光子集成电路及包括它的三维激光多普勒测振仪

摘要

一种光子集成电路(PIC)，包括将激光束分成测量信号和参考信号的分路器；相位幅度调制器阵列，其耦合到发射阵列以便从该测量信号中生成将被定向至单个目标位置的至少三个输出信号，每一个输出信号具有不同的方向和不同的载波频率；以及接收阵列，该接收阵列包括从不同的接收方向接收反射信号的至少三个接收天线。每一个输出信号都被指派不同的载波频率，以使得在信号处理中能够在频域中区分出任何串扰以允许它们被去除和/或被恢复。通过使用该PIC，只需一个激光源用于3D LDV，这减小了3D LDV装置的体积和生产成本。

说明书

技术领域

本公开涉及用于三维(3D)激光多普勒测振仪(LDV)的光子集成电路(PIC)。本公开还涉及包括该PIC的3D LDV。

背景技术

激光多普勒测振仪(LDV)1是一种用于测量如图1所示的振动表面2的时间速度或位移的仪器LDV 1发出激光束3，该激光束3被位于距离d

其中λ

表达式Δd(t)是目标表面在如图1所示的激光束的方向上的位移。因为该激光束的光路变化对应于该位移的往返，所以在Δd(t)之前放置因子2。

存在两种主要类型的LDV，即固定式LDV和扫描式LDV。本公开涉及固定式LDV，该LDV能够捡取一个位置中，但通常仅仅在一个方向上的振动目标的运动信息。

用于片上LDV的已知光子集成电路(PIC)在图2中示出。PIC 10包括诸如光栅耦合器之类的用于将外部激光束(未示出)耦合到该PIC的输入装置12。激光束经由波导14被发送至分路器16，在该分路器处该信号被分成测量信号和参考信号。测量信号经由波导18被发送至发射-接收天线20，该天线20将该测量信号作为出射激光束22输出至目标24。光学系统26通常被用来确保出射信号22被聚焦到单点(即，目标位置24)上，在该位置处该信号被反射并作为反射信号28被发回到PIC 10。反射信号28通常经由光学系统26回程，并在PIC10上由发射-接收天线20接收。所接收到的反射信号经由波导30从发射-接收天线20被发送到混频器32。源自分路器16的参考信号经由波导34被发送到混频器32。PIC 10上的混频器32(例如，90°光学桥接器(optical hybrid))将所接收到的反射信号和参考信号混合。通过将90°光学桥接器用作混频器32，混频器32具有经波导36被发送到各个光电二极管38的四个光输出信号，光电二极管38将光混合信号转换成光电流信号。使用解调器(未示出)允许从光电流信号42中确定所需运动信息。

使用如上文解释的LDV，获取一维信息，即出射信号3、22的方向上的振动行为是可能的。然而，三维(3D)振动信息在许多应用中也是必需的，诸如研究中耳内锤砧关节的运动(生物力学)，监测表面波的同时平面内和平面外运动(模态测试)，或了解纳米结构(MEMS)的3D运动。

实现3D LDV测量的标准方式是使用在相同的目标位置上同时测量的三个或更多个单独的LDV装置。使用三个不同的LDV装置而不是来自单个激光源的三个激光束的理由是避免光束串扰。由于不同激光束彼此不相干，因此在任何这些LDV装置之间将不存在串扰。然而，该系统的成本由于使用若干激光源而是相当高的。

在本领域中，使用单个激光源来实现3D LDV测量也是已知的，如在TakayukiOhtomo等人在2009年1月20日发表于Optical Society of America,APPLIED OPTICS,Vol.48,No.3的“Three-channel three-dimensional self-mixing thin-slice solid-state laser-Doppler measurements(三通道三维自混合薄片固态激光多普勒测量)”中描述的。在该公开中，与多个分路器以及也被称为光学频移器的声光调制器(AOM)相结合地使用单个激光源来生成具有不同的载波频率的三个激光束。

类似的装置在Kenju Otsuka等人于2005年3月20日发表在Optical Society ofAmerica,APPLIED OPTICS,Vol.44,No.9的“Two-channel self-mixing laser Dopplermeasurement with carrier-frequency-division multiplexing(具有载波频分复用的双通道自混合激光多普勒测量)”中描述，其中使用AOM来从单个激光源生成两个激光束。

这一装置的缺点是其尺寸，因为这是自由空间装置。此外，这一设计不容易在绝缘体上硅(SOI)芯片上实现。

US 2013/083389 A1公开了一种具有将光定向至片外目标区域的光选择器的LDV光子集成电路(PIC)。取决于光选择器的配置，光束从PIC上的不同位置输出。

发明内容

本公开的目标是提供用于三维(3D)激光多普勒测振仪(LDV)的光子集成电路(PIC)。

该目标根据本公开通过用于3D LDV的PIC来达成，该PIC包括：将激光束分成测量信号和参考信号的分路器；相位幅度调制器阵列，其耦合到发射阵列以便从该测量信号中生成将被定向至单个目标位置的n个输出信号并从基本上单个位置输出这n个输出信号，每一个输出信号具有不同方向和不同载波频率，n是大于或等于三的自然数；包括m个接收天线的接收阵列，每一个接收天线被配置成从不同接收方向接收反射信号，每一个反射信号指示已经在该单个目标位置处被反射的一个或多个输出信号，m是大于或等于三的自然数；对于每一个接收天线，连接到该接收天线以将该参考信号与接收到的反射信号混合的混频器；以及对于每一个混频器，连接到该混频器以从混合信号中生成光电流信号的至少一个光电二极管。

耦合到发射阵列的片上相位幅度调制器阵列的置备允许从单个激光源生成具有不同载波频率和不同方向的至少三个输出信号。使用外部光学系统，各种输出信号被聚焦在单个目标位置上。以此方式，不同的输出信号从不同方向到达该目标位置。反射信号然后经由光学系统被返回到各自从不同方向接收信号的至少三个接收天线。各种收到信号可包括由于输出信号中的一者或多者而导致的反射。混频器为每一个接收到的信号创建与参考信号的混合信号，同时光电二极管生成对应的光电流信号，该光电流信号然后在不同于PIC的解调器中被进一步分析以获取至少三个不同方向上的所需运动信息，即3D信息。每一个输出信号都被指派不同的载波频率，以使得在信号处理(即，解调器)中能够在频域中区分出任何串扰以允许它们被去除和/或被恢复。具体而言，当在同一接收天线处接收到来自不同输出信号的信号时，这些信号可由解调器基于信号的不同载波频率来解复用和区分。

通过使用该PIC，只需一个激光源用于3D LDV，这减小了3D LDV设备的体积和生产成本。此外，该片上设计与已知的依赖于声光调制器的自由空间装置相比是小得多的。此外，相位幅度调制器阵列比声光调制器更容易在SOI芯片上实现。

耦合到发射阵列的相位幅度调制器阵列的又一优点涉及谐波。PIC上的相移的已知问题是难以通过相位或幅度调制器生成到单个光束的单个偏移，而不在经频移光束中引入其他谐波。本发明的发明人已发现使用耦合到发射阵列的相位幅度调制器阵列允许更容易地，具体而言是完全抑制此类谐波。

在本公开的一实施例中，发射阵列包括沿着基本笔直的线彼此相邻地定位的k个发射天线，k是大于或等于三的自然数。

在该实施例中，使用最小数量的发射天线，这降低了PIC的成本。

在本公开的优选实施例中，k个发射天线生成组合近场图

这允许生成具有相等幅度的三个光束，且中心定向的光束具有频率f

在本公开的有利实施例中，对于位置x处的发射天线，场幅度是1+2·cos[2π(sin(α

这一发射天线设置从参考信号中生成上述出射信号的对称设置。在相位调制中使用斜坡函数确保在相位增大超过2π时快速跳回到0。

在本公开的一替代实施例中，发射阵列包括定位成二维阵列的k个发射天线，k是大于或等于四的自然数。

在该替代实施例中，需要更多的发射天线来形成二维阵列。然而，通过使用二维阵列，可使用更简单的外部光学系统。

在本公开的一优选实施例中，m都等于n并且发射天线等同于接收天线。

使用相同的天线来进行发射和接收允许通过减少要被包括的天线的数量来节省PIC设计上的空间。

在本公开的一优选实施例中，接收天线和发射天线由一个或多个光栅耦合器来形成。

在本公开的一实施例中，m等于n并且每一个接收方向是对应的输出信号方向的反方向。

这提供了出射光束的方向的对称设置，这使得更容易地设计外部光学系统。

在本公开的一实施例中，光电二极管是平衡光电二极管。

平衡光电二极管有助于去除混合信号中常见的，例如归因于输出信号和发射信号上的光学系统的噪声。

在本公开的一实施例中，PIC进一步包括向PIC提供外部激光束的输入装置。优选地，该输入装置是光栅耦合器和边缘耦合器之一，诸如锥形或倒锥形。

光栅耦合器是表面耦合器，该耦合器对于晶圆级测试是容易的。边缘耦合器具有更少的插入损耗，但它需要芯片边缘的置备。

根据本发明的目标还通过3D LDV达成，该3D LDV包括：生成激光束的激光源；如上所述的PIC，该PIC耦合到该激光源；光学镜系统，其被配置成将n个输出信号聚焦在单个目标位置上并将来自该单个目标位置的反射信号聚焦到该PIC；以及解调器，该解调器从光电流信号中确定该单个目标位置的瞬时速度和方向。

3D LDV的优点与上述PIC相同。

附图说明

本公开将通过以下描述和所附附图来进一步解释。

图1示出了已知LDV的示意性装置。

图2示出了图1的LDV中所使用的已知PIC。

图3示出了根据本公开的用于3D LDV的PIC。

图4示出了根据本公开的3D LDV设置。

图5示出了根据本公开的替代3D LDV装置。

图6A到6F示出了可以在图3的PIC中使用的不同的可能分路器。

图7A示出了图5的装置中的处于LDV位置的光束角。

图7B示出了图5的装置中的处于目标位置的光束角。

具体实施方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本公开，但是本公开不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不一定对应于对本公开的实施的实际减少。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等被用于在类似元素之间进行区分，而不一定用于描述顺序或时间次序。这些术语在合适的情况下是可互换的，并且本公开的各实施例可以以不同于本文中所描述或解说的其他顺序操作。

此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、上方、下方等被用于描述性目的。这样使用的术语可在适当的环境中互换，并且本文中所述的本公开的实施例可以不同于本文中描述或示出的其他取向操作。

此外，尽管被称为“优选”，但各实施例被解释为可实现本公开的示例性方式，而不是限制本公开的范围。

根据本公开的PIC将参照图3描述。先前参照图2描述的元件或组件具有相同的最后两位数字，但前面有一个“1”。

PIC 100具有允许将PIC 100连接至外部激光150的输入装置112。输入装置112可以是光栅耦合器和边缘耦合器，诸如锥形或倒锥形。波导114将入射激光束信号发送至第一分路器116

将容易地认识到，分路器116

耦合到发射阵列120的相位幅度调制器阵列140允许从参考信号中生成三个输出信号122

耦合到发射阵列的相位幅度调制器阵列的示例由Christos Tsokos等人在2018年8月15日发表于IEEE,Journal of Lightwave Technology,Vol.36,No.16的“Analysis ofa Multibeam Optical Beamforming Network Based on Blass Matrix Architecture(基于布拉斯矩阵架构的多波束光波束成形网络的分析)”，doi:10.1109/JLT.2018.2841861中描述。

如图3所示，发射阵列120由三个对齐的发射阵列120

为了生成这一组合近场图，位置x处的发射天线120

在PIC 100中，提供有接收天线阵列144，该接收天线阵列144由三个接收天线144

接收到的反射信号经由波导130

将会容易地认识到，混频器132

使用解调器(未示出)允许从光电流信号142中确定所需运动信息。由于每一个输出信号122

图4和5示出了两个不同的3D LDV装置。LDV 300包括以上参照图3描述的PIC。LDV300发出三个输出信号222

如图4和5所示，由于具有不同方向的输出信号222

尽管已经关于特定实施例描述了本公开的各方面，但是将容易理解，这些方面可以在如权利要求限定的本公开的范围内以其他形式实施。