光延迟方法和系统与流程

本发明涉及一种光延迟方法和系统，尤其涉及干涉型。

us9,257,745b2公开了一种用于形成由‘相控阵列’天线发射的电场的光子系统，该系统基于由具有两条分支之间的预定时间延迟差的可调谐光学马赫-曾德(mach-zehnder)干涉仪组成的可调谐延迟光子线。

wo2016/170466a1公开了一种用于形成从‘相控阵列’天线接收的无线电信号的波束的光子系统，该系统包括具有周期性频率响应的光可调谐延迟线。

us2003/0128923a1公开了一种光脉冲序列发生器，该光脉冲序列发生器包括可变光延迟电路，该可变光延迟电路进而包括级连的可变不对称马赫-曾德干涉仪。

us6,795,596b2公开了一种可变光延迟线，包括形成生成预定延迟的马赫-曾德结构的第一相变级、第一延迟级和第二相变级。

申请人已经发现，已知的光延迟系统具有一些缺点和/或能够在一些方面被改进。

例如，申请人已经观察到，在us9,257,745b2和wo2016/170466a1中描述的光可调谐延迟系统也在工作波长处引入了光信号的衰减。

例如，申请人已经观察到，在us2003/0128923a1中描述的可变光延迟系统除了具有复杂的结构之外还以离散步长引入可变光延迟。

例如，申请人已经观察到，在us6,795,596b2中描述的可变光延迟线不具有单个工作点并且具有复杂的结构和功能。此外，该延迟线具有有限带宽。

本发明的一个目的在于：提供一种解决上述问题中的一个或多个问题的光延迟方法和系统。

该目的是通过根据所附权利要求和/或具有以下特征的光延迟方法和系统来达成的。

根据一方面，本发明涉及一种光延迟方法，该方法包括：

-提供光延迟设备，该光延迟设备包括：

-包括可变输入耦合器的第一级，该可变输入耦合器具有第一输入端口、以及第一输出端口和第二输出端口、以及分别(直接)光学地连接到所述第一输出端口和所述第二输出端口的第一光路和第二光路，其中第一光路与第二光路之间的光程差大于零；

-中间级，该中间级包括：

-可变中间耦合器，该可变中间耦合器具有第一输入端口和第二输入端口、以及第一输出端口和第二输出端口，其中该中间耦合器的第一输入端口和第二输入端口在第一光路和第二光路的下游分别(直接)光学地连接到第一光路和第二光路；

-在该中间耦合器的下游分别(直接)光学地连接到该中间耦合器的所述第一输出端口和所述第二输出端口的第三光路和第四光路，其中第三光路与第四光路之间的光程差大于零；

-包括可变输出耦合器的输出级，该可变输出耦合器具有第一输入端口和第二输入端口、以及第一输出端口，其中该输出耦合器的第一输入端口和第二输入端口在第三光路和第四光路的下游分别光学地连接到第三光路和第四光路；

-在包括大于或等于零的最小值、小于或等于1的最大值、以及所述最小值到所述最大值之间包括的至少一个值的多个值中选择值k1，其中k1＝sin²(θ)，其中θ大于或等于零且小于或等于π/2；

-将所述输入耦合器和所述输出耦合器的耦合比设为等于所述所选值k1，

-将所述中间耦合器的耦合比设为等于值k2，其中

k2＝sin²(a*θ)

其中a大于或等于1.5且小于或等于2.5；

-将第一光信号引入到所述输入耦合器的所述第一输入端口中；

-通过沿所述光延迟设备传播所述第一光信号来延迟所述第一光信号；

-从所述输出耦合器的所述第一输出端口拾取所述经延迟的第一光信号。

根据一方面，本发明涉及一种光延迟系统，该光延迟系统包括：

-光延迟设备，该光延迟设备包括：

-包括可变输入耦合器的第一级，该可变输入耦合器具有第一输入端口、以及第一输出端口和第二输出端口、以及分别(直接)光学地连接到所述第一输出端口和所述第二输出端口的第一光路和第二光路，其中第一光路与第二光路之间的光程差大于零；

