CN115398296A - 具有包括集成控制装置的相控阵天线的光电发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在光子芯片上的具有相控阵天线的光电发射器，包括功率分配器(3)、移相器(5)和基本发射器(6)的阵列，以及集成控制装置。集成控制装置包括干涉聚焦透镜(8)，所述干涉聚焦透镜的入射面(8.1)和出射面(8.3)是弯曲的并且限定具有均匀折射率的自由传播区域(8.2)。输入波导(7)连接到与其正交的入射面(8.1)，并且对于导模具有有效折射率，使得所述输入波导(7)的光路彼此相同。
Description
技术领域
本发明的领域是片上光子电路的领域，更具体地，是在光子芯片上产生的相控阵天线类型的光电发射器的领域。本发明尤其能够应用于LIDAR(光检测和测距)领域。
背景技术
具有相控阵天线(或OPA，英文为Optical Phased Array)的光电发射器是用于在自由空间中定向发射单色光束的光电器件。它们特别适用于激光距离检测和估计(LIDAR)领域，也适用于自由空间光学通信、全息屏幕和医学成像领域。
图1A示意性地示出了这种光电发射器1的工作原理。激光源2发射光学信号，所述光学信号由光电发射器1的N个臂4中的功率分配器3分配。每个臂4包括移相器5和基本发射器6(也称为光学天线)。每个基本发射器6例如通过衍射在自由空间中发射光学信号，然后光学信号通过干涉组合以形成光束。该光束具有远场发射模式，所述远场发射模式特别由移相器5对在臂4中传播的光学信号施加的相对相位
确定。
这种光电发射器1能够使用集成光子来产生，即，它的各种光学组件(波导、功率分配器、基本发射器等)是在光子芯片上和从光子芯片产生的。
为此，图1B示意性地和部分地示出了在光子芯片上产生的并且包括集成控制装置的这种光电发射器1的示例，如Hulme等人在题为“Fully integrated hybrid silicon twodimensional beam scanner”，Opt.Express 23(5)，5861-5874(2015)的文章中所描述的。
除了激光源2、功率分配器3以及移相器5和基本发射器6的阵列之外，该光电发射器1还包括由在其入射面8A.1处耦合到基本发射器6的输出端的梯度折射率透镜8A和在其出射面8A.2处连接到光电检测器10的阵列形成的控制装置。控制装置允许确定在臂4中传播的光学信号之间实际存在的相对相位
为此，这些光学信号的非衍射部分由基本发射器6通过输入波导7传输到透镜8A。透镜8A提供由光电发射器发射的远场光学辐射的图像，然后由光电检测器10检测。控制模块11允许获得光远场信息(特别是在XY平面中相对于Y轴的方向性角度Φ)，从而允许校准光电发射器1。
然而，梯度折射率透镜是光子晶体型的，由在SOI衬底的薄硅膜中产生的具有不同亚波长直径的多个孔形成。孔被布置成使得光场的有效折射率沿透镜的宽度具有抛物线轮廓。然而，形成透镜的光子晶体的这些孔似乎特别难以生产，并且任何生产缺陷都会显著影响这种光电发射器的性能能力。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服现有技术的缺点，更具体地，提出一种在光子芯片上的具有相控阵天线的光电发射器，其制造方法对其性能能力的影响降低甚至消除。
为此，本发明的主题是一种在光子芯片上的具有相控阵天线的光电发射器，包括：
-功率分配器，用于在输入端耦合到激光源，并在输出端耦合到形成光电发射器的臂的N个波导，其中N>1；
-设置在臂中的移相器和基本发射器的阵列，基本发射器横向对齐并彼此平行延伸；
-集成控制装置，包括：输入波导，其耦合到基本发射器；聚焦透镜，其包括耦合到输入波导的入射面，和出射面；输出波导，其耦合到出射面；光电二极管，其耦合到输出波导；控制模块，其适于根据光电二极管接收的信号来控制移相器。
根据本发明，聚焦透镜为干涉透镜，所述干涉透镜的入射面和出射面是弯曲的并且限定具有均匀折射率的自由传播区域，出射面沿着聚焦透镜的焦线延伸。
此外，输入波导连接到与其正交的入射面。
最后，在输入波导的被称为校正部分的部分中，用于导模的有效折射率被适配，使得输入波导的光路彼此相同。
该光电发射器的一些优选但非限制性方面如下。
输入波导中的每个在校正部分中能够具有至少一个横向尺寸的变化，横向尺寸的所述变化是针对每个输入波导预定义的，使得输入波导的光路彼此相同。
