[0002] 本发明涉及光学装置领域，尤其涉及光学相控阵和相关方法。

[0003] 光学相控阵(optical phased array，OPA)由多个光学天线组成，每个天线发射或接收特定幅度和相位的光。OPA可以用于多种目的，例如光检测和测距(light detection and ranging，LIDAR)设备。基于OPA的LIDAR可以展现出灵活的波速转向、波束成形、以及多波束生成，这可以用于许多应用，例如但不限于自动驾驶。OPA可以用作发射波束成形器，其中，OPA被控制以使得发射通过干涉形成所需的远场辐射图。

[0004] OPA可以使用光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)平台(例如但不限于绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)平台)来实现，其中，OPA部件在包括光波导的衬底上形成。在2017年2月的Optics Express第25卷No.3上Komljenovic等的“Sparse Aperiodic Arrays for Optical Beam Forming and LIDAR”(以下称为Komljenovic)中，尤其是在Komljenovic的图1中描述了这种类型的示例OPA。然而，在这种实现中，所需的光学部件(包括无源元件和有源元件)通常是偏振相关的。例如，Komljenovic描述了具有依赖于折射率的转向方向的OPA，但使用硅厚度为220nm到500nm并具有部分蚀刻的波导的SOI，本领域技术人员都知道该部分蚀刻的波导具有强烈依赖于偏振的折射率。这意味着对于正确的操作，提供给这些部件的光必须主要是特定偏振的。

[0005] 为了解决这个问题，当前的OPA通常接收在传送到PIC之前被预配置为所需偏振的输入光。例如，输入光可以远离PIC而生成，具有所需的偏振，然后使用偏振保持(polarization maintaining，PM)光纤发送到PIC平台OPA输入。

[0006] 然而，使用偏振保持传输媒介以将OPA连接到外部偏振控制光源通常增加了系统成本和复杂性。因此，需要一种可与更通用的光源操作的OPA，更通用的光源例如是通用光纤激光器或具有未定义的偏振的另一光源，其中，未定义的偏振可以是静态的或可以是时变的。

[0007] 因此，需要一种消除或减轻现有技术的一个或多个限制的OPA和相关方法。

[0008] 提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。无意承认也不应解释为任何前述信息构成了相对于本发明的现有技术。

[0038] 本发明实施例提供了一种OPA，通过提供额外部件，该OPA被配置为容许输入光的多种偏振。即，该OPA被配置为无论输入光的偏振态如何，仍以相对一致的方式工作。输入光用作OPA的天线单元的光源。额外部件可以集成到与OPA的单元相同的光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)平台(例如SOI芯片或其他硅光子器件)上。例如，移相器可以与光学天线集成到同一PIC上。

[0039] 本发明实施例可以包括使用以下材料实现的PIC平台，例如但不限于绝缘体上硅、氮化硅、氮氧化硅、以及III-V材料，III-V材料包括GaAs基材料和InP基材料。

[0040] 一般地，本发明实施例包括偏振分路耦合器(polarization splitting coupler，PSC)，PSC具有用于接收输入光的单个输入端。输入光可以具有任意偏振态，并且可以分解成两个正交偏振分量，其中，两个正交偏振分量的相对幅度和相位取决于该输入光的偏振态。更具体地，输入光可以看作由第一分量和第二分量的组合组成，第一分量具有第一偏振，第二分量具有正交于第一偏振的第二偏振。第一分量或第二分量可以构成全部或基本全部输入光。PSC包括产生第一波导输出的第一部分和产生第二波导输出的第二部分。PSC用于将输入光的第一分量路由至第一部分和第一输出端，并将输入光的第二分量路由至第二部分和第二输出端。因此，PSC可以将输入光束分为输入光束的第一光分量和第二光分量，第一光分量和第二光分量分别对应于第一正交偏振分量和第二正交偏振分量。PSC可以操作使得第一输出端的光和第二输出端的光为共偏振，即，在其各自波导输出中具有相同的预定光偏振态。这样，后续部件(如波导)可以针对同一偏振设计，这简化了PIC的设计和制造。

[0041] 这样，在PIC芯片的光学部件内，PSC将任意偏振的输入光分离(例如，将输入光分解成正交的x偏振分量和y偏振分量)成具有相同偏振态的两个分量(例如，两个TE偏振分量)。这有助于OPA的偏振透明性和偏振独立性。换句话说，PSC下游的OPA部件被馈入偏振一致的光，该偏振通常是指这些部件被设计进行工作时的偏振。因此，一个或多个OPA部件被合适偏振的光激励。这可以减轻或消除以下需要的至少之一：光源和OPA之间的片外偏振控制、使用偏振保持光纤以馈入OPA。

[0042] 因此，由PSC输出的基本上所有光或至少大部分光都是单一偏振且偏振一致的，而PSC的输入光的偏振态可以与PSC输出光的偏振态不同。该偏振可以是标准PIC实现的一系列光学部件适于操作的偏振。例如，当该设备设置在硅光子芯片上时，该偏振可以是横向电场(Transverse Electric，TE)偏振。当提及光在光纤、片上波导、或其他PIC部件上传播时，术语“偏振”或“偏振态”在本文中被理解为包括横向电场(TE)和横向磁场(transverse magnetic，TM)偏振态。如本领域技术人员容易理解地，TE偏振态和TM偏振态可以指相对于光传播通过的波导或其他设备的光的偏振。TE偏振态和TM偏振态还可以就其相应的传播模式进行理解，例如基本TE模(TE0)和基本TM模(TM0)。PIC中的光的偏振不是根据PIC的波导的方向进行定义，因此，除非存在偏振旋转器，否则当光在绕过PIC时，波导中光的偏振被保持。

[0043] 在各种实施例中，由于PSC的存在，因此不需要偏振保持光纤或片外偏振控制。偏振管理元件可以在芯片上实现，以实现偏振不敏感OPA。

[0044] 在一些实施例中，PSC是偏振旋转分路器(polarization rotation splitter，PRS)。PRS用于将TE偏振输入光和TM偏振输入光分离，将TE偏振光引导至第一波导，将TM偏振光引导至第二波导，以及将第二波导中的TM偏振光转换(旋转)为TE偏振光。该转换可以基于模式耦合或模式演化过程执行。在Wesley D.Sacher、Tymon Barwicz、Benjamin J.F.Taylor、和Joyce K.S.Poon的“Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms”Opt.Express 22,3777-3786(2014)中描述了合适的PRS的示例。

[0045] 在一些实施例中，PSC是二维光栅耦合器(two-dimensional grating coupler，2D GC)。2D GC是偏振分集耦合器，用于将光纤的未知偏振态经由集成波导耦合到两个TE偏振的光输出。在G.Roelkens、D.Vermeulen、S.Selvaraja、R.Halir,W.Bogaerts、和D.Van Thourhout的“Grating-Based Optical Fiber Interfaces for Silicon-on-Insulator Photonic Integrated Circuits”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.17,No.3,五月/六月2011中描述了合适的示例2D GC。

[0046] 在一些实施例中，PSC可以是PRS或2D GC，用于将光纤的未知偏振态耦合到两个TM偏振的光输出。例如，通过提供包括其间距被优化以将在PIC中传播的光与TM偏振光的有效折射率耦合的表面光栅耦合器的天线，PIC的PSC之后的部分(例如包括OPA部件)可以被配置为使用TM偏振光操作。

[0047] 如上所述，PSC输出从随机或任意偏振的输入光获得的两个分离但共偏振的光分量。PSC基于光的特征(例如偏振)将输入光路由到其两个不同的输出端。由于输入光的偏振态可以是任意的和时变的，故当输入光被分解成两个正交分量时，两个分量的光功率可能有很大的变化。例如，当输入光的偏振是时变的时，PSC的输出功率在其两个输出之间改变。

[0048] 如本领域技术人员容易理解的，如果两个光信号相干(意味着这两个光信号具有恒定的相位差)，并且如果信号是单色的(意味着这两个光信号基本是单一波长)，则可能发生光干涉。对于本发明中通常使用的光源，如光纤激光器，满足第二条件。PRS或2D GC的两个输出在给定时间具有固定的相位差，即使该相位差随时间变化。因此，可能出现非期望的干涉，并且实际上这种干涉可能随时间变化。

[0049] 针对图11A和图11B描述了对于减轻干涉的启示性示例。图11A和图11B分别展示了在减轻干涉和不减轻干涉的情况下，由两个相邻OPA部件(例如，如图3和图4所示的部件)的同时操作引起的远场辐射图。在不减轻的情况下，由于两个共偏振OPA部件之间的干涉，可以发生干涉图。类似地，由于缺乏控制器，两个OPA部件之间的相位差因可变的输入光而不是固定的。在一些实施例中，使用HWP或类似结构以使两个OPA部件的偏振不同，因此避免其间的光干涉。在没有这些措施的情况下，由两个OPA部件创建的光束可能干涉，在远场中创建非期望的一组干涉条纹(图11A)。这将降低OPA的远场分辨率，并且会降低设备的远场分辨率。因此，本发明实施例减轻不受控的OPA干涉，并且可以降低或消除产生的干涉条纹。