-中间级，该中间级包括：

-可变中间耦合器，该可变中间耦合器具有第一输入端口和第二输入端口、以及第一输出端口和第二输出端口，其中该中间耦合器的第一输入端口和第二输入端口在第一光路和第二光路的下游分别(直接)光学地连接到第一光路和第二光路；以及

-在该中间耦合器的下游分别(直接)光学地连接到该中间耦合器的所述第一输出端口和所述第二输出端口的第三光路和第四光路，其中第三光路与第四光路之间的光程差大于零；

-包括输出耦合器的输出级，该输出耦合器具有第一输入端口和第二输入端口、以及第一输出端口，其中该输出耦合器的第一输入端口和第二输入端口在第三光路和第四光路的下游分别光学地连接到第三光路和第四光路；以及

-第一致动器、第二致动器和第三致动器，其被配置成在大于或等于零的最小值到小于或等于一的最大值之间分别改变所述输入耦合器、所述中间耦合器和所述输出耦合器的耦合比；以及

-命令和控制单元，其被配置成向所述第一致动器和所述第三致动器发送第一命令信号以将所述输入耦合器和输出耦合器的耦合比设为在包括所述最小值和所述最大值、以及所述最小值到所述最大值之间包括的至少一个值的多个值中选择的值k1，并且向所述第二致动器发送第二命令信号以将所述中间耦合器的耦合比设为等于值k2，其中

k1＝sin²(θ)而k2＝sin²(a*θ)

其中θ大于或等于零且小于或等于π/2，并且a大于或等于1.5且小于或等于2.5。

术语‘下游’、‘上游’、‘在前’、‘在后’等指的是光信号沿设备传播的方向。

像往常一样，‘光程’指的是在给定光脉冲下光路的物理长度与有效折射率的乘积。

像往常一样，耦合器的‘耦合比’指的是对于输入端口中的给定光输入功率，输出到输出端口的光功率(在耦合器的至少两个输出端口之间任意选择)与总光输出功率之比。

‘光学地连接的’元件指的是光信号能够从一个元件传播到另一元件的特征，独立之处在于在所考虑的元件之间插入有其他元件的事实。

‘直接光学地连接的’元件指的是没有进一步插入的光学元件。

在不限于任何理论的情况下，根据本申请，前述特征允许在输入耦合器的第一输入端口的输入处的光信号上引起在最小值(通常由每个级的最短光路的光程的总和并且由三个耦合器确定)到最大值(通常由每个级的最长光路的光程的总和并且由三个耦合器确定)之间的多个值中任意的延迟变量，其中功率损耗有限或基本为零，并具有宽带宽，如在以下充分解说的。

本发明在一个或多个前述方面中可具有以下优选特征中的一个或多个优选特征。

优选地，提供了准备第二光信号并相对于所述第二光信号延迟所述第一光信号。以此方式，在期望相对于另一信号改变信号的延迟的任何应用中(例如，在两个信号的同步中，在偏振色散的补偿中、在光束成形中等等)利用本发明是可能的。

优选地，所述第一致动器、所述第二致动器和所述第三致动器被配置成连续地改变所述相应耦合比，并且该耦合比的所述多个值是连续间隔的值。以此方式，光延迟可以连续地任意改变。术语‘连续的’、‘连续性’和类似物表示一连串连续的或紧密间隔的值，间隔步长由耦合器和/或致动器的实现和/或操作的技术极限来确定。

优选地，每个耦合器的耦合比的所述最小值与所述最大值之差大于或等于0.4，更优选地大于或等于0.6，再更优选地大于或等于0.8。

优选地，所述最小值小于或等于0.4，更优选地小于或等于0.3，和/或所述最大值大于或等于0.6，更优选地大于或等于0.7。以此方式，在宽范围的值上改变所引入的延迟是可能的。

优选地，a大于或等于1.7，更优选地大于或等于1.9，和/或小于或等于2.3，更优选地小于或等于2.1。甚至更优选地，a等于2。申请人已经发现，当a等于2时，经延迟信号在工作脉冲下对于任何延迟值都不会经受任何衰减(在建设性的非理想的限定内)，而且该设备展现宽带宽。对于a的不同于2但接近于2的值，经延迟信号的衰减和/或带宽的减小发生，其随着a更多地偏离2而逐渐地增大。

优选地，所述输入耦合器、中间耦合器和输出耦合器中的每一者包括各自具有等于0.5的相应耦合比的相应的第一耦合器和第二耦合器、以及连接第一耦合器和第二耦合器的具有相等光程的一对光路，其中所述相应的致动器被配置成以在该耦合器的所述光路之间引入光相位差2θ的方式来在所述光路之一上工作，其中θ大于或等于零且小于或等于π/2，如以上所定义的。以此方式，该设备的结构、构造和操作是简单的。优选地，所述致动器选自包括以下各项的组：热致动器、电光致动器、充放电致动器、电荷注入致动器、压电致动器、液晶致动器。

优选地，该设备包括光学地插入在所述中间级与所述输出级之间的一个或多个其他中间级，每个其他中间级包括：

-具有第一输入端口和第二输入端口、以及第一输出端口和第二输出端口的其他可变中间耦合器，其中该其他可变中间耦合器的第一输入端口和第二输入端口在下游分别(直接)光学地连接到该中间级或紧挨在前的其他中间级的第一光路和第二光路；

-其他第二致动器，其被配置成在大于或等于零的最小值到小于或等于一的最大值之间改变所述其他中间耦合器的耦合比；以及

-在下游分别(直接)光学地连接到其他可变中间耦合器的所述第一输出端口和所述第二输出端口的其他第三光路和其他第四光路，其中其他第三光路与其他第四光路之间的光程差大于零，

其中该可变输出耦合器的第一输入端口和第二输入端口分别(直接)光学地连接到该紧挨在前的其他中间级的其他第三光路和其他第四光路。

优选地，命令和控制单元被配置成向所述其他第二致动器中的每一者发送所述第二控制信号以将相应的附加中间耦合器的耦合比设为等于所述值k2。

优选地，提供了将每个附加中间耦合器的耦合比设为等于所述值k2。以此方式，增加光延迟的变化间隔是可能的。

优选地，第三光路与第四光路之间的光程差等于第一光路与第二光路之间的光程差。

优选地，每个其他第三光路与其他第四光路之间的光程差等于第一光路与第二光路之间的光程差。

以此方式，设备的工作频带和/或自由光谱范围(或fsr)被最优地确定。

本发明的特征和优点将参照附图通过以下作为本发明的非限定性示例给出的对一些实施例的详细描述来进一步阐明，其中：

-图1是根据本发明的一实施例的光延迟系统的示意图；

-图2是根据本发明的又一实施例的光延迟系统的示意图；

-图3a-c和4a-c分别示出了根据本发明和比较示例的延迟系统的工作特征。

在附图中，示出了根据本发明的光延迟系统1。出于阐述简洁的目的，相同的附图标记将被用于各个实施例中对应的元件。

在下文中，将参照光波导中的实施例(通过使用光纤或者优选地使用集成波导)。然而，本发明可在自由空间中例如通过使用分束器、反射镜等来实现(未示出)。

光延迟系统1包括基于马赫-曾德干涉仪方案的光延迟设备10，光延迟设备10包括第一级11、中间级12、一个或多个可能的其他中间级12′、以及输出级13。

在图1的示例中，设备10仅包括插入在第一级和输出级13之间的中间级12，而图2示意性地示出了除了紧跟在第一级11之后的中间级12之外还具有级联的任意数目的其他中间级12′(由点12′表示)的设备10，这些中间级中的每一者在结构上等于中间级12并且被插入在中间级12与输出级13之间。

第一级11包括可变输入耦合器20，可变输入耦合器20具有第一输入端口21、以及第一输出端口22和第二输出端口23、以及分别直接光学地连接到第一输出端口22和第二输出端口23的第一光路24和第二光路25。

中间级12类似地包括可变中间耦合器30，可变中间耦合器30具有第一输入端口31和第二输入端口32以及第一输出端口33和第二输出端口34，其中该中间耦合器的第一输入端口和第二输入端口在第一光路和第二光路的下游分别直接光学地连接到第一光路24和第二光路25。中间级12进一步包括在中间耦合器的下游分别直接光学地连接到中间耦合器的第一输出端口33和第二输出端口34的第三光路35和第四光路36。

在第一光路与第二光路之间、以及在第三光路与第四光路之间存在相应的光程差δlo1、δlo2，例如，物理长度差、或有效折射率差、或这两者的组合。光程差δlo1、δlo2根据要被给予的最大光延迟来选择，该最大光延迟进而取决于本发明的具体应用。例如，出于信号同步的目的，最大期望的总体延迟可以为ps的量级，而对于光束成形而言，为数百ps的量级。

优选地，光程差δlo1、δlo2对于第一级和中间级而言是相同的。

一般而言，由沿物理长度l的光路(例如，光纤或波导)传播的光信号累积的延迟τ由公式τ＝lng/c给出，其中ng是光路的有效组折射率，而c是光速。将组光程定义为lg＝lng。

每个级具有相应的组光程差δlg，并且因此能够引起最大延迟变化δt＝τmax-τmin＝δla/c，其中τmax和τmin分别为在工作脉冲ω0处计算的单个级(第一级或中间级)的最大延迟和最小延迟。设备1能够引起最大延迟变化δttot，该最大延迟变化δttot等于级联布置的个体级的最大延迟变化的代数和。

输出级13包括可变输出耦合器40，可变输出耦合器40具有第一输入端口41和第二输入端口42、以及第一输出端口43，其中输出耦合器40的第一输入端口41和第二输入端口42在第三光路35和第四光路36的下游分别光学地连接到第三光路和第四光路。

在图1的示例中，第一输入端口41和第二输入端口42分别被直接光学地连接到第三光路35和第四光路36，而在图2的示例中，耦合器40的第一输入端口41和第二输入端口42通过插入一个或多个其他中间级12′来连接到第三光路35和第四光路36。

该设备进一步包括第一致动器45、第二致动器46和第三致动器47(以及可能的其他第二致动器46′)，其被配置成在大于或等于零的最小值到小于或等于一的最大值之间分别改变输入耦合器20、中间耦合器30和输出耦合器40(以及可能的其他中间耦合器30′)的耦合比。

每个可变耦合器20、30、40可以任何方式制成，例如(未示出)它可以是热效应可变定向耦合器。

优选地，如在图1中示例性地示出的，每个耦合器20、30(30′)和40是基于平衡的马赫-曾德干涉仪制成的，每个耦合器20、30(30′)和40包括其各自具有等于0.5的相应固定耦合比的第一耦合器26和第二耦合器27、以及优选地具有连接第一耦合器和第二耦合器的相同光程的一对光路28、29。

示例性地，第一耦合器26和第二耦合器27是定向耦合器(如示例性和示意性地示出的)、或多模干涉耦合器(mmi)(未示出)。

每个相应的致动器45、46和47被配置成在两条光路28、29中的至少一者上工作以在耦合器的光路28、29之间引入期望的光相变2θ，其中θ为0到π/2。优选地，每个致动器选自包括以下各项的组：热致动器、电光致动器、充放电致动器、电荷注入致动器、压电致动器、液晶致动器。

参照耦合器20、30、40基于平衡的马赫-曾德干涉仪的所示示例，每个耦合器20、30和40至条状端口(即，输出端口22属于所选输入端口21的相同光路)的耦合比k由下式给出：

k＝sin²(θ)。

选择交叉端口(即，输出端口23属于与所选输入端口21所属的光路相对的光路)，耦合比与1/k互补。在本发明中，对耦合比的任何引用也包括其相对于一的互补值。在所示示例中，经延迟信号的输出端口为关于输入端口21的条状端口43，然而将设备10配置成使用交叉端口44作为经延迟信号的输出端口(例如通过适当地调整光路24、25、35、36的位置)也是可能的。

如能够看到的，k能够按需改变，基本上通过藉由致动器将2θ从0到π连续地改变来从0到1连续地改变。

系统进一步包括命令和控制单元100，该命令和控制单元100可操作地连接到致动器45、46(46′)和47(例如藉由在附图中以实线箭头示意性地示出的相应连接线)来发送相应的控制信号以将相应耦合比设为期望值。

在一个实施例中，如在图2中示意性地示出的，该系统可包括被光学地插入在前述中间级12与输出级13之间的一个或多个其他中间级12′，每个其他中间级12′包括其他可变中间耦合器30′，其他可变中间耦合器30′具有在下游分别直接光学地连接到中间级12(或紧挨在前的其他中间级)的第一光路35和第二光路36的第一输入端口和第二输入端口、以及具有不同光程并且在下游分别直接光学地连接到其他中间耦合器30′的第一输出端口和第二输出端口的其他第三光路35′和其他第四光路36′。输出耦合器40的第一输入端口41和第二输入端口42分别直接光学地连接到其他前一中间级(即，最后一个其他中间级)的其他第三光路和其他第四光路。

在优选实施例中，系统1可包括反馈线(不仅在图1中用虚线示意性地示出，而且在图2的实施例中也是可行的)，该反馈线被配置成检测(例如藉由光学地连接到端口44的光电二极管(未示出))从输出级13的耦合器40的第二输出端口44输出的光功率，并且根据检测到的功率来将反馈信号发送到命令和控制单元100。

系统1可包括相应的致动器48，致动器48与第一级11、中间级12以及可能的其他中间级12′中的每一者的两条光路之一可操作地相关联以在相应的光路上引入期望的相变。

系统1可包括其他致动器45′、46′和47′，其被配置成在两条光路28、29中的另一者上工作以在相应耦合器的光路28、29之间引入期望的光相变。

优选地，命令和控制单元100被配置成根据所接收的反馈信号来将相应的校正信号发送到致动器45′、46′、47′、48中的一者或多者。

在替换实施例(未示出，因为对于本领域普通技术人员是容易实现的)中，本发明的系统可基于迈克尔逊(michelson)干涉仪方案。例如，该系统可包括具有第一致动器45(如图1中所示)的第一级11、以及设有反射元件(例如，波导中的反射间断点(诸如自由面或sagnac(萨尼亚克)环、多峰干涉反射器、布拉格(bragg)光栅等))的中间耦合器，该反射元件能够将光信号再次反射回第一级11中。例如，中间耦合器可包括第一定向耦合器(如图1中所示)、以及第一光路和第二光路，其中的一条光路被装备有致动器46。在每条光路上都放置反射元件以将光信号再次反射回第一定向耦合器。在这一情形中，设备10的输出端口是输入耦合器20的相同输入端口21或第二输入端口21′。合适的循环器或光功率分配器被光学地连接到端口21和/或端口21′以将输入和输出信号、和/或反馈信号分开。

在使用中，系统1可实现本发明的光延迟方法。

尤其参照图1的实施例，命令和控制单元100向第一和第三致动器45、47发送第一命令信号，第一命令信号对于两个致动器而言是相等的并且因变于期望的总延迟τ。

第一命令信号根据公式τ-τmin＝2k1δt因变于期望的总延迟τ来将输入耦合器20和输出耦合器40的耦合比设为在最小值到最大值之间(例如在零到一之间)的连续值范围内选择的值k1。

在图1中所示的示例1，第一控制信号表示相应的致动器给相应的光路的相变2θ，其中θ大于或等于零且小于或等于π/2，其中在条状端口中k1＝sin²(θ)。

命令和控制单元100向第二致动器46发送第二命令信号，该第二命令信号将中间耦合器的耦合比设为等于值k2。

在图1中所示的示例中，第二控制信号表示相应的致动器给相应的光路的相变，其中根据本发明该相变等于2aθ，其中a大于或等于1.5且小于或等于2.5，并且其中k2＝sin²(a*θ)。

要被延迟的光信号50被引入到输入耦合器20的第一输入端口21中，并且捕获沿光延迟设备10传播期间的光延迟τ。经延迟光信号51从输出耦合器40的第一输出端口43(条状端口)发射。

优选地，设备的未经使用的输出端口(交叉端口44)可被用来选择和/或稳定工作点。从端口44出来的信号被用来生成误差信号(例如但不仅限于通过将光信号转换成电信号的光检测器)。单元100使用误差信号来控制致动器。例如，通过控制致动器45′、46′、47′，单元100确保相应的耦合器实现期望的耦合比，并且通过控制致动器48，单元100选择并稳定工作脉冲ω0。

图3a、3b和3c示出了a＝2的图1的系统1(具有仅两个级)的特性，其中中间级的组光程差等于第一级的组光程差δlg1＝δlg2＝δlg。

图3a、3b、4a和4b的不同线根据以下这些线上的标记的图例来对应于k1的不同值(关于条形端口)：圆：k1＝0(θ＝0且k2＝0)；圆：k1＝1(θ＝π/2且k2＝0)；矩形：k1＝0.3(θ＝0.582且k2＝0.84)；菱形：k1＝0.4(θ＝0.684且k2＝0.960)；三角形：k1＝0.5(θ＝π/2且k2＝1)；(x)：k1＝0.6(θ＝0.885且k2＝0.960)以及(+)：k1＝0.7(θ＝0.993且k2＝0.84)。

图3a示出了经延迟光信号的功率传输(以db为单位)因变于光学脉冲(以rad/s为单位)，其中ω0为系统1的工作脉冲(例如，由ω0δlo/c＝(2n+1)π给出，其中n为整数，δlo为单个级的光路差)，且fsr为系统1的自由光谱场。如图3a中所示，在工作脉冲ω0下，对于k1的任何值，延迟信号都不会经受任何功率损耗。将‘带宽’b定义为工作脉冲附近的带宽，在该带宽处光信号的衰减小于或等于3db，如由图3a和4a中的双箭头所指示的。归一化带宽被定义为b/fsr。

图3b示出了系统1的经延迟光信号的归一化光延迟因变于光脉冲(以rad/s为单位)。归一化光延迟指的是(τ-τmin)/δt，其中τ为实际延迟。

图3b示出了在工作脉冲下归一化延迟能够连续地随意地从零到至多达两倍δt改变。

图3c示出了在工作脉冲下归一化光延迟(实线和左标度)和归一化带宽(虚线和右标度)因变于(水平轴上的)耦合比k1。归一化延迟随k1线性地增加。归一化带宽总是保持在0.6以上，其中最小值大约在k1＝0.15和k1＝0.85。

图4a、4b和4c示出了仅仅包括在直接地耦合到图1的输出级13的图1的第一级11中的比较光延迟系统的特性。换言之，该系统具有类似于图1中所示的结构，而不具有整个中间级12及相应的致动器。

如附图中所示，光延迟根据公式τ-τmin＝k1δt在0与δt之间线性且持续性地变化，并且最小归一化带宽在k1＝0.5处等于0.5。

本发明能够在各种应用中使用，例如，在对信号的延迟或两个信号之间的相对延迟(例如，由于需要同步)的控制中使用；在对馈送给阵列天线(光束成形网络)的每个振子的各种信号的相对延迟的控制中使用；在传感器(例如布里渊(brillouin)传感器)中使用；在光载无线系统中对射频信号的相对相位的控制中使用；在对偏振色散的补偿中使用。