在校正部分中，每个输入波导能够具有宽度的绝热变化，范围从对于每个输入波导相同的参考值We0到从一个输入波导到下一个不同的最大值Wec(i)。
光电发射器能够包括称为附加波导的波导，其产生有不同于输入波导的折射率的折射率、仅延伸到校正部分中，并且与输入波导相对且平行地布置以允许与输入波导的模态耦合，附加波导中的每个具有预定长度，使得输入波导的光路彼此相同。
附加移相器能够耦合到校正部分中的所述输入波导，并且能够在输入波导中的导模之间施加针对所述输入波导中的每个所预定义的相对相移，使得输入波导的光路彼此相同。
聚焦透镜能够是星形耦合器或阶梯光栅。
聚焦透镜能够具有罗兰装置或共焦配置。
光子芯片能够由SOI衬底生产。
光电发射器能够包括激光源。该激光源能够组装在光子芯片的、称为上表面的表面上。
附图说明
本发明的其他方面、目的、优点和特征在阅读以下通过非限制性示例提供的本发明优选实施例的详细描述并参考附图时将变得更加清楚，其中：
已经描述的图1A是具有相控阵天线的光电发射器的示意性局部视图；
已经描述的图1B是根据现有技术示例的包括集成控制装置的这种光电发射器的示意性局部俯视图；
图2是根据一个实施例的具有相控阵天线的光电发射器的示意性局部俯视图，其中，干涉透镜是星形耦合器；
图3A至3C是图2中所示的光电发射器的一部分的示意性局部俯视图，示出了光场在干涉式透镜的出射面的三个不同区域中的聚焦；
图4A是图2所示的光电发射器的一部分的示意性局部俯视图，示出了Rowland装置中的干涉透镜的尺寸；图4B和4C是图4A所示的干涉透镜的入射面区域(图4B)和出射面区域(图4C)的详细视图；
图5是图2所示的光电发射器的一部分的示意性局部俯视图，示出了校正部分中输入波导的宽度的纵向变化；
图6是根据替代实施例的光电发射器的一部分的示意性局部剖视图和分解图，其中，附加波导耦合到校正部分中的输入波导；
图7是根据另一替代实施例的光电发射器的一部分的示意性局部剖视图和分解图，其中，热光移相器设置在校正部分中的输入波导处；
图8是根据另一个实施例的具有相控阵天线的光电发射器的示意性局部俯视图，其中，干涉透镜是阶梯光栅；
图9A和9B以俯视图和剖视图的形式示出了根据另外两个替代实施例的光电发射器的一部分，其中相变部分设置在校正部分中的输入波导处。
具体实施方式
在附图中以及贯穿说明书的其余部分，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，为了提高附图的清晰度，未按比例显示各种元件。此外，各种实施例和替代实施例不是相互排斥的并且可以组合在一起。除非另有说明，否则术语“基本上”、“大约”、“约”是指最接近的10％，优选最接近的5％。此外，除非另有说明，否则术语“介于……和……之间”和任何等效术语意味着限制是包容性的。
本发明涉及一种具有相控阵天线的光电发射器，该相控阵天线包括集成控制装置。这种光电发射器在光子芯片上产生。它适于发射光束，所述光束的强度在远场中具有围绕主发射轴线的确定角度分布。由光电发射器发射的远场光束的这种角度分布称为“远场发射模式”。因此，它不同于基本发射器(光学天线)的近场发射模式。远场(或弗劳恩霍夫(Fraunhofer)区)对应于距离D，所述距离D大于基本发射器的大尺寸的平方(在这种情况下，沿Z轴的长度Lee)与发射波长λe的比值，换句话说：D>2Lee 2/λe。这种情况下的远场发射模式能够通过集成控制装置进行调整。
图2是根据一个实施例的光电发射器1的示意性局部视图。在该示例中，光电发射器1包括激光源2、功率分配器3、移相器5和基本发射器6的阵列。它还包括连接到移相器5的控制装置，从而允许对施加到在N个臂4中循环的光学信号的相移
进行确定甚至待修改，从而提高光电发射器1的性能能力，特别是产生由光电发射器1发射的远场光束的所需发射图案。
在这种情况下，并且贯穿说明书的其余部分，定义了直接正交XYZ坐标系，其中，XZ平面平行于光子芯片的平面，并且Z轴沿基本发射器6的轴线定向，因此Y轴朝向自由空间，在该自由空间中，光束由光电发射器1发射。
光电发射器1集成在光子芯片上，例如，在硅上光子技术的背景下。光子芯片，也称为光子集成电路(PIC)，包括支撑衬底(未显示)，从该衬底能够产生彼此光学耦合的有源(调制器、二极管等)和无源(波导、多路复用器或多路分解器等)光子组件。在硅上光子技术的背景下，支撑衬底和光子组件由硅制成。因此，支撑衬底能够是SOI(绝缘体上硅)类型。
