專利名稱：用于波長(zhǎng)交換和頻譜監(jiān)視應(yīng)用的自由空間光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及光系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用于波長(zhǎng)交換和頻譜功率監(jiān)視應(yīng)用的自由空間光系統(tǒng)，具有對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償和偏振分集方案。本發(fā)明可以用于構(gòu)建多種光學(xué)器件，例如頻譜功率監(jiān)視器、復(fù)用器和解復(fù)用器，以及光添加/去除復(fù)用器，上述光學(xué)器件都適用于WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并且可以通過硬件和/或軟件控制主動(dòng)地使它們對(duì)準(zhǔn)，以及它們進(jìn)一步可以使用偏振分集方案。
背景技術(shù)：
隨著全光通信網(wǎng)絡(luò)變得越來越普遍，對(duì)于光聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造者來說一個(gè)亟待解決的問題是提供魯棒的、通用的以及成本有效的光部件和子系統(tǒng)。
現(xiàn)有的光通信網(wǎng)絡(luò)通常使用波分復(fù)用(WDM)，這是因?yàn)樗ㄟ^使用不同的光波長(zhǎng)使得多個(gè)信息(或數(shù)據(jù))信道可以同時(shí)在一根光纖上傳輸，由此顯著地提高了光纖的信息帶寬。WDM的普遍應(yīng)用使得存在一種對(duì)一系列這樣的光系統(tǒng)的特殊需要這些光系統(tǒng)可以按照波長(zhǎng)將一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)分解成頻譜信道的空間陣列，以便可以由光功率傳感器陣列對(duì)這些頻譜信道進(jìn)行單獨(dú)地探測(cè)，如在頻譜監(jiān)視器的情況下；將這些頻譜信道導(dǎo)引到一個(gè)輸入/輸出端口陣列(即光纖)，如在光復(fù)用器/解復(fù)用器的情況下；或者由微反射鏡陣列按照預(yù)定的方案動(dòng)態(tài)地路由這些信道。在這樣的光系統(tǒng)中，很重要地是在工作過程中，頻譜信道和指定的光束接收器件(即光功率傳感器或微反射鏡)之間保持必要的對(duì)準(zhǔn)，以及對(duì)于例如熱干擾和機(jī)械干擾的環(huán)境影響保持魯棒性。
但是，在本領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的光學(xué)器件典型地使用精密對(duì)準(zhǔn)，因而這就意味著嚴(yán)格的制造公差和組裝過程中極其辛苦的對(duì)準(zhǔn)工作，從而使得這些器件造價(jià)高、尺寸龐大和操作復(fù)雜。而且，沒有提供用于在操作過程中保持必要的對(duì)準(zhǔn)的措施；以及沒有實(shí)施用于克服由于例如熱干擾和機(jī)械干擾的環(huán)境影響導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)偏移的機(jī)制。總而言之，這些缺點(diǎn)使得現(xiàn)有的光學(xué)器件造價(jià)高、尺寸龐大和操作復(fù)雜，以及性能容易下降。
為了適應(yīng)高帶寬(容量)要求，密集波分復(fù)用(DWDM)也已經(jīng)在光通信網(wǎng)絡(luò)中得到了普遍應(yīng)用。伴隨DWDM技術(shù)的應(yīng)用而來的是對(duì)新一代光學(xué)元件和子系統(tǒng)的需要，包含光學(xué)頻譜(或信道)功率監(jiān)視器。這些新的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視器的一個(gè)特別希望的特征是分辯占用寬的頻譜范圍(如C波段或L波段)并且頻率間隔(如50或25GHz)越來越窄的多個(gè)頻譜信道的能力。還希望這些光頻率功率監(jiān)視器具有快的響應(yīng)時(shí)間、魯棒的性能以及成本有效的結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的頻譜功率監(jiān)視器典型地使用這樣一種結(jié)構(gòu)，其中衍射光柵按照波長(zhǎng)將一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)分離成一個(gè)頻譜信道的空間陣列，并且入射到光功率傳感器陣列上。通過探測(cè)光功率傳感器由此產(chǎn)生的電信號(hào)，可以得到該多波長(zhǎng)光信號(hào)的光功率頻譜。為了在這樣一個(gè)系統(tǒng)中提供提高的頻譜分辨率，就需要具有足夠色散能力的衍射光柵。但是，在本領(lǐng)域中公知的高色散衍射光柵(如全息光柵)是偏振敏感的，這使得它們不適用于使用上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視器。
考慮到上述問題，在本領(lǐng)域中的一個(gè)令人希望的顯著進(jìn)步是提供一系列新的光學(xué)器件，這些器件以一種簡(jiǎn)單的、魯棒的和成本有效的結(jié)構(gòu)，具有在操作期間可以被主動(dòng)地控制的光對(duì)準(zhǔn)，以及/或它們使用偏振分集方案從而降低和/或消除偏振敏感性。
發(fā)明概要本發(fā)明提供使用主動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償和偏振分集方案的光系統(tǒng)。本發(fā)明可以包含光器件，例如頻譜功率監(jiān)視器、復(fù)用器和解復(fù)用器，以及光添加/去除復(fù)用器，它們都適用于WDM和DWDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并且可以通過硬件和/或軟件控制主動(dòng)地使它們對(duì)準(zhǔn)，以及/或它們可以使用偏振分集方案。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用于光系統(tǒng)中基于伺服的頻譜陣列對(duì)準(zhǔn)的方法和裝置。本發(fā)明的這種實(shí)施例的光學(xué)裝置包含一個(gè)輸入端口，用于提供一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)；一個(gè)波長(zhǎng)分散器，用于按照波長(zhǎng)將該多波長(zhǎng)光信號(hào)和該參考信號(hào)在空間上分離成一個(gè)頻譜陣列中的多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分，并且所述多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分具有預(yù)定的相對(duì)排列方式；一個(gè)光束接收陣列，包含一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件和多個(gè)光束接收元件，它們位于特定的位置從而接收相應(yīng)的參考頻譜成分和頻譜信道；以及伺服控制單元，用于使該參考頻譜成分保持在參考波長(zhǎng)傳感元件上預(yù)定的位置處，由此確保該頻譜信道和光束接收元件之間的特定對(duì)準(zhǔn)。
在本發(fā)明中，“頻譜信道”的特征在于一個(gè)獨(dú)特的中心波長(zhǎng)和相關(guān)的帶寬，并且可以攜帶如WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個(gè)獨(dú)特的信息信號(hào)。“參考信號(hào)”(以及對(duì)應(yīng)的“參考頻譜成分”)通常是指任意一個(gè)光信號(hào)，其特征在于它具有基本上不與任意一個(gè)被考慮的頻譜信道的波長(zhǎng)重疊的規(guī)定好的(和穩(wěn)定的)中心波長(zhǎng)。而且，術(shù)語“參考信號(hào)”(或“參考頻譜成分”)和“校準(zhǔn)信號(hào)”(或“校準(zhǔn)頻譜成分”)可以在本說明中被互換使用。
光束接收元件在本發(fā)明中應(yīng)該被寬泛地理解為對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)頻譜信道的任意光元件。通過舉例的方式，光束接收元件可以是光功率傳感器、光纖、微反射鏡、會(huì)聚透鏡或光調(diào)制器。可以將光束接收元件配置為與頻譜信道具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。還可以這樣配置光束接收元件，使得光束接收元件的每個(gè)子集對(duì)應(yīng)于多個(gè)頻譜信道。
在本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置中，可以這樣配置光傳感陣列(即光電二極管陣列)，使得入射到該光電二極管陣列上的頻譜信道的功率電平可以相關(guān)于由一個(gè)預(yù)定的轉(zhuǎn)換矩陣由此產(chǎn)生的電信號(hào)，其中可以通過校準(zhǔn)來獲得該矩陣。而且，可以這樣利用該光傳感陣列中的所選擇的兩個(gè)(或更多個(gè))相鄰的信道傳感元件，從而提供用于參考位置傳感元件。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元是基于伺服的，并且一種形式的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元可以包含用于調(diào)整頻譜信道和參考頻譜成分的對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件和處理元件。該對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件可以是耦合到光傳感陣列用于使該陣列發(fā)生移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器件，由此調(diào)整頻譜陣列和位于其下的光傳感陣列之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。該處理元件用于監(jiān)視參考頻譜成分入射到參考位置傳感元件上的實(shí)時(shí)入射位置，并且對(duì)應(yīng)地提供對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件的控制。該對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元通過伺服控制，使參考頻譜成分保持在參考位置傳感元件上的預(yù)定位置處，由此確保該頻譜陣列和位于其下的光傳感陣列之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。這樣一種基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元使得本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置可以主動(dòng)地校正對(duì)準(zhǔn)的任意偏移，其中該偏移可能出現(xiàn)在操作過程中(如由例如熱擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)的環(huán)境影響導(dǎo)致)，由此提高裝置魯棒性。使用這樣一種基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元的一個(gè)額外的好處在于寬松的制造公差和初始組裝期間的精確度，這使得本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置在結(jié)構(gòu)上變得更簡(jiǎn)單和更成本有效。
可替換地，對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件可以是光束控制設(shè)備，例如光通信中的具有輸入端口和波長(zhǎng)分散器的可動(dòng)態(tài)調(diào)整的反射鏡，用于調(diào)整輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件也可以是耦合到波長(zhǎng)分散器(如衍射光柵)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使得該波長(zhǎng)分散器移動(dòng)(如旋轉(zhuǎn))并且由此調(diào)整頻譜信道和參考頻譜成分的對(duì)準(zhǔn)。在會(huì)聚透鏡被用作本發(fā)明的光學(xué)裝置中的光束會(huì)聚器的情況下，對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件也可以以耦合到該會(huì)聚透鏡的適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)設(shè)備的形式出現(xiàn)，用于控制頻譜信道和參考頻譜成分入射到光束接收陣列上的入射位置。
而且，本發(fā)明的光學(xué)裝置可以使用一個(gè)或多個(gè)輔助參考信號(hào)和對(duì)應(yīng)的輔助參考波長(zhǎng)傳感元件，從而補(bǔ)償參考頻譜成分的上述功能。所以，伺服控制單元可以有利地利用上述對(duì)準(zhǔn)調(diào)整方法的組合從而主動(dòng)地控制頻譜陣列的位置和間距，由此確保頻譜信道和各自的光束接收元件之間的更加魯棒的對(duì)準(zhǔn)。
在本發(fā)明的一個(gè)替換實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元是基于軟件的，并且可以以與光傳感陣列進(jìn)行通信的信號(hào)處理器的形式出現(xiàn)。對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元包含一個(gè)預(yù)定的校準(zhǔn)表，該校準(zhǔn)表包含多個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，每個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣使來自光傳感陣列的電信號(hào)輸出相關(guān)于參考頻譜成分的一個(gè)特定入射位置處的入射頻譜信道的功率電平。該對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元監(jiān)視參考頻譜成分入射到參考位置傳感元件上的實(shí)時(shí)入射位置。在這樣被探測(cè)的參考頻譜成分的每個(gè)入射位置處，對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元處理由入射到光傳感陣列上的頻譜信道產(chǎn)生的電信號(hào)，并且從校準(zhǔn)表查找對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，由此提供頻譜信道的功率電平。這樣構(gòu)建的頻譜功率監(jiān)視裝置通過軟件控制的方法有效地補(bǔ)償可能在操作過程中出現(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)的任意偏移，而不涉及任意的“移動(dòng)”驅(qū)動(dòng)裝置。這使得本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更魯棒的性能。
本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置可以進(jìn)一步使用一種偏振分集方案，用于減弱由系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)偏振敏感元件導(dǎo)致的任意不希望的偏振依賴效應(yīng)。這可以通過沿輸入端口和波長(zhǎng)分散器之間的光路上放置一個(gè)偏振分離元件(如偏振分束器)和偏振旋轉(zhuǎn)元件(如半波片)來實(shí)現(xiàn)。該偏振分離元件用于將輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)(和參考信號(hào))分解為第一和第二偏振成分，并且該偏振旋轉(zhuǎn)元件接下來使該第二偏振成分的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。例如，在波長(zhǎng)分散器是為p(或TM)偏振(垂直于光柵的凹線)提供的衍射效率比為s(或TE)偏振(與p偏振正交)提供的衍射效率更高的衍射光柵的情況下，上述的第一和第二偏振成分分別對(duì)應(yīng)于多波長(zhǎng)光信號(hào)(和參考信號(hào))的p偏振和s偏振成分。波長(zhǎng)分散器按照波長(zhǎng)分別將該第一和第二偏振成分分離成光束的第一和第二集合，隨后該第一和第二集合入射到光傳感陣列上。相關(guān)于每個(gè)頻譜信道的第一和第二光束(來自兩個(gè)偏振成分)可以在基本上相同的位置入射到光傳感陣列。這樣一種偏振分集方案具有使衍射效率最大化并且因此使系統(tǒng)的插入損耗最小化的優(yōu)點(diǎn)。
伺服控制單元和/或主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償硬件和/或軟件的應(yīng)用使得本發(fā)明的光學(xué)裝置可以主動(dòng)地校正由例如熱不穩(wěn)定性和機(jī)械不穩(wěn)定性在工作過程中所導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)偏移，并且因此在性能上更加魯棒。使用這樣的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)額外的好處在于寬松的制造公差和初始組裝期間的精度，這使得本發(fā)明的光學(xué)裝置具有更具適應(yīng)性和更加成本有效的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于執(zhí)行多波長(zhǎng)光信號(hào)的頻譜對(duì)準(zhǔn)的方法。本發(fā)明的方法使得需要合并一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)；按照波長(zhǎng)將該多波長(zhǎng)光信號(hào)和該參考信號(hào)分離成多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分，其中的多個(gè)頻譜信道和參考頻譜成分具有預(yù)定的相對(duì)排列方式；使參考頻譜成分入射到預(yù)定的位置處，以便頻譜信道根據(jù)該預(yù)定的相對(duì)排列方式入射到指定的位置；以及通過伺服控制使參考頻譜成分保持在預(yù)定的位置處，由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對(duì)準(zhǔn)。
