Устройство контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера Российский патент 2023 года по МПК G01J9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам измерения фазового сдвига (шума) в оптических системах на базе фотонных интегральных схем.

Глоссарий

С целью обеспечения достаточности раскрытия изобретения и обеспечения возможности проведения информационного поиска в отношении заявляемого технического решения, а также для понимания сущности заявляемого изобретения, ниже приведен перечень используемых в описании терминов, не ограничивающих объем правовой охраны. Термины:

Волновод - направляющий канал, в котором может распространяться электромагнитная волна.

Интерференция - перераспределение интенсивности электромагнитных волн в результате наложения (суперпозиции) нескольких электромагнитных волн.

Интерферометр - измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции.

Квантовая сеть - коммуникационная сеть, в которой передаваемые данные защищены методами квантовой криптографии.

Квантовая запутанность - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов не могут быть описаны независимо. Квантовая когерентность - квантовое явление, состоящее в коррелированности, или согласованности, движения микрочастиц, образующих данную физическую систему. Кубит - наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере).

Лазер - источник электромагнитного излучения, обладающий высокой временной и пространственной когерентностью.

Модулятор - устройство для преобразования электрических сигналов в оптическую область (электрооптическое преобразование).

Х-образный ответвитель - устройство, совмещающее функции разветвителя и объединителя.

Разветвитель / объединитель - устройство для деления / суммирования входных сигналов. Фото детектор - устройство для преобразования оптических сигналов в электрическую область (оптоэлектронное преобразование).

Уровень техники

ОБЩИЙ ОБЗОР

Фотонные интегральные схемы (ФИС) представляют собой многокомпонентное оптоэлектронное устройство (монолитная или гибридная интегральная схема), изготовленное на единой подложке и способное выполнять функции генерации, детектирования и обработки оптических сигналов, и постепенно занимающее место основой номенклатуры компонентов всех оптических систем.

Фотонные интегральные схемы предоставляют платформу, позволяющую монолитную интеграцию нескольких оптических компонентов, выполняющих различные функции, на одном чипе. Фотонные интегральные схемы могут быть изготовлены на нескольких материальных платформах, каждая из которых имеет преимущества и недостатки. В современных и перспективных системах на основе фотоники, где используется множество различных элементов, логичным решением является их интеграция в исполнении на чипе. Этим занимается интегральная фотоника - относительно новая и активно развивающаяся мировая отрасль. Известные преимущества фотонных интегральных схем, такие как компактность, быстродействие и энергоэффективность, позволяют им во многих приложениях дополнять или заменять как дискретную фотонику, так и микроэлектронику.

Одной из основных проблем в области применения ФИС является миниатюризация, удешевление устройств с сохранением возможностей контроля параметров работы компонентов ФИС.

Кроме того, значительное снижение стоимости технологии и получение малых габаритов устройств на базе ФИС позволит значительно расширить их области применения и перейти от нишевого применения к использованию на масштабных пользовательских рынках. Подобное проникновение систем на базе ФИС при условии наличия технологий, позволяющих создавать компактные системы с малой стоимостью, весом и энергопотреблением, которые можно легко интегрировать в пользовательские устройства. С помощью фотонных интегральных схем, можно заменить объемные дискретные компоненты одним чипом, размеры которого не будут превышать 20×20×1 мм³, а масса 10 грамм.

Частотная нестабильность, вызванная спонтанными переходами, оптическими потерями и техническим шумом, связанным с перепадами напряжения, вибрациями и температурными флуктуациями в резонаторе лазера, оказывает существенное влияние на качество устройств на базе фотонных интегральных схем.

В электрооптических модуляторах, электронных устройствах, используемых в различных приложениях волоконно-оптической связи, широкое распространение получили интерферометры Маха-Цендера. Интерферометры Маха-Цендера встроены в фотонные интегральные схемы и позволяют получить широкополосные электрооптические амплитудные и фазовые характеристики в диапазоне частот, составляющем несколько гигагерц.

Интерферометр Маха-Цендера - это устройство, осуществляющее интерференцию излучения, разделенного на две части, проходящие разные оптические пути. В оптических телекоммуникациях он используется как электрооптический модулятор для фазовой и амплитудной модуляции света.

В качестве технического решения, которое позволяет осуществить контроль значения фазового сдвига сигнала в оптической системе на базе фотонной интегральной схемы предлагается «Устройство контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера».

