用于电光移相器的温度反馈制造技术

本公开涉及用于电光移相器的温度反馈。光学设备的发射器包括半导体波导，每一个在半导体波导中并入有电光移相器，该电光移相器可操作成改变波导的折射率，从而在通过波导传播的光中引入相移。电光器件连接到相移控制器和温度测量部件，诸如PTAT电路，该温度测量部件集成到承载波导的电子或光子芯片中。可以将由测量部件进行的温度测量与移相器的正常操作进行复用，使得温度测量功能不与移相功能发生干扰。

Temperature Feedback for Electro-optic Phase Shifter

【技术实现步骤摘要】
用于电光移相器的温度反馈优先权要求本申请是来自在2018年1月19日提交的美国临时申请No.62/619,156的专利提交，并要求该美国临时申请的优先权，该美国临时申请的整个公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
对于光学相控阵（OPA），电光移相器针对其性能度量（诸如，低功率消耗和高速度）是优选的。然而，电光移相器的性能可能在优选操作范围外的温度处受影响，这是因为引发期望相移所需的电压是典型温度相关的。因此，取决于移相器的材料和结构，环境温度变化可能扰乱电光移相器的准确度。常常在Lidar（光检测和测距）设备和光学成像设备中使用OPA，该光学成像设备包括数码相机、MRI、CT和其中准确度重要的任何合适成像设备。因温度所致的期望相移所需的电压中的任何轻微偏差可能显著损害相机或Lidar的性能，除非所施加的电压被调整。存在下述需要：避免因温度所致的这些成像设备和Lidar设备的部件的性能中的损害，这些部件包括移相器部件。本公开提供了针对关于电光移相器的该问题的改进措施，其不要求对用于制造移相器的过程的任何改变且仅使用电子控制电路。
技术实现思路
提供了一种用于计及使用电光移相器的光学相控阵中的优选操作范围外的温度的光学设备和方法。特别地，本文公开的设备和方法利用半导体波导中的电光移相器处的现有触点，该触点已经连接到用于控制波导的折射率的电子或光子芯片电路。根据本公开的一个特征，温度测量部件（诸如，PTAT电路）集成到电子或光子芯片中且连接到现有移相器触点。在进一步的特征中，可以将由测量部件进行的温度测量与芯片和移相器的正常操作进行复用，使得温度测量功能不与移相功能发生干扰。附图说明图1是示例性Lidar或3D相机系统的图。图2是诸如用于在Lidar系统中使用的示例性发射器的示意图。图3是针对图2中所示的系统而在移相器阵列中使用的电光移相器的图。图4是根据本公开的一个实施例的并入有PTAT的电光移相器的图。图5是被并入到图2中所示的示例性发射器中的本公开的电光移相器的图。具体实施方式出于促进本公开原理的理解的目的，现在将参考在附图中图示且在以下撰写的说明书中描述的实施例。应当理解，由此不意在限制到本公开的范围。应当进一步理解，本公开包括对所图示的实施例的任何更改和修改，且包括如对本公开所属领域技术人员来说通常将想到的本文公开的原理的进一步应用。在图1中示出了Lidar系统或3D相机的一般架构。3D相机包括发射器TX，其可操作成将来自光源（诸如，激光器）的光的幅度调制成一系列脉冲，其中使用适当光学元件将光分发到场景。相机进一步包括接收器RX，其中收集从场景反射的光并将反射的光成像到传感器阵列（诸如，CMOS芯片上的光电二极管阵列）上。使用电子电路来测量TX光中的由传感器元件中的每一个响应于RX光而生成的电气波形（例如，光电二极管电流）相对于原始调制波形的时间延迟，以确定光学信号从源TX到接收器RX的飞行时间。在某些应用中，发射器TX包括波束定向电路，其控制TX光的方向，诸如以扫描场景或对象。图2示出了图1中所示的Lidar或相机系统中的发射器的示意图（尽管其他系统可以在其他应用中使用类似系统）。该系统包括分束器、波导阵列、移相器阵列和天线阵列，如本领域中已知的那样。分束器用于将一个输入光束拆分成多个光束，该多个光束沿由光波导阵列中的波导限定的多个光学路径而传播。移相器阵列典型地被构建在波导阵列平台上，以将相位延迟引发到传播的光束中的某些光束中。天线阵列耦合来自固态Lidar的光束，以向正在观察的对象或场景进行发射。利用由移相器阵列引发的相位延迟，可以将输出光束定向成不同角度，这允许固态相机或Lidar从不同方向收集信息。在某些Lidar或3D相机系统中，移相器阵列包括电光移相器，其基于材料的折射率对该材料中的载流子浓度的依赖性来进行操作。在一个实施例中，电光移相器12可以采取半导体波导10中的PN结的形式，如图3中所示。图3的传统移相器包括光子半导体芯片上的半导体波导10，该光子半导体芯片包括限定波导的一侧的p掺杂半导体层11a和限定相对侧的邻近n掺杂半导体层11b。半导体波导的p掺杂和n掺杂层11a、11b均在层之间的结（PN结）处包括电触点14，以用于将波导集成到电子控制电路中，如本领域中已知的那样。通过将正向偏置电流施加到PN结并改变该电流的电平，或者通过将反向偏置电压施加到它并改变该电压的电平，可以控制PN结处的载流子的浓度，从而更改波导的折射率。全部这两种方法（正向电流或反向电压控制）普遍被用在实现电光移相器时，如在A.Liu,L.Liao,D.Rubin,H.Nguyen,B.Ciftcioglu,Y.Chetrit,N.IzhakyandM.Paniccia,“High-speedopticalmodulationbasedoncarrierdepletioninasiliconwaveguide,”OpticsExpress,vol.15,no.2,pp.660-668,2007（其整个公开内容通过引用并入本文）中所公开。然而，这种移相器易受波导介质上的热波动影响，这可能导致对其折射率和其总体性能的显著影响。一种解决该问题的方式是：测量波导的温度，并通过关于波导温度从基线温度的偏差使被施加到波导的控制电压或电流发生变化，来补偿其热波动。在典型电子系统和集成电路设计中，凭借所谓的正比于绝对温度（PTAT）电路来执行温度测量，该PTAT电路诸如在M.P.Timko,“ATwo-TerminalICTemperatureTransducer,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,Vols.SC-11,no.6,pp.784-788,1976（其整个公开内容通过引用并入本文）中描述。这些在先电路依赖于二极管的I-V曲线是其结温度的函数，即：其中Idiode是二极管电流，Vdiode是二极管电压，kB是玻尔兹曼常数，qe是电子电荷，并且T是以开尔文表示的绝对温度。PTAT可以生成下述信号或量值：该信号或量值可以与参考信号或量值比较，以实际上确定电路相对于基线温度的温度差。该温度差可以用于校准被施加到PN结的电压或电流以提供期望的相移。示例性PTAT设备包括：由AnalogDevices,Inc.销售的AD590系列的表面安装温度换能器；或者在于1978年10月31日授权给MichaelTimko的美国专利No.4,123,698和于2013年3月26日授权给SeikoInstruments,Inc.的美国专利No.8,403,559中公开的设备，这些美国专利的公开内容通过引用并入本文。某些PTAT设备操作为经校准的温度相关电流源，使得输出电流指示针对波导或PN结的相对于基线温度的温度差。为了使用这种技术以测量移相器的温度，将二极管置于光子芯片上、波导附近，使得可以使用其I-V曲线以测量接近于移相器的局部温度。然而，该方案可能是有问题的。首先，在诸如光学相控阵（OPA）之类的应用中，期望彼此极为接近地放置移相器，以确保当相同电压或电流被施加到移相器时每一个移相器向对应光束引发的相移之间的相关性。此外，在大多数OPA应用中，存在针对芯片安装设备的空间要求，因此，移相器和其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学发射器，包括：光源；波导，连接到所述光源以从所述光源接收光，所述波导被配置成将所述光传播到输出；被并入到所述波导中的移相器，其可控制以改变所述波导在所述移相器处的折射率，所述移相器包括电触点；相移控制器，在所述电触点处电连接到所述移相器，且可操作成控制被施加到所述移相器的电流和/或电压以改变所述折射率；以及温度检测部件，在相同电触点处电连接到所述移相器，且可操作成生成指示所述移相器的温度的信号。

