具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法与流程

本公开涉及一种具有共享输入输出路径的光学相干成像器和用于感测相干光的方法。更具体地，本公开涉及一种具有基于偏振分集的共享输入输出路径的光子集成电路和用于感测相干光的方法。

背景技术：

1、光学相干成像器是一种有源成像系统，该系统包括光学探测器(本文称为“传感器”)阵列和光源(通常是例如激光器等相干光源)。光源用于目标照明以及提供用于光学相干检测(也称为光学外差检测)的本地振荡器(local oscillator,lo)的目的。这样的光学相干成像器可以用于包括三维(three dimensional,3d)频率调制连续波(frequencymodulated continuous wave,fmcw)激光雷达(laser radar,lidar)和光学相干断层扫描(optical coherence tomography,oct)在内的应用中。被目标反射(或散射)并被成像器接收的照明光在此被称为接收到的光学目标信号，或简称为目标信号。

2、传统上，为了执行光学相干检测，光学相干成像器通过在由成像器的传感器执行检测之前使用体光学(bulk optics)在自由空间中将lo与目标信号相干地组合来操作。相反，具有基于光子集成电路(photonic integrated circuit,pic)技术的检测传感器的光学相干成像器允许在光子芯片(在本公开中也称为pic芯片)上混合lo和目标信号。更具体地，基于pic的传感器包括相干感测单元的阵列，该阵列起到例如电荷耦合器件(chargecoupled device,ccd)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor,cmos)图像传感器等传统检测阵列的有源检测像素的作用。代替在传统检测阵列中直接在像素处执行光电检测(photo-detection)，基于pic的传感器的相干感测单元通过自由空间到波导耦合器将来自自由空间的目标信号耦合到pic芯片上的多个波导中。然后，可以使用在pic芯片上实现的各种光子部件来操纵和处理在波导中表现为波导模式的目标信号，包括使用2×2光学耦合器和由光电探测器进行的检测来进行与lo的相干混合。这里，lo可以通过耦合器将lo光引入pic芯片而表现为波导模式。随着激光器在pic芯片上的单片和异质集成的最新发展，光源甚至可以集成在基于pic的传感器的同一pic芯片上。

3、对于目标照明，有源成像器中通常使用两种方法：(1)全场照明和(2)利用扫描波束的有限场照明。

4、对于全场照明，目标场景被照明光淹没，使得传感器的整个瞬时视场(field-of-view,fov)接收从场景反射或散射的光学信号。全场方法的优点包括高帧速率和简化的数据后处理输出格式，因为它使传感器能够像普通相机一样获取图像。全场方法的显著缺点是照明激光功率分布在大面积上，导致反射或散射回成像器传感器的每个感测单元的光子较少。因此，全场方法要求成像器传感器具有更高的灵敏度，这通常需要使用外来且昂贵的材料来制造传感器。由于例如眼睛安全等实际因素，全场方法还可能限制有源成像器在受最大照明激光功率限制的距离内操作。

5、对于利用扫描波束的有限场照明，通过使用某些扫描机制操纵激光波束，由照明激光波束扫描目标场景。在每个扫描位置，只有成像器传感器的有限fov接收目标信号。该有限fov取决于照明激光波束的光斑大小和成像器的成像光学器件。由于有限场照明方法中所使用的fov较小，激光功率集中在较小的区域，导致成像器传感器在相应fov处接收到更多的光子。因此，在给定相同的照明激光功率的情况下，有限场照明方法通常允许有源成像器在比全场照明方法更长的距离内操作。

6、对于利用基于pic的传感器并以有限场照明方法操作的光学相干成像器，波束扫描机制可以在传感器的同一pic芯片上实现，以降低成像器的制造成本。可在pic芯片上实现的常见波束扫描机制包括光学相控阵(optical phased array,opa)。然而，用于波束扫描机制的光子部件(本文称为“发射器”)通常在pic芯片的与检测区域分离的区域中实现，该检测区域包括基于pic的传感器的自由空间到波导耦合器(本文也称为“接收器”)。由于这种分离，发射器和接收器可能需要单独的光学系统，以便分别将照明光波束引导到目标，并且最大限度地将目标信号耦合到接收器。

7、在利用有限场照明的光学相干成像器中，可能希望发射器和接收器共享相同的光学系统，用于分别照明目标以及接收目标信号。甚至更希望的是，出射探测波束和入射目标信号的光路是相同的。这样的输入输出路径共享成像器的优点包括简化的光学系统和简化的发射器和接收器之间的校准。简化的光学系统可以通过使成像器能够更具体地仅向在波束扫描过程期间从目标接收信号的那些相干感测单元供应lo光来导致激光功率的更有效使用。

8、参考文献

9、1.lawrence c.gunn,iii、thierry j.pinguet、maxime j.rattier和jeremywitzens于2003年12月12日提交的美国专利号第7,006,732b2号“偏振分路光栅耦合器”(lawrence c.gunn,iii,thierry j.pinguet,maxime j.rattier,and jeremy witzens,“polarization splitting grating couplers,”u.s.patent no.7,006,732b2,fileddec.12,2003)。

10、2.2014年《光学快报》第22卷第27175-27182页bing shen、peng wang、randypolson和rajesh menon的“用于高效紧凑自由空间到波导耦合的集成超材料”(bing shen,peng wang,randy polson,and rajesh menon,“integrated metamaterials forefficient and compact free-space-to-waveguide coupling,”optics express,vol.22,pp.27175-27182(2014))。

11、3.2011年《光学快报》第36卷第6期第796-798页xia chen和hon k.tsang，的“用于绝缘体上硅纳米光子波导的偏振无关光栅耦合器”(xia chen and hon k.tsang,“polarization-independent grating couplers for silicon-on-insulatornanophotonic waveguides,”optics letters,vol.36,no.6,pp.796-798(2011))。

12、4.2015年《科学报告》第5期第17532页junming zhao,lianhong zhang,jensenli,yijun feng,any dyke,sajad haq和yang hao的“基于场变换方法的广角多倍频程宽带波片”(junming zhao,lianhong zhang,jensen li,yijun feng,any dyke,sajad haq,andyang hao,“awide-angle multi-octave broadband waveplate based on fieldtransformation approach,”scientific reports,5,17532(2015))。

13、5.2019年《光波技术杂志》第37卷第5期第1463页paolo pintus、duanni huang、paul adrian morton、yuya shoji、tetsuya mizumoto、john e.bowers的“通过ce:yig键合的硅光子中的宽带te光隔离器和环形器”(paolo pintus,duanni huang,paul adrianmorton,yuya shoji,tetsuya mizumoto,john e.bowers,“broadband te opticalisolators and circulators in silicon photonics through ce:yig bonding,”journal of lightwave technology,vol.37,no.5,p.1463(2019))。

技术实现思路

1、本公开提供一种在光子集成电路(pic)上实现的光学相干成像器，其通过利用偏振分集实现用于发射和接收光学信号的共享路径。本公开还提供一种包括光学相干感测单元阵列以简化成像器的设计和校准的光学相干成像器，以及用于通过光学相干成像器进行相干感测的方法。

2、在一方面，本公开提供一种光学相干传感器，该光学相干传感器包括多个相干感测单元和设置在相干感测单元上的偏振变换器。每个相干感测单元包括：偏振分集光学耦合器，其能够将具有第一偏振态的光学信号引导到自由空间和第一波导以及从自由空间和第一波导引导具有第一偏振态的光学信号，并且能够将具有第二偏振态的光学信号引导到自由空间和第二波导以及从自由空间和第二波导引导具有第二偏振态的光学信号；一个或更多个2×2光学耦合器，其通过第一波导和第二波导中的至少一个来光学耦合到偏振分集光学耦合器；以及一个或更多个光电探测器，其光学耦合到2×2光学耦合器。