Предложенное устройство позволяет осуществлять контроль параметров работы оптических компонентов фотонных интегральных схем, используемых, например, в квантовой телекоммуникации

В ходе патентного поиска были обнаружены документы, определяющие уровень техники и не считающиеся особо релевантным по отношению к заявленному изобретению, а именно: «Измеритель фазовых шумов узкополосных лазеров, основанный на состоящем из рм-волокна интерферометре маха-цендера» (патент № RU 2664692 С1) «Оптический анализатор и метод снижения шума относительной интенсивности при интерферометрических оптических измерениях с использованием непрерывно перестраиваемого лазера» (Optical analyzer and method for reducing relative intensity noise in interferometric optical measurements using a continuously tunable laser, патент № US 20030112442 A1)

«Комплект для измерения ВЧ фазового шума с использованием волоконно-оптической линии задержки» (R.F. phase noise test set using fiber optic delay line, патент № US 4918373 A) Вышеуказанные технические решения представляют собой различные варианты устройств для оценки значения фазового сдвига (уровня шума) в оптических системах.

В качестве аналога можно выделить техническое решение «Оптический анализатор и метод снижения шума относительной интенсивности при интерферометрических оптических измерениях с использованием непрерывно перестраиваемого лазера» (Optical analyzer and method for reducing relative intensity noise in interferometric optical measurements using a continuously tunable laser, патент № US 20030112442 A1, дата приоритета 2001-08-28). Согласно описанию, указанное решение представляет собой гетеродинный анализатор оптических цепей и способ определения характеристик устройства, позволяющие уменьшать влияние шума относительной интенсивности в интерферометрических оптических измерениях путем вычитания измеренных интенсивностей первого и второго сигналов помех, полученных от оптического интерферометра.

Отличием данного технического решения является отсутствие регулируемого оптического аттенюатора в виде еще одного интерферометра Маха-Цендера, в данной схеме используемого для компенсации разности потерь в плечах интерферометра для достижения наибольшего контраста на его выходах. Кроме того, предложенное в указанном патенте решение предполагает использование опорного лазера, то есть гетеродинирование. Предлагаемое в настоящем патенте устройство осуществляет гомодинирование, то есть интерференцию самого сигнала с собой.

В качестве прототипа заявляемого изобретения можно рассматривать техническое решение, раскрытое в патенте «Измеритель фазовых шумов узкополосных лазеров, основанный на состоящем из рм-волокна интерферометре маха-цендера» (патент № RU 2664692 С1, дата приоритета 2017.10.12). Решение относится к устройствам измерения фазового шума методом частотного дискриминатора, в качестве которого выступает интерферометр Маха-Цендера, и может быть использовано для аттестации узкополосных высокостабильных лазеров, применяемых в линиях связи, гидрофонах, лидарных системах, а также в фазочувствительной рефлектометрии. Измеритель фазовых шумов узкополосных лазеров включает в себя: оптический ответвитель, формирующий два канала: первый, регистрирующий мгновенные значения мощности источника, и второй, записывающий два интерференционных сигнала; поляризатор во втором канале, формирующий линейно-поляризованное излучение на входе в разбалансированный волоконный интерферометр Маха-Цендера, выполненный из волоконно-оптического разделяющего ответвителя (1×2) на основе волокна с сохранением состояния поляризации на входе интерферометра, дополнительного волокна с сохранением состояния поляризации, вносящего разность фаз, и объединяющего волоконно-оптического ответвителя (2×1) на основе волокна с сохранением состояния поляризации на выходе интерферометра; расположенный после интерферометра Маха-Цендера поляризационный светоделитель, разделяющий два интерференционных сигнала от ортогонально поляризованных волн; три приемника оптического излучения, два из которых находятся после поляризационного светоделителя во втором канале, а один - в первом канале; аналого-цифровой преобразователь, на который приходят сигналы со всех трех приемников, и после него блок обработки цифровых сигналов для вычисления спектральной плотности мощности фазового шума за счет выполнения функций в следующем порядке: нормировка интерференционного сигнала на мгновенные значения сигнала, пропорционального мощности лазера, с целью компенсации относительного шума интенсивности лазера; высокочастотная фильтрация с целью компенсации температурной нестабильности; вычисление флуктуаций фазы и расчет спектральной плотности мощности фазового шума. Техническим результатом является минимизация погрешности измерения фазовых шумов узкополосного лазера. Отличием данного технического решения также является отсутствие регулируемого оптического аттенюатора в виде еще одного интерферометра Маха-Цендера, в данной схеме используемого для компенсации разности потерь в плечах интерферометра для достижения наибольшего контраста на его выходах.

Вышеуказанные технические решения, как и заявляемое изобретение, предназначены для измерения фазового сдвига (шума) в оптических системах на базе фотонных интегральных схем, однако последовательность модуляций начального сигнала вышеуказанных технических решений существенно отличается от предлагаемого в настоящем изобретении. В частности, ключевым отличием заявляемого способа от прототипа является включение в схему такого компонента, как оптический аттенюатор, а также отсутствие фазового модулятора в составе интерферометра.