在本發(fā)明的上述方法中，可以通過監(jiān)視參考頻譜成分的實(shí)時(shí)入射位置和相應(yīng)地調(diào)整參考信頻譜成分和頻譜信道的對(duì)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)伺服控制機(jī)制，從而使參考成分的入射位置保持在預(yù)定的位置處并且頻譜信道保持在各自的指定位置處。
本發(fā)明的方法可以進(jìn)一步包含將頻譜信道和參考頻譜成分會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)的步驟。本發(fā)明的方法還可以額外地包含在指定位置處光學(xué)地探測(cè)頻譜信道的步驟，以便提供探測(cè)到的頻譜信道的功率頻譜；重新導(dǎo)引頻譜信道的步驟，以便根據(jù)預(yù)定的方案動(dòng)態(tài)地路由頻譜信道；或者調(diào)制頻譜信道的一個(gè)或多個(gè)特性的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種在頻譜功率監(jiān)視中使用基于軟件的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法包含以下步驟提供一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)；按照波長(zhǎng)將該多波長(zhǎng)光信號(hào)和該參考信號(hào)在空間上分離成多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分，其中的多個(gè)頻譜信道和參考頻譜成分具有預(yù)定的相對(duì)排列方式；使該參考頻譜成分和頻譜信道入射到光功率傳感器陣列上；以及確定參考頻譜成分的入射位置，并且從預(yù)定的校準(zhǔn)表查找對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，其中該矩陣使得來自光功率傳感器陣列的輸出信號(hào)相關(guān)于入射到該光功率傳感器陣列上的頻譜信道的功率電平，由此提供該多波長(zhǎng)光信號(hào)的功率頻譜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使用偏振分集方案的用于頻譜功率監(jiān)視的方案。本發(fā)明的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置包含一個(gè)用于一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)的輸入端口；一個(gè)將該多波長(zhǎng)光信號(hào)分離成第一和第二偏振成分的偏振分離元件；一個(gè)使該第二偏振成分旋轉(zhuǎn)90度的偏振旋轉(zhuǎn)元件；一個(gè)按照波長(zhǎng)分別將該第一和第二偏振成分分離成光束的第一和第二集合的波長(zhǎng)分散器；以及被放置用于接收該光束的第一和第二集合的光功率傳感器陣列(這里被稱作“光傳感陣列”)。
在希望相關(guān)于相同的波長(zhǎng)的第一和第二光束入射到光傳感陣列上的基本上相同的位置處(或位于相同的光功率傳感器之內(nèi))的情況中，可以采用一個(gè)輔助的偏振旋轉(zhuǎn)元件，從而該光束的第一和第二集合在入射到光傳感陣列的時(shí)候具有正交的偏振方向。這消除了任何由光束的空間重疊所導(dǎo)致的強(qiáng)度干涉邊紋?？梢詫⒃撦o助的偏振旋轉(zhuǎn)元件放在波長(zhǎng)分散器和光傳感陣列之間，使得光束的第一和第二集合在入射到光傳感陣列上之前，其偏振方向都經(jīng)歷90度的旋轉(zhuǎn)。
可替換地，在本發(fā)明中可以使用一種調(diào)制組件，用于在光束的第一和第二集合入射到光傳感陣列之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。光束的第一和第二集合可以被調(diào)制從而以時(shí)分復(fù)用序列的形式到達(dá)光傳感陣列?？商鎿Q地，可以按照頻分復(fù)用的方式調(diào)制光束的第一和第二集合，從而入射到光傳感陣列上的光束的第一和第二集合攜帶不同的“高頻振動(dòng)”調(diào)制信號(hào)。在以上兩種情況中的任意一種中，使用這樣一種調(diào)制組件使得光束的第一和第二集合可以被分別探測(cè)，由此可以獨(dú)立地得到相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的每個(gè)正交的偏振成分的光功率頻譜(光功率水平作為波長(zhǎng)的函數(shù))?？梢詫⒃撜{(diào)制組件放置在偏振分離元件以及偏振旋轉(zhuǎn)元件與波長(zhǎng)分散器之間的光路上，由此控制第一和第二偏振成分?？商鎿Q地，可將該調(diào)制組件放置在波長(zhǎng)分散器和光傳感陣列之間，從而控制光束的第一和第二集合。
該調(diào)制組件可以包含本領(lǐng)域中公知的液晶光閘元件、MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))光閘元件，或者電光強(qiáng)度調(diào)制元件。還可以由斬光器(如配有至少一個(gè)孔的旋轉(zhuǎn)片)提供該調(diào)制組件，被配置用于向兩個(gè)入射光信號(hào)引入不同的調(diào)制。
上述偏振分集方案的應(yīng)用使得本發(fā)明的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置可以使插入損耗最小化，而同時(shí)利用簡(jiǎn)單的和成本有效的結(jié)構(gòu)(如通過有利地利用在本領(lǐng)域中可以普遍得到的高色散衍射光柵)提供增強(qiáng)的頻譜分辨率。而且，通過在光束的第一和第二集合入射到光傳感陣列上之前向它們引入不同的調(diào)制，可以分別確定相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的每個(gè)偏振成分的光功率頻譜，這在某些應(yīng)用中可能是希望得到的。
同樣地，可以根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建一系列新的基于伺服的光系統(tǒng)，包括頻譜功率監(jiān)視器和光復(fù)用器/解復(fù)用器，從而滿足光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的具有挑戰(zhàn)性的要求。
通過下面的附圖和詳細(xì)描述可以理解本發(fā)明新穎的特征以及本發(fā)明自身。
附圖簡(jiǎn)述

圖1提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)參考頻譜成分和多個(gè)頻譜信道的示例性功率頻譜的圖示；
圖2A-2D描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第一實(shí)施例；圖3A-3B描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第二和第三實(shí)施例；圖4A-4C描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第四實(shí)施例；圖5A-5B描述顯示根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行多波長(zhǎng)光信號(hào)的頻譜對(duì)準(zhǔn)的方法的兩個(gè)流程圖。
圖6A-6C描述根據(jù)本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例，使用基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元；圖7A-7B描述根據(jù)本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例，使用基于軟件的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元；圖8描述根據(jù)本發(fā)明的使用偏振分集方案的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的一個(gè)實(shí)施例；圖9描述根據(jù)本發(fā)明的使用偏振分集方案的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例；和圖10描述根據(jù)本發(fā)明的使用偏振分集方案的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例。
發(fā)明詳述圖1描述了示例性的功率頻譜，即光功率P作為一個(gè)參考頻譜成分λC和多個(gè)頻譜信道λ1到λN的波長(zhǎng)λ的函數(shù)的圖形。在本詳細(xì)說明和所附的權(quán)利要求中，一個(gè)“頻譜信道”的特征在于一個(gè)獨(dú)特的中心波長(zhǎng)(如λi)和相關(guān)的帶寬，如圖1中所示。每個(gè)頻譜信道可以承載如WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個(gè)唯一的信息信號(hào)。一個(gè)“參考頻譜成分”(或“參考信號(hào)”)，其特征在于波長(zhǎng)λC，通常是指具有基本上不與任意一個(gè)被考慮的頻譜信道的波長(zhǎng)重疊的規(guī)定好的(和穩(wěn)定的)中心波長(zhǎng)的任意一個(gè)光信號(hào)。在圖1中，通過舉例的方式，示出的參考頻譜成分具有短于頻譜信道波長(zhǎng)的波長(zhǎng)λC。通常而言，頻譜信道不必是波長(zhǎng)(或頻率)均勻間隔的。
下面的討論描述了按照下面的方式使用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償和偏振分集方案的本發(fā)明(i)部分I描述了一種方法，該方法使用基于伺服的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光系統(tǒng)中的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償；(ii)部分II描述了用于光系統(tǒng)中的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)钠渌布蛙浖鉀Q方案；以及(iii)部分III描述了可以應(yīng)用于本發(fā)明的偏振分集方案。
I.基于伺服的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償圖2A描述了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第一實(shí)施例。通過舉例的方式，顯示了本發(fā)明的原理和總體結(jié)構(gòu)，光學(xué)裝置200包含一個(gè)用于多波長(zhǎng)光信號(hào)的輸入端口210，該端口可以以光纖準(zhǔn)直器的形式出現(xiàn)；一個(gè)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件，可以以控制鏡260-1和波長(zhǎng)分散器220的形式出現(xiàn)，其中該波長(zhǎng)分散器可以是衍射光柵；以會(huì)聚透鏡形式出現(xiàn)的光束會(huì)聚器230；以及包含參考波長(zhǎng)傳感元件240和多個(gè)光束接收元件250-1到250-N的光束接收陣列。在本詳細(xì)說明和所附的權(quán)利要求中，光束接收元件被寬泛地理解為包含接收一個(gè)或多個(gè)頻譜信道的任何光元件。它可以是，例如，光功率傳感器、微反射鏡、光纖、會(huì)聚透鏡，或者光調(diào)制器，如將在后面詳細(xì)描述的那樣。
圖2A的光學(xué)裝置200可以按照如下的方式工作。輸入端口210傳輸包含波長(zhǎng)λ1到λN的多波長(zhǎng)光信號(hào)和包含波長(zhǎng)λC的參考信號(hào)。然后，通過控制鏡260-1將這些光信號(hào)導(dǎo)引到衍射光柵220。衍射光柵220按照波長(zhǎng)在角度上將該多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)分離成具有預(yù)定相對(duì)排列方式的多個(gè)頻譜信道λ1到λN和參考頻譜成分λC。會(huì)聚透鏡230將參考頻譜成分和頻譜信道會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)，如會(huì)聚到根據(jù)該預(yù)定相對(duì)排列方式的頻譜陣列。包含參考波長(zhǎng)傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N的光束接收陣列按照這樣一種方式排列，即使得一旦參考頻譜成分λC在預(yù)定的位置處x0入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240上，那么頻譜信道λ1到λN就分別在指定的位置x1到xN處入射到光束接收元件250-1到250-N上。
應(yīng)該注意到，圖2A的實(shí)施例和隨后的圖都是以原理圖的形式示出的，并且僅用于舉例說明。各種元件和光束都不是按照比例繪制的。總體而言，在本發(fā)明的光學(xué)裝置中可以有任意數(shù)量的頻譜信道(只要它們的數(shù)量等同于位于其下的光束接收元件的數(shù)量)。而且，圖2A(和隨后的圖)中所示的入射到光束接收陣列上的衍射光束的會(huì)聚點(diǎn)可以不均勻地間隔。
圖2A的光學(xué)裝置200可以進(jìn)一步包含伺服控制單元260，它的一種形式可以包含控制鏡260-1和處理元件260-2。控制鏡260-1動(dòng)態(tài)地調(diào)整多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)，由此控制頻譜信道和參考頻譜成分入射到光束接收陣列上的入射位置。處理元件260-2監(jiān)視參考頻譜成分λC入射到參考波長(zhǎng)傳感器元件240上的實(shí)時(shí)入射位置，并且相應(yīng)地提供控制鏡260-1的反饋(或者伺服)控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預(yù)定位置xo處并且因此頻譜信道λ1到λN保持在指定的位置x1到xN處。同樣地，伺服控制單元260使本發(fā)明的光學(xué)裝置可以主動(dòng)地校正由例如工作過程中熱不穩(wěn)定性和/或機(jī)械不穩(wěn)定性的環(huán)境影響所導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)的偏移，因而在性能上更加魯棒。使用這樣一種伺服控制單元的一個(gè)額外的好處在于初始組裝期間寬松的制造公差和精度，從而這使得本發(fā)明的光學(xué)裝置具有更具適應(yīng)性和更成本有效的結(jié)構(gòu)。
在上面的實(shí)施方案中，參考波長(zhǎng)傳感元件240可以是位置敏感探測(cè)器、四分探測(cè)器、分裂探測(cè)器，或者本領(lǐng)域中公知的任何其它位置敏感裝置，它使得借助于由傳感元件產(chǎn)生的電(如電流或電壓)信號(hào)可以監(jiān)視光束的實(shí)時(shí)入射位置(一維或二維)。通過舉例的方式，圖2B顯示了位置敏感探測(cè)器240-A的示意圖，其中光束241入射到該探測(cè)器上。可以通過探測(cè)一對(duì)輸出信號(hào)，如電流信號(hào)Ix1和Ix2，推算出在x方向上的光束241的入射位置，其中Ix1和Ix2的相對(duì)幅度提供了在x方向上光束點(diǎn)的一種度量方式。類似地，可以通過測(cè)量另一對(duì)電流信號(hào)Iy1和Iy2從而獲得y方向上的光束241的入射位置。而且，通過按照一種適當(dāng)?shù)臍w一化差分探測(cè)方案(如通過測(cè)量(Ix1-Ix2)/(Ix1+Ix2)和/或(Iy1-Iy2)/(Iy1+Iy2))探測(cè)輸出信號(hào)，如在本領(lǐng)域中普遍實(shí)施的那樣，可以監(jiān)視光束241的實(shí)時(shí)入射位置對(duì)指定的位置的偏移，該指定位置例如是位置敏感探測(cè)器240-A上的中心點(diǎn)O。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還知道如何利用本領(lǐng)域中已知的其它類型的位置敏感裝置來提供本發(fā)明中的參考波長(zhǎng)傳感元件。
圖2A的控制鏡260-1可以是一種可以繞一個(gè)或兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的可動(dòng)態(tài)調(diào)整的反射鏡。例如，該控制鏡可以是具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)制的硅微機(jī)械鏡；可以通過將本領(lǐng)域中公知的驅(qū)動(dòng)設(shè)備耦合到鏡或光束偏轉(zhuǎn)元件從而得到該控制鏡。圖2A的處理元件260-2可以包含電子電路、控制器和信號(hào)處理程序，用于處理從參考波長(zhǎng)傳感元件240接收到的輸出信號(hào)(例如從圖2B的位置敏感探測(cè)器240-A接收到的電流信號(hào))以及通過探測(cè)到的信號(hào)得到參考頻譜成分λC的實(shí)時(shí)入射位置。處理元件260-2對(duì)應(yīng)地生成要被施加到對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件(如圖2A的控制鏡260-1)的適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，從而按照這樣一種方式調(diào)整參考頻譜成分和頻譜信道的對(duì)準(zhǔn)，即使得參考頻譜成分λC保持在預(yù)定的位置xo處。伺服控制系統(tǒng)中的用于處理元件的電子電路和相關(guān)的信號(hào)處理算法/軟件在電子工程和伺服控制系統(tǒng)的領(lǐng)域中是公知的。
圖2C-2D描述了兩種調(diào)整圖2A的實(shí)施例中的光束的對(duì)準(zhǔn)的示例性方法。在圖2C中，包含波長(zhǎng)λi的第一光束271以入射角θin(可以代表一個(gè)頻譜信道)入射到衍射光柵220上，并且被衍射光柵220衍射成為第一衍射光束272，并以衍射角θout出射，如由下面的光柵等式所確定的sinθin+sinθout=mλd...(1)]]>其中m是衍射階數(shù)，d是光柵間距(即光柵上兩個(gè)相鄰凹線之間的間隔)。θin和θout都是相對(duì)于衍射光柵220的法線測(cè)量的。如果光束入射到衍射光柵220上的入射角改變?chǔ)う萯n，如第二光束273所指示的，那么衍射光束的衍射角對(duì)應(yīng)地改變?chǔ)う萶ut，如第二衍射光束274所指示的。因此，改變多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)入射到光柵220上的入射角，例如通過圖2A的控制鏡260-1的動(dòng)作，會(huì)使得頻譜信道和參考頻譜成分的衍射角相應(yīng)地改變，由此使得參考頻譜成分λC入射到預(yù)定的位置xo處，頻譜信道λ1到λN入射到指定的位置x1到xN處。