[0050] 为了解决这个问题，本发明实施例提供了一种或多种形式的干涉减轻。为了清楚起见，这指减轻非期望的干涉，而不是所需的干涉现象(OPA的操作可以依赖于所需的干涉现象来转向波束)。具有正交偏振的两束光不会干涉。在一些实施例中，减轻干涉包括半波片(half wave plate，HWP)或其他结构将来自不同OPA部件的输出光的偏振正交化。在一些实施例中，减轻干涉包括位于OPA部件之前(即，在光输入和OPA部件之间)的偏振控制器(polarization controller，PC)(PSC是PC的元件)。在一些实施例中，PC操作以降低PSC的不同输出之间的非受控相对功率和相位，从而调节两个PSC输出之间的功率比和相位差。例如，PC可以具有两个输出，并操作以控制PC的输出中的相对光功率和相对光相位，从而所述输出将具有受控相对光功率和受控相对光相位的光传送到部件OPA。在一些实施例中，减轻干涉包括单输出的偏振控制器，该控制器将PSC输出的光分量组合成单个受控输出，该单个受控输出被传送到单个OPA部件。

[0051] 注意，控制器在片上实现，即，在与OPA部件相同的PIC衬底上实现，因此相对于片外解决方案降低了成本和复杂度。类似地，HWP或其他结构可以在片上实现、直接附接到芯片上、或与芯片共同打包。干涉减轻器因此是OPA的一部分，用于减轻或消除OPA中由于PSC的两个输出潜在地不平衡、异相、和不受控而引起的可能的干涉。

[0052] 更具体地，在一些实施例中，PSC的两个输出端耦合到(整体OPA的)两个独立的OPA部件。这可以是直接耦合，省略中间控制器。例如，OPA部件可以设置在公共平面。此外，从两个OPA部件发射的光的偏振态被正交化，使得一个OPA部件发射与另一OPA部件发射的光正交的光。在一个实施例中，为了实现正交化，除了在OPA部件之一之上设置半波片(HWP)之外，两个OPA部件可以基本相同。波片是一种众所周知的光学器件，其修改通过该波片的光的偏振，通常执行对偏振态的椭圆变换。半波片是波片的一种特定形式，可以被定向以将偏振旋转90度。即，HWP用于将从该OPA部件通过的光的偏振改变90度，从而使HWP输出的光正交于输入至HWP的光而偏振。

[0053] 在另一实施例中，存在两个波片，其中，每个OPA部件上设置一个波片。两个波片共同产生正交化。这两个波片实现的变换总和为半波变换。例如，这两个波片可以是符号相反的两个四分之一波片。

[0054] 在其他实施例中，并非使用波片，而是相对于PIC的布局来定向第一OPA部件的天线，使得这些天线正交于第二OPA部件的天线。因此，第一OPA部件发射的光相对第二OPA部件发射的光正交地偏振。这样，天线定向用于促进减轻干扰。该方法可以组合其他方法，例如使用半波片。

[0055] 更具体地，在一些实施例中，光控制器耦合到PSC的两个输出端。控制器可以包括反馈控制电路。PSC和耦合到PSC的输出端的控制器的组合在本文中也称为偏振控制器(PC)。偏振控制器用于耦合来自输入端口的光，以提供从光束导出的输出光的预定义偏振态。在各种实施例中，偏振控制器充当马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或耦合的马赫-曾德尔干涉仪，并包括PSC(例如PRS或2D GC)、一个或多个移相器、以及一个或多个2x2光耦合器。例如，光耦合器可以是3dB光耦合器。如上所述，PSC在其第一输出端和第二输出端提供独立的第一(光)分量和第二(光)分量。移相器提供独立的第一光分量和第二光分量之间的光相位调节。2x2耦合器在移相器之后混合第一光分量和第二光分量，并输出第三光分量和第四光分量。PC可以包括第一级MZI，并且还可以包括耦合到第一级MZI的额外的MZI级。PC可以基于OPA要求控制PSC的相位差和两个输出功率之比。可能合适的PC的更多细节可以例如在以下文献中找到：J.Niklas Caspers等的“Active Polarization Independent Coupling to Silicon Photonics Circuit”，Proc.SPIE 9133，Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits IV，91330G(2014年五月1日)。

[0056] PC可以包括一个或多个MZI级，每级包括移相器和耦合器。PC可以调节一个或多个MZI级的两个臂之间的相位差。PC还操作用于提供具有至少所需相位和光功率之一的两个受控输出光。例如，可以使两个受控输出光具有相同的相位和/或相同的光功率。作为另一示例，可以使一个受控输出光的光功率比另一受控输出光更高。特别地，可以使一个受控输出光具有基本上全部或至少大部分光功率。

[0057] 更具体地，在一些实施例中，具有单个输出端的光控制器耦合到PSC的两个输出端。这是偏振控制器的一种形式。单输出端的控制器用于将第一光分量和第二光分量路由至这单个输出端。单输出端的控制器可以包括反馈控制电路。单输出端的控制器可以看作是仅有单个光输出端的一种形式的控制器，其将基本上所有的输入光路由至该输出端。这种路由可以使用反馈控制执行。该输出端连接至单个OPA部件。

