平面光波回路的快速热调谐的制作方法

1.本发明总体上涉及一种平面光波回路(planar lightwave circuit：plc)，并使用反馈来改善plc热调谐的响应时间。


背景技术：

2.热光移相器(hermo-optic phase-shifter)可用于通过(热)改变光波导(其用于引导光信号)中的材料的折射率来对光信号施加移相。因此，热光移相器可用于控制光信号的切换、衰减、调制等。工作原理是，通过加热光波导，光波导中的光波可以被延迟，从而导致从相长干涉(constructive interference)到相消干涉(destructive interference)的变化(反之亦然)，从而导致切换。典型的热光移相器包括与光波导的高折射率芯部热耦合的电阻加热器。电阻加热器施加的热量会改变芯部的温度，从而改变光波导的折射率(因为材料的折射率与温度有关)。这改变了折射率和距离(光程长度)的积分乘积，因此改变了光信号通过光波导所需的时间。


技术实现要素：

3.光学设备可以包括:引导光信号的平面光波回路波导(plc)；热光移相器，用于:接收用于控制热光移相器的温度的控制信号，热光移相器的温度用于对plc波导中的光信号施加移相，以及基于控制信号来调节热光移相器的温度；反馈部件，用于生成与施加移相相关联的反馈；和控制器，用于基于该反馈来调节控制信号，控制信号被调节以减少热光移相器在施加移相时的响应时间。
4.方法可以包括：由光学设备的热光移相器接收与控制热光移相器的温度相关联的控制信号，热光移相器的温度用于向光信号施加移相，其中光信号由光学装置的平面光波回路(plc)波导引导；由热光移相器基于控制信号来调节热光移相器的温度；由光学设备的反馈部件生成与对光信号施加移相相关联的反馈；和由光学设备的控制器且基于所述反馈来调节控制信号，以减少热光移相器在施加移相时的响应时间。
5.光放大器可以包括:热光移相器，用于:接收用于控制所述热光移相器的温度的控制信号，所述热光移相器的温度用于向在plc波导中被引导的光信号施加移相，以及基于控制信号来控制热光移相器的温度；反馈部件，用于提供与对光信号施加移相相关联的反馈；和控制器，用于基于与减少热光移相器的响应时间相关联的反馈来选择性地修改控制信号。
附图说明
6.图1a和1b是示出了包括使用加热器实施的热光移相器的plc波导的横截面的示意图
7.图2a和2b是与使用闭环反馈提供改进的响应时间的示例光学设备相关联的图，如本文所述。
8.图3是具有包括抽头和光电二极管的反馈部件的光学设备的示例实施方式
9.图4a和图4b是具有包括热敏电阻的反馈部件的光学设备的示例实施方式的示意图。
10.图5是与plc波导的快速热调谐相关的示例过程流程图。
具体实施方式
11.示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
12.热光移相器可以用plc技术实施方式。图1a和1b是示出了plc波导的横截面的图，该plc波导包括使用加热器(例如，薄膜加热器)实施方式的热光移相器。图1a示出了具有plc波导的热光移相器的典型实施方式，而图1b示出了在plc波导的芯部之间使用隔热槽的实施方式(例如，用于改善plc波导的芯部之间的隔热)。图1a和1b中的交叉线阴影区域示出了被加热器加热的plc波导的区域(例如，plc波导中折射率受到加热器影响的区域)。这里，从加热器到芯部的热扩散延迟对应于截止频率大约为100赫兹(hz)到大约200hz的低通滤波器响应。
13.传统上，在plc中实施的热光移相器是开环的，并且具有大约2毫秒(ms)的响应时间。响应时间是plc波导的芯部响应加热器施加的热量变化而改变温度(例如，变热)所需的时间量。这里，因为输出光功率由所施加的电功率的量决定，所以热光移相器的响应中没有波动，并且输出光功率的可重复性高。然而，响应时间可能不足作为在一些光学设备中使用的考量。例如，在光放大器(例如，掺铒光纤放大器(edfa))中可能需要大约1微秒(μs)到10μs之间的响应时间，以符合瞬态要求，因此，在plc中实施的热光移相器的传统实施方式可能是不切实际的。值得注意的是，使用频域预加重技术(frequency domain pre-emphasis technique，其仍然是开环方法)，响应时间可以被改善大约0.4ms。然而，频域预加重所提供的响应时间改善对于一些光学设备来说仍然是不够的，例如edfa。