除了(或結(jié)合采用)改變光束入射到衍射光柵220上的入射角(例如借助于圖2A中的控制鏡260-1)之外，衍射光柵220自身還可以旋轉(zhuǎn)，由此實(shí)現(xiàn)類似的對(duì)準(zhǔn)功能，如圖2D中所示的。在這種情況下，包含波長(zhǎng)λi的第一光束281入射到衍射光柵220上，并且被衍射光柵220衍射成為第一衍射光束282。使衍射光柵220旋轉(zhuǎn)角度Δθg，如這樣旋轉(zhuǎn)的衍射光柵221所指示的，這實(shí)際上使衍射角改變了Δθout，如第二衍射光束283所指示的。可以通過將光柵耦合到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)設(shè)備例如音圈致動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、螺線管致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器，或者本領(lǐng)域中公知的任意類型的驅(qū)動(dòng)裝置，來實(shí)現(xiàn)衍射光柵的旋轉(zhuǎn)。反過來，可由伺服控制單元中的處理元件控制該驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
在圖2A的實(shí)施例中，可以通過等式(1)中的衍射等式得到衍射光柵220的角度色散D
D=∂θout∂λ=mdcosθout...(2)]]>令會(huì)聚透鏡230的焦距長(zhǎng)度為f。由衍射光束形成的頻譜陣列的間距P，即任意兩個(gè)相鄰頻譜點(diǎn)之間的間隔，可以被表示為P=fΔλ∂θout∂λ=fΔλmd1cosθout...(3)]]>其中Δλ是兩個(gè)相鄰頻譜信道之間的波長(zhǎng)差。等式(3)示出，頻譜陣列的間距通常隨著衍射角θout而變化，除非θout為零。P相對(duì)于θout的變化率可以被表示為∂P∂θout=fΔλmdsinθoutcos2θout...(4)]]>在上述的圖2C和2D中，因?yàn)槭峭ㄟ^改變?nèi)肷浣铅萯n并且因此改變衍射角θout從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，所以等式(3)指示頻譜陣列的間距可以在發(fā)生對(duì)準(zhǔn)調(diào)整的時(shí)候改變，特別是在大的衍射角θout值處。因此，在圖2A的實(shí)施例中(其中可以實(shí)施圖2C或2D中顯示的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整方法)，應(yīng)該以這樣一種方式配置光束接收元件的組成部分，以便它們可以容忍頻譜陣列的間距的變化。(例如，光束接收元件的尺寸使得頻譜陣列的間距的變化基本上不會(huì)改變頻譜信道和各自的光束接收元件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在實(shí)際中頻譜陣列的間距的改變是無關(guān)緊要的。)圖2A的實(shí)施例在這樣的應(yīng)用中也是希望的，其中上述的頻譜陣列的間距的變化如此地小(如在衍射角θout接近零的情況下)，以至于它在實(shí)際中是無關(guān)緊要的。
除了如在圖2C或2D中所示的那樣通過改變輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)的入射角從而執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)調(diào)整之外，還可以通過，如將光束接收陣列作為一個(gè)整體而使其平移和/或旋轉(zhuǎn)從而使圖2A中的參考波長(zhǎng)傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N整體移動(dòng)，以便使參考頻譜成分和頻譜信道可以入射到指定的位置處?？商鎿Q地，圖2A實(shí)施例中的會(huì)聚透鏡230可以被移動(dòng)，如偏移或平移，以便控制衍射光束的入射位置。
圖3A顯示了本發(fā)明的光學(xué)裝置的第二實(shí)施例。通過舉例的方式，光學(xué)裝置300利用圖2A的實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)和許多元件，如采用相同的數(shù)字所指示的那些。在這種情況下，為了操作方便，可以將包含參考波長(zhǎng)傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N的光束接收陣列集成進(jìn)一個(gè)單個(gè)的結(jié)構(gòu)中，如通過將元件組成元件安裝或制造在一個(gè)基底上。伺服控制單元360可以包含對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件360-1，它可以是耦合到光束接收陣列的線性驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以及包含處理元件360-2。這樣配置驅(qū)動(dòng)設(shè)備360-1，使得可以導(dǎo)致光束接收陣列作為一個(gè)整體而發(fā)生移動(dòng)，因此參考波長(zhǎng)傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N作為一個(gè)整體而發(fā)生移動(dòng)，例如沿著基本上橫切入射光束的傳播方向的方向進(jìn)行平移，由此調(diào)整由衍射光束形成的頻譜陣列和下面的光束接收陣列之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。如圖2A的實(shí)施例中，處理元件360-2用于監(jiān)視參考頻譜成分λC入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240上的實(shí)時(shí)入射位置，并且相應(yīng)地提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備360-1的伺服控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預(yù)定的位置xo處，頻譜信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN處。
圖3B顯示了本發(fā)明的光學(xué)裝置的第三實(shí)施例。通過舉例的方式，光學(xué)裝置350利用圖3A的實(shí)施例中使用的結(jié)構(gòu)和許多元件，如采用相同的數(shù)字所指示的那些?？梢詫?shí)施一種替換的伺服控制單元365，它包含對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件365-1，以耦合到會(huì)聚透鏡230的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的形式出現(xiàn)，以及包含處理元件365-2。驅(qū)動(dòng)設(shè)備365-1促使會(huì)聚透鏡發(fā)生移動(dòng)，如偏移、旋轉(zhuǎn)或平移，由此分別控制衍射光束入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N的入射位置。如在圖3A的實(shí)施例中的情況，處理元件365-2監(jiān)視參考頻譜成分λC入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240上的實(shí)時(shí)入射位置，并且相應(yīng)地提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備365-1的伺服控制，由此使參考頻譜成分λC保持在預(yù)定的位置xo處，頻譜信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN處。
圖3A的實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備360-1，或者圖3B的實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備365-1可以是步進(jìn)電機(jī)、螺線管致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器，音圈致動(dòng)器，或者本領(lǐng)域中公知的任意類型的致動(dòng)裝置。圖3A的處理元件360-2，或者圖3B的處理元件365-2可以基本上與圖2A的處理元件260-2在結(jié)構(gòu)上和操作上相類似。圖3A或3B的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，這是因?yàn)槲挥谄湎碌膶?duì)準(zhǔn)調(diào)整方法基本上不改變頻譜陣列的間距，也就是說，只調(diào)整頻譜陣列和光束接收陣列之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。應(yīng)該理解，只需在設(shè)計(jì)圖3B的實(shí)施例中的會(huì)聚透鏡230的時(shí)候多加小心，就使得基本上消除象差和其它的缺陷。如可以通過本詳細(xì)說明所理解的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道如何根據(jù)本發(fā)明來設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)調(diào)整方法和對(duì)應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，以適于給定的應(yīng)用。
在圖2A、3A或3B的實(shí)施例中，可以由耦合到用作輸入端口210的光纖準(zhǔn)直器的輸入光纖201提供包含波長(zhǎng)λ1到λN的多波長(zhǎng)光信號(hào)，并且可以由參考光源202提供參考信號(hào)λc。光合波器203，其一種形式可以是光纖熔融耦合器，可以用于將參考光源202耦合到輸入光纖201，從而多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)都被導(dǎo)引到輸入端口210中。因此，該光學(xué)裝置200就具有一個(gè)獨(dú)立的、內(nèi)部產(chǎn)生的參考光源?？商鎿Q地，多波長(zhǎng)光信號(hào)自身可以包含用作參考信號(hào)的頻譜成分(如光網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)信道)，如在WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中那樣。在這樣一種情形中，不必實(shí)施內(nèi)部參考光源202和光纖耦合器203。
在本發(fā)明中，可以額外地使用一個(gè)或多個(gè)輔助參考信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的參考波長(zhǎng)傳感元件，來補(bǔ)充參考頻譜成分λc的上述功能。圖4A描述了本發(fā)明的光學(xué)裝置的第四實(shí)施方案。通過舉例的方式，光學(xué)裝置400利用圖2A和3A的實(shí)施例中使用的結(jié)構(gòu)和許多元件，如采用相同的數(shù)字所指示的那些。另外，通過輔助的光合波器403可以將輔助的參考光源402耦合到輸入光纖201，從而將包含波長(zhǎng)λc’的輔助參考信號(hào)耦合到輸入端口210，其中該合波器可以是一個(gè)光纖耦合器。然后，通過控制鏡260-1可以將輔助參考信號(hào)λc’，以及多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)λc導(dǎo)引到衍射光柵220上?？梢赃x擇輔助參考信號(hào)的波長(zhǎng)λc’，使其大于頻譜信道的波長(zhǎng)，從而在發(fā)生衍射的時(shí)候，輔助參考信號(hào)λc’在指定位置xo’處入射到輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441。同樣地，參考頻譜成分λc、頻譜信道λ1到λN，以及輔助參考信號(hào)λc’形成了具有預(yù)定的相對(duì)排列方式的頻譜陣列。所以，參考波長(zhǎng)傳感元件240、光束接收元件250-1到250-N，以及輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441形成了光束接收陣列，該陣列被這樣配置以接收頻譜陣列?？梢詫⒃摴馐邮贞嚵屑稍谝粋€(gè)單個(gè)的結(jié)構(gòu)中，例如通過將組成元件安裝或制造在一個(gè)基底上。
輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441可以是位置敏感探測(cè)器、分裂探測(cè)器、四分探測(cè)器，或者本領(lǐng)域中公知的任意其它類型的位置敏感裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述的參考信號(hào)和輔助參考信號(hào)也可以被稱作第一和第二參考信號(hào)；并且對(duì)應(yīng)地，參考波長(zhǎng)傳感元件和輔助參考波長(zhǎng)傳感元件可以被稱作第一和第二參考波長(zhǎng)傳感元件。而且，波長(zhǎng)分散器，例如衍射光柵220，可以分別將第一參考信號(hào)中的(第一)參考頻譜成分λc和第二參考信號(hào)中的(第二)參考頻譜成分λc’導(dǎo)引到分別位于第一和第二預(yù)定位置處的第一和第二參考波長(zhǎng)傳感元件。
圖4A的實(shí)施例可以進(jìn)一步包含驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1和處理元件460-2。通過舉例的方式，驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1可以耦合到上述的光束接收陣列，從而導(dǎo)致光束接收陣列作為一個(gè)整體，因此參考波長(zhǎng)傳感元件240、光束接收元件250-1到250-N和輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441整體發(fā)生移動(dòng)，如沿著基本上橫切頻譜信道的傳播方向的方向平移，以及/或者按照曲線箭頭470所指示地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如，驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1可以導(dǎo)致光束接收陣列繞位于預(yù)定位置xo處的軸點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。同樣地，驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1可以主要用于調(diào)整由衍射光束形成的頻譜陣列和位于其下的光束接收陣列之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。處理元件460-2可以監(jiān)視參考頻譜成分λc入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240上的實(shí)時(shí)入射位置并且相應(yīng)地提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1的伺服控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預(yù)定的位置xo處，頻譜信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN處。
處理元件460-2可以額外地監(jiān)視輔助參考信號(hào)λc’入射到輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441上的實(shí)時(shí)入射位置。這樣的信息對(duì)于監(jiān)視頻譜信道和各自的光束接收元件之間的錯(cuò)位是有用的，其中該錯(cuò)位可能并沒有由參考頻譜成分λc的入射位置反映。通過舉例的方式，圖4B顯示了這樣一種情況，其中參考頻譜成分λC保持在預(yù)定的位置xo處，而輔助參考信號(hào)λc’入射到輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441上的入射位置沿x方向偏離了指定的位置xo’，其中該偏離可能是由頻譜陣列的間距變化而導(dǎo)致。該圖中的(以及圖4C中的)x-y平面被顯示為基本上橫切頻譜信道的傳播方向。如上面的討論中所指示的，頻譜陣列的間距通常隨著衍射角而發(fā)生變化，因此隨光信號(hào)入射到衍射光柵上的入射角而發(fā)生變化(例如見上面的等式(3)和(4))。所以，處理元件460-2可以使用探測(cè)到的輔助參考信號(hào)λc’對(duì)指定位置xo’的偏離來以一種方式控制控制鏡260-1，從而將輔助參考信號(hào)λc’帶回到指定的位置xo’，如通過以類似于圖2C中所描述的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整方法調(diào)整輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)、參考信號(hào)以及輔助參考信號(hào)入射到衍射光柵220上的入射角。參考頻譜成分λc和輔助參考信號(hào)λc’在各自位置xo、xo’處的對(duì)準(zhǔn)指示了頻譜信道和各自的光束接收元件之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。