光电发射器1包括激光源2，所述激光源适于发射波长为λe的脉冲或连续单色光学信号。例如，波长能够等于905nm。激光源2能够是波长可调谐的，特别是为了修改由光电发射器发射的远场光束相对于YZ平面中的Y轴形成的发射角θ。激光源2能够是由III/V化合物制成的增益介质形成并粘附到光子芯片表面的混合源。因此，布拉格镜型光学反射器能够在集成在并耦合到增益介质中的波导中产生。作为替代实施例，光电发射器1可以不包括激光源2，激光源能够是远程的并且因此不组装成与光子芯片的表面接触。那么它能够耦合到光子芯片的集成波导，特别是通过光栅耦合器耦合到光子芯片的集成波导。
功率分配器3耦合到激光源2的输出端。因此它包括输入端口和N个输出端口，其中，N>1。数量N定义了光电发射器1的臂4的数量。在本示例中，功率分配器3由多个MMI(英文为Multimode Interferometer)型分配器以级联方式排列形成，但也能够使用其他类型的光学元件。
光电发射器1包括N个波导4的阵列，优选地彼此平行，所述N个波导中的每个在耦合到功率分配器3的输出端口的第一端和耦合到基本发射器6的第二端之间延伸。每个波导4因此适于接收源自功率分配器3的光学信号，并允许该光学信号传播到基本发射器6。
光电发射器1还包括移相器5阵列和基本发射器6。更具体地，多个臂4配备有至少一个移相器5，该移相器适于修改在相关臂中循环的光学信号的相位，因此在相邻臂4中循环的光学信号之间产生相位差
或相对相位。移相器5设置在功率分配器3和基本发射器6之间。每个臂4，或仅其中一些臂，例如两个臂中的一个能够配备有移相器5。此外，参考臂可以不包括移相器5。
移相器5能够是电折射或热光效应移相器。在这两种情况下，通过修改形成所考虑的波导4的核心的材料的折射率来修改相位。在电折射移相器的情况下通过修改自由载流子密度，或者在热光移相器的情况下通过修改施加的温度，能够获得折射率的这种修改。
移相器5优选地适于相对于在臂4中传播的光学信号施加相同的相位值
以便获得主发射轴线相对于XY平面中的Y轴(垂直于基本发射器6的轴线)的确定的非零角Φ。然而，臂4之间的相对相位
可能不同，以用于获得不同的远场图案，或者用于考虑和补偿任何相位误差。这些相位误差能够源自光电发射器1的组件中的一些随时间的退化、制造方法期间的不一致、制造方法的非零公差、光电发射器1的环境影响(例如，封装元件覆盖基本发射器的可能影响)。
移相器5优选地连接到下文描述的控制模块11。根据由控制模块11发送的控制信号，移相器5能够在各个臂4中循环的光学信号中产生预定的相对相位
光电发射器1包括耦合到臂4的N个基本发射器6，或光学天线，因此设置在移相器5的下游。由基本发射器6发射的光学信号之间的相对相位
特别地确定远场光束的主发射轴线相对于光电发射器1的XY平面中的Y轴所形成的角度Φ的值。
在这种情况下，基本发射器6是形成在臂4的波导中的衍射光栅。它们沿Z轴彼此平行地延伸并且沿X轴对齐，即它们的第一端沿Z轴具有相同的位置，就像它们的第二端一样。它们以优选地为λe/2至2λe的距离彼此间隔开。出于信息目的，基本发射器的数量N能够为大约十到大约一万。
因此，在臂4中循环的光学信号部分地由自由空间中的基本发射器6通过衍射发射。提取的光学信号在自由空间中传播，通过干涉复合，从而形成由光电发射器1在远场发射的光束，确定光束围绕主发射轴线的角度分布并限定光电发射器1的远场发射图案。
由主发射轴线相对于在YZ平面中的Y轴形成的角度θ以已知方式取决于激光源2的发射波长λe和由基本发射器6形成的衍射光栅的周期Λ。如上所述，由主发射轴线相对于XY平面中的Y轴形成的角度Φ取决于移相器5对在臂4中循环的光学信号施加的相对相位
的值。通常要求零相对相位
导致零角度Φ，即远场光束的主发射轴线平行于Y轴。
此外，在这种情况下，基本发射器具有小于100％的提取效率，这意味着从基本发射器6沿Z轴输出的光学信号(导模)的强度Iout为非零的。为此，调整基本发射器的长度Lee，使得基本发射器6的第二端处的导模的强度Iout具有预定义的非零值。作为替代实施例或另外，非零强度Iout能够通过调整形成基本发射器的光栅的齿的蚀刻深度，和/或通过调整光栅的填充因子获得，填充因子即在基本发射器的一段时间内(由齿和槽形成)齿的长度与槽的长度之比。
然而，可能需要控制或校正由移相器5施加的相对相位的值
如上所述，这可能是用于校准光电发射器1的情况，例如，使得零相对相位
实际上导致主发射轴线的零角Φ，即平行于XY平面中的Y轴定向。这也能够是用于补偿由用于制造或老化光电发射器的一些组件的方法引起的任何相位误差的情况。这最终能够用于精确和实时地修改角度Φ的值，使得远场发射图案具有所需的特征。
为此，光电发射器1包括由干涉聚焦透镜8、多个光电检测器10和控制模块11形成的控制装置。控制装置还包括N个输入波导7，其提供在基本发射器6和干涉透镜8，以及输出波导9之间的耦合，所述输出波导提供干涉透镜8和光电检测器10之间的耦合。控制装置被认为是集成到波导7、9、干涉透镜8和光电检测器10在控制芯片上产生或由控制芯片产生的程度。
N个输入波导7将基本发射器6的第二端连接到干涉透镜8的入射面8.1。所述输入波导具有从一个输入波导7到下一个输入波导7的相同光路，以免降低由基本发射器6传输(未衍射)的光学信号承载的相位信息(
值)。
如下文进一步详细描述的，输入波导中的每个具有至少两个部分，即：第一部分7.1，其中，输入波导7从基本发射器6彼此平行地延伸，以及第二部分7.2，其中输入波导7延伸到干涉透镜8的入射面8.1。
在第一部分7.1中，输入波导7能够具有相同的长度。在第二部分7.2中，它们连接到与其正交的入射面8.1，即，每个输入波导7连接到与正交于与其相切的平面的入射面8.1的输入端口。
然而，由于干涉透镜8的入射面8.1在XZ平面中弯曲，因此输入波导7的长度从一个输入波导7到下一个输入波导7是不同的。在这种情况下，长度Le对应于连接到基本发射器6的输入波导7的第一端和与第一端相对并连接到干涉透镜8的入射面8.1的第二端之间的距离。
聚焦干涉透镜8与傅立叶光学器件相关，因此在其出射面8.1上设置由输入波导7提供给入射面8.1的光场的傅立叶变换，该光场由基本发射器6传输的光学信号形成。出射面8.3形成干涉透镜8的像平面，使得在出射面8.3上形成的衍射图案与由光电发射器1发射的光束的远场发射图案相关。
为此，干涉透镜8由入射面8.1、出射面8.3和位于两个面8.1、8.3之间的自由传播区域(FPR)8.2限定。入射面8.1和出射面8.3是弯曲的，每个面的曲率半径位于干涉透镜8的光轴Δ上(在这种情况下平行于Z轴)。干涉透镜8是平面的，这是因为它在光子芯片的XZ平面中延伸。在FPR8.2中，光场包含在与光子芯片的XZ平面正交的Y轴上，但它能够在XZ平面中自由传播。FPR8.2由XZ平面中的均匀折射率介质限定，这与之前提到的Hulme等人的2015年的文章中描述的GRIN透镜不同。换句话说，FPR8.2的折射率在该区域8.2的任一点处并且优选在其整个厚度上都是相同的，那么则在整个区域8.2上是恒定的。
这样的干涉透镜8也称为星形耦合器。它将在入射面8.1处接收到的光学信号聚焦在出射面8.3上。光学信号在FPR8.2中传播，相长干涉，并会聚到由出射面8.3(图像平面)限定的焦线的区域或点。因此，出射面8.3上的光场强度的空间分布与光电发射器1的远场发射图案相关。因此，在出射面8.3上发现远场发射图案的特征，并且从中能够推导出由光电发射器的光束在远场中相对于Y轴和在XY平面中形成的角度Φ。
控制装置包括M个光电检测器10，通过M个输出波导9耦合到出射面8.3。数量M能够等于或不同于数量N。它利用透镜的半径限定控制装置的分辨率以及远场光束的观察角宽度。然而，控制装置的分辨率不受出射面的端口尺寸限制。实际上，如果光束位于两个端口之间，则能够通过计算连接到两个相邻端口的光电二极管的强度的比率来准确提取其位置。输出波导9因此在出射面8.3的端口之间延伸到光电检测器10的输入。输出端口因此沿着干涉透镜8的焦线定位。
控制模块11连接到光电检测器10，并且有利地连接到移相器5。光电检测器和移相器由光电检测器10传输的测量信号控制。因此，光电检测器10接收离开出射面8.3的端口的光学信号，并将测量信号传输到控制模块11，该测量信号表示出射面8.3上接收到的光场的光强。控制模块11包括计算机，其根据测量信号能够确定在臂4中循环的光学信号之间的实际相移值
以及由移相器5施加到光学信号的相移值
以便特别地校正任何相位误差。
然后可以校准光电发射器1，例如，通过施加零相对相位
和通过确定在干涉透镜8的出射面8.3上接收的光场的强度峰值的角度θcr。角度θcr定义为干涉透镜8的光轴Δ与通过出射面8.3上的峰值强度并通过干涉透镜8的入射点Pe的直线之间的倾斜角。如果已经确定零相对相位