14.在本文描述的一些实施方式中，光学设备使用闭环反馈技术来改善热光移相器的响应时间。在一些实施方式中，光学设备包括热光移相器，以接收用于控制热光移相器的温度的控制信号，其中热光移相器的温度用于向plc波导中的光信号施加移相。在一些实施方式中，热光移相器基于控制信号调节其温度。在一些实施方式中，光学设备包括生成与施加移相相关联的反馈的反馈部件，以及基于反馈来调节控制信号的控制器，其中调节控制信号以减少热光移相器在施加移相时的响应时间。下面提供了更多详细信息。
15.在一些实施方式中，这里描述的闭环反馈技术可以将光学设备的热光移相器的响应时间改善到例如大约1μs到大约10μs，同时保持稳定性。因此，这里描述的光学设备可以适合于需要低响应时间的应用，例如edfa。值得注意的是，当与高带宽驱动电路结合时，这里描述的光学设备优于使用频域预加重的光学设备。这里描述的闭环反馈技术的另一个优点是，不需要表征每个加热器(例如，每个热光移相器)来确定所需的频率预加重。
16.图2a和2b是与使用闭环反馈提供改善的响应时间的示例光学设备200相关联的图。如图2a和2b所示，光学设备200包括plc波导202、控制器204、热光移相器206和反馈部件208。下面描述光学设备200的部件，随后描述光学设备200的示例操作。在一些实施方式中，光学设备200可以包括例如光学放大器(例如，edfa)。
17.plc波导202是在光学设备200中引导光信号的波导。在一些实施方式中，可以用晶片级技术(包括光刻)在包括例如硅、二氧化硅、非线性晶体材料(例如铌酸锂(linbo3))等的基板上制造plc波导202。在一些实施方式中，plc波导202可以包括一个或多个波导芯部，一个或多个热光移相器206与向光信号(其被plc波导202引导)施加移相相关联地布置在该波导芯部上。
18.控制器204是提供用于控制热光移相器206的温度的控制信号的部件，其中热光移相器206的温度用于对plc波导202中的光信号施加移相。在一些实施方式中，控制器204可以接收来自反馈部件208的反馈，并基于该反馈调节或(选择性地)修改控制信号(例如，以减少热光移相器206在施加移相时的响应时间)，如下所述。在一些实施方式中，控制器204可以是例如比例积分微分(pid)控制器，其连续计算作为期望设定点和被测变量之间的差的误差值，并基于比例、积分和微分项来施加校正。
19.热光移相器206是接收用于控制热光移相器206的温度的控制信号(例如，来自控制器204)的部件，其中热光移相器206的温度用于对plc波导202中的光信号施加移相，并基于控制信号来调节或以其他方式控制热光移相器206的温度。在一些实施方式中，热光移相器206可以是例如布置在plc波导202的芯部上方的加热器(例如薄膜加热器)，其中加热器的温度取决于施加到加热器的电压量。这里，电压信号形式的控制信号可以用于控制热光移相器206的电阻，这意味着可以使用控制信号来控制热光移相器206的温度以及热光移相器206施加的移相。
20.反馈部件208是生成反馈的部件，该反馈与对plc波导202引导的光信号施加移相相关联。在一些实施方式中，反馈部件208可以包括抽头和光电二极管(pd)，其进一步的细节在下面参考图3提供。可选地，反馈部件208可以包括热敏电阻，其进一步的细节将在下面参考图4a和4b提供。
21.在光学设备200的操作中，从图2a中的附图标记250开始，控制器204可以提供与控制热光移相器206的温度相关联的控制信号并且热光移相器206可以接收该控制信号。在一些实施方式中，控制信号是电压信号，并且电压信号的电平用于控制热光移相器206的温度，并且因此控制热光移相器206施加的移相，如上所述。因此，如附图标记252所示，热光移相器206可以基于控制信号调节其温度。
22.接下来，如附图标记254所示，反馈部件208可以生成与对光信号施加移相相关联的反馈并且控制器204可以接收该反馈。在一些实施方式中，反馈指示热光移相器206的温度。例如，当反馈部件208包括热敏电阻时，反馈可以是电信号，其电平与热光移相器206的温度成比例。或者，在一些实施方式中，反馈指示对光信号施加移相的结果。例如，当反馈部件208包括抽头和pd时，反馈可以指示由pd测量的移相(例如，幅值调制)的结果。
23.如图2b中的附图标记256所示，控制器204可以(选择性地)基于反馈来调节或修改控制信号。在一些实施方式中，控制器204调节控制信号以减少热光移相器206在施加移相时的响应时间。例如，控制器204可以增加控制信号的电压电平，以便使热光移相器206的温度变化率增加，从而加速热光移相器206施加的移相。作为另一个例子，控制器204可以降低控制信号的电压电平，以便使热光移相器206的温度变化率降低，从而使热光移相器206施加的移相减速。在一些实施方式中，控制器204可以确定不对控制信号进行调节，并且可以保持(即，不调节)控制信号。