3、在一个实施例中，偏振分集光学耦合器包括第一子耦合器和第二子耦合器。

4、在一个实施例中，第一子耦合器和第二子耦合器中的一个子耦合器是偏振相关的，其与预定偏振态的光学信号最佳地耦合，并且其中，第一子耦合器和第二子耦合器中的另一子耦合器是偏振无关的，其与任何偏振态的光学信号最佳地耦合。

5、在一个实施例中，第二子耦合器设置在第一子耦合器上并且与第一子耦合器垂直分离。

6、在一个实施例中，第一子耦合器和第二子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。

7、在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器和第二子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器和第二子耦合器上。

8、在一个实施例中，偏振变换器包括至少一个偏振相关分束器。

9、在一个实施例中，偏振变换器包括一个或更多个偏振转换器，其将线性偏振的光学信号旋转预定角度。

10、在一个实施例中，至少一个偏振转换器是法拉第旋转器。

11、在一个实施例中，偏振变换器包括一个或更多个四分之一波片。

12、在一个实施例中，偏振分集光学耦合器还包括第三子耦合器。在一个实施例中，第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器设置在光子衬底上并且彼此横向分离。

13、在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器中的一个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并且将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器、第二子耦合器和第三子耦合器中的两个子耦合器上。

14、在一个实施例中，偏振分集光学耦合器还包括第四子耦合器。

15、在一个实施例中，偏振变换器将来自第一子耦合器、第二子耦合器、第三子耦合器和第四子耦合器中的两个子耦合器的出射光学信号引导到自由空间中的光路，并且将来自光路的入射光学信号分离为具有第一偏振态的第一光学信号和具有第二偏振态的第二光学信号，第一光学信号和第二光学信号中的一个或两个被偏振变换器在空间上移位，使得第一光学信号和第二光学信号分别入射在第一子耦合器、第二子耦合器、第三子耦合器和第四子耦合器中的两个子耦合器上。

16、在另一方面，本公开提供了一种光学相干成像器，其包括上述光学相干传感器和包括多个透镜的成像光学系统，其中，成像光学系统被设置为使得光学相干传感器位于成像光学系统的成像平面附近。

17、在又一方面，本公开提供了一种用于光学相干成像的方法，包括：从光学相干成像器沿着一个或更多个光路向一个或更多个目标分别发射一个或更多个出射光学信号，一个或更多个光路分别对应于光学相干成像器的一个或更多个视场位置；由光学相干成像器沿着光路接收从出射光学信号照明的目标反射的一个或更多个入射光学信号；由光学相干成像器的偏振变换器，将每个入射光学信号转换为具有第一偏振态的第一光学分量和具有第二偏振态的第二光学分量，其中，第一偏振态与第二偏振态正交；以及由光学相干成像器的光学相干传感器上的一个或更多个偏振分集光学耦合器，将入射光学信号的第一光学分量和第二光学分量引导到光学相干传感器的一个或更多个光电探测器，以便在光学相干成像器的每个视场位置处利用本地振荡器光来执行外差检测，从而确定视场位置处的目标的信息。

18、在一个实施例中，发射出射光学信号包括：从光源产生一个或更多个源光学信号；由偏振分集光学耦合器将源光学信号转换为出射光学信号，其中，每个出射光学信号具有第一发射偏振态；以及从偏振分集光学耦合器发射出射光学信号。

19、在一个实施例中，在从偏振分集光学耦合器发射出射光学信号之后，该方法还包括由光学相干成像器的偏振变换器将每个出射光学信号从第一发射偏振态变换为第二发射偏振态。

20、在一个实施例中，转换入射光学信号包括将每个入射光学信号的第一偏振态旋转第一预定偏振角，并将每个入射光学信号的第二偏振态旋转第二预定偏振角。

21、在一个实施例中，转换入射光学信号包括根据第一偏振态和第二偏振态在空间上移位每个入射光学信号的第一分量和第二分量中的至少一个，使得第一分量和第一分量分别入射在每个偏振分集光学耦合器中的第一子耦合器和第二子耦合器上。