[0058] 图1A示出了根据本发明各种实施例提供的通用型OPA 100。OPA 100包括具有两个输出端的PSC110、一个或多个OPA部件130、以及干涉减轻器120，干涉减轻器120耦合到PSC 110和OPA部件130之间，或集成到或耦合至OPA部件130中的至少一个OPA部件的输出。注意，PSC 110和干涉减轻器120共同减轻干涉。即，可以认为PSC是干涉减轻器的一部分。

[0059] PSC 110用于在输入端112接收源光，输入端112例如是耦合到携带激光器输出光的光纤的输入端。PSC将源光的第一部分转换成在第一输出端114提供第一输出光，并将源光的第二部分转换成在第二输出端116提供第二输出光。第一输出光和第二输出光具有相同的偏振，例如TE偏振。

[0060] 根据干涉减轻器120的位置，OPA部件130直接或间接耦合到PSC 110的输出端。因此，OPA部件130直接或间接接收第一输出光和第二输出光。在一些实施例中，如图1B和图1C更明显所示，提供了两个OPA部件135、140。在图1B中，两个OPA部件可以是两个独立的OPA。在图1C中，两个OPA部件可以是单个OPA的两个协作的半部。即，这两个半部可以作为单个整体OPA部件共同操作。干涉减轻器用于减轻两个OPA部件135、140的输出之间的不受控光干涉。在一些其他实施例中，如图1B所示，干涉减轻器与两个OPA部件之一(例如OPA 140)集成或直接耦合到两个OPA部件之一。在一些其他实施例中，如图1C所示，干涉减轻器耦合到PSC 
110的第一输出端114和第二输出端116，并生成两个受控输出光124、126。这两个受控输出光中的每个被提供到两个OPA部件135、140之一。

[0061] 图1D示出了另一配置，其中，干涉减轻器120向单个OPA部件130输出单个光。干涉减轻器可以将来自PSC 110的两个输出端114、116的光组合成单个输出。在该实施例中的干涉减轻器通过将输入光组合到单个输出而不改变偏振态来实现，单个输出被传送到单个OPA部件。因为仅使用了一个OPA部件，所以避免了多个(例如两个)OPA中的每个OPA的输出光束之间的潜在干涉。

[0062] 图2至图10示出了一般性地对应于图1A至图1D的各种实施例。在每个附图中，相似的部件具有相似的特征。

[0063] 图2示出了根据本发明实施例提供的OPA 200。这些实施例也与图1B所示的实施例有关。PSC 210直接耦合到两个OPA部件235、240，其中，PSC 210的第一输出端214耦合到第一OPA部件235，PSC 210的第二输出端216耦合到第二OPA部件240。PSC 210在输入端212接收随机偏振的输入光。这两个OPA部件经由干涉减轻器的操作被正交化，干涉减轻器在本实施例中采取半波片(HWP)245的形式，HWP 245设置于第二OPA部件240的天线单元之上。HWP 245用于将天线单元发射的光的偏振旋转90度，从而使第一OPA和第二OPA发射正交偏振的光。

[0064] 图3示出了根据图2所示的实施例的OPA，但其中特别地，PSC是偏振旋转分路器(PRS)310。如图所示，OPA的所有部件都位于同一PIC衬底305(例如集成芯片)上，例如作为集成芯片。同样如图所示，OPA部件235、240中的每个包括复数个分支(例如分支242)，每个分支包括耦合到多个天线单元(例如单元246)的相位控制器244(例如可控移相器)。通过调节相位控制器244，来自OPA部件235的光束380和来自OPA部件240的(单独)光束390可以被成角度地引导进出图3所示的平面。PRS 310的输出经由波导被提供给每个相位控制器，相位控制器的输出经由其他波导被提供给天线单元。

[0065] 虽然为了清楚起见，380和390被绘制为单个光束，但380和390中的每个可以包括多个子光束。(在Komljenovic中，特别是该参考文献的图2d中示出了一个OPA如何创建多个子光束的示例。)一般地，光束380的方向、子光束的数量、大小、和归一化强度分布在任何给定时刻都与光束390的相同，从而OPA部件235、240在任何给定时刻都照射外部场景的同一区域。光束380相对于光束390具有正交偏振，因此光束380不与光束390干涉。然而，由于在该实施例中，不控制PRS 310的两个输出中的相对光功率，因此光束380、390通常不具有相同的光功率。不过，由于光束380、390基本上没有相互作用，所以传送到场景中的目标的光功率简单地与光束380和光束390中的光功率的线性总和成比例，因此缺少相对光功率控制不会不利于本实施例的操作。

