMA干涉仪还可以包括第一分束器，该第一分束器被配置为将所述反射信号分裂成沿所述第一波导向下传播的第一部分和沿所述第二波导向下传播的第二部分。该WMA干涉仪还可以包括延迟元件(例如布拉格光栅)，该延迟元件沿着第一波导和第二波导中的一者进行定位，并且该延迟元件被配置为延迟反射信号的第一部分和第二部分中的一者的相位。该WMA干涉仪还可以包括一个或多个空间移相器，该一个或多个空间移相器被配置为对反射信号的第一部分和第二部分中的一者或两者进行空间上的相移；该WMA干涉仪还可以包括第二分束器，该分裂式探测器被配置为将反射信号的第一部分和第二部分分裂成沿第一波导向下传播的第三部分和沿第二波导向下传播的第四部分。该WMA干涉仪还可以包括分裂式探测器，该分裂式探测器被配置为探测反射信号的第三部分的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差。该振动计还可以包括处理器，该处理器被配置为基于强度差来计算多普勒频率。

在一些实施例中，该一个或多个空间移相器包括模式激励器，模式激励器被配置为激励反射信号中的奇数阶模式的叠加。在一些实施例中，发送器模块包括无源扩束器，该无源扩束器被配置为扩展询问信号。在一些实施例中，第一分束器致使反射信号的第一模式在反射信号的第一部分和第二部分之间分裂。在一些实施例中，第二分束器引起反射信号的第一部分和第二部分的第一模式的相消干涉，以使得反射信号的第三部分不包含第一模式。在一些实施例中，第二分束器引起反射信号的第二模式的相长干涉，以使得反射信号的第三部分包含第二模式。在一些实施例中，接收器模块包括接收器望远镜，该接收器望远镜被配置为从视场内的特定目标位置收集反射信号，并将反射信号成像到被耦合到第一端口的锥形光纤耦合器上。在一些实施例中，第一分束器是通过将第一波导和第二波导定位在距离彼此阈值距离以内来形成的。在一些实施例中，所述第二分束器是通过将第一波导和第二波导定位在距离彼此阈值距离以内来形成的。在一些实施例中，延迟元件沿着第二波导进行定位，以延迟反射信号的第二部分的相位。

在本发明的第三方面，提供了一种用于执行遥感的装置(例如，WMA干涉仪)。该装置可以包括第一端口，该第一端口被配置为接收由从远程振动目标反射回来的询问信号产生的反射信号。在一些实施例中，询问信号是以询问频率被调制的。在一些实施例中，反射信号包含询问频率和多普勒频率。该装置也可以包括第一波导，该第一波导耦合到第一端口并被配置为传播反射信号。该装置还可以包括第二波导。该装置还可以包括第一分束器，该第一分束器被配置为将所述反射信号分裂成沿所述第一波导向下传播的第一部分和沿所述第二波导向下传播的第二部分。该装置还可以包括延迟元件(例如布拉格光栅)，该延迟元件沿着第一波导和第二波导中的一者进行定位，并且该延迟元件被配置为延迟反射信号的第一部分和第二部分中的一者的相位。该装置还可以包括一个或多个空间移相器，该一个或多个空间移相器被配置为对反射信号的第一部分和第二部分中的一者或两者进行空间上的相移；该装置还可以包括第二分束器，该分裂式探测器被配置为将反射信号的第一部分和第二部分分裂成沿第一波导向下传播的第三部分和沿第二波导向下传播的第四部分。该装置还可以包括分裂式探测器，该分裂式探测器被配置为探测反射信号的第三部分的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差。在一些实施例中，多普勒频率是基于强度差来计算的。在一些实施例中，该一个或多个空间移相器包括模式激励器，模式激励器被配置为激励反射信号中的奇数阶模式的叠加。

