光子相干检测阵列制造技术

本发明专利技术涉及相干检测阵列以及用于相干检测阵列的信号读出的多路复用的方法。相干检测阵列可以在光子集成电路(PIC)上实现。它可以包括与连接波导和导电路径耦合的多个相干检测单元，其中，导电路径可以表现为用于多路复用电信号的读出通道。检测单元可以被配置为包括自由空间到波导耦合器、光耦合器和光电检测器。相干检测阵列实现可以利用相干检测阵列的额外自由度的多路复用方法。这些方法可以包括由本地振荡器实现的那些方法和与基于PIC的检测阵列的组件的特性和响应相关的那些方法。测阵列的组件的特性和响应相关的那些方法。测阵列的组件的特性和响应相关的那些方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光子相干检测阵列
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年8月20日提交的美国临时专利申请No.62/889,065的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及光相干检测，尤其涉及用于光相干检测的检测阵列。

技术介绍

[0004]光相干检测(也称为光外差检测)能够测量光信号相对于参考光信号(通常称为本地振荡器(local oscillator，LO)的场振幅和相位两者，而直接光检测仅测量光信号的光强度。相干检测的优点包括近散粒噪声限制的光学放大、背景光的抑制和通过相位提供附加信息。
[0005]当在成像系统的焦平面处使用时，通常被称为焦平面阵列(focal plane array，FPA)的检测阵列是通过利用空间并行性来提供场景的快速信号采集的检测单元的阵列。诸如CCD和CMOS图像传感器的传统检测阵列技术仅在直接光学检测模式下操作。为了实现并行空间相干检测，直接检测阵列需要被设置在干涉测量配置中，其中，需要自由空间体光学器件来将信号光与检测阵列上的LO相干组合。然而，此配置是笨重的且引起传入信号波束与LO波束的空间模式匹配的问题，这可能会影响相干检测的效率。
[0006]一种基于光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)技术的相干检测阵列，通过对光子芯片进行光学干涉，大大简化了相干成像系统，其中，信号光和LO光通常表现为相同的波导模式，从而使模式匹配问题自然解决。基于PIC的相干检测阵列的已知形式是由非专利文献[Firooz Aflatouni,Behrooz Abiri,Angad Rekhi,和Ali Hajimiri,“Nanophotonic coherent imager(纳米光子相干成像仪),”Optics Express 23,5117
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5125(2015)]中描述的纳米光子相干成像仪(Nanophotons Coherent Imager，NCI)。在NCI中，相干检测阵列被配置为使得每个检测像素的光学天线(光栅耦合器)利用波导单独地连接到感测区域之外的定向耦合器和光电检测器。NCI的像素间距随着像素的数量线性增加以容纳路由波导的空间，因此所得到的PIC芯片的尺寸随着像素的数量平方地增加。结果，在尺寸和成本很高的情况下，所描述的NCI方案可以限于几个像素。
[0007]此外，对于受益于实时检测的某些相干感测应用，期望相干检测阵列以高帧速率操作。这些应用包括调频连续波(frequency
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modulated continuous
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wave，FMCW)光检测和测距(LIDAR)以及光学相干断层扫描(optical coherence tomography，OCT)。现代高像素计数直接检测阵列通过在像素阵列的每列上或者甚至在每个像素处结合模数电路(analog
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to
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digital circuit，ADC)以实现并行读出和转换来实现高帧速率。然而，这些检测阵列仍然需要将像素信号逐行传送到列寻址电路的水平寄存器。使用原位帧存储实现的最先进的基于CMOS的直接检测阵列能够以非常高的采样速率操作，但是帧存储电路基本上限制了检测阵列中的像素数量。通常，相干或直接检测阵列的现有设计及其操作会遭遇像
素计数与帧速率之间的权衡。