引起非零角度θcr，因此能够确定相对相位
的补偿值。还可以通过引入预定义的相对相位
和通过确定引起的角度θcr(反之亦然)来精确和实时地控制光电发射器1。因此，避免了必须使用外部设备来检测和测量由光电发射器发射的远场光束，这种外部设备包括沿Y轴与基本发射器相对定位的矩阵光电检测器。此外，干涉透镜8是具有均匀折射率的FPR8.2的透镜这一事实防止该透镜的制造不确定性显著影响光电发射器1的性能能力。
为此，图3A至3C是干涉透镜8和光电检测器10的示意性局部俯视图。在这种情况下，零相对相位
对应于主发射轴线的零角Φ，其中，出射面上的光场的峰值强度与干涉透镜8的光轴Δ对齐(图3A)。然而，当相对相位
具有非零值
并引起主发射轴线的非零角Φ1时，出射面上的峰值强度形成非零角θcr,1(图3B)。最后，当相对相位
具有非零值
并引起主发射轴线的非零角度-Φ1时，出射面的峰值强度形成非零角度-θcr,1(图3C)。
干涉透镜8能够具有罗兰(Rowland)装置或共焦配置。这两个替代实施例在限定出射面8.3的圆的曲率半径值方面基本上彼此不同。如下文所述，它能够是星形耦合器，也能够是阶梯光栅，这是星形耦合器的一种特殊情况。
图4A是根据一个实施例的光电发射器的一部分的示意性局部俯视图，其中，聚焦干涉透镜具有罗兰装置。图4B和4C分别是干涉透镜8的入射面8.1的区域Ze和出射面8.3的区域Zs的示意性局部俯视图。
在罗兰装置中，入射面8.1以曲率半径Rcr弯曲，而出射面8.3以曲率半径Rcr/2弯曲。干涉透镜8的尺寸特别取决于聚焦在出射面8.3上的光场的所需检测分辨率，并且取决于由围绕光轴Δ的角度2×θcr,max限定的最大角度检测孔径。
更具体地，此时的干涉透镜8的光轴Δ沿Z轴在入射面8.1的入射点Pe与出射面Ps的出射点Ps之间延伸。半径为Rcr的罗兰圆的圆心位于出射点Ps处，半径为Rcr的罗兰圆的圆弧限定入射面8.1。半径为Rcr/2的圆弧限定出射面8.3，其中心位于光轴Δ上。
因此，远场光束的角度Φ通过以下关系取决于相对相位
其中，pee是基本发射器6之间沿X轴的横向步长(一般为λe/2至2λej)。例如，发射波长λe能够等于0.905μm，横向步长pee能够等于大约1.6μm。
由聚焦在出射面8.3上的光场的峰值强度形成的偏转角θcr通过以下关系取决于远场角sinθcr＝pee/(λe×pcr，e×βFPR)×sinΦ，其中，pcr,e是入射面8.1的端口之间的横向步长，βFPR是FPR8.2中的传播常数。这种关系能够从Smit&van Dam题为PHASAR-Based WDM-Devices:Principles,Design and Applications,IEEE J Sel.Top.Quantum Electron,2(2),236-250(1996)的文章中推导出来。例如，横向步长pcr,e能够等于大约1.2μm(在这种情况下，N＝16)，常数βFPR能够等于大约12.31μm-1。传播常数βFPR等于2π×neff，FPR/λe，其中，neff,FPR是FPR中光学模式的有效指数。它能够通过有限元类型的模拟来确定。
通常，与由波导支持的光学模式相关的有效折射率neff被定义为传播常数β和λ/2的乘积。传播常数β取决于光学模式的波长λ，以及波导的特性(折射率和横向尺寸)。光学模式的有效折射率以某种方式对应于由光学模式“看到”的波导的折射率。它通常包含在波导的纤芯折射率和包层折射率之间。
然后可以定义出射横向尺寸dcr,s，具有横向步长pcr,s的输出端口沿着该出射横向尺寸沿着X轴延伸。该出射横向尺寸取决于要检测的最大角度Φmax以及半径Rcr。其由以下关系式定义：dcr，s＝(2×Rcr×pee)/(λe×pcr，e×βFPR)×sinΦmax。因此，作为示例，对于等于大约310μm的半径Rcr和等于大约30°的最大角度Φmax，获得等于大约37μm的出射横向尺寸dcr,s。在这种情况下，可以具有25个输出端口，其横向步长pcr,s等于大约1.5μm。
此外，半径Rcr的选择取决于期望的分辨率(pcr,s的值)和期望的最大角度检测孔径2×θcr,max。这因此避免了必须产生如在现有技术的上述示例中的梯度折射率透镜(GRIN透镜)，这在技术上可能难以获得，并且其制造公差可能导致光电发射器1的性能能力的下降。相反，干涉透镜8由限定FPR8.2的、具有均匀折射率的两个曲面8.1、8.3形成的事实允许简化制造方法，同时限制制造公差对光电发射器1的性能的影响。