通过本发明的方法达成了许多益处。例如，使用传统的激光多普勒振动计，需要询问激光信号的本地振荡器或本地拷贝，以便探测询问激光信号与由感兴趣的表面引起的反射激光信号之间的频率差。另外，本发明的实施例不受激光源的相干长度的限制，从而扩展了设备的可用范围。此外，本发明的实施例包括一种芯片级干涉仪，与传统的干涉仪相比，其可以显著更紧凑地和更廉价地被制造。芯片级干涉仪不仅限于振动测量应用，还可以用于许多种频率测量系统中。振动测量以外的可能应用的示例包括若干实验室规模的测量设定、医学成像、电信网络、导航系统、雷达系统等。对于本领域技术人员而言，本发明的其他益处将是显而易见的。

附图说明

通过参考以下附图可以实现对各种实施例的性质和优点的进一步理解。在附图中，类似的部件或特征可以具有相同的参考标记。进一步地，可以通过在参考标记之后加上区分相似的部件的破折号和第二标记来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用了第一参考标记，则该描述适用于任何一个具有相同的第一参考标记的类似的部件，而与第二参考标记无关。

图1示出了振动计的框图。

图2示出了包括多个弱测量放大(Weak Measurement Amplification，WMA)干涉仪的振动计的示例。

图3示出了WMA干涉仪的示例。

图4示出了WMA干涉仪内的反射信号的TM0模式的信号强度的示例。

图5示出了WMA干涉仪内的反射信号的TM1模式的信号强度的示例。

图6示出了TM0模式的波导之间的功率传送的示例。

图7示出了TM1模式的波导之间的功率传送的示例。

图8示出了通过分裂式探测器探测强度差S的示例。

图9示出了对应于图2中所示的实施例的强度差S和多普勒频率fd的空间和时间分辨率。

图10A-10B示出了使用WMA执行遥感的方法。

图11示出了WMA干涉仪的示例布局。

图12示出了模式转换器的示例布局。

图13示出了显示出作为波导宽度的函数而变化的模式有效折射率的图表。

图14示出了多模干涉仪的示例布局。

图15示出了显示出作为TE0模式和TE1模式的比率的函数的多模干涉波导的模拟输出的图表。

图16示出了具有加热器的WMA干涉仪的示例布局。

图17示出了用于测试WMA干涉仪的测试设定的示例。

图18示出了显示出作为输入激光波长的函数的输出光功率的图表。

图19示出了显示出使用射频(Radio-Frequency，RF)频谱分析仪测量的调制电压信号(在左侧)和输出光信号(在右侧)的图表。

图20示出了简化的计算机系统。

具体实施方式

使用自由空间光学(free space optics)的弱值放大(Weak ValueAmplification，WVA)和反向弱值放大(Inverse Weak Value Amplification，IWVA)在例如波束偏转、频移和相移等应用中实现了超灵敏的测量。弱值技术通过向系统引入微扰并对数据执行后选择，从而允许对小信号进行放大。

将弱值技术引进集成光子学领域改善了其应用。例如，它将测量系统的尺寸大大减小到毫米级。而且，集成的光子器件具有内在的稳定性；因此，它较不易受例如振动等环境因素的影响。使用片上弱值放大装置，可以在小体积中以可靠的性能实行精确的测量。

在一些实例中，可以使用自由空间光学器件和未对准的萨尼亚克干涉仪(Sagnacinterferometer)来演示IWVA。一个目标可能是测量干涉仪的两条路径之间的相对相移φ。该未对准将相位前倾k引入干涉仪的一条路径，并将-k引入另一条路径。