技术实现思路

[0008]本专利技术的实施例描述了在光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)上实现的相干检测阵列以及利用检测阵列的特性读出相干检测信号的多路复用方法。相干检测阵列可以包括与连接波导和导电路径耦合的多个相干检测单元，其中，本地振荡器(LO)光通过连接波导被引入到相干检测单元中。检测单元可以被配置为包括：自由空间到波导耦合器、光耦合器以及光电检测器，自由空间到波导耦合器用于将来自介质(包括但不限于自由空间)的入射信号光接收到检测单元中；光耦合器将信号光与LO光混合；光电检测器测量混合的信号LO光。导电路径可以表现为用于多路复用电信号的读出通道，其中，读出通道可以促进检测单元的堆叠和相干检测阵列的可扩展性，而无需复杂的波导路由或光交换。相干检测阵列还实现可以利用相干检测阵列的额外自由度的多路复用方法。这些方法可以包括由本地振荡器实现的那些方法和与基于PIC的检测阵列的组件的特性和响应相关的那些方法。相干检测阵列的可缩放设计以及可应用于阵列的多路复用方法可以使相干检测阵列能够同时实现高像素计数和高帧速率操作。
附图说明
[0009]技术人员将理解，附图主要用于说明性目的并且不旨在限制本文描述的本专利技术主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文中所公开的专利技术主题的各方面可以在附图中被夸大或放大地示出，以便于对不同特征的理解。
[0010]图1示出了根据本专利技术的第一优选实施例的相干检测单元的配置的示例，其中，采用了两个光电检测器。
[0011]图2和图3示出了根据本专利技术的第二优选实施例的相干检测阵列的配置的示例，其中，采用了图1的实施例。图3是图2的修改示例，其中，相干检测单元的光电检测器的一个或更多个电极可以通过跨不同列而不是跨不同行的导电路径来连接。
[0012]图4和图5示出了根据本专利技术的第三优选实施例的相干检测单元的另一配置的示例。图4是采用单个光电检测器的实施例。图5是图4的修改示例，其中，可以移除一个或更多个波导和/或光耦合器来简化检测单元。
[0013]图6、图7、图8和图9示出了根据本专利技术的第四优选实施例的相干检测阵列的配置的示例，其中，可以在每个检测单元处采用单个光电检测器。图6是采用图4的实施例的相干检测阵列。图7是图6的第一修改示例，其中，检测单元的光电检测器的一个或更多个电极可以通过跨不同列而不是跨不同行的导电路径连接。图8是采用图5的实施例的图6的第二修改示例。图9是图6的第三修改示例，其中，结合了根据图7和图8对图6的修改。
[0014]图10、图11、图12和图13示出了根据本专利技术的第五优选实施例的相干检测单元的配置的示例，其中，可以在检测单元处单独地检测输入光的两个偏振。图10是输入光可以通过分离自由空间到波导耦合器的偏振光耦合到检测单元并且单个光电检测器可以用于检测光的每个偏振的实施例。图11是图10的第一修改示例，其中，单个本地振荡器源可用于干涉输入光的两个偏振。图12是图10的第二修改示例，其中，可以移除一个或更多个波导以简化相干检测单元。图13是图10的第三修改示例，其中，结合了根据图11和图12对图10的修
改。
[0015]图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20和图21示出了根据本专利技术的第六优选实施例的相干检测阵列的配置的示例，其中，可以在阵列的检测单元处单独地检测输入光的两个偏振。图14是采用图10的实施例的相干检测阵列。图15是图14的第一修改示例，其中，检测单元的光电检测器的一个或更多个电极可以通过跨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种相干检测阵列，包括：多个相干检测单元，每个相干检测单元包括：自由空间到波导耦合器；第一波导，所述第一波导用于引导本地振荡器光，其中，所述第一波导通过第一光耦合器与所述自由空间到波导耦合器耦合；以及与所述第一光耦合器耦合并且从所述第一光耦合器接收光子的一个或更多个光电检测器；一个或更多个连接波导，所述一个或更多个连接波导通过多个第二光耦合器与所述多个相干检测单元耦合，其中，每个连接波导与所述多个相干检测单元的第一子集或全部耦合，所述连接波导通过经由所述第二光耦合器中的一个与所述相干检测单元的第一波导耦合而与所述多个相干检测单元的所述第一子集或全部中的每个相干检测单元耦合；以及一条或更多条导电路径，所述一条或更多条导电路径与所述多个相干检测单元耦合，其中，每条导电路径与所述多个相干检测单元中的第二子集或全部耦合，所述导电路径通过与所述相干检测单元的一个或更多个光电检测器耦合而与所述多个相干检测单元的所述第二子集或全部中的每个相干检测单元耦合；其中：所述导电路径中的一些或全部表现为读出通道，所述读出通道用于多路复用从所述光电检测器输出的电信号，所述光电检测器与所述读出通道耦合。2.