用于改变光束的光路长度和相位的光学系统和方法

专利名称：用于改变光束的光路长度和相位的光学系统和方法
技术领域：
本发明是有关于一个包括形成两个或更多个传输光束的光路的元件的光学系统和改变两个选择光路长度的结构，以及有关于改变光路长度的方法。如果沿两个选择的光路传输光束，而且每个光路的长度变化，那么每个光束的相位将被改变。
这样的光学系统可包括两个平行地结合在一起的不同长度的光路。如果一个光束传输到两光路的一个(前部)结合处，此光束将被分成两个光束分量，其中之一将沿并行光路之一传输，而另一个将沿另一个并行光路传输。这两个分量光束将在两光路的另一个(后部)结合处相遇。由于两分量光束所经过的光路长度不同，因此当它们在下游结合处相遇时两分量光束之间将具有相位差。光束以取决于相位差的大小的方式彼此结合和干涉。
通过采用一种叫做调相器的器件改变透明介质中的光路长度，从而改变沿光路传输的光束的相位是众所周知的。这种器件可以是诸如PIN二极管的电子集成器件，包括与光路毗邻的重搀杂区(分别为n搀杂和p搀杂)。通过将电流施加到PIN二极管，载流子被注入透明介质形成光路的毗邻区，以便改变此区域内光路的折射率。这种折射率变化有效地导致光路长度的变化。这种光路长度的变化引起沿光路传输的光束的相位的变化。
形成光路的集成无源或有源硅绝缘(SOI)波导具有广泛的应用。偶合到波导上的有源集成光学元件可以是基于调相器，诸如上面描述的PIN二极管调制器。许多集成光学器件，例如衍射仪、开关和幅度衰减器都可以由这种集成调相器结构制成。当调相器偶合到如上所描述的具有两个光路的光学系统的一个光路上时，能够改变两个光路的长度差。因此改变两个光束的干涉特性。
大多数的调相器，例如上面描述的PIN二极管调相器都要求采用电流驱动器。由于在大多数的调相器的电流响应特性，光路长度变化和相位的变化是驱动电流的非线性函数。而且，由于注入光路材料中的载流子引起的光散射，通过所述光路部分传输的光束也发生幅度调制，所述光路部分耦合到包括一个PIN二极管的调相器上。
另一种类型的调相器是热调相器。在这种类型的调制器中，将电压施加到加热或冷却装置上，改变材料的温度使得沿光路传输的光束的相位变化。对于上面描述的PIN二极管型调相器，相位变化是所施加电压的非线性函数。
包括调相器的集成光学系统应用在比如传感器应用中，这里传感系统依赖调相器解调或处理信号。这样调相器的任何非相性就在传感系统的输出端重现。因此，现有技术的调相器的非线性直接地影响传感器系统的准确度。在现有技术的系统中必需采用复杂的线性化电路以便弥补这种缺陷。
因为某些调相器的性质，比如前面描述的PIN二极管调相器，驱动电流在调制器中总是只沿一个方向流动。因此，这些调相器仅能够在一个方向上被驱动，而能够使得电流在两个方向上流过调相器的标准的推挽操作方法通常是不可能实现的。诸如干涉仪和开关的有源光学系统包括两个光路，而且在两个光路之一上使用调相器，以便改变两个光路之间的光程差(OPD)从而改变系统的光学特性。可将调相器耦合到任意一个光路，以便对系统的OPD变化产生类似的影响。因此，在这样的干涉仪或开关中通常仅采用一个调相器。
另一个调相器可加到系统的另一个光路上。然而，由于调相器的特性，每个调相器对与之相关的光路产生相似的影响，亦即当增加驱动电流时，它使得光路长度减小，反之减小驱动电流时，使得光路长度增加。结果在已知系统中，调相器引起的光路的变化基本上相互抵消。因此在现有的使用另外一个调相器的光学系统中，它通常与第一调相器串联并在相同的光路上用作备用调相器。
本发明的目的是提供一种光学系统包括形成两个或多个用于传输光束的光路的元件，并具有用于改变光路长度的改进结构，以便改变沿光路传输的光束的相位。
依据本发明的一个方面，光学系统包括形成至少两个光路的元件和用于改变两个选择光路长度的结构，所述两个选择光路包括两个调相器，每个调相器耦合到所选光路之一上，和一个驱动系统，用来将功率施加到调相器上以便沿相同的方向驱动它们，和用于沿相反方向改变施加到调相器上的功率，以便沿不同方向改变每个光路的长度。