[0066] 光束380和(单独)光束390中的每个都是完整的良好光束，例如，具有以所需的光束截面向外部场景传播的强度分布。特别地，光束380不与光束390相互作用以形成更大的光束。这样，例如由于偏振正交性，光束380可以被配置为与光束390分开且不同。

[0067] 应注意，OPA部件的这种配置仅是示例。如本领域技术人员容易理解地，OPA部件的不同配置可以作为替代。每个天线单元可以使用衍射效应(例如借助于表面光栅耦合器)或使用反射表面(例如蚀刻在芯片上的镜面)向环境发射光。可以通过改变激光源的波长或通过引入并操作穿插在天线单元246中的额外的相位控制器来转向光束380、390。

[0068] 图4示出了根据图2所示实施例的OPA，但其中特别地，PSC是二维光栅耦合器410。类似于图3，OPA的所有部件均位于同一PIC衬底305上，每个OPA部件包括例如复数个分支，每个分支包括耦合到多个天线单元的相位控制器。

[0069] 在图3和图4中，HWP245直接放置在第二OPA部件240之上，以便与第二OPA部件240发射的光相互作用。HWP 245调节发射的光的偏振角度，从而两个OPA部件发射不同的(通常是正交的)偏振光。应当理解，输入第一OPA部件235的天线单元246中的光与输入第二OPA部件240中的天线单元246中的光具有相同的偏振。类似地，第一OPA部件235中的天线单元246发射的光与第二OPA部件240中的天线单元246发射的光具有相同的偏振。因此，如果省略HWP 245，则两个OPA部件创建的光束将干涉，如将针对图11A和图11B进一步解释地，这将在远场中创建不利的一组干涉条纹。这将降低OPA 305的远场分辨率，并降低设备的远场分辨率。因此，可以理解，HWP245的目的是确保来自两个OPA部件235、240的相应光束不干涉(由于这些光束现在是正交偏振的)或至少减少干涉。不干涉的OPA部件预计会使干涉条纹缺失。

[0070] 图5示出了根据本发明其他实施例提供的OPA 500。这些实施例也与图1C所示的实施例有关。该实施例中的干涉减轻器包括控制器520，控制器520例如借助于光波导可操作地耦合到PSC 510的第一输出端514和第二输出端516。PSC 510可以是PRS或2D GC，在输入端512接收随机偏振的输入光。控制器520用于提供从第一输出光和第二输出光导出的第一受控输出光524和第二受控输出光526。如图6所示，单个整体OPA部件550创建单个光束680。整体OPA部件550包括第一OPA部件535和第二OPA部件540，第一OPA部件535组成整体OPA部件550的第一半部，第二OPA部件540组成整体OPA部件550的第二半部。第一半部535和第二半部540共同作用以创建光束680，其中，光束680可以包括子光束。第一受控输出光524被提供给整体OPA部件550的第一半部535，第二受控输出光526被提供给整体OPA部件550的第二半部540。

[0071] 控制器520可以用于提供所需比例的输入光作为第一受控输出光，并提供输入光的其余部分作为第二受控输出光。在一些实施例中，所需的比例大约是50％。在一些实施例中，所需的比例是另一值。

[0072] 整体OPA部件550包含分支、相位控制器、和天线单元，基本与图3中的类似。如果不控制输入分支的相对光功率和相对相位，则从整体OPA部件550的第一半部535发射的光将不受控地与从第二半部540发射的光干涉。因此，控制器540通过控制输出光524、526的相对光功率和相对光相位减轻了不受控的干涉，从而创建单个控制良好的光束680。在该实施例中，两个OPA部件535、540基本上沿包含天线的区域的整个长度彼此邻接，也就是说，两个OPA部件535、540沿边缘接触或几乎接触，其中，光束680基本上以该边缘为中心。例如，光束可以包括对称的两半，并且包括上述边缘并沿该光束的主轴扩展的平面是该光束的对称平面。

[0073] 图6示出了根据图5所示实施例的OPA，但其中特别地，PSC是PRS 610，并且控制器620采用如下所述的特别形式。PRS和控制器被示为偏振控制器(PC)607的串接部件。

[0074] 图6、图7、图8A、图8B、图9、和图10的控制器包括多个级(stage)。控制器的多个级用于实现具有受控相位和功率差的所需输出信号。以下参考文献描述了合适的多级控制器的示例：J.Niklas Caspers、Yun Wang、Lukas Chrostowski、和Mo Mojahedi的“Active polarization independent coupling to silicon photonics”，Proc.SPIE 9133，Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits IV,91330G(2014五月1日)，以及Wesley D.Sacher、Tymon Barwicz、Benjamin J.F.Taylor、和Joyce K.S.Poon的“Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms”，Opt.Express 22,3777-3786(2014)，所述参考文献还描述了这种控制器用来控制偏振的物理原理。因此，这些参考文献示出了如何使用2个或2个以上的光学级来实现光波导偏振控制器，每级包括至少一个光移相器，后跟2x2光耦合器，所述移相器通过光电检测器和电子控制反馈来控制。

[0075] 控制器620包括第一移相器部分，第一移相器部分耦合到PRS 610的第一输出端514和/或第二输出端516。第一移相器部分用于调节第一输出光和第二输出光的相对相位。
在所示实施例中，第一移相器部分包括耦合到第一输出端514的单个移相器652a。在其他实施例中，第一移相器部分还可以包括耦合到第二输出端516的另一移相器，在这种情况下，两个移相器可以以互补的方式操作，以产生相对相移。

[0076] 控制器620还包括耦合到移相器部分的输出的第一光耦合器656a。第一光耦合器656a接收并耦合经过移相器部分的相对相位控制之后的由PRS 610提供的第一输出光和第二输出光。如图所示，第一光耦合器656a直接耦合到移相器652的输出并耦合到第二输出端
516。当另一移相器耦合到第二输出端516时，第一光耦合器656a也可以直接耦合到该其他移相器的输出。第一光耦合器656a输出第一输出和第二输出，也称为中间耦合器输出光
518、519，这些光被路由至类似于第一移相器部分的第二移相器部分。在所示实施例中，第一中间耦合器输出光518被提供至第二移相器652b，第二中间耦合器输出光519被直接提供至第二光耦合器656b。与第一移相器部分一样，第二中间耦合器输出光519可以替代性地通过另一移相器路由，该另一移相器与第二移相器652b以互补的方式操作。第二移相器652b的输出也被提供至第二光耦合器656b。

[0077] 第二光耦合器656b输出第一耦合器输出光和第二耦合器输出光。在所示实施例中，第一耦合器输出光和第二耦合器输出光被分别直接提供为第一受控输出光524和第二受控输出光526。更一般地，在可能涉及多个控制级的实施例中，最后串接的光耦合器的输出被提供为受控输出光。

[0078] 控制器620还包括反馈控制部分，反馈控制部分包括一对光电检测器662、664以及控制电路672，光电检测器662、664中的任一个可以省略。光电检测器662、664可以是光电二极管，用于分别监测第一受控输出光524的功率和第二受控输出光526的功率。光电检测器可以经由光学抽头耦合到提供输出光524、526的光波导。来自光电检测器662、664的信号(指示其检测到的光)被提供给控制电路672。更一般地，控制器620的反馈控制器部分以及其他控制器(例如但不限于图9所示的控制器920)的反馈控制部分可以包括一个或多个光电检测器，该一个或多个光电检测器用于监控第一受控输出光的功率和/或第二受控输出光的功率。

[0079] 控制电路672用于基于上述一对光电检测器的输出来控制第一移相器部分和第二移相器部分(包括移相器652a和652b)所应用的相对相位调节。控制电路672可以是模拟电路、数字电路、或其组合。控制电路672的部分或全部可以是集成电路部件，例如ASIC或FPGA。控制电路672是整体控制器620的一部分。控制器672基于来自光电检测器的信号提供输出信号，输出信号用于以预定方式驱动移相器部分。在各种实施例中，由控制器电路672生成或经由独立的电压生成器生成的DC电压674a可以被提供给第一移相器部分，以控制第一移相器部分的移相器(例如移相器652a)。由控制器电路672生成或经由独立的电压生成器生成的DC电压674b也可以被提供给第二移相器部分，以控制第二移相器部分的移相器(例如移相器652b)。还示出了OPA部件的天线单元发射的光束680。

[0080] 在另一实施例中，控制器620控制两个输出524、526中的相对光功率，并且相位控制器544(在一列相位控制器的顶端标记的一个相位控制器)对两个输出524、526的相对相位差进行补偿。即，OPA部件中的相位控制器(例如移相器)被配置并操作以补偿OPA部件之间的相对相移。

[0081] 图7示出了根据图5所示实施例的OPA，但其中特别地，PSC是2DGC，并且控制器采用与图6所述相同的形式。2G DC和控制器被示出为偏振控制器(PC)707的串接部件。图7的其他方面与针对图5所述的相同。

[0082] 图8A示出了图6的PC 607或图7的PC 707的替代配置。PSC 810可以是PRS或2D GC。所示的控制器包括多个串接的级820a、820b、和820c，每级分别包括移相器(PS)852a、852b、
852c和2x2耦合器856a、856b、856c。虽然示出了三个级，但可以提供四个或更多个级。移相器852a、852b、852c使用公共控制电路872进行控制，公共控制电路872接收来自光电检测器
862、864的输入，光电检测器862、864耦合到2x2耦合器856c的输出，2x2耦合器856c还提供受控输出光824、826。根据预定的反馈控制策略，控制电路572基于来自光电检测器862、864的输入生成并提供信号以控制移相器852a、852b、852c。可以提供额外的光电检测器或光电检测器的替代放置。控制电路可以包括单个控制电路或多个独立的或协作的控制电路，每个控制电路用于操作移相器之一或移相器的子集。

[0083] 图8B示出了根据本发明另一实施例的多级控制器。图8B的控制器如图8A所述，除了提供了一般数量的N个控制级。每个级820a、820b、直到820n包括移相器部分和2x2耦合器。移相器部分可以包括一个移相器或一对互补的移相器。

[0084] 如图6、图7、图8A、和图8B所示，控制器可以包括在光耦合器和第一OPA部件与第二OPA部件之间的多个控制级。每个控制级可以包括相应的移相器部分，该移相器部分用于调节从光耦合器直接或间接接收的光的相对相位。移相器部分由控制电路控制。每个控制级还可以包括相应的光耦合器，该光耦合器耦合到同一控制级的移相器部分的输出。来自最后一个控制级的光耦合器的输出被提供作为第一受控输出光和第二受控输出光。

[0085] 图9示出了根据本发明另一实施例的OPA，其中，使用单个OPA部件935，并且PSC是PRS 910。该实施例也与图1D所示的实施例有关。PRS 910在输入端912(例如从激光器)接收源光。PRS 910和控制器920被示出为偏振控制器(PC)907的串接部件。并非使两个输出光中的每个连接至OPA部件(如图2所示)或使两个输出光中的每个连接至OPA部件的半部(如图5所示)，现在单个输出光924耦合到单个OPA部件935。还示出了由OPA部件的天线单元发射的光束980，其中，光束980可以包括多个子光束。

[0086] 控制器920包括第一移相器部分，第一移相器部分耦合到PRS 910的第一输出端914和/或第二输出端916。第一移相器部分用于调节第一输出光和第二输出光的相对相位。
在所示实施例中，第一移相器部分包括耦合到第一输出端914的单个移相器952a。在其他实施例中，第一移相器部分还可以包括耦合到第二输出端916的另一移相器，在这种情况下，两个移相器可以以互补的方式操作，以产生相对相移。

[0087] 控制器920还包括耦合到第一移相器部分的输出的第一光耦合器956a。第一光耦合器956a接收并耦合由PRS 910提供的经过移相器部分进行相对相位控制之后的第一输出光和第二输出光。如图所示，第一光耦合器956a直接耦合到移相器952a的输出并耦合到第二输出端916。当另一移相器耦合到第二输出端916时，第一光耦合器956a也可以直接耦合到该另一移相器的输出。第一光耦合器956a输出第一中间耦合器输出光918和第二中间耦合器输出光919，这些光被路由至类似于第一移相器部分的第二移相器部分。在所示实施例中，第一中间耦合器输出光918被提供至第二移相器952b，第二中间耦合器输出光919被直接提供至第二光耦合器956b。与第一移相器部分一样，第二中间耦合器输出光919可以替代性地通过另一移相器路由，该另一移相器与第二移相器952b以互补的方式操作。第二移相器952b的输出也被提供至第二光耦合器956b。

[0088] 第二光耦合器956b输出第一耦合器输出光和第二耦合器输出光。在所示实施例中，第一耦合器输出光被直接提供为受控输出光924。更一般地，在可能涉及多个控制级的实施例中，最后串接的光耦合器的一个输出被提供为受控输出光924。

[0089] 控制器920被操作为使得基本上全部或尽可能多的输入光被路由至第二光耦合器956b的单个输出，从而被提供作为单个受控输出光924。在另一光耦合器输出处的其余的光可以被消除。

[0090] 控制器920还包括反馈控制部分，反馈控制部分包括一对光电检测器962、964以及控制电路972，光电检测器962、964中的任一个可以省略。光电检测器962、964可以是光电二极管，用于分别监控第一受控输出光924的功率和由第二2x2光耦合器956b的另一输出输出的光958的功率。光电检测器可以经由光学抽头耦合到提供输出光924、958的光波导。来自光电检测器962、964的信号(指示其检测到的光)被提供给控制电路972。

[0091] 控制电路972用于基于上述一对光电检测器的输出来控制第一移相器部分和第二移相器部分(包括移相器952a和952b)所应用的相对相位调节。控制电路972可以是模拟电路、数字电路、或其组合。控制电路972的部分或全部可以是集成电路部件，例如ASIC或FPGA。控制电路972是整体控制器920的一部分。控制器972基于来自光电检测器的信号提供输出信号，输出信号用于以预定方式驱动移相器部分。在各种实施例中，由控制器电路972生成或经由独立的电压生成器生成的DC电压974a可以被提供给第一移相器部分，以控制第一移相器部分的移相器(例如移相器952a)。由控制器电路972生成或经由独立的电压生成器生成的DC电压974b可以被提供给第二移相器部分，以控制第二移相器部分的移相器(例如移相器952b)。

[0092] 这样，控制器920(其可以是单输出控制器)可操作地耦合到PRS的第一输出和第二输出。控制器920用于通过组合来自PRS的第一输出光和第二输出光来提供受控输出光。

[0093] 图10示出了根据本发明另一实施例的OPA，其中，使用如图1D所示的单个OPA部件，并且PSC是2D GC。除了使用2G DC 1010代替PRS 910，图10的细节与图9中的相同。

[0094] 在各种实施例中，图9和图10的控制器可以被其他控制器代替，例如图8A和图8B中所示的控制器，但其中只提供单个输出，该单个输出连接至单个OPA部件。

[0095] 图11A示出了在没有减轻干扰的情况下，由两个相邻的OPA部件的操作引起的仿真远场辐射图。图11A、图11B是极坐标图，指示两个方向上的角度，并且比例尺指示相对光强度。例如，该图可以通过在不安装HWP的情况下操作图3或图4的OPA来实现。由于两个共偏振的OPA之间的干涉，发生了干涉图样。此外，由于缺少控制器，两个OPA部件之间的相位差因可变的输入光而不是固定的。

[0096] 图11B示出了在减轻干扰的情况下，由两个相邻OPA部件的操作引起的仿真远场辐射图。例如，该图可以通过在安装HWP的情况下操作图3或图4的OPA来实现。使用HWP使两个OPA部件的偏振不同，因此避免了这两个OPA部件之间的光干涉。

[0097] 图12示出了根据本发明实施例的用于操作光学相控阵的方法1200。该实施例还涉及图1B所示的实施例。该方法包括在偏振分路耦合器(PSC)(例如PRS或2D GC)接收1210源光。该方法还包括使用PSC将源光的第一部分转换1220为第一输出光，将源光的第二部分转换为第二输出光，第一输出光和第二输出光具有相同的偏振态。该方法还包括向第一OPA部件提供1230第一输出光。该方法还包括向与第一OPA部件相邻的第二OPA部件提供1240第二输出光。该方法还包括调节1250由第一OPA部件和/或第二OPA部件发射的光的偏振，使得第一OPA部件发射的光正交于第二OPA部件发射的光。这可以例如通过(例如，使用如上所述的HWP)将第二OPA部件的天线单元发射的光的偏振旋转90度来执行。

[0098] 图13示出了根据本发明另一实施例的操作光学相控阵的方法1300。该实施例还涉及图1C所示的实施例。该方法包括在偏振分路耦合器(PSC)接收1310源光。该方法还包括使用PSC将源光的第一部分转换1320为第一输出光，将源光的第二部分转换为第二输出光，第一输出光和第二输出光具有相同的偏振态。该方法还包括使用控制器提供1330从第一输出光和第二输出光导出的第一受控输出光和第二受控输出光。在各种实施例中，第一受控输出光和第二受控输出光具有以下之一或二者：受控相对功率电平、受控相对相位。该方法还包括向第一OPA部件提供1340第一受控输出光。该方法还包括向与第一OPA部件相邻的第二OPA部件提供1350第二受控输出光。第一OPA部件和第二OPA部件可以是整体OPA部件的两半。即，第一OPA部件和第二OPA部件可以共同操作为单个OPA。

[0099] 图14示出了根据本发明另一实施例的用于操作光学相控阵的方法1400。该实施例还涉及图1D所示的实施例。该方法包括在偏振分路耦合器(PSC)处接收1410源光。该方法还包括使用PSC将源光的第一部分转换1420为第一输出光，并将源光的第二部分转换为第二输出光，第一输出光和第二输出光具有相同的偏振态。该方法还包括使用控制器提供1430从第一输出光和第二输出光的组合导出的受控输出光。该方法还包括向OPA部件提供1440该受控输出光。

[0100] 本发明实施例可以用于涉及设置在PIC平台(例如SOI平台)上的OPA的没有活动件的LIDAR应用。示例LIDAR应用用于车辆，这种检测器用于手动驾驶或自主驾驶车辆。其他潜在应用包括但不限于生物医学成像、三维全息显示、和诸如超高数据速率通信的通信。本文中描述的OPA的偏振不敏感特性可以允许使用简单、廉价的光源，例如光纤激光源。在同一PIC芯片上将偏振脱敏部件与OPA集成可以提供紧凑且高密度的设计。

[0101] 尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是显然可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应被仅视为由所附权利要求书限定的本发明的说明，并且可以预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改、变形形式、组合、或等同物。