[发明专利]用于改变光束的光路长度和相位的光学系统和方法

说明书

本发明是有关于一个包括形成两个或更多个传输光束的光路的元件的光学系统和改变两个选择光路长度的结构，以及有关于改变光路长度的方法。如果沿两个选择的光路传输光束，而且每个光路的长度变化，那么每个光束的相位将被改变。

这样的光学系统可包括两个平行地结合在一起的不同长度的光路。如果一个光束传输到两光路的一个(前部)结合处，此光束将被分成两个光束分量，其中之一将沿并行光路之一传输，而另一个将沿另一个并行光路传输。这两个分量光束将在两光路的另一个(后部)结合处相遇。由于两分量光束所经过的光路长度不同，因此当它们在下游结合处相遇时两分量光束之间将具有相位差。光束以取决于相位差的大小的方式彼此结合和干涉。

通过采用一种叫做调相器的器件改变透明介质中的光路长度，从而改变沿光路传输的光束的相位是众所周知的。这种器件可以是诸如PIN二极管的电子集成器件，包括与光路毗邻的重搀杂区(分别为n搀杂和p搀杂)。通过将电流施加到PIN二极管，载流子被注入透明介质形成光路的毗邻区，以便改变此区域内光路的折射率。这种折射率变化有效地导致光路长度的变化。这种光路长度的变化引起沿光路传输的光束的相位的变化。

形成光路的集成无源或有源硅绝缘(SOI)波导具有广泛的应用。偶合到波导上的有源集成光学元件可以是基于调相器，诸如上面描述的PIN二极管调制器。许多集成光学器件，例如衍射仪、开关和幅度衰减器都可以由这种集成调相器结构制成。当调相器偶合到如上所描述的具有两个光路的光学系统的一个光路上时，能够改变两个光路的长度差。因此改变两个光束的干涉特性。

大多数的调相器，例如上面描述的PIN二极管调相器都要求采用电流驱动器。由于在大多数的调相器的电流响应特性，光路长度变化和相位的变化是驱动电流的非线性函数。而且，由于注入光路材料中的载流子引起的光散射，通过所述光路部分传输的光束也发生幅度调制，所述光路部分耦合到包括一个PIN二极管的调相器上。

另一种类型的调相器是热调相器。在这种类型的调制器中，将电压施加到加热或冷却装置上，改变材料的温度使得沿光路传输的光束的相位变化。对于上面描述的PIN二极管型调相器，相位变化是所施加电压的非线性函数。

包括调相器的集成光学系统应用在比如传感器应用中，这里传感系统依赖调相器解调或处理信号。这样调相器的任何非相性就在传感系统的输出端重现。因此，现有技术的调相器的非线性直接地影响传感器系统的准确度。在现有技术的系统中必需采用复杂的线性化电路以便弥补这种缺陷。

因为某些调相器的性质，比如前面描述的PIN二极管调相器，驱动电流在调制器中总是只沿一个方向流动。因此，这些调相器仅能够在一个方向上被驱动，而能够使得电流在两个方向上流过调相器的标准的推挽操作方法通常是不可能实现的。诸如干涉仪和开关的有源光学系统包括两个光路，而且在两个光路之一上使用调相器，以便改变两个光路之间的光程差(OPD)从而改变系统的光学特性。可将调相器耦合到任意一个光路，以便对系统的OPD变化产生类似的影响。因此，在这样的干涉仪或开关中通常仅采用一个调相器。

另一个调相器可加到系统的另一个光路上。然而，由于调相器的特性，每个调相器对与之相关的光路产生相似的影响，亦即当增加驱动电流时，它使得光路长度减小，反之减小驱动电流时，使得光路长度增加。结果在已知系统中，调相器引起的光路的变化基本上相互抵消。因此在现有的使用另外一个调相器的光学系统中，它通常与第一调相器串联并在相同的光路上用作备用调相器。

本发明的目的是提供一种光学系统：包括形成两个或多个用于传输光束的光路的元件，并具有用于改变光路长度的改进结构，以便改变沿光路传输的光束的相位。

依据本发明的一个方面，光学系统包括形成至少两个光路的元件和用于改变两个选择光路长度的结构，所述两个选择光路包括两个调相器，每个调相器耦合到所选光路之一上，和一个驱动系统，用来将功率施加到调相器上以便沿相同的方向驱动它们，和用于沿相反方向改变施加到调相器上的功率，以便沿不同方向改变每个光路的长度。

施加到调相器上的沿相反方向变化的功率量最好相等。

施加到调相器上的功率量可以同时或连续变化。

依据本发明的另一方面，提供了一种改变两个光路长度的方法，每个光路包括一个调相器，该方法包括如下步骤：将功率施加到两个调相器上以便在相同方向上驱动调相器，沿相反方向改变施加到调相器上的功率量，以便沿不同方向改变每个光路的长度。