通過舉例的方式，圖4C顯示了另一種情況，其中參考頻譜成分λc保持在預(yù)定的位置xo處，而輔助參考信號(hào)λc’入射到輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441上的入射位置偏離預(yù)定的位置xo’，如所示的那樣，該偏離可能是由光束接收陣列相對(duì)于頻譜陣列的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(或反之)導(dǎo)致的。所以，處理元件460-2可以使用探測(cè)到的輔助參考信號(hào)λc’對(duì)指定位置xo’的偏離以一種方式來控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1，從而將輔助參考信號(hào)λc’帶回到指定的位置xo’處，例如通過使光束接收陣列相對(duì)于頻譜陣列發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由此恢復(fù)頻譜信道和各自的光束接收元件之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，圖4B-4C的實(shí)施方案是作為例子而提供的，以闡明本發(fā)明的基本原理。在實(shí)際的情況下，輔助參考信號(hào)λc’對(duì)指定位置的偏離可能是由于多種因素，如頻譜陣列的間距變化和光束接收陣列的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(相對(duì)于頻譜陣列)的組合。所以，處理元件460-2可以以一種協(xié)調(diào)的方式控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1和控制鏡260-1，從而將輔助參考信號(hào)λc’帶回到指定的位置，而同時(shí)使參考頻譜成分λc保持在預(yù)定的位置xo處，由此恢復(fù)頻譜信道和光束接收元件之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。而且，替代(或結(jié)合使用)控制鏡260-1的功能，可以借助于在圖2D的實(shí)施例中描述的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整方法來實(shí)現(xiàn)頻譜陣列的間距的控制。替代(或結(jié)合使用)驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1的對(duì)準(zhǔn)功能，可以通過將合適的驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接到會(huì)聚透鏡230來調(diào)整頻譜陣列與位于其下的光束接收陣列之間的對(duì)準(zhǔn)關(guān)系，如圖3B的實(shí)施例中所述的。另外，通過伺服控制可以使輔助參考信號(hào)λc’的入射位置保持在預(yù)定的位置處，而對(duì)參考頻譜成分λc的入射位置進(jìn)行周期性地或連續(xù)地監(jiān)視；或者可以根據(jù)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理和伺服控制方案主動(dòng)地控制參考頻譜成分和輔助參考信號(hào)的入射位置。
在圖4A的實(shí)施例中，伺服控制單元通?？梢园糜谡{(diào)整由衍射光束形成的頻譜陣列和位于其下的光束接收陣列之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件(如驅(qū)動(dòng)設(shè)備460-1，或者耦合到會(huì)聚透鏡230的適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)設(shè)備)；用于控制頻譜陣列的間距的第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件(如控制鏡260-1，或者耦合到衍射光柵220的適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)設(shè)備)；以及與第一和第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件及參考波長(zhǎng)傳感元件240和輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441進(jìn)行通信的處理元件(如處理元件460-2)。處理元件460-2可以分別監(jiān)視參考頻譜成分λc和輔助參考信號(hào)λc’入射到參考波長(zhǎng)傳感元件240和輔助參考波長(zhǎng)傳感元件441上的入射位置，并且相應(yīng)地提供第一和第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件的控制，從而使參考頻譜成分λc和輔助參考信號(hào)λc’保持在它們各自指定的位置處，并且由此確保頻譜信道和各自的光束接收元件之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。
同樣地，圖4A的光學(xué)裝置有利地利用適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)調(diào)整方法的組合來主動(dòng)地控制頻譜陣列的位置和間距，因此該光學(xué)裝置在性能上更魯棒。
總體而言，本發(fā)明中的一個(gè)或多個(gè)輔助參考信號(hào)可以是具有基本上不與頻譜信道和參考頻譜成分λc的波長(zhǎng)重疊的定義好的(并且穩(wěn)定的)中心波長(zhǎng)的任意光信號(hào)。在圖4A的實(shí)施例中，通過舉例的方式，輔助參考信號(hào)的波長(zhǎng)λc’被顯示為大于頻譜信道的波長(zhǎng)，而參考頻譜成分的波長(zhǎng)λc小于頻譜信道的波長(zhǎng)，并且兩個(gè)參考信號(hào)都由內(nèi)部參考光源提供，如所示的那樣。應(yīng)該注意到，圖4A中的兩個(gè)參考光源可以通過單個(gè)的光合波器(例如一個(gè)3×1光纖耦合器)耦合到輸入光纖；或者參考信號(hào)和輔助參考信號(hào)由能夠提供多個(gè)參考信號(hào)的單個(gè)參考光源來提供，其中的參考信號(hào)通過光合波器耦合到輸入光纖?？商鎿Q地，多波長(zhǎng)光信號(hào)自身可以包含能被用作一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)頻譜成分(如光網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)信道)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道如何在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膮⒖夹盘?hào)，從而適應(yīng)給定的應(yīng)用。
在上述實(shí)施例中，衍射光柵220可以是刻線的衍射光柵、全息衍射光柵、階梯光柵或者色散棱鏡，所有這些通常在本領(lǐng)域中被用于按照波長(zhǎng)來分離多波長(zhǎng)信號(hào)。通過舉例的方式，上述實(shí)施例中的波長(zhǎng)分散器被以反射式衍射光柵的形式示出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明的光學(xué)裝置中，可以替換地使用傳輸衍射光柵或者色散棱鏡。光束會(huì)聚器還可以是會(huì)聚透鏡的集合，或者本領(lǐng)域中公知的任何其它適合的光束會(huì)聚裝置。也可以通過使用執(zhí)行波長(zhǎng)分離和光束會(huì)聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會(huì)聚功能。應(yīng)該注意到，在其中頻譜信道和參考頻譜成分被完全分離的應(yīng)用中，可以不使用諸如上述實(shí)施例中的會(huì)聚透鏡230的光束會(huì)聚器。
而且，光束接收元件250-1到250-N可以是光功率傳感器，例如以pn光探測(cè)器、pin(p-本征-n)光探測(cè)器或者雪崩光探測(cè)器(APD)形式出現(xiàn)的光探測(cè)器。這樣構(gòu)建的光學(xué)裝置組成了具有伺服控制能力的頻譜功率監(jiān)視器，由此提供我們感興趣的頻譜信道的特征功率頻譜。光束接收元件250-1到250-N還可以是微反射鏡(如硅微機(jī)械反射鏡)，每個(gè)都可以被單獨(dú)控制(如可以繞一個(gè)或兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn))來動(dòng)態(tài)地根據(jù)預(yù)定的方案路由頻譜信道?？商鎿Q地，光束接收元件250-1到250-N還可以是光纖陣列，并且頻譜信道被導(dǎo)引到該光纖陣列中。這樣構(gòu)建的光學(xué)裝置組成解復(fù)用器，或者當(dāng)逆轉(zhuǎn)光束的傳播方向的時(shí)候組成復(fù)用器。光束接收元件250-1到250-N另外還可以以光束成形元件的形式出現(xiàn)，例如會(huì)聚透鏡，從而將頻譜信道投射到希望達(dá)到的位置。光束接收元件250-1到250-N還可以以光調(diào)制器陣列的形式出現(xiàn)，例如液晶光調(diào)制器或光衰減器，用于調(diào)制每個(gè)頻譜信道的一個(gè)或多個(gè)特征(例如幅度和/或相位)。
在圖2A、3A、3B或4A中，通過舉例的方式，光束接收元件被示出與頻譜信道一一對(duì)應(yīng)?？赡苡羞@樣一種應(yīng)用，其中光束接收元件的子集每個(gè)都對(duì)應(yīng)多個(gè)頻譜信道，或者為一個(gè)單個(gè)的頻譜信道指定多個(gè)光束接收元件。例如，在光功率傳感器被用作光束接收元件的情況下，可以指定一個(gè)或多個(gè)光功率傳感器中的每個(gè)光功率傳感器，以用于接收多個(gè)頻譜信道，從而提供接收到的頻譜信道的完整的功率測(cè)量。
已經(jīng)知道的是，衍射光柵的衍射效率通常是偏振依賴的，并且對(duì)于具有大量凹線(每單位長(zhǎng)度)的光柵來說，這種偏振依賴效應(yīng)可能變得很顯著。這樣，在衍射光柵被用作波長(zhǎng)分散器的情況下，如在圖2A、3A、3B或4A的實(shí)施例的情況中，就可以使用多種裝置/機(jī)制來降低相關(guān)的偏振敏感效應(yīng)，例如那些在下面的部分III中討論的機(jī)制。通過舉例的方式，可以實(shí)施一種偏振分集方案。在這種方案中，首先將輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)(和一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào))分解為P偏振部分和S偏振部分。假設(shè)P偏振方向是衍射光柵的優(yōu)選方向(即衍射效率對(duì)于P偏振來說比對(duì)于S偏振來說要高)，那么S偏振部分被旋轉(zhuǎn)90度，由此入射到衍射光柵上的光信號(hào)都具有P偏振。這種偏振分集方案具有使衍射效率最大的優(yōu)點(diǎn)。可替換地，可以采用一種適合的偏振敏感元件(如泄漏分束器)，用于在輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)(和一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào))入射到衍射光柵之前使這些信號(hào)當(dāng)中的P偏振部分相對(duì)于S偏振部分按照預(yù)定比率進(jìn)行衰減，從而補(bǔ)償由衍射光柵造成的對(duì)不同偏振態(tài)的區(qū)別對(duì)待。用于這些偏振分集方案的裝置和方法將在下面在部分III中得到更詳細(xì)的討論。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種多波長(zhǎng)光信號(hào)的頻譜對(duì)準(zhǔn)方法。作為示出本發(fā)明的總體原理的一個(gè)例子，圖5A顯示了一個(gè)示例性的流程圖，該圖概述了本發(fā)明的方法。方法500需要組合多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考(或校準(zhǔn))信號(hào)，如在步驟510中指示的那樣；按照波長(zhǎng)將多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考(或校準(zhǔn))信號(hào)在空間上分離成多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考(或校準(zhǔn))頻譜成分，其中所述多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考(或校準(zhǔn))頻譜成分具有預(yù)定的排列方式，如在步驟520中指示的那樣；使該參考(或校準(zhǔn))頻譜成分入射到預(yù)定的位置處，以便頻譜信道按照預(yù)定的相對(duì)排列方式入射到指定的位置處，如在步驟530中指示的那樣；通過伺服控制使參考(或校準(zhǔn))頻譜成分保持在預(yù)定的位置處，由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對(duì)準(zhǔn)，如在步驟540中指示的那樣。
本發(fā)明的上述方法利用了這樣一個(gè)事實(shí)參考頻譜成分和頻譜信道，其中每個(gè)都由一個(gè)獨(dú)特的中心波長(zhǎng)來表征，形成了具有預(yù)定的相對(duì)排列方式的頻譜陣列。這樣，使參考頻率成分在預(yù)定的位置處對(duì)準(zhǔn)就確保頻譜信道可以按照頻譜陣列同時(shí)地入射到指定的位置處。這提供了一種使由多波長(zhǎng)光信號(hào)形成的頻譜陣列對(duì)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單而有效的方法。這樣對(duì)準(zhǔn)的頻譜信道然后可以例如被光束接收元件單獨(dú)地操作，如上面所述的。
圖5B進(jìn)一步詳細(xì)示出在圖5A的步驟540中所述的伺服控制操作的示例性實(shí)施例。該實(shí)施例需要監(jiān)視參考(或校準(zhǔn))頻譜成分的實(shí)時(shí)入射位置，如在步驟540-A中指示的那樣；并且相應(yīng)地調(diào)整參考(或校準(zhǔn))頻譜成分和頻譜信道的校準(zhǔn)，從而使參考(或校準(zhǔn))頻譜成分保持在預(yù)定的位置處，并且由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對(duì)準(zhǔn)，如在步驟540-B中所述的那樣。
圖5A(或圖5B)的方法500可以進(jìn)一步包含使頻譜信道和參考(或校準(zhǔn))頻譜成分會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)的步驟，如在步驟550中指示的那樣。圖5A(或圖5B)的方法500另外還可以包含在指定位置處光學(xué)地探測(cè)頻譜信道的步驟，從而提供探測(cè)到的頻譜信道的功率頻譜；重新導(dǎo)引頻譜信道的步驟，以根據(jù)預(yù)定的方案路由頻譜信道；或者調(diào)制頻譜信道的一個(gè)或多個(gè)特性的步驟。
II.用于光系統(tǒng)中主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)钠渌布蛙浖D6A描述了根據(jù)本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置的示例性實(shí)施例。通過舉例的方式，描述了本發(fā)明的原理和總體結(jié)構(gòu)，頻譜功率監(jiān)視裝置600包含用于多波長(zhǎng)光信號(hào)的輸入端口610，該輸入端口可以以光纖準(zhǔn)直器的形式出現(xiàn)；波長(zhǎng)分散器620，它可以以衍射光柵的形式出現(xiàn)；光束會(huì)聚器630，它可以是會(huì)聚透鏡；光功率傳感器陣列640(這里被稱作“光傳感陣列”)，提供一個(gè)參考位置傳感元件640-C和多個(gè)信道傳感元件640-1到640-N。光傳感陣列640可以集成為單個(gè)結(jié)構(gòu)(如通過將組成元件安裝或制造在一個(gè)基底上)。
圖6A的頻譜功率監(jiān)視裝置600可以按照下面的方式進(jìn)行工作。輸入端口610傳輸包含波長(zhǎng)λ1到λN的多波長(zhǎng)光信號(hào)和包含波長(zhǎng)λc的參考信號(hào)。衍射光柵620按照波長(zhǎng)在角度上將入射多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)分離成具有預(yù)定相對(duì)排列方式的多個(gè)頻譜信道λ1到λN和參考頻譜成分λc。會(huì)聚透鏡630將參考頻譜成分λc和頻譜信道λ1到λN會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)，如具有預(yù)定的相對(duì)排列方式的空間陣列(或“頻譜陣列”)。光傳感陣列640可以這樣被放置，從而當(dāng)參考頻譜成分λc在預(yù)定的位置xo處入射到參考位置傳感元件640-C上時(shí)，頻譜信道λ1到λN分別在指定的位置x1-xN處入射到信道傳感元件640-1到640-N上。
應(yīng)該注意到，為了舉例的目的，以原理圖的形式示出了圖6A和下面附圖的實(shí)施例。各種元件和光束都不是按照比例繪制的?？傮w而言，在本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置中可以有任意數(shù)量的頻譜信道，只要系統(tǒng)中使用的信道傳感元件的數(shù)量足夠用于以希望得到的準(zhǔn)確度確定頻譜信道的功率電平。而且，圖6A(和隨后的圖)中所示的入射到光傳感陣列的衍射光束的會(huì)聚點(diǎn)可以不是均勻間隔的，并且不必與位于其下的信道傳感元件具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如將在后面詳細(xì)說明的那樣。
圖6A的頻譜功率監(jiān)視裝置600可以進(jìn)一步包含基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元660，該單元的一種形式可以包含耦合到光傳感陣列640的驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1和處理元件660-2。這樣配置驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1，以便促使光傳感陣列640作為一個(gè)整體而發(fā)生移動(dòng)，因此參考位置傳感元件640-C和信道傳感元件640-1到640-N整體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)(如平移和/或旋轉(zhuǎn))，由此調(diào)整由衍射光束形成的頻譜陣列和位于其下的光傳感陣列640之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。處理元件660-2監(jiān)視參考頻譜成分λc入射到參考位置傳感元件640-C上的實(shí)時(shí)入射位置，并且相應(yīng)地提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1的伺服(或反饋)控制，從而使參考頻譜成分λc保持在預(yù)定的位置xo處，并且因此頻譜信道λ1到λN保持在指定的位置x1到xN處。這樣所描述的基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元使得本發(fā)明的光學(xué)裝置可以主動(dòng)地校正可能出現(xiàn)在操作過程中的對(duì)準(zhǔn)偏移(例如由于諸如熱擾動(dòng)和/或機(jī)械擾動(dòng)引起的環(huán)境影響)，因此增加了裝置的魯棒性。使用這樣一種對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元的一個(gè)額外的好處在于初始組裝期間具有寬松的制造公差和精度，因而這使得本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置具有更簡(jiǎn)單的和更成本有效的結(jié)構(gòu)。