当两条路径在分束器处发生干涉时，考虑高斯输入，则暗端口变为，

通过测量暗端口图案的平均位置偏移-φ/(2k)，确定了相移φ。

为了将自由空间IWVA引进集成光子学体系，将以上表达式扩展为厄米-高斯(Hermite-Gaussian，HG)模式。这些波束主要由HG

波导的本征模式类似于厄米-高斯模式。上述理论可以应用于波导本征模式TE

然后，加入两条路径之间的相对相位φ，

类似于自由空间情况，TE

在两条路径在第二50/50分裂器处发生干涉之后，暗端口变为，

由于φ很小，

因此，通过分析TE

本发明的实施例涉及用于使用弱测量放大(Weak Measurement Amplification，WMA)来执行长距离振动测量的方法和系统。具体地，实施例涉及一种用于探测远程振动目标的振动信号的芯片级集成光学WMA传感器。根据一些实施例，询问激光被朝向远程振动目标传输，并且返回振动信号(微多普勒)被使用芯片级WMA接收器传感器成像，以产生目标振动轮廓。这种途径无需长相干长度激光就能够进行超灵敏的振动测量，并显著降低了技术噪声。与商业的远程振动计的当前最先进技术相比，该途径还能够实现更长距离的振动计使命。芯片级的集成光子实施方式可显著降低振动计平台的平台振动敏感度，从而允许WMA传感器测量目标效果与平台效果的关系。使用单块几何结构中的导波通过几种不同的干涉仪几何结构来实施基于弱值和反弱值的探测，使得能够在超小型封装(与传统的干涉仪封装相比)中实现WVA效果。通过减少与振动计平台相关的影响，这将WMA推向了实际应用。

在一些实施例中，锥形光纤耦合器将来自接收器视场内的特定目标位置的光耦合到单独的芯片级硅波导上，该硅波导被设计为通过在波导的传播路径中创建两个分束器来形成干涉仪。从远程振动目标注入波导的信号既包含初始激光频率(即询问频率)，又包含叠加在初始激光频率(例如THz激光频率)之上的多普勒和微多普勒信号。波导被设计为具有给定的折射率差，以例如通过跨越波导的横向轮廓在空间上变化折射率来创建两种传播模式。这两个分束器导致较高的、包含信息的模式的相长干涉和最低模式的相消干涉。

图1示出了根据本发明一些实施例的振动计100的框图。振动计100包括：发送器模块110，其被配置为向远程振动目标108发送询问信号106；以及接收器模块120，其被配置为接收由从远程振动目标108反射回的询问信号106产生的反射信号112。发送器模块110可以包括询问激光器102，该询问激光器102用于以通常在THz频率范围内的询问频率f

在一些实施例中，振动计100包括控制/处理电子器件130，该控制/处理电子器件130通信地耦合到发送器模块110和接收器模块120中的每一者。例如，控制/处理电子器件130可以向发送器模块110和接收器模块120中的每一者传送控制信号，并从发送器模块110和接收器模块120中的每一者接收信息信号。根据至少一个实施例，控制/处理电子器件130可以向发送器模块110传送一组控制信号，以便打开询问激光器102，设定询问频率f

图2示出了根据本发明一些实施例的包括多个WMA干涉仪150的振动计100的示例。在一些实施例中，接收器望远镜116可以包括物镜114，该物镜114被配置为基于反射信号112的到达角来将反射信号112成像到多个WMA干涉仪150中的特定WMA干涉仪150上。在一些实施例中，该多个WMA干涉仪150中的每一个WMA干涉仪150对应于多普勒图像132的像素。该多个WMA干涉仪150的输出可以被馈送到数字读出集成电路118，该数字读出集成电路118处理该输出和/或将该输出序列化为提供给控制/处理电子器件130的数据流。在一些实施例中，数字读出集成电路118充当多路复用器，该多路复用器按照控制/处理电子器件130的要求转发该多个WMA干涉仪150的一个或多个输出。

图3示出了根据本发明一些实施例的WMA干涉仪150的示例。WMA干涉仪150包括用于传播反射信号112的第一波导312-1和第二波导312-2。WMA干涉仪150可以包括一个或两个输入端口，例如耦合到第一波导312-1的第一端口306-1和耦合到第二波导312-2的第二端口306-2。锥形光纤耦合器302可以耦合到第一端口306-1，并且可以被配置为接收反射信号112。在所示的实施例中，第二端口306-2耦合至真空或环境大气。

第一波导312-1的各部分可以定位成与第二波导312-2的各部分紧密接近(例如，在阈值距离内)，以实施第一分束器310-1和第二分束器310-2。第一分束器310-1可以被配置为将反射信号112分裂成反射信号的第一部分112-1和反射信号的第二部分112-2，其中第一部分112-1对应于反射信号112中被第一分束器310-1分裂后沿第一波导312-1向下传播的部分，而第二部分112-2对应于反射信号112中被第一分束器310-1分裂后沿第二波导312-2向下传播的部分。第二分束器310-2将反射信号的第一部分112-1和反射信号的第二部分112-2分裂成反射信号的第三部分112-3和反射信号的第四部分112-4，其中第三部分112-3对应于第一部分112-1和第二部分112-2中被第二分束器310-2分裂后沿第一波导312-1向下传播的(一个或多个)部分，而第四部分112-4对应于第一部分112-1和第二部分112-2中被第二分束器310-2分裂后沿第二波导312-2向下传播的(一个或多个)部分。

在示出的实施例中，WMA干涉仪150包括沿着分束器310之间的第二波导312-2进行定位的延迟元件330，例如布拉格光栅。在一些实施例中，延迟元件330沿着分束器310之间的第一波导312-1进行定位。在一些实施例中，利用了沿着波导312中的两者进行定位的两个延迟元件(例如，两个布拉格光栅)。延迟元件330可以被配置为延迟反射信号的第二部分112-2的相位，以使得与第一部分112-1相比，第二部分112-2获得相对相位

在一些实施例中，WMA干涉仪150包括沿着第一波导312-1进行定位的第一空间移相器318-1以及沿着第二波导312-2进行定位的第二空间移相器318-2，该第一空间移相器318-1被配置为对反射信号的第一部分112-1进行空间上的相移，该第二空间移相器318-2被配置为对反射信号的第二部分112-2进行空间上的相移，以使得模式TM

在一些实施例中，WMA干涉仪150包括耦合到第一波导312-1的分裂式探测器322。分裂式探测器322被配置为接收反射信号的第三部分112-3并探测第三部分112-3的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差S。由于在WMA干涉仪150中的传播期间TM

图4示出了根据本发明一些实施例的WMA干涉仪150内的反射信号112的TM

图5示出了根据本发明的一些实施例的WMA干涉仪150内的反射信号112的TM

图6示出了根据本发明的一些实施例的随着波束沿着Z轴传播时在TM

图7示出了根据本发明一些实施例的随着波束沿着Z轴传播时在TM

图8示出了根据本发明一些实施例的由分裂式探测器322探测强度差S的示例。在一些实施例中，可以将强度差S计算为S＝I

在一些实施例中，强度差S可用于如下计算多普勒频率f

图9示出了对应于图2中所示的实施例的强度差S和多普勒频率f

再次参考图9，在第一时刻(T

图10A-10B示出了根据本发明一些实施例的使用WMA执行遥感的方法1000。方法1000的一个或多个步骤可以以与所示出的实施例不同的顺序来执行，并且在执行方法1000期间可以省略方法1000的一个或多个步骤。

在步骤1002，询问激光器102以询问频率f

在步骤1004，无焦扩束器104扩展询问信号102。在一些实施例中，无焦扩束器104扩展询问信号102以减小束发散，从而使远程振动目标108上的能量最大化。在一些实施例中，无焦扩束器104包括物镜114。

在步骤1006，发送器模块110将询问信号106发送到远程振动目标108。在一些实施例中，步骤1006可以包括询问激光器102将询问信号106通过无焦扩束器104朝向远程振动目标108发送。当询问信号106被远程振动目标108反射时，远程振动目标108引入目标自己的平台多普勒频移，而远程振动目标108上的局部表面振动引起目标微多普勒频移。

在步骤1008，接收器望远镜116从振动计100的视场内的特定目标位置收集反射信号112，并将反射信号112成像到锥形光纤耦合器302上。在一些实施例中，接收器望远镜116可以基于反射信号112的到达角将反射信号112成像到多个锥形光纤耦合器中的特定锥形光纤耦合器302上。

在步骤1010，第一端口306-1接收反射信号112。在一些实施例中，步骤1010包括第一端口306-1从锥形光纤耦合器302接收反射信号112。与步骤1010同时或在步骤1010随后，第一波导312-1可经由第一端口306-1接收反射信号112，并且反射信号112可沿第一波导312-1向下传播。

在步骤1012，第一分束器310-1将反射信号112分裂成反射信号的第一部分112-1和反射信号的第二部分112-2，其中第一部分112-1对应于反射信号112中被第一分束器310-1分裂后沿第一波导312-1向下传播的部分，而第二部分112-2对应于反射信号112中被第一分束器310-1分裂后沿第二波导312-2向下传播的部分。在一些实施例中，第一分束器310-1是通过将第一和第二波导312定位在距离彼此阈值距离内以使得反射信号112经由倏逝波耦合被耦合到第一和第二波导312中来形成的。通过使第一和第二波导312足够接近，包层中的倏逝波耦合致使功率作为传播距离的函数而在每个波导之间转移。可以利用这种效果为自由空间50/50分束器创建可靠的模拟。

在步骤1014，延迟元件330延迟反射信号的第二部分112-2的相位，以使得相较于第一部分112-1，第二部分112-2获得相对相位

尽管本文中将延迟元件330描述为被沿着第二波导312-2进行定位，但是在一些实施例中，延迟元件330可以沿着第一波导312-1进行定位，以便延迟反射信号112-2的第一部分的相位。在一些实施例中，第一延迟元件可以沿着第一波导312-1进行定位，以便延迟第一部分112-1的相位，并且第二延迟元件可以沿着第二波导312-2进行定位，以便延迟第二部分112-2的相位。在一些实施例中，延迟元件330的作用类似于可以在自由空间实施例中实施的铷单元(Rubidium cell)，从而导致两个臂之间的相对相位

在步骤1016，被定位为沿着第一波导312-1的第一空间移相器318-1对反射信号的第一部分112-1进行空间上的相移，被沿着第二波导312-2进行定位的第二空间移相器318-2对反射信号的第二部分112-2进行空间上的相移，以使得模式TM

在步骤1018，第二分束器310-2将反射信号的第一部分112-1和反射信号的第二部分112-2分裂成反射信号的第三部分112-3和反射信号的第四部分112-4，其中第三部分112-3对应于第一部分112-1和第二部分112-2中被第二分束器310-2分裂后沿第一波导112-1向下传播的(一个或多个)部分，而第四部分112-4对应于第一部分112-1和第二部分112-2中被第二分束器310-2分裂后沿第二波导312-2向下传播的(一个或多个)部分。在一些实施例中，第二分束器310-2是通过将第一和第二波导312定位在距离彼此阈值距离内以使得第一部分112-1和第二部分112-2经由倏逝波耦合被耦合到第一和第二波导312中来形成的。由于在步骤1018中TM

在步骤1020，分裂式探测器322接收反射信号的第三部分112-3并探测第三部分112-3的第一波瓣和第二波瓣之间的强度差S。当WMA干涉仪150被调谐为在反弱值区域中运行时，在分裂式探测器322上产生了双波瓣图案。在一些实施例中，分裂式探测器322包括两个元件探测器或两个分离的具有右侧和左侧的探测器。在一些实施例中，分裂式探测器322识别两个相对最大强度值并确定它们之间的差。在一些实施例中，分裂式探测器322确定在两个预定空间位置(例如，x＝±1·10

在步骤1022，振动计100的处理器基于强度差S计算多普勒频率f

图11示出了根据本发明一些实施例的WMA干涉仪1100的示例布局。WMA干涉仪1100包括第一和第二定向耦合器(DC1和DC2)、多模干涉仪(Multi-Mode Interferometer，MMI)和输出(O1、O2、O3和O4)。在一些实施例中，对于设备的设计，氮化硅可以用作引导材料，二氧化硅可以用作包层材料，而测试波长可以是1550nm。这些材料和波长与现有的制造和测试技术具有良好的兼容性。为氮化硅选择300nm的厚度是为了平衡约束和易于耦合。

自由空间的马赫-曾德(Mach-Zander)干涉仪可以通过两个分束器实现。在光子芯片上，分束器的类似物是定向耦合器。当两个波导接近且它们之中的模式相位匹配时，其中一个波导中的光将耦合到另一个波导。耦合比率取决于两个波导之间的间隔以及耦合区域的长度。该结构称为定向耦合器。

图12示出了根据本发明的一些实施例的模式转换器1200的示例布局。模式转换器1200可以用于通过将基本模式(TE

由W

图13示出了根据本发明的一些实施例的示出作为波导宽度的函数而变化的模式有效折射率的图表。图13表明，波导的宽度可以被设计为以1.6的有效折射率匹配TE

图14示出了根据本发明一些实施例的多模干涉仪1400的示例布局。在一些实施例中，可以通过测量暗端口中的TE

图15示出了显示出作为TE

图16示出了根据本发明一些实施例的具有加热器的WMA干涉仪1600的示例布局。为了测试设备的目的，可能需要相位φ的源。向波导增加相位可调性的通常方法是使用微型加热器。通过将金属线沉积在波导包层的顶部并在其上施加电压，它们能够产生热量并提高下方波导的温度。温度变化将引起波导材料的折射率变化，与未加热的波导相比会引入相位差。可以在第一定向耦合器之后放置第一加热器(H1)，以引入故意的相位差以用于测量。

由于制造误差，加热器对于整个设备中不希望有的相位积累也是有用的。理论上，当相位φ＝0时，TE

在一些实施方式中，WMA干涉仪1600可以由具有4μm的热生长的二氧化硅的4英寸的硅晶片制成。可以通过低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)来沉积289nm的氮化硅层。然后可以通过电子束光刻来使波导图案化，并可以通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching，ICP-RIE)来刻蚀氮化硅。可以在波导上包覆经由等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积的2.6μm的二氧化硅。

为了将加热器放置在波导的顶部，可以采用如下的“剥离”方法。首先，在二氧化硅的顶部旋涂一层光致抗蚀剂，并可以通过DUV光刻技术(ASML 300C DUV Stepper–248nm)使加热器的形状图案化。然后，沉积10nm的铬以用于附着到二氧化硅上，并沉积100nm的铂作为加热器。接下来，将晶片浸入丙酮中，该丙酮溶解光致抗蚀剂，从而去除多余的金属。留在包层表面上的金属在波导上方形成加热器。

图17示出了用于测试WMA干涉仪1700的测试设定的示例。在一些实施方式中，用于对设备进行测试的光源是以1550nm波长为中心的可调激光器(Santec TSL-710)。激光输出的功率为1mW。可以使用锥形单模光纤1702将光耦合到波导中，并且可以使用40倍物镜1704将输出成像到InGaAs探测器1706上。物镜1704允许通过在每个输出图像位置处放置一个探测器来同时测量MMI的两个输出。可以在输入光纤上使用光纤偏振桨，并且可以在探测器之前放置偏振器，以消除杂散TM模式的影响。

为了将电压施加到加热器，可以使用附着到电缆的金属探针。探针可以放置成与芯片上的加热器接触，电缆可以连接到电压源1708。在不向加热器施加任何电压的情况下，可以扫描激光的波长并可以记录设备的输出光谱。为了清楚起见，仅示出了一个加热器的连接。

图18示出了显示出作为输入激光波长的函数的输出光功率的图表。频谱的总体趋势表明了我们预期从马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪获得的正弦曲线行为。然而，输出功率的比率不符合预期。这很可能是由于不希望的相位积累，该相位积累可以通过调谐加热器2和3来补偿。小的波动是由于扫描期间输入光纤的振动引起的。这可以通过集成光子封装技术(例如将光纤熔接(fuse)到芯片上)来大大改善。

由于光纤波动，很难确定当施加恒定的相位信号时光信号变化的原因。因此，可以发送调制的相位信号。当使用正弦波电压信号来调谐加热器1时，可以在输出处观察到具有对应频率的光信号。

图19示出了显示出使用射频(Radio-Frequency，RF)频谱分析仪测量的调制电压信号(在左侧)和输出光信号(在右侧)的图表。来自信号发生器的调制频率分量为9.99kHz、10kHz和10.01kHz。由于折射率的响应随施加电压(即由加热器消耗的功率)的平方而变化，因此频率分量之间的差在测得的输出光中加倍了。相应地，可以在输出处观察到9.98kHz和10.02kHz的信号频率。这证明了该设备通过探测输出光来测量干涉仪臂之间的相位差的变化的能力。

图20示出了根据本文中所描述的一些实施例的简化的计算机系统2000。如图20中所示的计算机系统2000可被结合到如本文所述的例如发送器模块110、接收器模块120或控制/处理电子器件130等的设备中。图20提供了可以执行由各种实施例提供的方法的一些或全部步骤的计算机系统2000的一个示例的示意图示。应该注意的是，图20仅意在提供各种部件的一般性图示，可以适当地利用它们中的任何一个或全部。因此，图20广泛地示出了可以如何以相对分离或相对更集成的方式来实施各个系统元件。

计算机系统2000示出为包括可以经由总线2005电连接的或者可以适当地以其他方式通信的硬件元件。硬件元件可以包括一个或多个处理器2010，包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器(例如数字信号处理芯片、图形加速处理器和/或类似物)；一个或多个输入设备2015(其可以包括但不限于鼠标、键盘、相机和/或类似物)；以及一个或多个输出设备2020(其可以包括但不限于显示设备、打印机和/或类似物)。

计算机系统2000还可以包括一个或多个非暂态性存储设备2025和/或与一个或多个非暂态性存储设备2025通信，非暂态性存储设备2025可以包括但不限于本地和/或网络可访问存储器，和/或可以包括但不限于磁盘驱动器、驱动器阵列、光学存储设备、固态存储设备(例如随机存取存储器(Random Access Memory，“RAM”)和/或只读存储器(Read-OnlyMemory，“ROM”))，该固态存储设备可以是可编程的、可闪存更新的和/或类似的。这样的存储设备可以被配置为实施任何适当的数据存储，该数据存储包括但不限于各种文件系统、数据库结构和/或类似物。

计算机系统2000也可以包括通信子系统2019，该通信子系统2019可以包括但不限于调制解调器、网卡(无线或有线的)、红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(例如蓝牙

计算机系统2000还可以包括被示出为当前位于工作内存2035内的软件元件，包括操作系统2040、设备驱动器、可执行库和/或其他代码，例如一个或多个应用程序2045，该一个或多个应用程序2045可以包括由各种实施例提供的计算机程序，和/或可以被设计为实施由其他实施例提供的方法和/或配置系统，如本文中所述。仅作为示例，有关于以上讨论的方法描述的一个或多个过程可以被实施为可由计算机和/或计算机内的处理器执行的代码和/或指令；因此，在一方面，这样的代码和/或指令可以用于配置和/或适配通用计算机或其他设备，以执行依据所描述的方法的一个或多个操作。

一组这些指令和/或代码可以存储在非暂态性计算机可读存储介质(例如上述(一个或多个)存储设备2025)上。在一些情况下，该存储介质可以包含在计算机系统(例如计算机系统2000)中。在其他实施例中，存储介质可以与计算机系统分离，例如，诸如光盘等的可移动介质，和/或以安装包的形式提供，以使得该存储介质可以用于编程、配置和/或修改其上存储有指令/代码的通用计算机。这些指令可以采用可执行代码的形式，其可由计算机系统2000执行，和/或其在计算机系统2000上(例如使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩工具等中的任何一者)被编译和/或被安装的情况下可以采用源和/或可安装代码的形式，然后采用可执行代码的形式。

对于本领域技术人员将显而易见的是，可以依据特定要求做出实质性的变化。例如，也可以使用定制的硬件，和/或特定的元件可以被以硬件、软件(包括便携式软件，例如小应用程序等)或两者来实施。此外，可以采用到其他计算设备(例如网络输入/输出设备等)的连接。

如上所提及的，在一方面，一些实施例可以采用例如计算机系统2000等的计算机系统来执行依据本技术的各种实施例的方法。根据一组实施例，这样的方法的一些或全部过程由计算机系统2000响应于处理器2010执行一个或多个指令的一个或多个序列而执行，这些指令可以被并入在工作内存2035中包含的操作系统2040和/或其他代码(例如应用程序2045)中。这样的指令可以从另一计算机可读介质(例如(一个或多个)存储设备2025中的一者或多者)读入工作内存2035中。仅作为示例，包含在工作内存2035中的指令序列的执行可以致使(一个或多个)处理器2010执行本文中描述的方法的一个或多个过程。附加地或可替代地，本文中描述的方法的部分可以通过专用硬件来执行。

如本文中所使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”是指参与提供致使机器以特定方式运行的数据的任何介质。在使用计算机系统2000实施的实施例中，各种计算机可读介质可涉及向(一个或多个)处理器2010提供指令/代码以用于执行和/或可用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形的存储介质。这样的介质可以采取非易失性介质或易失性介质的形式。非易失性介质包括例如光盘和/或磁盘，例如(一个或多个)存储设备2025等。易失性介质包括但不限于动态内存，例如工作内存2035。

物理的和/或有形的计算机可读介质的通常形式包括例如，软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他内存芯片或盒式磁带或者计算机能够从中读取指令和/或代码的任何其他介质。

各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送给(一个或多个)处理器2010以用于执行。仅作为示例，指令最初可以被承载在远程计算机的磁盘和/或光盘上。该远程计算机可以将该指令加载到其动态内存中，通过传输介质将该指令作为信号发送，以由计算机系统2000接收和/或执行。

通信子系统2019和/或其部件通常将接收信号，然后总线2005可以将信号和/或由信号携带的数据、指令等传送到工作内存2035，(一个或多个)处理器2010从工作内存2035中检索并执行该指令。由工作内存2035接收的指令可以可选地在由(一个或多个)处理器2010执行之前或之后被存储在非暂态性存储设备2025上。

以上讨论的方法、系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略、替代或添加各种过程或部件。例如，在可替代的配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行这些方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。而且，有关于某些配置来描述的特征可以组合到各种其他配置中。可以以类似的方式组合这些配置的不同方面和元件。而且，技术在发展，因此，许多元件是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

本描述给出了具体细节以供对包括实施方式的示例配置的透彻理解。然而，配置可以在没有这些具体细节的情况下被实施。例如，公知的电路、过程、算法、结构和技术已经以没有非必要细节的形式表示，以避免使配置模糊不清。本描述仅提供示例配置，并且不旨在限制权利要求的范围、适用性或配置。相反，对配置的前述描述将向本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的有利描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

而且，可以将配置描述为过程，该过程被描绘为示意性的流程图或框图。尽管每个图可以将操作描述为顺序的过程，但是许多操作可以并行或同时地执行。此外，操作的顺序可以被重新安排。过程可能具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的示例可以由硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当在软件、固件、中间件或微码中实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在例如存储介质等非暂态性计算机可读介质中。处理器可以执行所描述的任务。

已经描述了几个示例配置，在不脱离本公开的精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等效替换。例如，以上元件可以是较大系统的部件，其中其他规则可以优先于或以其他方式修改技术的应用。而且，考虑了在以上元件之前、之中或之后可以采取若干步骤。相应的，以上描述不约束权利要求的范围。

除非上下文另有明确规定，如本文中和所附权利要求中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个的指代对象。因此，例如，对“一个用户”的提及包括多个所述用户，而对“该处理器”的提及包括一个或多个处理器及其为本领域技术人员所知的等同物，等等。

而且，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，词语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“包括了”、“包括的”和“含有”旨在指明所陈述的特征、整数、部件或步骤的存在，但它们并不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、部件、步骤、行动或群。

还可以理解的是，本文中所述的示例和实施例仅用于说明的目的，并且据此所作的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，且将被包括在本申请的精神和视界内以及所附权利要求的范围内。