然而，输入波导7局部连接到与其正交的入射面8.1，即，每个输入波导7在FPR8.2上在入射面8.1处出现，同时朝向干涉透镜8(半径为Rcr的圆心)的出射点Ps定向。因此，输入波导7从一个波导7到下一个波导不具有相同的物理长度Le。Le(i)表示第i行的输入波导7的物理长度，其中，i为从1到N，第1行和第N行位于输入波导7阵列的边缘。
然后，输入波导7具有导模的有效折射率的校正部分Pc，使得从一个输入波导到下一个输入波导的光路相同。通常，波导的光程等于其长度(物理)与导模的有效折射率的乘积。该校正部分Pc优选地位于输入波导7的第一部分7.1中。neff,ec(i)表示输入波导7在校正部分Pc中的有效折射率，并且neff,e0(i)表示输入波导7在校正部分Pc外部的有效折射率。还获得了从一个输入波导7到下一个输入波导需要恒定的光路C(i)＝neff，ec(i)×Lec+neff，eO(i)×(Le-Lec)。
能够实现几种可能性以使输入波导7的光路C(i)相同。第一种可能性(如图5所示)涉及修改在校正部分Pc中在长度Lec(i)上输入波导的横向尺寸，以便校正输入波导中的每个中的导模的有效折射率。第二种可能性(如图6所示)涉及在每个输入波导7和位于与Y轴相对并且具有与输入波导7的折射率不同的折射率的附加波导12之间实现模态耦合，以便在局部和给定长度上获得超模。第三种可能性(如图7所示)涉及通过附加热光移相器(加热器)14主动调制每个输入波导7中导模的有效折射率。
图5是在校正部分Pc处的几个输入波导7的示意性局部顶俯视图。
在校正部分Pc之外，输入波导7在厚度ee和宽度We0上具有相同的横向尺寸，在长度Le(i)-Lec(i)上是这种情况，其中，Le是在基本发射器6的下游端和入射面8.1之间的第i行输入波导的总长度，其中，Lec(i)是该相同输入波导的校正部分Pc的长度。先前已经指出，长度Le(i)从一个输入波导7到下一个输入波导是不同的，使得入射面8.1是弯曲的并且这些输入波导7正交地出现在其上。此外，长度Lec(i)能够从一个输入波导到下一个输入波导相同或不同。
在校正部分Pc中，输入波导7具有最大横向尺寸，在这种情况下为宽度Wec(i)，其从一个输入波导7到下一个输入波导是不同的，使得输入波导7的光路C(i)在它们的整个长度上是相同的。
更具体地，输入波导7在长度Lec(i)上具有宽度W的渐进变化，在这种情况下是线性的，范围为We0到Wec(i)，反之亦然。因此，第1行的输入波导在长度Lec(1)/2上表现出其宽度为值We0到Wec(1)的线性膨胀，然后在长度Lec(1)/2上表现出为Wec(1)到We0的线性收缩。选择长度Lec(i)/2使得宽度的变化是绝热的，即没有光学损耗。它能够至少等于大约25μm。最大宽度Wec(i)从一个输入波导7到下一个输入波导是不同的，以引起每个输入波导7引起的导模的有效折射率的变化，有效折射率的这种纵向变化被确定为使得输入波导7的光路C(i)在其整个长度上彼此相同。换言之，宽度W的纵向变化被调整为使得：
作为示例，输入波导7能够由对于等于905nm的发射波长λe具有等于2的折射率并且具有300nm的恒定厚度和600nm的宽度We0的氮化硅芯形成。芯被由折射率等于1.45的氧化硅制成的包层包围。在这种情况下，基本偏振导模TE00的有效折射率neff,e0等于1.72。然而，对于等于1μm的宽度Wec(i)，有效折射率neff,ec(i)等于1.78。
此外，校正部分Pc中的输入波导7的局部宽度We的纵向变化引起导模的有效折射率neff,ec(i)的变化，从而允许输入波导7的光路C(i)均衡。它限制或分离与导模相关的相位信息的任何退化，使得聚焦在干涉透镜8的出射面8.3上的光场强度的角度分布实际上与光电发射器1的远场发射图案相关。
这是特别有利的，使得输入波导的横向步长通常受到限制，例如，在这种情况下为1.5μm数量级，并且特别取决于基本发射器6之间的横向步长pee(范围为λe/2到2λe)。因此，用于校正输入波导7的光路偏差的长度Le(i)的修改是不充分的。
图6是根据光电发射器1的替代实施例的校正部分Pc处的几个输入波导7的示意性局部剖视图。输入波导7被图示为分解图。
在该实施例中，附加波导12沿Y轴与输入波导7相对设置，以允许两个波导7、12之间的模态耦合。附加波导12的折射率不同于输入波导7的折射率，并且优选地高于输入波导的折射率。优选地，输入波导7具有在其整个长度Le(i)上保持恒定的横向尺寸(厚度和宽度)。同样优选地，上波导12也具有在其整个长度上保持恒定的横向尺寸(厚度和宽度)。例如由氧化硅制成的包层13围绕波导7和12。
模态耦合被理解为意味着在输入波导7中循环的导模在空间上延伸到输入波导7和上波导12两者中，从而形成超模。更具体地，超模的电场分量具有覆盖输入波导7以及上波导12的空间分布。模态耦合由上波导12相对于输入波导7的适当垂直间距提供，即等于例如几十到几百纳米。
因此，由于两个波导7、12之间的模态耦合，导模在校正部分Pc(由于模态耦合)中的有效折射率与在校正部分之外的有效折射率不同。校正部分Pc中的上波导12之间的长度Les(i)的差引起针对输入波导7中的每个的导模的有效折射率的变化。因此，如图6所示，与第1行的输入波导7相关联的波导12的长度Les(1)的值小于Les(2)的值，Les(2)本身小于Les(3)。因此，在第3行波导7中循环的导模的光路等于第2行波导7和第1行波导7的光路。因此，波导12的长度Les(i)对于每个波导7是预定义的，使得波导7的光路在它们的整个长度上从一个波导7到下一个波导是相同的。
图7是根据光电发射器的另一个替代实施例的校正部分Pc处的几个输入波导7的示意性局部剖视图。输入波导7被图示为分解图。
在这种情况下，针对输入波导7中的每个的导模的有效折射率的变化是通过几个附加移相器14主动提供的，优选是用于限制光学损耗的热光移相器，每个移相器沿Y轴与校正部分Pc中的输入波导7相对布置。
由每个附加移相器14施加的温度值被预先确定为要在输入波导7中的每个中获得的有效折射率的变化的函数，以便均衡输入波导7的光路C(i)。因此，输入波导7中的导模所携带的相位信息的任何退化都受到限制或避免。
上面已经描述了特定实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代实施例和修改是可能的。特别地，先前描述的各种替代实施例不是相互排斥的，而是可以组合的。
干涉透镜8能够具有其他类型的装置，例如共焦装置。在这种情况下，干涉透镜8与图2中描述的不同之处基本在于出射面8.3位于与入射面8.1相对并且由相同的半径Rcr的罗兰圆限定。
图8是根据另一实施例的光电发射器1的示意性局部俯视图，其中，干涉透镜8是阶梯光栅。入射面8.1和出射面8.3是由半径为Rcr的罗兰圆限定的相同曲面的区域。与入射8.1和出射8.3区域相对的反射面8.4由此限定具有均匀折射率的FPR8.2。反射面8.4包括基本反射器8.5的阵列，其朝向限定出射面8.3的焦线反射由输入波导7传输的光学信号。
图9A和9B是根据光电发射器的两个其他替代实施例的在校正部分Pc处的输入波导7中的一个的示意性局部视图。在这种情况下，针对输入波导7中的每个的导模有效折射率的变化是通过涉及形成波导7的包层的相变材料提供的。相变材料能够是特别地选自硫属化物，特别是GST类型的，即基于锗Ge、锑Sb和碲Te形成的。能够参考Abdollahramezani等人的标题为Tunable nanophotonics enable by chalcogenide phase-changematerials,Nanophotonics 2020,9(5),1189-1241的文档。相变材料的部分15静态地或动态地在输入波导7中的导模之间施加针对所述输入波导中的每个所预定义的相对相移，使得输入波导7的光路彼此相同。
图9A以俯视图和剖视图的形式示出了第一示例，其中，相变材料具有在用于制造光电发射器的方法期间预定义的晶相。在这种情况下，波导7位于与形成包层有关的衬底13上。薄膜相变材料的部分15已经沉积在波导7上和周围，并且沿着所述波导在例如1μm到100μm的长度范围内延伸。在这种情况下，它具有均匀的厚度，例如5nm到100nm。相变材料的晶相在制造方法期间例如通过激光脉冲来限定。因此，导模的有效折射率取决于相变材料的折射率(取决于其晶相)。
图9B作为俯视图和剖视图示出了第二示例，其中，相变材料具有在光电发射器的操作期间能够动态地(或静态地)改变的晶相。在这种情况下，波导7嵌入在与形成包层有关的衬底13中。加热器16在波导7上方设置在衬底13的表面上，并在所述波导的任一侧沿X轴延伸。相变材料的部分15例如在1μm到100μm的长度范围内在加热器16上方和波导7上方延伸。在这种情况下，它具有均匀的厚度，例如为5nm到100nm。两个电极17与加热器16接触。因此，在电极之间施加电压导致加热器16升温，这引起相变材料的晶相变化。然后相应地修改导模的有效折射率。
Claims (10)
1.一种在光子芯片上的具有相控阵天线的光电发射器(1)，包括：
-功率分配器(3)，用于在输入端耦合到激光源(2)，并在输出端耦合到形成所述光电发射器(2)的臂的N个波导(4)，其中N>1；
-设置在所述臂(4)中的移相器(5)和基本发射器(6)的阵列，所述基本发射器(6)横向对齐并彼此平行延伸；
-集成控制装置，包括：
-输入波导(7)，其耦合到所述基本发射器(6)；
聚焦透镜(8)，其包括耦合到所述输入波导(7)的入射面(8.1)，和出射面(8.3)；
-输出波导(9)，其耦合到所述出射面(8.3)；
-光电二极管(10)，其耦合到所述输出波导(9)；
-控制模块(11)，其适于根据由所述光电二极管(10)接收的信号来控制所述移相器(5)；
-其特征在于：
-所述聚焦透镜(8)是干涉透镜，所述干涉透镜的入射面(8.1)和出射面(8.3)是弯曲的并且限定具有均匀折射率的自由传播区域(8.2)，所述出射面(8.3)沿着所述聚焦透镜(8)的焦线延伸；
-所述输入波导(7)连接到与其正交的入射面(8.1)；
-在所述输入波导(7)的被称为校正部分(Pc)的部分中用于导模的有效折射率被适配，使得所述输入波导(7)的光路(C(i))彼此相同。
2.根据权利要求1所述的光电发射器(1)，其中，所述输入波导(7)中的每个在所述校正部分(Pc)中具有至少一个横向尺寸的变化，横向尺寸的所述变化是针对每个输入波导(7)预定义的，使得所述输入波导(7)的光路(C(i))彼此相同。
3.根据权利要求2所述的光电发射器(1)，其中，在所述校正部分(Pc)中，每个输入波导(7)具有宽度的绝热变化，范围从对于每个输入波导(7)相同的参考值We0到从一个输入波导(7)到下一个不同的最大值Wec(i)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电发射器(1)，所述光电发射器包括称为附加波导(12)的波导，其产生有具有不同于所述输入波导(7)的折射率的折射率、仅延伸到所述校正部分(Pc)中，并且与所述输入波导(7)相对且平行地布置，以允许与所述输入波导(7)的模态耦合，所述附加波导(12)中的每个具有预定长度，使得所述输入波导(7)的光路(C(i))彼此相同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电发射器(1)，其中，附加移相器(14)耦合到所述校正部分(Pc)中的所述输入波导(7)，并且在所述输入波导(7)中的导模之间施加针对所述输入波导(7)中的每个所预定义的相对相移，使得所述输入波导(7)的光路(C(i))彼此相同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电发射器(1)，其中，位于所述校正部分(Pc)中的相变材料的部分(15)与每个输入波导(7)相关联并且涉及形成其包层，所述相变材料的部分(15)静态地或动态地在所述输入波导(7)中的导模之间施加针对所述输入波导中的每个所预定义的相对相移，使得所述输入波导(7)的光路(C(i))彼此相同。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电发射器(1)，其中，所述聚焦透镜(8)是星形耦合器或阶梯光栅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电发射器(1)，其中，所述聚焦透镜(8)具有罗兰装置或共焦配置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光电发射器(1)，其中，所述光子芯片由SOI衬底产生。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光电发射器(1)，所述光电发射器包括激光源(2)。
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