通過舉例的方式，圖6B顯示了如何將一個(gè)光電二極管陣列實(shí)施為圖6A實(shí)施例中的光傳感陣列640。圖6B顯示了光電二極管陣列640A的示例性段的放大視圖，包含多個(gè)具有不同的光響應(yīng)特征的相鄰的光傳感元件，如圖中所顯示的陰影區(qū)域和非陰影區(qū)域所區(qū)分的那樣。作為例子，光響應(yīng)函數(shù)Ri(x)，如圖中的實(shí)線所顯示的，代表了非陰影光電傳感區(qū)域640-i以及它的兩個(gè)相鄰的陰影區(qū)域640-i-H和640-j-H的光響應(yīng)的特征。類似地，光響應(yīng)函數(shù)Rj(x)，如圖中的虛線所顯示的，代表了相鄰的非陰影光電傳感區(qū)域640-j以及它的兩個(gè)相鄰的陰影區(qū)域640-j-H和640-k-H的光響應(yīng)的特征。光響應(yīng)函數(shù)使入射到光傳感元件上的光功率與因此產(chǎn)生的電(如電壓)信號(hào)相關(guān)，如將在后面進(jìn)一步詳細(xì)討論地那樣。通過舉例的方式，圖6B中的每個(gè)光響應(yīng)函數(shù)被顯示為在對(duì)應(yīng)的非陰影區(qū)域中幾乎是恒定的，并且隨著移離非陰影區(qū)域進(jìn)入相鄰的陰影區(qū)域而按照幾乎線性的方式降低，因此在總體特性上表現(xiàn)為類似于梯形的形狀。同樣地，光電二極管陣列640A具有連續(xù)的總體光響應(yīng)函數(shù)；也就是說在光電二極管陣列640A上沒有“死區(qū)”(或光非敏感區(qū)域)。具有這樣描述的特性的光電二極管陣列在市場(chǎng)上是可以買到的，例如，從Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey處買到。
作為例子，在隨后的討論中描述的光電二極管陣列包含適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)電路，以便輸出信號(hào)可以以電壓信號(hào)的形式出現(xiàn)?？梢岳斫?，本發(fā)明的基本原理和工作方式同樣也適用于其它的光電二極管陣列或光功率傳感器陣列，它們的輸出信號(hào)采用電流信號(hào)的形式。還可以理解，在本詳細(xì)說明中的下標(biāo)i、j、或者k可以是1到N之間的任意一個(gè)整數(shù)。
可以這樣配置圖6B中的光電二極管陣列640A，從而通過非陰影區(qū)域輸出電壓信號(hào)。通過舉例的方式，可以通過下面的公式得到從非陰影區(qū)域640-i輸出的電壓信號(hào)ViVi＝∫Ri(x)I(x，y)dxdy (1)其中積分發(fā)生在非陰影區(qū)域640-i和它的相鄰的陰影區(qū)域640-i-H和640-j-H上，并且I(x，y)是入射到在圖6B中規(guī)定的x-y平面上的我們所感興趣的區(qū)域上的光強(qiáng)度。光響應(yīng)函數(shù)Ri(x)是預(yù)定的，并且基于所使用的光電二極管陣列的特性。這樣，電壓信號(hào)Vi將入射到非陰影區(qū)域640-i以及它的相鄰的陰影區(qū)域640-i-H和640-j-H上的總光功率都考慮在內(nèi)。類似地，從非陰影區(qū)域640-j輸出的電壓信號(hào)Vj就與入射到非陰影區(qū)域640-j以及它的相鄰的陰影區(qū)域640-j-H和640-k-H上的總光功率相聯(lián)系。而且，因?yàn)閮蓚€(gè)空間上相鄰的光響應(yīng)函數(shù)，例如Ri(x)和Rj(x)，交織在一起的關(guān)系，可以從測(cè)量得到的電壓信號(hào)Vi和Vj得到入射到陰影區(qū)域上的光束的功率電平，例如夾在非陰影區(qū)域640-i和640-j之間的陰影區(qū)域640-i-H。在光電二極管陣列640A中的其它部分也是同樣的情況。因此，每個(gè)非陰影區(qū)域和它的相鄰的陰影區(qū)域，例如非陰影區(qū)域640-i以及它的相鄰的陰影區(qū)域640-i-H和640-j-H組成了本發(fā)明中的一個(gè)信道傳感元件(或像素)。
另外，可以將光電二極管陣列640A中兩個(gè)相鄰的信道傳感元件用作“分裂探測(cè)器”來提供用于參考頻譜成分λc的參考位置傳感元件(如圖6A的實(shí)施例中的參考位置傳感元件640-C)。這可以如下實(shí)現(xiàn)使用本領(lǐng)域中公知的適當(dāng)?shù)囊?guī)范化差分探測(cè)方案來分別測(cè)量從非陰影區(qū)域640-1、640-2輸出的電壓信號(hào)V1、V2，例如通過監(jiān)視位置誤差信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)。這樣一種規(guī)范化差分探測(cè)方案具有通過幅度噪聲的通用模式抑制來改善探測(cè)的信噪比(SNR)的優(yōu)點(diǎn)。作為一個(gè)例子，參考頻譜成分λc的入射位置可以位于夾在兩個(gè)相鄰的非陰影區(qū)域640-1、640-2之間的陰影區(qū)域640-2-H上，以便從非陰影區(qū)域640-1、640-2輸出的電壓信號(hào)V1、V2分別隨著參考頻譜成分λc的位置以一種幾乎線性的方式進(jìn)行變化。在這種情形中，單個(gè)的信道傳感元件，例如與非陰影區(qū)域640-1、640-2中的任意一個(gè)相聯(lián)系的信道傳感元件，都可以被用作參考位置傳感元件。
可以這樣配置圖6A的頻譜功率監(jiān)視裝置600，以使頻譜信道按照一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系入射到光電二極管陣列640A的非陰影區(qū)域；并且由頻譜信道形成的頻譜點(diǎn)被限制在各自的非陰影區(qū)域內(nèi)，如在圖6B中顯示的那樣。通過舉例的方式，可以指定非陰影區(qū)域640-i用于頻譜信道λi，而指定非陰影區(qū)域640-j用于頻譜信道λj。通過這種方式，從非陰影區(qū)域輸出的電壓信號(hào)分別與它們的對(duì)應(yīng)的頻譜信道的功率電平成比例，這是因?yàn)樵诿總€(gè)非陰影區(qū)域中(如非陰影區(qū)域640-i)中，僅有一個(gè)光響應(yīng)函數(shù)是得到控制的(例如Ri(x))。例如，電壓信號(hào)Vi直接與入射到非陰影區(qū)域640-i上的頻譜信道λi的功率電平成比例，并且可以通過校準(zhǔn)獲得相關(guān)的比例因子，如將在后面詳細(xì)描述的那樣。這樣一種配置同樣利用了非陰影區(qū)域中的統(tǒng)一的光響應(yīng)特性，這使得在對(duì)應(yīng)的非陰影區(qū)域中的頻譜信道的入射位置的任何偏離在實(shí)際上變得是無關(guān)緊要的。而且，圖6A的實(shí)施例中的處理元件660-2可以使用本領(lǐng)域中公知的適合的差分探測(cè)方案來測(cè)量上述的電壓信號(hào)V1、V2，以便可以容易地監(jiān)視參考頻譜成分λc的實(shí)際的入射位置對(duì)指定位置的偏離。反過來，處理元件660-2可以使用探測(cè)到的參考頻譜成分λc的入射位置的偏離來生成要被施加到驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1的適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，從而使參考頻譜成分λc保持在指定位置處，由此確保頻譜信道和對(duì)應(yīng)的信道傳感元件之間的必要的對(duì)準(zhǔn)。同樣地，圖6B的實(shí)施例提供了圖6A中的光傳感器陣列640的一個(gè)實(shí)施例。
在某些應(yīng)用中，可能很難將頻譜信道的頻譜點(diǎn)限制在對(duì)應(yīng)的信道傳感元件中的非陰影區(qū)域內(nèi)(如按照?qǐng)D6B中所描述的方式)。由衍射光束形成的頻譜陣列還可以具有非均勻的間距，這意味著在任意兩個(gè)相鄰的頻譜點(diǎn)之間的間隔可以不是恒定的。這兩種方案中的任意一種都可以導(dǎo)致這樣一種情況，其中一個(gè)或多個(gè)信道傳感元件中的每個(gè)都接收多于一個(gè)頻譜信道，并且在某些情況下，頻譜點(diǎn)可以重疊。圖2C描述了如何將圖6B中描述的光電二極管陣列應(yīng)用于這種應(yīng)用中的示例性實(shí)施方案。
通過舉例的方式，在配置和工作方面，圖2C中顯示的光電二極管陣列640B可以與圖6B的光電二極管陣列640A基本上類似，因此用相同的數(shù)字代表其中的元件。為了說明和清楚起見，僅明確示出了3個(gè)頻譜信道λi、λj、λk；并且這些頻譜信道被顯示為這樣排列，從而一個(gè)或多個(gè)信道傳感元件每個(gè)都可以接收多于一個(gè)頻譜信道。例如，與非陰影區(qū)域640-i相關(guān)聯(lián)的信道傳感元件至少接收頻譜信道λi、λj；類似地，與非陰影區(qū)域640-j相關(guān)聯(lián)的信道傳感元件至少接收頻譜信道λj、λk?；诘仁?1)，通?？梢詫姆顷幱皡^(qū)域640-i輸出的電壓信號(hào)Vi表示為Vi=∫Rl(x)[Σn=1NIn(x,y)]dxdy...(2)]]>其中In(x，y)是我們感興趣的區(qū)域中相關(guān)聯(lián)的頻譜信道λn(n＝1到N)的光強(qiáng)度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，等式(2)適用于我們感興趣的任意頻譜信道(也就是說，在上述中i＝1到N)。因此，如果由光功率矢量(P)代表入射到光電二板管陣列640B上的頻譜信道的功率電平P1到PN，并且由電壓矢量(V)代表光電二極管陣列640B由此產(chǎn)生的電壓信號(hào)V1到VM(M≥N)，那么(P)和(V)之間的關(guān)系式如下(v)＝[T](P) (2)其中[T]是一個(gè)(M×N)的傳輸矩陣。傳輸矩陣[T]通常依賴于頻譜信道和位于其下的信道傳感元件之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)，以及所使用的光電二極管陣列的本征特性(例如光響應(yīng)特性)。傳輸矩陣[T]典型地是帶對(duì)角線(band-diagonal)的，除非一個(gè)或多個(gè)信道傳感元件都接收多個(gè)頻譜信道。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，上面的等式(2)還適用于圖6B的實(shí)施例，其中N＝M，并且傳輸矩陣[T]是真對(duì)角線的。
基于等式(2)，有下面的等式(P)＝[C](V)(3)其中[C]是一個(gè)(N×M)轉(zhuǎn)換矩陣，并且可以從等式(2)中的傳輸矩陣[T]得到。為了確定傳輸矩陣[T]，可以執(zhí)行校準(zhǔn)(如在工廠)，其中校準(zhǔn)光信號(hào)的特征在于具有基本上與要被探測(cè)的頻譜信道相同的波長(zhǎng)，并且使得已知的功率電平耦合進(jìn)圖6A的輸入端口610，由此經(jīng)過了與頻譜信道所要經(jīng)歷的光路相同的光路。(例如，可以由可調(diào)諧激光器提供該校準(zhǔn)光信號(hào))。然后對(duì)響應(yīng)于入射校準(zhǔn)光信號(hào)的光電二極管陣列640B的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。通過將測(cè)量得到的電壓信號(hào)和校準(zhǔn)光信號(hào)的已知功率電平帶入等式(2)，可以計(jì)算出傳輸矩陣[T]。借助于本領(lǐng)域中公知的適合的矩陣算法，可以進(jìn)一步由該傳輸矩陣[T]得到等式(3)中的轉(zhuǎn)換矩陣[C]。可以將這樣獲得的轉(zhuǎn)換矩陣[C]存儲(chǔ)到一個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，例如在作為圖6A中的處理元件660-2的一部分的信號(hào)處理器中。隨后在操作過程中，轉(zhuǎn)換矩陣[C]基本上保持不變，只要頻譜信道保持與校準(zhǔn)光信號(hào)入射到光電二極管陣列640B上的基本上相同的位置。例如，通過上述的圖6A中的基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元660可以保持必要的對(duì)準(zhǔn)。這使得信號(hào)處理器可以以根據(jù)等式(3)的方式，通過這樣產(chǎn)生的電壓信號(hào)容易地計(jì)算入射到光電二極管陣列640B上的頻譜信道的功率水平。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，如果這在實(shí)際應(yīng)用中是希望得到的，那么可以獨(dú)立地確定背景貢獻(xiàn)量(例如，由于光電二極管陣列的“暗電流”和/或由于來自環(huán)境的“雜散光”導(dǎo)致的)，并且隨后將其考慮進(jìn)上述的校準(zhǔn)和操作過程中。
在圖2C的實(shí)施例中，可以通過使用適當(dāng)?shù)囊?guī)范化差分探測(cè)方案來分別測(cè)量從非陰影區(qū)域640-1、640-2輸出的電壓信號(hào)V1、V2從而監(jiān)視參考頻譜成分λc的入射位置，例如按照針對(duì)圖6B所描述的方式通過探測(cè)位置誤差信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)。同樣地，可以在圖6A中替換地實(shí)施圖2C的實(shí)施例，從而實(shí)現(xiàn)光傳感陣列640。
回過來參考圖6A的實(shí)施例。驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1可以是步進(jìn)電機(jī)、螺線管致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器，音圈致動(dòng)器，或者本領(lǐng)域中公知的任意類型的驅(qū)動(dòng)裝置。處理元件660-2可以包含電路、控制器和信號(hào)處理算法，用于處理從參考位置傳感元件640-C接收到的輸出信號(hào)(例如從圖6B中的光傳感陣列640A輸出的電壓信號(hào)V1、V2)并且通過探測(cè)到的信號(hào)得到參考頻譜成分λc的實(shí)時(shí)入射位置。處理元件660-2相應(yīng)地生成要被施加到驅(qū)動(dòng)設(shè)備660-1的適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，以按照這樣一種方式調(diào)整參考頻譜成分λc和頻譜信道λ1到λN的對(duì)準(zhǔn)，以便參考頻譜成分λc保持在預(yù)定的位置xo處。用于伺服控制系統(tǒng)中的處理元件的電子電路和相關(guān)的信號(hào)處理算法/軟件在電子工程和伺服控制系統(tǒng)的領(lǐng)域中是公知的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，除了(或結(jié)合)如上面所述的那樣移動(dòng)光傳感陣列640之外，還可以替換地(或額外地)使圖6A中的會(huì)聚透鏡630移動(dòng)，如使該會(huì)聚透鏡發(fā)生平移或旋轉(zhuǎn)，由此控制衍射光束的入射位置并且執(zhí)行類似的對(duì)準(zhǔn)功能。如上面描述的那樣，可以通過將會(huì)聚透鏡耦合到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)會(huì)聚透鏡630的平移/旋轉(zhuǎn)。在某些情況下，還可以通過適當(dāng)?shù)馗淖冚斎攵嗖ㄩL(zhǎng)光信號(hào)(和參考信號(hào))入射到衍射光柵620上的入射角來實(shí)現(xiàn)(或補(bǔ)償)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，如通過使光柵旋轉(zhuǎn)或者在輸入端口610和衍射光柵620之間放置動(dòng)態(tài)可調(diào)的反射鏡，只要這樣一種調(diào)整基本上不改變由衍射光束形成的頻譜陣列的間距。如可以通過本詳細(xì)說明理解的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何設(shè)計(jì)用于根據(jù)本發(fā)明的基于伺服的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元的適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)調(diào)整元件和對(duì)應(yīng)的處理元件，從而最好的適于一個(gè)給定的應(yīng)用。
圖7A描述了根據(jù)本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置的第二實(shí)施例。通過舉例的方式，頻譜功率監(jiān)視裝置700可以利用在圖6A的實(shí)施例中使用的結(jié)構(gòu)和多個(gè)元件，如那些由相同數(shù)字所指示的。注意，在該系統(tǒng)中沒有“移動(dòng)”對(duì)準(zhǔn)調(diào)整裝置。替代地，實(shí)施了基于軟件的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元760，它可以是與光傳感陣列640進(jìn)行通信的信號(hào)處理器。
圖7B進(jìn)一步詳細(xì)顯示了如何配置圖7A的實(shí)施例中的光傳感陣列640。通過舉例的方式，在配置和工作方式上，圖7B的光電二極管陣列640C可以基本上與圖6B中描述的光電二極管陣列640A類似，因此用相同的數(shù)字標(biāo)記了這些元件。在這種情況下，可以利用占據(jù)光電二極管陣列640C的相鄰段(在這里被稱作“參考段”)的兩個(gè)或多個(gè)相鄰的信道傳感元件來監(jiān)視參考頻譜成分λc的入射位置。例如，如果參考頻譜成分λc位于兩個(gè)相鄰的信道傳感元件內(nèi)，例如那些如圖7B中所描述的那樣的與非陰影區(qū)域640-1、640-2相關(guān)的信道傳感元件，那么可以通過使用適當(dāng)?shù)囊?guī)范化差分探測(cè)方案來分別測(cè)量從非陰影區(qū)域640-1、640-2輸出的電壓信號(hào)V1、V2，例如按照?qǐng)D6B所描述的方式通過探測(cè)位置誤差信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)。在參考頻譜成分λc可能經(jīng)歷對(duì)準(zhǔn)的偏移或者延伸到兩個(gè)信道傳感元件之外的“走偏”(如在下面所描述的校準(zhǔn)或操作期間)的情況下，參考段可以包含多個(gè)信道傳感元件，并且它們各自的輸出電壓信號(hào)都得到探測(cè)。因而，可以相應(yīng)地生成一系列位置誤差信號(hào)，每個(gè)位置誤差信號(hào)按照上述的方式相關(guān)于從該段中的兩個(gè)相鄰的信道傳感元件輸出的電壓信號(hào)，通過這些電壓信號(hào)可以推導(dǎo)出參考頻譜成分λc的入射位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何設(shè)計(jì)一種適當(dāng)?shù)男盘?hào)探測(cè)和處理方案，用于有效地監(jiān)視參考頻譜成分λc的實(shí)時(shí)入射位置。
在圖7B中，頻譜信道λ1到λN可以入射到位于光電二極管陣列640C一個(gè)段(在這里被稱作“信道段”)內(nèi)的多個(gè)信道傳感元件，該段與通過參考頻譜成分λc被指定的參考段完全分開，從而從參考段輸出的任意電壓信號(hào)并不包含來自頻譜信道的貢獻(xiàn)量，或者反之亦然。頻譜信道和位于其下的信道傳感元件之間的對(duì)應(yīng)可以如在圖6B或6C的實(shí)施例中描述的那樣。在兩種方案中的任意一種中，可以按照如在上面的等式(3)中指示的方式，通過預(yù)定的轉(zhuǎn)換矩陣[C]使入射到光電二極管陣列640C上的頻譜信道的功率電平與由此通過光電二極管陣列640C的信道段所產(chǎn)生的電壓信號(hào)相聯(lián)系。
圖7A實(shí)施例中的頻譜功率監(jiān)視裝置700可以按照下面的方式進(jìn)行工作。在初始(或工廠)校準(zhǔn)期間，按照一種“模仿”我們感興趣的頻譜信道的方式，將具有與要被探測(cè)的頻譜信道相同的波長(zhǎng)的光信號(hào)和已知的功率電平耦合進(jìn)輸入端口610。(例如，可以由可調(diào)諧激光器提供校準(zhǔn)光信號(hào)。)校準(zhǔn)光信號(hào)和參考信號(hào)λc從輸入端口610出現(xiàn)，在衍射光柵620和會(huì)聚透鏡630的作用下在空間上分離并且隨后入射到光電二極管陣列640(如圖7B的光電二極管陣列640C)上。然后，在具有足夠的空間分辨率的情況下參考頻譜成分λc的入射位置按照增量進(jìn)行變化(如沿圖7B中所示的x方向)，這可以通過使用適合的驅(qū)動(dòng)裝置使光傳感陣列640發(fā)生平移從而得以實(shí)現(xiàn)。然后，如上面所述那樣，通過從指定的參考段輸出的電壓信號(hào)(如電壓信號(hào)V1、V2)確定參考頻譜成分λc的位置x。在參考頻譜成分λc的每個(gè)位置x處，還測(cè)量由校準(zhǔn)光信號(hào)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，然后將這些電壓信號(hào)和校準(zhǔn)光信號(hào)的已知的功率電平代入上面的等式(2)，由此計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣[T(x)]。反過來，可以通過使用本領(lǐng)域中公知的適當(dāng)?shù)木仃囁惴?，通過該傳輸矩陣[T(x)]來得到等式(3)中的轉(zhuǎn)換矩陣[C(x)]。因此，該校準(zhǔn)過程建立了一個(gè)矩陣校準(zhǔn)表，包含作為x的函數(shù)的[C(x)]，它可以被存儲(chǔ)在對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元760中。隨后在工作過程中，對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元760監(jiān)視參考頻譜成分λc的實(shí)時(shí)入射位置x，并且測(cè)量在對(duì)應(yīng)的位置x處入射到光電二極管陣列640C的信道段上的頻譜信道所產(chǎn)生的電壓信號(hào)。然后，對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元760從預(yù)定的矩陣校準(zhǔn)表查詢對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣[C(x)]，從而通過使用上面的等式(3)從測(cè)量得到的電壓信號(hào)獲得入射頻譜信道的功率電平。同樣地，頻譜功率裝置700通過軟件控制有效地補(bǔ)償可能在工作過程中出現(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)的偏移，而不涉及任意“移動(dòng)”的驅(qū)動(dòng)裝置。使用這樣一種基于軟件的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元還放松了對(duì)制造公差和在初始組裝期間對(duì)于精確度的要求，這使得本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置具有更簡(jiǎn)單和更魯棒的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解，通過舉例的方式提供了如在圖6B中描述的光電二極管陣列640A的示例性光響應(yīng)特性，從而說明了本發(fā)明的基本原理。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置中，可以替換地實(shí)施具有不同的光響應(yīng)特性的其它光功率傳感器(或光電二極管)陣列，用于以基本上相同的方式(如由上面等式(1)-(3)描述的)提供基本上相同的功能。例如，本發(fā)明中的光功率傳感器陣列不必具有連續(xù)的總體光響應(yīng)函數(shù)(如在光傳感區(qū)域之間可以有一個(gè)或多個(gè)“死區(qū)”)。如通過本發(fā)明的教導(dǎo)可以理解的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道設(shè)計(jì)一種適當(dāng)?shù)念l譜功率監(jiān)視裝置，從而最好地適于一個(gè)給定的應(yīng)用。
在圖6A或7A的實(shí)施例中，可以由耦合到用作輸入端口610的光纖準(zhǔn)直器的輸入光纖601提供包含波長(zhǎng)λ1到λN的多波長(zhǎng)光信號(hào)?？梢杂蓞⒖脊庠?02提供參考信號(hào)λc，其中該光源可以是分布反饋(DFB)激光器、法布里-珀羅(FP)激光器(與抑制模跳躍并穩(wěn)定輸出信號(hào)的適當(dāng)?shù)恼{(diào)制/控制系統(tǒng)結(jié)合使用)，或者本領(lǐng)域中公知的任意其它光源，該光源可以提供具有規(guī)定好的和穩(wěn)定的波長(zhǎng)的適當(dāng)參考信號(hào)。可以使用光合波器603(如熔融光纖耦合器)來將參考光源602耦合到輸入光纖601，有效地將多波長(zhǎng)光信號(hào)和參考信號(hào)耦合到輸入端口610中。這樣，頻譜功率監(jiān)視裝置就具有一個(gè)獨(dú)立的、內(nèi)部的參考光源。可替換地，輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)自身可以包含可被用作參考信號(hào)的頻譜成分(如光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的業(yè)務(wù)信道)，如在WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中那樣。在這樣一種方案中，不必實(shí)施內(nèi)部參考光源602和光纖耦合器603。輸入光纖601可以是單模光纖、多模光纖或者保偏光纖。
而且，衍射光柵620可以是刻線的衍射光柵、全息衍射光柵，或者階梯光柵，所有這些光柵在本領(lǐng)域中一般用于按照波長(zhǎng)來分離多波長(zhǎng)信號(hào)。可以使用本領(lǐng)域中的公知的其它類型的波長(zhǎng)分離裝置來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置中的波長(zhǎng)分散器，例如傳輸衍射光柵或者色散棱鏡。光束會(huì)聚器630也可以是會(huì)聚透鏡的集合，或者是本領(lǐng)域中公知的任意其它適合的光束會(huì)聚裝置。也可以通過使用執(zhí)行波長(zhǎng)分離和光束會(huì)聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會(huì)聚功能。應(yīng)該注意到，在頻譜信道和參考頻譜成分被很好地分離的應(yīng)用中，可以不使用例如圖6A或7A中會(huì)聚透鏡630的光束會(huì)聚器。
公知的是，衍射光柵的衍射效率可能是偏振依賴的。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)安裝配置中的光柵對(duì)于p(或TM)偏振的衍射效率比對(duì)于s(或TE)偏振的衍射效率要高，或者反之，并且其中p偏振垂直于光柵上的凹線，s偏振與p偏振正交。為了減小這種偏振敏感影響，可以在本發(fā)明的頻譜功率監(jiān)視裝置中采用一種適合的偏振敏感元件(如泄漏分束器)，用于在輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)(和一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào))入射到衍射光柵之前使這些信號(hào)當(dāng)中的一個(gè)偏振態(tài)(如p偏振)成分相對(duì)于另一個(gè)偏振態(tài)(如s偏振)成分按照預(yù)先的比例進(jìn)行衰減，從而補(bǔ)償由衍射光柵造成的偏振依賴性。這可以通過，例如，在圖6A或7A的實(shí)施例中的輸入端口610和衍射光柵620之間的光路上放置適當(dāng)?shù)娜跗衿?如泄漏分束器)得以實(shí)現(xiàn)?？商鎿Q地，可以實(shí)施如下面在部分III中討論的適當(dāng)?shù)钠穹旨桨浮?br> 如可以通過本發(fā)明的描述中理解的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何通過使用適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元以及適當(dāng)?shù)钠穹旨桨竵碓O(shè)計(jì)一種頻譜功率監(jiān)視裝置，從而最好地適用于一個(gè)給定的應(yīng)用。例如，通過將基于InGaAs的光電二極管陣列(這種光電二極管在1-1.7μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)特別敏感)用作上述實(shí)施例中的光傳感陣列，本發(fā)明提供了一系列能夠進(jìn)行主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)男滦皖l譜功率監(jiān)視器，這些監(jiān)視器將特別適用于DWDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
III.偏振分集方案圖8顯示了本發(fā)明光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的一個(gè)示例性實(shí)施例。通過舉例的方式，顯示了本發(fā)明的原理和總體結(jié)構(gòu)，光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置800包含以光纖準(zhǔn)直器形式出現(xiàn)的用于多波長(zhǎng)光信號(hào)的輸入端口810；偏振分離元件870，它的一種形式可以是偏振分束器；偏振旋轉(zhuǎn)元件880，它可以是半波片；波長(zhǎng)分散器820，它的一種形式可以是衍射光柵；光束會(huì)聚器830，它可以是會(huì)聚透鏡；以及光功率傳感器陣列840(在這里被稱作“光傳感陣列”)。
圖8的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置800的原理操作如下。輸入端口810傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)(例如，它可以包含波長(zhǎng)λ1到λN)。偏振分離元件870將多波長(zhǎng)光信號(hào)分解為相對(duì)于衍射光柵820的一個(gè)p(或TM)偏振成分(垂直于光柵上的凹線)和一個(gè)s偏振(或TE)偏振成分(與p偏振成分正交)。(該p偏振和s偏振成分還可以被稱作“第一和第二偏振成分”。)作為一個(gè)例子，假設(shè)p偏振是衍射光柵820的“優(yōu)選方向”(即衍射效率對(duì)于p偏振比對(duì)于s偏振高)，偏振旋轉(zhuǎn)元件880隨后使s偏振成分(或第二偏振成分)旋轉(zhuǎn)90度，由此入射到衍射光柵820上的光信號(hào)都具有p偏振。衍射光柵820按照波長(zhǎng)在角度上將入射光信號(hào)分離成第一和第二光束集合(例如，其中每個(gè)集合包含具有λ1到λN波長(zhǎng)的光束)。會(huì)聚透鏡830隨后可以將衍射光束會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)，從而相關(guān)于相同波長(zhǎng)(如λi)的第一和第二光束入射到光傳感陣列840上的基本上相同的位置處(或在相同的光功率傳感器內(nèi))。(應(yīng)該理解，在本詳細(xì)說明和所附的權(quán)利要求中，由偏振旋轉(zhuǎn)元件(如偏振旋轉(zhuǎn)元件880)產(chǎn)生的偏振旋轉(zhuǎn)可以被理解為對(duì)于指定的角度(如90度)具有輕微的差異，這是由實(shí)際系統(tǒng)中所存在的缺陷造成的。但是，這種差異將不會(huì)顯著影響本發(fā)明的整體性能。)
上述的第一和第二光束(偏振方向相同并且具有相同的波長(zhǎng))的重疊會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不希望強(qiáng)度邊紋的相干干涉。為了避免這種情況，可以在圖8的實(shí)施例中實(shí)施輔助的偏振旋轉(zhuǎn)元件890，由此光束的第一和第二集合在入射到光傳感陣列840上之前具有互相正交的兩個(gè)偏振方向。可以在衍射光柵820和光傳感陣列840之間實(shí)施輔助的偏振旋轉(zhuǎn)元件，并且用于使光束的第一和第二集合中的任意一個(gè)在入射到光傳感陣列840上之前旋轉(zhuǎn)90度。在圖8中，通過舉例的方式，在衍射光柵820和會(huì)聚透鏡830之間放置輔助的偏振選擇元件890，從而光束的第一集合在入射到光傳感陣列840上之前，其偏振方向經(jīng)歷90度旋轉(zhuǎn)。應(yīng)該理解，替換地，可以按照這樣一種方式將輔助的偏振旋轉(zhuǎn)元件890放置在衍射光柵820和會(huì)聚透鏡830之間，使得光束的第二集合在入射到光傳感陣列840上之前，其偏振方向經(jīng)歷90度旋轉(zhuǎn)。在這兩種方案中的任何一種方案中，相關(guān)于相同波長(zhǎng)(如λi)的第一和第二光束在入射到光傳感陣列840之前變成具有兩個(gè)互相正交的偏振方向，由此消除了任意的相干強(qiáng)度干涉。
同樣地，通過有利地采用上述的偏振分集方案，衍射光柵820的偏振敏感度在光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置800中就變得是無關(guān)緊要的。這使得本發(fā)明的裝置可以以一種簡(jiǎn)單并且成本有效的結(jié)構(gòu)來提高頻譜分辨率(如通過利用本領(lǐng)域中通?？梢缘玫降母呱⒀苌涔鈻?，而同時(shí)改善光學(xué)頻譜功率探測(cè)的準(zhǔn)確度。
根據(jù)本發(fā)明，圖9描述了使用偏振分集方案的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例。通過舉例的方式，光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置900可以利用圖8實(shí)施例中使用的總體結(jié)構(gòu)和多個(gè)元件，如那些標(biāo)有相同數(shù)字的元件所指示的那樣。在這種情況下，可以實(shí)施調(diào)制組件985，并且這樣配置該組件，使得光束的第一和第二集合按照一種時(shí)分復(fù)用的(如交替的)方式入射到光傳感陣列840上。通過舉例的方式，調(diào)整組件985被顯示為這樣一種形式具有第一和第二光閘元件981、982和控制單元983，它們放置在偏振分離元件870以及偏振旋轉(zhuǎn)元件880和衍射光柵820之間，由此分別控制第一和第二偏振成分。第一和第二光閘元件981、982中的任意一個(gè)都可以被這樣配置，從而在適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)的作用下(如由控制單元983提供的信號(hào))它允許光信號(hào)通過；并且在沒有任何控制信號(hào)的情況下保持對(duì)輸入光信號(hào)關(guān)閉。因此，通過利用控制單元983，根據(jù)一種適當(dāng)?shù)目刂品桨笍亩砸环N交替的方式操作第一和第二光閘元件981、982，光束的第一和第二集合以時(shí)分復(fù)用序列的形式入射到光傳感陣列840上，如圖中實(shí)線和虛線所指示的。這使得光束的第一和第二集合可以分開地被探測(cè)，由此可以獨(dú)立地得到相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的每個(gè)偏振成分的光功率頻譜。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以替換地將第一和第二光閘元件981、982(以及控制單元983)實(shí)施在衍射光柵820和光傳感陣列840之間，由此通過分別控制光束的第一和第二集合從而提供基本上類似的功能。
在上述的實(shí)施例中，替換地，可以由斬光器(以及相關(guān)的控制單元)提供調(diào)制組件985，例如配有至少一個(gè)孔的不透明旋轉(zhuǎn)盤或本領(lǐng)域中已知的任意其它適當(dāng)?shù)难b置，它們?cè)试S兩個(gè)入射光信號(hào)以一種交替的方式通過。該斬光器可以被實(shí)施在偏振分離元件870以及偏振旋轉(zhuǎn)元件880和衍射光柵820之間，或者在衍射光柵820和光傳感陣列840之間，因此以一種基本上相同的方式提供基本上類似的功能。
在圖9的實(shí)施方案中，光束的第一和第二集合中的每個(gè)都可以與位于其下的光傳感陣列840具有預(yù)定的對(duì)準(zhǔn)?？商鎿Q地，相關(guān)于相同波長(zhǎng)(如λi)的第一和第二光束可以入射到光傳感陣列840上的基本相同的位置處(雖然在不同的時(shí)間)。光傳感陣列840可以基本上與陣列240或640相同，并且可以包含一個(gè)光電二極管陣列(如由Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey生成的光電二極管陣列)，或者本領(lǐng)域中其它適當(dāng)?shù)墓夤β蕚鞲醒b置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何實(shí)施適當(dāng)?shù)墓鈧鞲嘘嚵幸约霸O(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)方案，從而最好地適用于一個(gè)給定的應(yīng)用。
與圖8的實(shí)施例類似，光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置900對(duì)衍射光柵820是偏振不敏感的，因此可以以提高的頻譜分辨率提供多波長(zhǎng)光信號(hào)的準(zhǔn)確的探測(cè)。光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置900的一個(gè)額外的好處在于通過使光束的第一和第二集合以一種時(shí)分復(fù)用的方式入射到光傳感陣列上，可以獨(dú)立地確定相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的每個(gè)偏振成分的光功率頻譜，這在光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中是有用的。例如，偏振復(fù)用(將數(shù)據(jù)流編碼到單個(gè)波長(zhǎng)信道的兩個(gè)互相正交的偏振成分上)已經(jīng)成為增加光纖信息容量的另一種方法。因此，希望的是具有這樣一種設(shè)備它可以分開地探測(cè)單個(gè)波長(zhǎng)信道的兩個(gè)互相正交的偏振成分。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，調(diào)制組件985的上述功能可以概括為以頻分復(fù)用的方式調(diào)制光束的第一和第二集合，由此可以在光傳感陣列840上分開地識(shí)別這些集合。適用于這種情況，圖10示出光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置的另一個(gè)實(shí)施例。通過舉例的方式，光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置1000可以采用在圖8中使用的總體結(jié)構(gòu)和多個(gè)元件，如由標(biāo)有相同數(shù)字的元件所指示的。在這種情況下，調(diào)制組件1085可以被放置在偏振分離元件870以及偏振旋轉(zhuǎn)元件880和衍射光柵820之間的光路上，用于分別調(diào)制第一和第二偏振成分。調(diào)制組件1085可以以第一和第二調(diào)制元件1081、1082以及控制單元1083的形式出現(xiàn)，其中該第一和第二調(diào)制元件1081、1082可以是本領(lǐng)域中公知的電光強(qiáng)度調(diào)制器(基于液晶的強(qiáng)度調(diào)制器)。第一和第二調(diào)制元件1081、1082可以在兩個(gè)不同的交替(或者“高頻振動(dòng)”)控制信號(hào)(如由控制單元1083提供)的控制下進(jìn)行工作，該控制信號(hào)的一種形式可以是具有兩個(gè)不同頻率(如第一和第二“高頻振動(dòng)頻率”)的時(shí)間的正弦函數(shù)。調(diào)制元件1081、1082中的任意一個(gè)可以被配置，從而將“高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)”引入它所對(duì)應(yīng)的光束的光功率電平，其中該光功率電平包含對(duì)控制信號(hào)的線性響應(yīng)，并且該功率電平受該控制信號(hào)的控制。同樣地，在從第一和第一光束調(diào)制元件1081、1082處出現(xiàn)的時(shí)候，第一和第二偏振成分可以分別攜帶第一和第二高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)(如以第一和第二高頻振動(dòng)頻率為特征)。因此，受衍射光柵820衍射作用的光束的第一和第二集合還可以攜帶各自的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)，并且該第一和第二集合入射到光傳感陣列840上。由光傳感陣列840按照類似的方式這樣產(chǎn)生的電信號(hào)包含相同的特征高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)，并且可由與光傳感陣列840進(jìn)行通信的同步探測(cè)單元1090對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的那樣，如果在實(shí)際的應(yīng)用中有必要的話，同步探測(cè)單元1090還可以與控制單元1083進(jìn)行通信。
在本發(fā)明中，“頻譜信道”的特征在于獨(dú)特的中心波長(zhǎng)和相關(guān)聯(lián)的帶寬，并且可以攜帶如在WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中那樣獨(dú)特的信息信號(hào)。與輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)所攜帶的“本征”調(diào)制信號(hào)(如信息信號(hào))相比，“高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)”指任意由調(diào)制組件產(chǎn)生的光信號(hào)光功率電平中的調(diào)制。對(duì)應(yīng)地，將高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)分配在這樣一個(gè)頻譜范圍之內(nèi)，該頻譜范圍與頻譜信道所攜帶的其它“本征”調(diào)制信號(hào)的頻率足夠地分開。
如在圖9的情況中那樣，圖10實(shí)施例中的光束的第一和第二集合可以都與位于其下的光傳感陣列840具有預(yù)定的對(duì)準(zhǔn)。可替換地，相關(guān)于相同波長(zhǎng)(如λi)的第一和第二光束可以入射到光傳感陣列840上的基本上相同的位置處(或位于相同的光功率傳感器內(nèi))。在這兩種方案的任意一種中，由這兩個(gè)光束集合攜帶的不同的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)使得這兩個(gè)光束集合可以被分開探測(cè)，如使用同步探測(cè)單元1090。為了使由同步探測(cè)單元1090提供的測(cè)量相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的對(duì)應(yīng)的光功率水平，可以進(jìn)行一個(gè)校準(zhǔn)過程，由此可以得到相關(guān)于輸入多波長(zhǎng)光信號(hào)中的每個(gè)偏振成分的光功率頻譜。通過本發(fā)明的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何實(shí)施適當(dāng)?shù)墓鈧鞲嘘嚵幸约霸O(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)方案，從而適用于一個(gè)給定的應(yīng)用。
還可以由斬光器(以及相關(guān)的控制單元)，如配有兩組孔的不透明旋轉(zhuǎn)盤，提供調(diào)制組件1085。每組孔以由它的組成孔確定的空間排列方式確定的頻率有效地“斬?cái)唷彼鶎?duì)應(yīng)的光束(如第一或第二偏振成分)。通過按照希望實(shí)現(xiàn)的方案安排兩組孔，到達(dá)光傳感陣列840的第一和第二光束由不同的調(diào)制表征，由此使得它們可以被分開地探測(cè)。應(yīng)該理解，替換地，可以將調(diào)制組件1085(如第一和第二調(diào)制元件1081、1082)實(shí)施在衍射光柵820和光傳感陣列840之間，從而分別調(diào)制光束的第一和第二集合。如可以通過本發(fā)明的描述理解的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置中實(shí)施適當(dāng)?shù)恼{(diào)制組件，從而最好地適用于一個(gè)給定的應(yīng)用。
在上述實(shí)施例中，偏振分離元件870可以是偏振分束器、雙折射光束轉(zhuǎn)移器(birefringent beam displacer)，或者本領(lǐng)域中公知的其它類型的偏振分離裝置。偏振旋轉(zhuǎn)元件880或者輔助的偏振旋轉(zhuǎn)元件890可以是半波片、法拉第旋轉(zhuǎn)片、液晶旋轉(zhuǎn)片，或者本領(lǐng)域中公知的可以使光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)指定的角度(如90度)的任意其它的偏振旋轉(zhuǎn)裝置。第一和第二光閘元件981、982中的任意一個(gè)可以是基于液晶的光閘元件，如包含在沒有任何控制信號(hào)的情況下使入射光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度并且在適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)的作用下使偏振方向保持不變的液晶旋轉(zhuǎn)片，以及其偏振軸垂直于由液晶旋轉(zhuǎn)片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)偏振方向的偏振器。第一或第二光閘元件981、982中的任意一個(gè)也可以是起到光閘作用的基于MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))的元件，或者本領(lǐng)域中公知的任意其它的類光閘元件，該元件通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)裝置對(duì)于入射光束開放或保持關(guān)閉?？刂茊卧?83可以包含本領(lǐng)域中公知的電路和信號(hào)處理算法，用于根據(jù)希望得到的方案控制第一或第二光閘元件981、982。
而且，第一和第二調(diào)制元件1081、1082中的任意一個(gè)可以是電光強(qiáng)度調(diào)制器，例如液晶強(qiáng)度調(diào)制器，或者本領(lǐng)域中公知的任意其它適當(dāng)?shù)恼{(diào)制裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂茊卧?083，從而由第一和第二調(diào)制元件1081、1082產(chǎn)生希望得到的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)。同步探測(cè)單元1090通常包含被設(shè)計(jì)用于分別對(duì)在光束的第一和第二集合中產(chǎn)生的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)執(zhí)行同步探測(cè)的電路和信號(hào)處理算法。
在本發(fā)明中，波長(zhǎng)分散器(如衍射光柵)820可以是刻線的衍射光柵、全息衍射光柵，或者階梯光柵，所有這些通常在本領(lǐng)域中被用于按照波長(zhǎng)來分離多波長(zhǎng)信號(hào)。一般地，可以使用本領(lǐng)域中的公知的其它類型的波長(zhǎng)分離裝置來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的光學(xué)頻譜功率監(jiān)視裝置中的波長(zhǎng)分散器820，例如傳輸衍射光柵或者色散棱鏡。光束會(huì)聚器830也可以是會(huì)聚透鏡的集合，或者是本領(lǐng)域中公知的任意其它適合的光束會(huì)聚裝置。也可以通過使用執(zhí)行波長(zhǎng)分離和光束會(huì)聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會(huì)聚功能。用作輸入端口810的光纖準(zhǔn)直器可以以一起被封裝在機(jī)械堅(jiān)硬的不銹鋼(或玻璃)管子中的準(zhǔn)直透鏡(例如GRIN透鏡)和套圈安裝的光纖的形式出現(xiàn)。
應(yīng)該理解，上述偏振分集補(bǔ)償方案結(jié)合在部分I和II中描述的頻譜監(jiān)視器也使用主動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償。例如但不限于，通過將偏振分離元件870、偏振旋轉(zhuǎn)元件880和/或890，以及調(diào)制組件985、1085集成到頻譜監(jiān)視器之內(nèi)的對(duì)應(yīng)位置(如在輸入端口和波長(zhǎng)分散器和/或光束會(huì)聚器之間)，可以在頻譜監(jiān)視器之內(nèi)使用偏振分集方案。
盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)該理解，只要不脫離本發(fā)明的原理和范圍，在這里可以進(jìn)行各種改變、替代和替換。所以，應(yīng)該由隨后的權(quán)利要求和其法律等價(jià)物來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包含一個(gè)輸入端口，提供一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和至少一個(gè)參考信號(hào)；一個(gè)波長(zhǎng)分散器，按照波長(zhǎng)將所述多波長(zhǎng)光信號(hào)和所述至少一個(gè)參考信號(hào)分離成具有預(yù)定相對(duì)排列方式的多個(gè)頻譜信道和至少一個(gè)參考頻譜成分；一個(gè)光束接收陣列，包含至少一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件和多個(gè)光束接收元件，將這些元件定位成用于分別接收所述至少一個(gè)參考頻譜成分和所述頻譜信道；以及第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件，該第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件調(diào)整所述頻譜陣列和所述光束接收陣列之間的對(duì)準(zhǔn)，從而使所述至少一個(gè)參考頻譜成分能夠在所述至少一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件上的預(yù)定位置處對(duì)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)耦合到所述光束接收陣列的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使所述光束接收陣列發(fā)生移動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)耦合到所述光束會(huì)聚器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使所述光束會(huì)聚器發(fā)生移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)參考信號(hào)包含第一和第二參考信號(hào)，該第一和第二參考信號(hào)分別具有第一和第二參考頻譜成分，并且其中所述第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件適用于使得所述第一參考頻譜成分能夠在所述第一參考波長(zhǎng)傳感元件上的第一預(yù)定位置處對(duì)準(zhǔn)，并且所述第二參考頻譜成分能夠在所述第二參考波長(zhǎng)傳感元件上的第二預(yù)定位置處對(duì)準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)伺服控制單元，該伺服控制單元包含所述第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件和一個(gè)處理元件，其中所述處理元件監(jiān)視所述至少一個(gè)參考頻譜成分入射到所述至少一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件上的入射位置，并且相應(yīng)地提供對(duì)于所述第一對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件的控制，由此確保所述至少一個(gè)參考頻譜成分在所述至少一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件上的所述預(yù)定位置處保持對(duì)準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)裝置，其中所述伺服控制單元進(jìn)一步包含一個(gè)調(diào)整所述頻譜陣列的間距的第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件，并且所述第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件與所述處理元件進(jìn)行通信。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)裝置，其中所述第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)控制鏡，該控制鏡與所述輸入端口和所述波長(zhǎng)分散器進(jìn)行光通信，并且用于調(diào)整所述多波長(zhǎng)光信號(hào)和所述至少一個(gè)參考信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)裝置，其中所述第二對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)耦合到所述波長(zhǎng)分散器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使所述波長(zhǎng)分散器發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)參考波長(zhǎng)傳感元件包含從包括位置敏感探測(cè)器、分裂探測(cè)器和四分探測(cè)器的組中選出的元件。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述波長(zhǎng)分散器包含從包括刻線的衍射光柵、全息光柵、階梯光柵、曲面衍射光柵、傳輸光柵和色散棱鏡的組中選出的元件。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述輸入端口包含一個(gè)耦合到輸入光纖的光纖準(zhǔn)直器，其中所述光學(xué)裝置進(jìn)一步包含至少一個(gè)用于將至少一個(gè)參考光源耦合到所述輸入光纖的光合波器，并且其中所述輸入光纖傳輸所述多波長(zhǎng)光信號(hào)，所述至少一個(gè)參考光源提供所述至少一個(gè)參考信號(hào)。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述光束接收元件包含光功率傳感器。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述光束接收元件包含微反射鏡。
14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述光束接收元件包含光纖。
15.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含偏振分離元件和偏振旋轉(zhuǎn)元件，它們與所述輸入端口和所述波長(zhǎng)分散器進(jìn)行光通信，其中所述偏振分離元件將所述多波長(zhǎng)光信號(hào)和所述參考信號(hào)分解成第一和第二偏振成分，并且所述第一偏振旋轉(zhuǎn)元件使得所述第二偏振成分的偏振旋轉(zhuǎn)90度。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振分離元件包含從包括偏振分束器和雙折射光束轉(zhuǎn)移器的組中選出的元件。
17.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、液晶旋轉(zhuǎn)片和法拉第旋轉(zhuǎn)片的組中選出的元件。
18.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件，它在所述波長(zhǎng)分散器和所述光功率傳感器陣列之間進(jìn)行光通信，從而使來自所述第一偏振成分的每個(gè)色散光束的偏振都經(jīng)歷90度的旋轉(zhuǎn)。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)裝置，其中所述輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、法拉第旋轉(zhuǎn)片和液晶旋轉(zhuǎn)片的組中選出的元件。
20.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含使所述頻譜信道和所述至少一個(gè)參考頻譜成分會(huì)聚到頻譜陣列中的對(duì)應(yīng)會(huì)聚點(diǎn)的光束會(huì)聚器，其中所述頻譜信道和所述至少一個(gè)參考頻譜成分具有所述的相對(duì)排列方式。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)裝置，其中所述光束會(huì)聚器包含至少一個(gè)會(huì)聚透鏡。
22.一種光學(xué)裝置，包含一個(gè)輸入端口，提供一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)；一個(gè)波長(zhǎng)分散器，按照波長(zhǎng)將所述多波長(zhǎng)光信號(hào)和所述參考信號(hào)分離成具有預(yù)定相對(duì)排列方式的多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分；一個(gè)光功率傳感器陣列，該光功率傳感器陣列包含一個(gè)用于接收所述參考頻譜成分的參考位置傳感元件和多個(gè)用于接收所述頻譜信道的信道傳感元件；以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元，包含一個(gè)用于調(diào)整所述頻譜信道與所述參考頻譜成分之間對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件和一個(gè)處理元件；其中所述處理元件監(jiān)視所述參考頻譜成分入射到所述參考位置傳感元件上的入射位置，并且相應(yīng)地提供對(duì)于所述對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件的控制，從而使所述參考頻譜成分保持在所述參考位置傳感元件上的預(yù)定位置處，并且由此確保所述頻譜信道和所述信道傳感元件之間的特定對(duì)準(zhǔn)。
23.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)信號(hào)處理器，用于通過由所述信道傳感元件產(chǎn)生的輸出信號(hào)得到入射到所述信道傳感元件上的所述頻譜信道的功率電平。
24.如權(quán)利要求23所述的光學(xué)裝置，其中所述信號(hào)處理器包含一個(gè)預(yù)定的轉(zhuǎn)換矩陣，該轉(zhuǎn)換矩陣使得所述輸出信號(hào)相關(guān)于所述功率電平。
25.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中所述對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元進(jìn)一步包含一個(gè)包括多個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣的預(yù)定校準(zhǔn)表，所述多個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于所述參考頻譜成分的一個(gè)特定入射位置，由此對(duì)于探測(cè)到的所述參考頻譜成分的每個(gè)入射位置，所述對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償單元都從所述校準(zhǔn)表查詢對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，該轉(zhuǎn)換矩陣使來自所述信道傳感元件的輸出信號(hào)相關(guān)于入射到所述信道傳感元件上的所述頻譜信道的功率電平。
26.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中所述對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)耦合到所述光功率傳感器陣列的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使所述光功率傳感器陣列發(fā)生移動(dòng)。
27.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含用于使所述頻譜信道和所述參考頻譜成分會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)并且入射到所述光功率傳感器陣列上的光束會(huì)聚器，其中所述對(duì)準(zhǔn)調(diào)整元件包含一個(gè)耦合到所述光束會(huì)聚器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于使所述光束會(huì)聚器發(fā)生移動(dòng)。
28.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中所述光功率傳感器陣列包含一個(gè)光電二極管陣列。
29.如權(quán)利要求28所述的光學(xué)裝置，其中每個(gè)信道傳感元件接收所述頻譜信道中的一個(gè)單獨(dú)信道。
30.如權(quán)利要求28所述的光學(xué)裝置，其中所述光電二極管陣列具有一個(gè)連續(xù)的總體光響應(yīng)函數(shù)。
31.如權(quán)利要求30所述的光學(xué)裝置，其中所述參考位置傳感元件包含所述光電二極管陣列中的兩個(gè)相鄰的信道傳感元件。
32.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中所述波長(zhǎng)分散器包含從包括刻線的衍射光柵、全息衍射光柵、階梯光柵、曲面衍射光柵、傳輸光柵和色散棱鏡的組中選出的一個(gè)元件。
33.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)光束會(huì)聚器，用于將所述頻譜信道和所述參考頻譜成分會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)。
34.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)偏振分離元件和一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)元件，它們與所述輸入端口和所述波長(zhǎng)分散器進(jìn)行光通信，其中所述偏振分離元件將所述多波長(zhǎng)光信號(hào)和所述參考信號(hào)分解成第一和第二偏振成分，并且所述第一偏振旋轉(zhuǎn)元件使得所述第二偏振成分的偏振旋轉(zhuǎn)90度。
35.如權(quán)利要求34所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振分離元件包含從包括偏振分束器和雙折射光束轉(zhuǎn)移器的組中選出的一個(gè)元件。
36.如權(quán)利要求34所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、液晶旋轉(zhuǎn)片和法拉第旋轉(zhuǎn)片的組中選出的一個(gè)元件。
37.如權(quán)利要求34所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件，它在所述波長(zhǎng)分散器和所述光功率傳感器陣列之間進(jìn)行光通信，使得來自所述第一偏振成分的每個(gè)色散光束的偏振都經(jīng)歷90度的旋轉(zhuǎn)。
38.如權(quán)利要求37所述的光學(xué)裝置，其中所述輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、法拉第旋轉(zhuǎn)片和液晶旋轉(zhuǎn)片的組中選出的一個(gè)元件。
39.一種光學(xué)裝置，包含一個(gè)輸入端口，提供一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)；一個(gè)偏振分離元件，它將所述多波長(zhǎng)光信號(hào)分解為第一和第二偏振成分；一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)元件，它使所述第二偏振成分的偏振旋轉(zhuǎn)大約90度；一個(gè)波長(zhǎng)分散器，它按照波長(zhǎng)將所述第一和第二偏振成分分別分離為光束的第一和第二集合；以及一個(gè)光功率傳感器陣列，被定位用于接收所述光束的第一和第二集合。
40.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件，使得所述光束的第一和第二集合在入射到所述光功率傳感器陣列上時(shí)其偏振方向是正交的。
41.如權(quán)利要求40所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)元件位于所述波長(zhǎng)分散器和所述光功率傳感器陣列之間。
42.如權(quán)利要求41所述的光學(xué)裝置，其中所述輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件被如此配置，使得所述光束的第二集合的偏振經(jīng)歷大約90度的旋轉(zhuǎn)。
43.如權(quán)利要求41所述的光學(xué)裝置，其中所述輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件被如此配置，使得所述光束的第一集合的偏振經(jīng)歷大約90度的旋轉(zhuǎn)。
44.如權(quán)利要求41所述的光學(xué)裝置，其中所述輔助偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、法拉第旋轉(zhuǎn)片和液晶旋轉(zhuǎn)片的組中選出的一個(gè)元件。
45.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振分離元件包含從包括偏振分束器和雙折射光束轉(zhuǎn)移器的組中選出的一個(gè)元件。
46.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)元件包含從包括半波片、法拉第旋轉(zhuǎn)片和液晶旋轉(zhuǎn)片的組中選出的一個(gè)元件。
47.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，其中所述光功率傳感器陣列包含一個(gè)光電二極管陣列。
48.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，其中所述波長(zhǎng)分散器包含從包括刻線的衍射光柵、全息光柵、階梯光柵、曲面衍射光柵、傳輸光柵和色散棱鏡的組中選出的一個(gè)元件。
49.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)光束會(huì)聚器，用于將所述光束的第一和第二集合會(huì)聚到對(duì)應(yīng)的會(huì)聚點(diǎn)。
50.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)調(diào)制組件，該調(diào)制組件適用于在光束的第一和第二集合入射到所述光功率傳感器陣列上之前調(diào)制所述光束的第一和第二集合。
51.如權(quán)利要求50所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件適用于使得所述光束的第一和第二集合以時(shí)分復(fù)用序列的形式入射到所述光功率傳感器陣列上。
52.如權(quán)利要求51所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件包含第一和第二光閘元件。
53.如權(quán)利要求52所述的光學(xué)裝置，其中所述第一光閘元件包含從包括基于液晶的光閘元件和基于MEMS的光閘元件的組中選出的一個(gè)元件。
54.如權(quán)利要求53所述的光學(xué)裝置，其中所述第二光閘元件包含從包括基于液晶的光閘元件和基于MEMS的光閘元件的組中選出的一個(gè)元件。
55.如權(quán)利要求52所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)控制單元，該控制單元與所述第一和第二光閘元件進(jìn)行通信。
56.如權(quán)利要求50所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件包含第一和第二調(diào)制元件，該第一和第二調(diào)制元件適用于使所述光束的第一和第二集合在入射到所述光功率傳感器陣列上時(shí)攜帶不同的高頻振動(dòng)信號(hào)。
57.如權(quán)利要求56所述的光學(xué)裝置，其中所述第一調(diào)制元件和第二調(diào)制元件中的至少一個(gè)包含一個(gè)電光強(qiáng)度調(diào)制器。
58.如權(quán)利要求56所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)控制單元，該控制單元與所述第一和第二調(diào)制元件進(jìn)行通信。
59.如權(quán)利要求56所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含一個(gè)同步探測(cè)單元，該同步探測(cè)單元被配置用于探測(cè)所述高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)。
60.如權(quán)利要求50所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件包含一個(gè)斬光器。
61.如權(quán)利要求50所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件與所述偏振分離元件以及所述偏振旋轉(zhuǎn)元件和所述波長(zhǎng)分散器進(jìn)行光通信，由此控制所述第一和第二偏振成分。
62.如權(quán)利要求50所述的光學(xué)裝置，其中所述調(diào)制組件與所述波長(zhǎng)分散器和所述光功率傳感器陣列進(jìn)行光通信，以便控制所述光束的第一和第二集合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的方法和裝置，該方法和裝置使用例如衍射光柵(220)的波長(zhǎng)色散裝置來按照波長(zhǎng)將一個(gè)多波長(zhǎng)光信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)在空間上分離成一個(gè)頻譜陣列中的多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分，并且所述多個(gè)頻譜信道和一個(gè)參考頻譜成分具有預(yù)定的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)關(guān)系。通過使參考頻譜成分在一個(gè)預(yù)定的位置處對(duì)準(zhǔn)，多個(gè)頻譜信道可以同時(shí)入射到指定的位置，如入射到按照該頻譜陣列分布的光束接收元件陣列上。借助于伺服控制(260)，該參考頻譜成分可以進(jìn)一步保持在預(yù)定的位置，由此確保所述多個(gè)頻譜信道在指定的位置處保持對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明可以用于構(gòu)建一系列新的基于伺服的光系統(tǒng)，包含頻譜功率監(jiān)視器和光復(fù)用器/解復(fù)用器，用于WDM光聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1610850SQ02823085
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2002年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月20日
發(fā)明者J·P·維爾德, P·波林金, M·J·蒂蒙斯, M·H·加雷特 申請(qǐng)人:卡佩拉光子學(xué)公司