24.值得注意的是，上述闭环反馈技术可以无限重复(例如，以特定的时间间隔)。例如，如图2b中的附图标记258所示，在控制器204进行调节之后，控制器204可以提供经调节的控制信号，并且热光移相器206可以接收该经调节的控制信号。如附图标记260所示，热光移相器206可以基于调节控制信号来重新调节热光移相器206的温度。如附图标记262所示，反馈部件208然后可以生成与对光信号施加移相相关联的额外反馈。控制器204然后可以基于该额外反馈重新调节控制信号，以进一步减少热光移相器206的响应时间。
25.如上所述，图2a和2b是作为例子提供的。其他例子可能与图2a和2b所描述的不同。图2a和2b所示部件的数量和布置是一个例子。实际上，与图2a和2b所示的部件相比，可以有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图2a和2b所示的两个或多个部件可以在单个部件内实施，或者图2a和2b所示的单个部件可以实施为多个分布式部件。额外地或替代地，图2a和2b所示的一组部件(例如，一个或多个部件)可以执行被描述为由图2a和2b所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
26.图3是具有反馈部件208的光学设备200的示例实施方式的图，反馈部件208包括抽头和pd 308。在这样的实施方式中，抽头可以将经移相的光信号的一部分(例如，在移相被施加到光信号之后)引导到pd。然后，pd可以测量移相的结果(例如，幅度调制)，并且可以提供指示移相结果的反馈。
27.在一些实施方式中，热光移相器206可以是光学设备200的n(n≥1)个热光移相器206之一，pd可以是光学设备200的m(n≥m)个光电二极管之一，其中使用m个光电二极管来控制n个热光移相器206。
28.如上所述，图3是一个例子。其他示例可以与图3中描述的不同。图3所示部件的数量和布置是作为示例提供的。实际上，与图3所示的部件相比，可以有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图3所示的两个或多个部件可以在单个部件内实施，或者图3所示的单个部件可以实施为多个分布式部件。额外地或替代地，图3所示的一组部件(例如，一个或多个部件)可以执行被描述为由图3所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
29.图4a和图4b是具有包括热敏电阻408的反馈部件208的光学设备200的示例实施方式的图。在这种实施方式中，热敏电阻408被布置成使得热敏电阻408的电阻取决于热光移相器206的温度。因此，热敏电阻408提供的反馈可以指示热光移相器206的温度。例如，反馈可以是电信号，其电平与热光移相器206的温度成比例。如图4a和图4b所示，在这种实施方式中，热敏电阻408可以布置在热光移相器206上或上方。
30.在一些实施方式中，热光移相器206可以是光学设备200的n(n≥1)个热光移相器206之一，热敏电阻408可以是光学设备200的n个热敏电阻408之一(例如，使得可以使用专用热敏电阻408来控制每个热光移相器206)。
31.如上所述，提供图4a和图4b作为例子。其他示例可以与关于图4a和图4b所描述的不同。作为示例，提供了图4a和图4b中所示的部件的数量和布置。实际上，与图4a和图4b中所示的部件相比，可以有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图4a和图4b所示的两个或多个部件可以在单个部件内实施，或者图4a和图4b所示的单个部件可以实施为多个分布式部件。额外地或替代地，图4a和图4b所示的一组部件(例如，一个或多个部件)可以执行被描述为由图4a和图4b所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
32.图5是与plc波导的快速热调谐相关的示例过程500的流程图。在一些实施方式中，图5的一个或多个过程框可以由光学设备200的部件(例如，控制器204、热光移相器206、反馈部件208等)来执行。
33.如图5所示，过程500可以包括接收与控制热光移相器的温度相关联的控制信号，热光移相器的温度被用于对光信号施加移相，其中光信号由光学设备的plc波导引导(图框510)。例如，热光移相器206可以接收与控制热光移相器206的温度相关联的控制信号，如上所述，热光移相器206的温度用于对光信号施加移相。在一些实施方式中，光信号由光学设备200的plc波导202引导。
34.如图5进一步所示，过程500可以包括基于控制信号调节热光移相器的温度(图框520)。例如，如上所述，热光移相器206可以基于控制信号调节热光移相器206的温度。
35.如图5中进一步所示，过程500可以包括生成与对光信号施加移相相关联的反馈(图框530)。例如，如上所述，反馈部件208可以生成与对光信号施加移相相关联的反馈。
36.如图5进一步所示，过程500可以包括基于反馈来调节控制信号，以减少热光移相器在施加移相时的响应时间(图框540)。例如，如上所述，控制器204可以基于反馈来调节控制信号，以减少热光移相器206在施加移相时的响应时间。
37.过程500可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。
38.在第一实施方式中，反馈部件208包括热敏电阻。
39.在第二实施方式中，单独或与第一实施方式结合，该反馈指示出热光移相器206的温度，并且是与热光移相器206的温度成比例的电信号。
40.在第三实施方式中，单独或与第一和第二实施方式中的一个或多个相结合，反馈部件208包括抽头和光电二极管。
41.在第四实施方式中，单独地或者与第一至第三实施方式中的一个或多个相结合，该反馈指示出对光信号施加移相的结果。
42.在第五实施方式中，单独或与第一至第四实施方式中的一个或多个相结合，热光移相器206是光学设备200的n(n≥1)个热光移相器206中的一个，光电二极管是光学设备200的m(n≥m)个光电二极管中的一个，使用m个光电二极管来控制n个热光移相器206。
43.在第六实施方式中，单独地或与第一至第五实施方式中的一个或多个相结合，过程500包括由热光移相器206且在调节控制信号之后接收经调节的控制信号；由热光移相器206基于调节控制信号来重新调节热光移相器206的温度；由反馈部件208生成与对光信号施加移相相关联的额外反馈；以及由控制器204且基于额外反馈来重新调节控制信号，以进一步减少热光移相器206在施加移相时的响应时间。
44.尽管图5示出了过程500的示例图框，但是在一些实施方式方式中，过程500可以包括与图5中所示的那些图框相比额外的图框、更少的图框、不同的图框或者不同排列的图框。额外地或替代地，过程500的两个或更多个图框可以并行执行。
45.前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，这里描述的任何实施方式都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不能被组合的理由。
46.如此处所使用的，术语“部件”旨在被广义地解释为硬件、固件和/或硬件和软件的组合。显然，这里描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、固件或硬件和软件的组合来实施方式。用于实施方式这些系统和/或方法的实际专用控制硬件或软件代码并不限制这些实施方式。因此，这里描述的系统和/或方法的操作和行为没有参考特定的软件代码——应当理解，可以基于这里的描述设计软件和硬件来实施方式系统和/或方法。
47.如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。
48.即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。
49.除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用当只打算一个项目时，使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。
50.相关申请的交叉引用
51.本专利申请要求2020年8月14日提交的名称为“fast thermal tuning of a planar lightwave circuit”的美国临时专利申请62/706，402的优先权，在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。