【技术特征摘要】
2018.01.19 US 62/6191561.一种光学发射器，包括：光源；波导，连接到所述光源以从所述光源接收光，所述波导被配置成将所述光传播到输出；被并入到所述波导中的移相器，其可控制以改变所述波导在所述移相器处的折射率，所述移相器包括电触点；相移控制器，在所述电触点处电连接到所述移相器，且可操作成控制被施加到所述移相器的电流和/或电压以改变所述折射率；以及温度检测部件，在相同电触点处电连接到所述移相器，且可操作成生成指示所述移相器的温度的信号。2.如权利要求1所述的光学发射器，其中所述温度检测部件是正比于绝对温度（PTAT）电路。3.如权利要求1所述的光学发射器，进一步包括：控制器，连接到所述相移控制器和所述温度检测部件，且可操作成作为由所述温度检测部件生成的信号的函数而调整由所述相移控制器施加到所述移相器的电流和/或电压。4.如权利要求3所述的光学发射器，其中所述控制器在温度检测模式中被配置成且可操作成：中断所述相移控制器的操作；以及在所述相移控制器被中断时激活所述温度检测部件。5.如权利要求4所述的光学发射器，其中所述控制器被配置且可操作在所述温度检测模式中达预定时段。6.如权利要求4所述的光学发射器，其中所述控制器在所述相移控制器的操作期间以预定间隔被配置且可操作在所述温度检测模式中。7.如权利要求6所述的光学发射器，其中所述控制器以所述预定间隔被配置且可操作在所述温度检测模式中达预定时段。8.如权利要求3所述的光学发射器，其中所述控制器在温度检测模式中可操作成在不中断所述相移控制器的操作的情况下激活所述温度检测部件。9.如权利要求8所述的光学发射器，其中：所述波导的所述移相器包括PN结；并且所述电触点在所述PN结处。10.如权利要求1所述的光学发射器，进一步包括：分束器，从所述光源接收光，所述分束器将所述光拆分到多个波导，所述多个波导中的每一个包括所述移相器和PN结处的所述电触点，其中所述相移控制器电连接到所述多个波导中的每一个的电触点，并且所述温度检测部件是电...

【专利技术属性】
技术研发人员：B贝罗茨普尔，P拉耶瓦尔迪，JN卡斯佩尔斯，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE