[发明专利]光子集成电路及包括它的三维激光多普勒测振仪

说明书

一种光子集成电路(PIC)，包括将激光束分成测量信号和参考信号的分路器；相位幅度调制器阵列，其耦合到发射阵列以便从该测量信号中生成将被定向至单个目标位置的至少三个输出信号，每一个输出信号具有不同的方向和不同的载波频率；以及接收阵列，该接收阵列包括从不同的接收方向接收反射信号的至少三个接收天线。每一个输出信号都被指派不同的载波频率，以使得在信号处理中能够在频域中区分出任何串扰以允许它们被去除和/或被恢复。通过使用该PIC，只需一个激光源用于3D LDV，这减小了3D LDV装置的体积和生产成本。

技术领域

本公开涉及用于三维(3D)激光多普勒测振仪(LDV)的光子集成电路(PIC)。本公开还涉及包括该PIC的3D LDV。

背景技术

激光多普勒测振仪(LDV)1是一种用于测量如图1所示的振动表面2的时间速度或位移的仪器LDV 1发出激光束3，该激光束3被位于距离d₀开外的表面2反射。入射的反射激光束4被该LDV接收。反射信号的瞬时频移f_Doppler(t)与目标表面的时间速度v(t)成比例。该关系被表达为

其中λ₀是测量光的波长，即激光束3的波长。该关系还可被理解为反射束4由于目标表面的运动而导致的相移：

表达式Δd(t)是目标表面在如图1所示的激光束的方向上的位移。因为该激光束的光路变化对应于该位移的往返，所以在Δd(t)之前放置因子2。

存在两种主要类型的LDV，即固定式LDV和扫描式LDV。本公开涉及固定式LDV，该LDV能够捡取一个位置中，但通常仅仅在一个方向上的振动目标的运动信息。

用于片上LDV的已知光子集成电路(PIC)在图2中示出。PIC 10包括诸如光栅耦合器之类的用于将外部激光束(未示出)耦合到该PIC的输入装置12。激光束经由波导14被发送至分路器16，在该分路器处该信号被分成测量信号和参考信号。测量信号经由波导18被发送至发射-接收天线20，该天线20将该测量信号作为出射激光束22输出至目标24。光学系统26通常被用来确保出射信号22被聚焦到单点(即，目标位置24)上，在该位置处该信号被反射并作为反射信号28被发回到PIC 10。反射信号28通常经由光学系统26回程，并在PIC10上由发射-接收天线20接收。所接收到的反射信号经由波导30从发射-接收天线20被发送到混频器32。源自分路器16的参考信号经由波导34被发送到混频器32。PIC 10上的混频器32(例如，90°光学桥接器(optical hybrid))将所接收到的反射信号和参考信号混合。通过将90°光学桥接器用作混频器32，混频器32具有经波导36被发送到各个光电二极管38的四个光输出信号，光电二极管38将光混合信号转换成光电流信号。使用解调器(未示出)允许从光电流信号42中确定所需运动信息。

使用如上文解释的LDV，获取一维信息，即出射信号3、22的方向上的振动行为是可能的。然而，三维(3D)振动信息在许多应用中也是必需的，诸如研究中耳内锤砧关节的运动(生物力学)，监测表面波的同时平面内和平面外运动(模态测试)，或了解纳米结构(MEMS)的3D运动。

实现3D LDV测量的标准方式是使用在相同的目标位置上同时测量的三个或更多个单独的LDV装置。使用三个不同的LDV装置而不是来自单个激光源的三个激光束的理由是避免光束串扰。由于不同激光束彼此不相干，因此在任何这些LDV装置之间将不存在串扰。然而，该系统的成本由于使用若干激光源而是相当高的。