根据权利要求1所述的相干检测阵列，其中：所述多个相干检测单元中的一些或全部的自由空间到波导耦合器是偏振光分离自由空间到波导耦合器；以及包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个还包括：第二波导，所述第二波导用于引导本地振荡器光，所述第二波导通过第三光耦合器与所述偏振光分离自由空间到波导耦合器耦合；以及与所述第三光耦合器耦合并且从所述第三光耦合器接收光子的一个或更多个光电检测器。3.根据权利要求2所述的相干检测阵列，其中，对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的所述第一波导和所述第二波导通过一个或更多个所述第二光耦合器与所述连接波导中的一个耦合。4.根据权利要求2所述的相干检测阵列，其中，对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的所述第一波导通过一个或更多个所述第二光耦合器与所述连接波导中的一个耦合，所述相干检测单元的所述第二波导通过另一个或更多个所述第二光耦合器与所述连接波导中的另一个耦合。5.一种相干检测阵列，包括：多个相干检测单元，每个相干检测单元包括：自由空间到波导耦合器；第一光耦合器，所述第一光耦合器与所述自由空间到波导耦合器耦合；以及与所述第一光耦合器耦合并且从所述第一光耦合器接收光子的一个或更多个光电检测器；
一个或更多个连接波导，所述一个或更多个连接波导与所述多个相干检测单元耦合，其中，每个连接波导与所述多个相干检测单元的第一子集或全部耦合，所述连接波导通过与所述相干检测单元的所述第一光耦合器直接耦合而与所述多个相干检测单元的所述第一子集或全部中的每个相干检测单元耦合；以及一条或更多条导电路径，所述一条或更多条导电路径与所述多个相干检测单元耦合，其中，每条导电路径与所述多个相干检测单元中的第二子集或全部耦合，所述导电路径通过与所述相干检测单元的一个或更多个光电检测器耦合而与所述多个相干检测单元的所述第二子集或全部中的每个相干检测单元耦合；其中：所述导电路径中的一些或全部表现为读出通道，所述读出通道用于多路复用从所述光电检测器输出的电信号，所述光电检测器与所述读出通道耦合。6.根据权利要求5所述的相干检测阵列，其中：所述多个相干检测单元中的一些或全部的自由空间到波导耦合器是偏振光分离自由空间到波导耦合器；以及包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个还包括：第二光耦合器，所述第二光耦合器与所述偏振光分离自由空间到波导耦合器耦合；以及与所述第二光耦合器耦合并且从所述第二光耦合器接收光子的一个或更多个光电检测器。7.根据权利要求6所述的相干检测阵列，其中，对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的所述第一光耦合器和所述第二光耦合器与所述连接波导中的一个直接耦合。8.根据权利要求6所述的相干检测阵列，其中，对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的所述第一光耦合器与所述连接波导中的一个直接耦合，所述相干检测单元的所述第二光耦合器与所述连接波导中的另一个直接耦合。9.根据权利要求6所述的相干检测阵列，还包括：多个第三光耦合器；其中：包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个还包括：波导，所述波导与所述第二光耦合器耦合；以及对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的第一光耦合器直接与所述连接波导中的一个耦合，所述相干检测单元的波导通过一个或更多个所述第三光耦合器与同一个所述连接波导耦合。10.根据权利要求6所述的相干检测阵列，还包括：多个第三光耦合器；其中：包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个还包括：波导，所述波导与所述第二光耦合器耦合；以及
对于包括所述偏振光分离自由空间到波导耦合器的那些相干检测单元中的每个，所述相干检测单元的第一光耦合器与所述连接波导中的一个直接耦合，所述相干检测单元的波导通过一个或更多个所述第三光耦合器与所述连接波导中的另一个耦合。11.一种用于利用相干检测阵列进行光相干检测和信号读出的方法，所述方法包括以下步骤：将信号光与相干检测阵列的多个相干检测单元的第一子集耦合，其中，所述第一子集包括所述多个相干检测单元中的一些或全部相干检测单元；将一个或更多个本地振荡器(LO)信号引入所述多个相干检测单元的第二子集中，其中，所述第二子集包括所述多个相干检测单元中的一些或全部相干检测单元，所述第一子集和所述第二子集重叠以给出包括至少一个相干检测单元的相交集；记录与所述第二子集相关的第一信息，所述第一信息包括所述第二子集的相干检测单元的位置和/或引入到所述第二子集中的所述本地振荡器信号的特性，所述特性诸如振幅、频率、相对相位、以及应用时间和持续时间；在所述多个相干检测单元的光耦合器处执行...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯姆，
申请(专利权)人：OAM光电有限公司，
类型：发明
国别省市：