施加到调相器上的沿相反方向变化的功率量最好相等。
施加到调相器上的功率量可以同时或连续变化。
依据本发明的另一方面，提供了一种改变两个光路长度的方法，每个光路包括一个调相器，该方法包括如下步骤将功率施加到两个调相器上以便在相同方向上驱动调相器，沿相反方向改变施加到调相器上的功率量，以便沿不同方向改变每个光路的长度。
如果光束沿每个选择光路传输，当每个光路的长度发生变化时，每个光束将发生相移。一般地，施加于耦合到光路中的调相器上的功率量变化和沿光路传输的光束所产生的相位变化之间的关系是非线性的。采用上面结构的调相器和为调相器施加功率的结构，把光束的相位变化组合在一起，基本上消除了非线性。结果，施加到调相器上的功率量变化与所产生的光束相位变化之间的关系变成基本上是线性的。
在包括形成至少两个光路的元件和用于改变两个选择光路长度的结构的系统中，所述两个选择光路包括两个调相器，每个调相器耦合到所选光路之一上，本发明的目的是沿相同的方向驱动调相器，和沿相反方向把施加到调相器上的电流、电压或功率量中的任何一个改变一个量，每个都在相同的时间间隔内，使得相对于施加到调相器上相同的电流、电压或功率变化光束相位变化的非线性差异最小。
在没有任何功率施加到任何调相器的条件下，传输光束所沿的光路的长度可以是相同的或不同的。在后一种情况下，称为光路具有初始光程差(OPD0)。
在根据本发明的光路具有非零OPD0的光学系统中，可以利用上述技术改变系统的OPD，即提高施加到一个调相器上的功率的同时降低施加到另一个调相器上的功率。两个调相器对系统的OPD产生相反的影响，这些影响将叠加在一起产生总POD变化。对于给定的光路变化范围，这将加倍总OPD的变化，从而加倍总相位变化，或者对于要求的OPD变化，功率变化范围将降低到一半，只要引起OPD变化的功率变化不超过OPD0。
由于施加到两个调相器上的功率量沿相反的方向变化，耦合到调相器之一的光路的长度将增加而耦合到另一个调相器上的光路的长度将减小。如果两个光束后来组合，比如说在干涉仪中，两个光束的相位变化就叠加在一起。通过把两个光束中的相位变化叠加在一起，施加到每个调相器上的功率量变化与沿着耦合有调相器的光路传输的光束的相应相位变化之间的任何非线性将基本上被抵消。
通过沿相反方向改变光束相位的结构将降低由于调相器工作引起的光束中的任何幅度调制。
上面所指的调相器可以是包括PIN二极管的类型。在这种结构中，改变施加到PIN二极管的电流以便改变光路的长度。
或者，调相器可以是已知的热调相器类型。在这种结构中，改变施加到调相器上的电压以便改变光路的长度。
在本发明的优化结构中，其中调相器是上述的PIN二极管类型，在改变两个调相器中的电流之前，流经第一调相器的初始电流为零，而流经第二调相器的初始电流是一个选择的最大值。为了引起沿耦合到调相器上的光路传输的光束的相位变化，把第一调相器中的电流增加一个选择量，把第二调相器中的电流降低相同的选择量。这种增加和减低可以同时或连续进行。在任何一种情况下，当两电流以相反的方向变化时，两光束之间产生要求的总相位变化。如果相位变化之后将两光束组合，那么总相位变化将是各光束的相位变化之和。结果，对于给定的电流变化，总的相位变化将加倍。
应该理解具有非零初始电流值的调相器中的电流不能降低到低于初始电流值。
因为在上述的光学系统和功率应用结构中，就功率变化而言，总是沿相反方向驱动两个调相器，所以这种结构称为工作在推挽方式，即使事实上两个调相器的驱动是同方向的。因此称所述的这种结构为“准推挽”功率应用结构。通过利用这种结构，光学系统的整体准确度比如在传感器应用中，大大地提高了。
为了更容易理解本发明，参考附图，仅以举例形式描述本发明的参考

图1，该图说明施加高于阈值的电压V，就有电流I流过PIN二极管调相器。二极管只能正向偏置以便把电流注入光路中，从而改变自由载流子的浓度。光路中的折射率变化Δn是载流子浓度(由驱动电流改变)和沿光路传播的光束波长的函数。在调相器中光路长度的变化ΔL与折射率变化Δn和光路长度L成正比。
ΔL=Δn*L(1)应注意到相对于电流变化ΔI而言Δn是负值。
因为包括调相器的大多数有源光学系统是基于干涉原理，下面的描述中以干涉仪作为一个例子。
所要描述的本发明的一个具体的实施例是基于包括两个光路的有源光学系统。光路开始具有不同的长度，亦即OPD0不为零。系统至少包括两个PIN二极管调相器。
参考图2，所示的Mach-Zehnder干涉仪是实施例的最简单的情形，包括两个并列连接的光路P1、P2。两个光路具有不同的长度L1、L2，并且每个光路包括一个调相器M1、M2，用于改变L1、L2的值。输入光路^连接到光路P1、P2的一个结点，而输出光路P4连接到光路P1、P2的另个结点。在输出光路P4中的光束输出(密度)具有通常形式A+B*COS(φd)(2)其中φd是光路P1、P2中的部分光束之间的光学相位差φd=2π*OPD/λ，其中λ是波长，而且OPD=ABS(L1-L2)=ABS(OPD0+ΔL1-ΔL2)(3)其中，OPD0是系统的初始OPD，亦即在没有任何电流的情况下的起始值，而且ΔL1和ΔL2是光路P1和P2的长度变化。
类似地，具有驱动电流的OPD变化为ΔOPD=ABS(OPD0+ΔL1-ΔL2)-OPD0(4)
其中ABS(…)指的是它的变量的绝对值的模。
从表达式(4)可看出，当只是简单地并行驱动两个调相器并且ΔL1等于ΔL2时，则产生零(或接近零)的OPD变化，因此这种方法不能用来获得理想的结果。然而，当通过两个调相器的驱动电流以伪推挽方式在相反方向上变化时，如同下面参考图4所描述的一样，ΔL1与ΔL2的变化方向相反，但是变化量相同，亦即ΔL1=-ΔL2，因此OPD变化是ΔOPDmax-ΔOPDmin=2*ABS(ΔL1,max)=2*ABS(ΔL2,max)(5)其中，ΔOPDmax=ΔL1,max，ΔOPDmin=-ΔL2，max图3所示的电流驱动系统的电路原理图，设计成以准推挽方式驱动调相器M1、M2。不象采用不同的电流方向来驱动一个负载(器件)的通常推挽驱动系统，所示的驱动系统设计成驱动具有相同电流方向的两个调相器并改变调相器中的电流。由于PIN二极管调相器的特性，每个调制器的驱动电流不能反向。更具体地讲，驱动系统设计成一个调相器中的电流变化方向与另一个调相器中的电流变化方向相反。在所示的驱动中，运算放大器U1D用来设置中点电位的位置。在该位置上，两个调相器具有相同的驱动电流。这种设置也确定了最大工作范围Im，它是常数。运算放大器U1A用做输入电压信号Vinput的缓冲器。通过运算放大器U1B和U1C实现准推挽作用。当输入电压Vinput增加时，U1C的输出以和U1B的输出降低速率一样的速率增加。晶体管Q1和Q2形成电流驱动器的基础，驱动器产生与输入电压Vinput成比例的驱动电流。
虽然运算放大器U1A至U1D可以是四个单独的运算放大器，在图3所示的结构中，所有四个放大器最好形成在一个芯片上。这样对于驱动系统的输入/输出将产生更加稳定而且更加对称的结果，并降低驱动系统所需要的空间。这样还降低所产生的辐射水平，因为电路被以恒定负载驱动，在利用图3所示的驱动系统驱动图2所示的光学系统的准推挽方法的最佳实施例中，开始把电流I1=0和I2=Im分别施加到位于系统第一和第二光路P1、P2中的调相器M1、M2上。随后，利用图3中的驱动系统，调相器M1中的电流I1增加一个期望值，而调相器M2中的电流I2降低相同的值，以便另一调相器M2中的电流总是满足关系I2=Im-I1。或者，这一过程可以同样地从不同的初始电流比I1/I2开始，但是它总是包括一个固定的电流常数Im。
图4示出的是电流-光路长度变化特性的计算结果，是采用上述光学系统和准推挽驱动系统来改变两个调相器M1、M2中的电流而获得的。图4中的曲线说明单个光路的光路长度变化ΔL1、ΔL2以及所产生的组合光路长度变化ΔOPD依赖于驱动电流。结果表明，通过准推挽系统实现的与两个调相器相关的光束的总光路长度变化的线性度很好，即使每个调相器引起的光路长度变化相对于驱动电流而言线性度很差。这可以通过分析计算进行说明。当调相器M1的驱动电流I1从I1=0变化到最大电流I1=Im时，依据准推挽原理，调相器M2中的电流将从I2=Im变化到I2=0。
曲线示出I1从0增加到Im，同时I2从Im减小到0。在这一电流变化过程中，正如所示的L1增加(ΔL1)而L2减小(ΔL2)。如图所示OPD从初始值OPD0-ΔL2变化到OPD0+ΔL1。
假定光路长度变化ΔL1和调制器M1中的电流I1之间的关系是抛物线，即ΔL1=a+b*I1+c*I12(6)其中，a、b和c是常系数，而且它们的值是依据调相器的特性而定的。系数a必须为0，因为当电流I1等于0时光路长度变化ΔL1为0。同时，调相器M2中的光路长度变化ΔL2和电流I2将满足下列等式ΔL2=a+b*I2+c*I22(7)由于准推挽结构，I2≡Im-I1。这里Im是依据电路调整的常数值。对于每个调相器，它通常等于最大驱动电流。这样，我们就有ΔL2=a+b*(Im-I1)+c*(Im-I1)2(8)系统的总OPD变化是ΔOPD=ΔL1-ΔL2=-(b*Im+c*Im2)+2(b+c*Im)*I1(9)这与电流I1的变化呈线性关系。结果由准推挽驱动系统产生的相位变化与驱动电流之间呈非常好的线性关系(如图4所示)。
当驱动电流从0变化到Im时，我们很容易从方程9得出最大OPD变化ΔOPDmin=-(b*Im+c*Im2)=-ΔL1,max，I1=0时，ΔOPDmax=b*Im+c*Im2=-ΔL1,max,I1=Im(10)这样最大相位变化为Δφd,max=φd,max-φd,min=2*φ1,max=2*Δφ2,max=2π*2ΔL1,max/λ=2π*2ΔL2,max/λ(11)这表明，采用准推挽驱动系统驱动两个调相器的最大相位变化是仅包括一个调相器的系统的最大范围的两倍。
同样地，可以计算幅度调制并表示在图5中。在图5中，示出的所有曲线在它们的最大值点都归一化为功率比1。如上所述，与调相器相关的光束的相位调制是由注入到光路中的电流引起的。当电流注入到光路中时33，载流子和形成光路的波导内的光子作用并引起光散射，这引起光学系统一定的光强度损失或幅度调制。幅度调制是调相器的一个负面影响，应尽可能地减小。通常，幅度调制的重要度量是对于给定电流(或给定相位)的幅度与最大幅度之比。使用两个利用准推挽驱动系统控制的调相器引起的幅度调制比相位调制更加复杂，因此计算(图5所示)是基于非常近似于真实调相器特性的数据。标有功率1的曲线示出的是如果仅驱动第一个调相器时的幅度调制，标有功率2的曲线示出的是仅驱动第二个调相器时的幅度调制，而标有推挽功率的曲线示出的是采用准推挽技术驱动两个调相器时的幅度调制。图中示出准推挽驱动系统产生较小的幅度调制。
实验结果验证了上面的计算。图6示出相位调制的测试结果，而图7示出的是幅度调制的测试结果。
如上所述综合利用具有双调相器的光学系统和用来控制调相器的准推挽驱动系统进行相位及幅度调制的结果，可以归纳如下·总相位变化是双调相器产生的相位变化的相位之和。
·虽然由于单个调制器产生的相位变化偏离理想抛物线响应，相位变化不是理想线性的，但是相位变化的线性度有很大的改善。通常，从相位变化线性度的角度来看，大概提高一个数量级或稍小。
所述的光学系统可以用在有源硅绝缘体(SOI)光学装置上，它包括两个光路，基于干涉原理工作，诸如开关或幅度衰减器。它也可用在干涉仪上，比如说用于解调或处理来自传感器的信号。光学干涉测量是广泛用于高准确度测量的技术。对于这些应用而言，系统准确度取决于调相器的性能。提高线性度或减小幅度调制使得能够达到较高准确度。
上述优点在应用中导致如下结果·可以应用于要求大相位变化范围诸如在干涉传感器中。
·对于固定的相位变化范围，要求较小(大约一半)驱动电流变化。对于开关而言，这意味着接通/断开的脉冲电流减半，这使得更容易提高驱动速度并减小对其它电路的噪声干扰。
·当使用如上所述的驱动电路时，不管光学系统的状态如何，准推挽控制系统从电源得到的电流是常数。因此所述的控制器件减小系统的电辐射，从而使得能够将驱动电路和器件的其余部分包装在一起。
作为PIN二极管调相器的替换品，上述准推挽驱动系统可以与热调相器一起使用。由于有热调相器，沿着其中连接有热调相器的光路传输的光束的相位变化与施加到光路中的热功率有关。由于热功率与电流的平方成比例，因此相位调制一般形式为a*I2，亦即具有抛物线形状。这表明相位随电流变化是高度非线性的，特别是当电流大的时候。然而如果光学系统(比如干涉仪)采用上述的带有准推挽驱动系统的双热调相器，将有效地消除单个调相器的高度非线性，并产生线性的电流响应。
还应注意到，尽管上述本发明最佳实施例，本发明也可与不具有初始OPD(亦即OPD0=0)的有源光学器件一起使用。在这种情形下主要区别是，根据方程4，采用本方法和器件能够获得的相位变化范围与一个调相器的范围相同，而不是双调相器的范围之和(见图8)，然而，除了这个限制外，此结构仍然能够实现本发明的其它所有优点，诸如改善非线性度，有效地降低幅度调制，电源驱动负载恒定，以及对于给定的相位范围需要较小电流变化(减半)。
正如上面指出的，虽然所述的系统和驱动方法可应用到其它形式的器件，光学系统最好制作在硅绝缘体(SOI)芯片上。
光路最好是形成于SOI芯片的上硅层的肋状波导，而PIN二极管调相器最好形成在肋状波导的横向区域上。这种波导和PIN二极管的进一步的详细情况在WO95/08787中给出，它的内容包括在这里以供参考。
权利要求
1．一种光学系统，包括形成至少两个光路的元件，和用于改变两个选择光路长度的结构，所述两个选择光路包括两个调相器，每个调相器耦合到所选光路之一上，和一个驱动系统，用来将功率施加到调相器上以便沿相同的方向驱动它们，和用于沿相反方向改变施加到调相器上的功率量，以便沿不同方向改变每个光路的长度。
2．如权利要求1所述的光学系统，其中所述驱动系统包括沿相反方向把施加到调制器的功率量改变相等量的装置。
3．如权利要求1或2所述的光学系统，其中所述驱动系统包括同时改变施加到调相器上的功率量的装置
4．如权利要求1、2或3所述的光学系统，其中两个选择的光路具有非零的初始光程差。
5．如前述权利要求中任何一项所述的光学系统，其中调相器包括PIN二极管，其中驱动系统向PIN二极管提供电流，还包括用于改变电流以便改变光路长度的装置。
6．如权利要求1至4中任何一项所述的光学系统，其中调相器包括热调相器，其中驱动系统向调相器提供电压，还包括用于改变电压以便改变光路长度的装置。
7．如前述权利要求中任何一项所述的光学系统，其中驱动系统包括驱动电路，该驱动电路包括运算放大器，运算放大器设置成使得当将输入电压施加到驱动电路时，一个运算放大器的输出以与另一个运算放大器的输出的减小速率相同的速率增加。
8．如权利要求7所述的光学系统，其中驱动电路设置成使得在它工作期间产生恒定的驱动电流。
9．如权利要求7或8所述的光学系统，其中所有运算放大器都设置在同一芯片上。
10．如前述权利要求中任何一项所述的光学系统，形成在硅绝缘体芯片上。
11．如权利要求10所述的光学系统，其中光路包括肋状波导。
12．如前述权利要求中任何一项所述的光学系统，形成Mach-Zehnder干涉仪的一部分。
13．一种改变两个光路长度的方法，每个光路包括一个调相器，该方法包括如下步骤将功率施加到两个调相器上以便在相同方向上驱动调相器，沿相反方向改变施加到调相器上的功率量，以便沿不同方向改变每个光路的长度。
全文摘要
一种光学系统包括两个光路(P
文档编号G02F1/01GK1285931SQ9881307
公开日2001年2月28日 申请日期1998年11月12日 优先权日1997年11月12日
发明者R·D·佩克斯特德特, Y·卢 申请人:布克哈姆技术有限公司