Техническая задача, для решения которой предназначено настоящее изобретение, заключается в измерении фазового сдвига между передаваемыми измеряемым устройством импульсами, что необходимо оценки качества настройки компонентов измеряемого устройства. При этом длина линии задержки в используемом несимметричном интерферометре Маха-Цендера может выбираться в зависимости от периода следования импульсов. Предлагаемое устройство может использоваться в виде отдельного чипа, излучение на который подается извне, или располагаться на одной ФИС с измеряемым устройством.

Техническим результатом заявляемого решения является миниатюризация оптических систем, включающих оптические устройства связи на базе фотонных интегральных схем и устройства измерения фазового сдвига, уменьшение влияния тепловых флуктуаций и акустических воздействий на результаты измерения фазового сдвига (по сравнению с дискретными схемами) в том числе за счет возможности расположения устройства контроля фазовых сдвигов и измеряемого устройства на одном чине и исключения необходимости юстировки внешней схемы.

Раскрытие изобретения

Для решения доставленной задачи и достижения вышеуказанного технического результата предлагается «Устройство контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера».

Устройство для реализации настоящего способа состоит из следующих элементов:

1. Оптический аттенюатор 2, выполненный в виде разъединителя 1, двух фазовых модуляторов 3 и 4, и Х-образного ответвителя 5;

2. Несимметричный интерферометр Маха-Цендера 6 с линией задержки 7 в длинном плече, фазовым модулятором 8 в коротком плече, при этом плечи интерферометра соединяются в Х-образном ответвителе 9, пучки из которого направляются во внешние (расположенные вне чипа) фотоприемники 10 (один или оба внешних фотоприемников могут быть заменены одним или двумя фотоприемниками, встроенным в чип, соответственно).

Работа устройства раскрывается следующим описанием:

1. Пучок света направляется из выхода измеряемой схемы, располагаемой на той же ФИС, по волноводу в регулируемый интерферометр Маха-Цендера 2 на разделитель 1, поступает на фазовые модуляторы 3 и 4, соединяется в Х-образном ответвителе 5.

2. Далее пучки из Х-образного ответвителя 5 в зависимости от разности фаз направляются пучки в разной пропорции в два канала в интерферометр 6, где интерферируется два последовательных импульса. Один пучок идет по линии задержки 7, второй идет фазовый модулятор 8, далее два пучка (из линии задержки 7 или фазового модулятора 8) поступают на Х-образный ответвитель 9, откуда в зависимости от разности фаз поступают в разной пропорции на фотоприемники 10.

Несимметричный интерферометр Маха-Цендера с плечами существенно разной длины позволяет измерять фазовый сдвиг двух последовательно идущих световых импульсов за счет разности оптических путей в плечах интерферометра. Длина линии задержки в виде более длинного волновода в одном из них выбирается так, чтобы при заданной частоте следования импульсов максимумы огибающих двух последовательных импульсов приходили одновременно на оптический соединитель на выходе устройства. Дополнение несимметричного интерферометра Маха-Цендера регулируемым оптическим аттенюатором 2 используется для компенсации разности потерь в плечах несимметричного интерферометра Маха-Цендера, что обеспечивает наибольший контраст (отношение разности наибольшего и наименьшего сигналов на выходе к наименьшему сигналу) и, следовательно, повышение точности измерений фазового сдвига на выходах схемы «Устройства контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера».

Резюмируя, описание устройства можно представить следующим образом:

Устройство контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера, состоящее из регулируемого оптического аттенюатора, выполненного в виде разветвителя, двух фазовых модуляторов и Х-образного ответвителя с двумя входами и двумя выходами, несимметричного интерферометра Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, при этом плечи интерферометра соединяются в Х-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприемники

Изобретение раскрывается и поясняется на следующих чертежах:

Фиг. 1 - Принципиальная схема устройства. На вышеуказанной фигуре схематически отражены все компоненты устройства с изображением последовательности их расположения. При этом, кроме последовательности расположения элементов, иные требования к расположению элементов отсутствуют.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера. Устройство состоит из регулируемого оптического аттенюатора, выполненного в виде разветвителя, двух фазовых модуляторов и X-образного ответвителя с двумя входами и двумя выходами, несимметричного интерферометра Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече и фазовым модулятором в коротком плече. Плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприёмники. Технический результат заключается в уменьшении размеров систем, включающих оптические устройства связи на базе фотонных интегральных схем и устройства измерения фазового сдвига, повышении контраста на выходах устройства и исключении необходимости юстировки внешней схемы. 1 ил.

Устройство контроля фазовых сдвигов излучения в интегральных схемах на базе несимметричного интерферометра Маха-Цендера, состоящее из регулируемого оптического аттенюатора, выполненного в виде разветвителя, двух фазовых модуляторов и X-образного ответвителя с двумя входами и двумя выходами, несимметричного интерферометра Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, при этом плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприёмники.