專利名稱：采用時分復(fù)用檢測方案的光譜功率監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光譜監(jiān)視器和分析器。更具體而言，涉及采用時分復(fù)用檢測方案的新型光譜監(jiān)視器，其適合WDM光學(xué)連網(wǎng)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著采用波長分割復(fù)用(WDM)的光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)變得日益普及，需要一種新的光學(xué)性能監(jiān)視器，包括譜功率監(jiān)視器。
本領(lǐng)域中的常規(guī)譜功率監(jiān)視器典型地使用波長分散裝置，如衍射光柵或分散棱鏡，以將多波長光學(xué)信號分成具有明顯中心波長的光譜波道的空間陣列。光電檢測器(例如光電二極管)陣列被放置成單獨檢測光譜波道，由此提供多波長光學(xué)信號的光功率譜?？商鎿Q的是，旋轉(zhuǎn)衍射光柵和靜止光電檢測器，或者可移動光電檢測器和靜止衍射光柵，被用于依次掃描光譜波道。這些現(xiàn)有譜功率監(jiān)視器典型地成本上是高的，尺寸和操作上是麻煩的，并且在一些實例中需要相當?shù)木S護，從而使得它們不適合于光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。
而且，衍射光柵的衍射效率已知在特性上是偏振敏感的。這種偏振敏感性對于提供譜功率監(jiān)視器中的增強的譜分辨率所需的高分散衍射光柵(例如，全息光柵)可能是特別劇烈的。
根據(jù)以上所述，在本領(lǐng)域中需要以簡單、有效且經(jīng)濟的構(gòu)造來克服現(xiàn)有設(shè)備缺點的光譜功率監(jiān)視器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種采用新穎的時分復(fù)用檢測方案用于光譜功率監(jiān)視的方法和設(shè)備。本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備包括輸入端口，用于多波長光學(xué)信號；波長分散器，用于根據(jù)波長將所述多波長光學(xué)信號分成具有預(yù)定相對安排的多個光譜波道；以及多個束操縱元件，其被放置成與所述光譜波道對應(yīng)。束操縱元件是單獨可控制的以將光譜波道以時分復(fù)用序列導(dǎo)入光學(xué)檢測器中。
在本發(fā)明中，術(shù)語“時分復(fù)用序列”指的是光譜波道被操縱，例如被導(dǎo)入光學(xué)檢測器中的特定時間順序。例如，可以以連續(xù)或其它預(yù)定序列將光譜波道依次(即一個接一個)導(dǎo)入光學(xué)檢測器中，由此可得到光功率譜(作為波長的函數(shù)的光功率水平)。光譜波道亦可依照預(yù)定方案而被分組成譜集，每個都包含一個或多個光譜波道。對應(yīng)于每個譜集的束操縱元件然后可被協(xié)調(diào)以將成分光譜波道同時導(dǎo)入光學(xué)檢測器中，由此提供這些光譜波道的綜合信號。譜集被引導(dǎo)到光學(xué)檢測器上的序列可依照任何所需的時分復(fù)用方案。而且，如果在應(yīng)用中需要，光譜波道的子集(例如，“偶數(shù)編號的”或“奇數(shù)編號的”光譜波道)可在預(yù)定或動態(tài)的基礎(chǔ)上被選擇，并且以時分復(fù)用序列被監(jiān)視。另外，被分配用于每個光譜波道(或譜集)的檢測時間可被固定，或者在逐通道(例如，逐波長)的基礎(chǔ)上被動態(tài)地控制。
在本發(fā)明中，“光譜波道”的特征在于明顯的中心波長和關(guān)聯(lián)的帶寬，并且可如在WDM光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用中而載運唯一的信息信號。束操縱元件應(yīng)被理解成實施能通過偏轉(zhuǎn)、開關(guān)或調(diào)制來操縱至少一個光譜波道的任何元件。舉例來說，束操縱元件可以是可移動，例如可轉(zhuǎn)動于至少一個軸的微鏡。束操縱元件亦可以是液晶快門元件，MEMS(微機電系統(tǒng))快門元件，或者借助適當?shù)募?控制裝置來開啟或保持關(guān)閉于入射光束的本領(lǐng)域已知的任何其它光學(xué)快門。
本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備可進一步采用偏振分集方案來克服成分光學(xué)元件可能有的偏振敏感效應(yīng)。在此情況下，偏振分離元件和偏振旋轉(zhuǎn)元件可沿輸入端口和波長分散器之間的光學(xué)路徑而被放置，用來將輸入多波長光學(xué)信號分解成第一和第二偏振分量，隨后將第二偏振分量的偏振旋轉(zhuǎn)90度。波長分散器根據(jù)波長將入射光學(xué)信號分別分成第一和第二集合的光束。束聚焦器(例如聚焦透鏡)可將第一和第二集合的光束聚焦到對應(yīng)的焦斑中，從而照射到束操縱元件上。與相同波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可照射到相同的束操縱元件上(并可由相同的束操縱元件來操縱)。通過依照所需時分復(fù)用方案采操作束操縱元件，與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可被相繼導(dǎo)入光學(xué)檢測器中，由此可得到輸入多波長光學(xué)信號的光功率譜?？商鎿Q的是，第一和第二集合的光束可借助以下方式被分別導(dǎo)入第一和第二光學(xué)檢測器中使每個集合中的光束以時分復(fù)用序列到達對應(yīng)的光學(xué)檢測器。這使得與輸入多波長光學(xué)信號中的每個偏振分量關(guān)聯(lián)的光功率譜能被單獨得到，這在WDM光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用中將是理想的。
本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備可進一步包括一個或多個基準信號和對應(yīng)的基準位置感測元件，還有一個或多個適當?shù)膶收{(diào)節(jié)元件，用于監(jiān)視光譜波道和相應(yīng)束操縱元件之間的對準并校正可在操作期間產(chǎn)生的未對準。
在本發(fā)明中，波長分散器通?？梢允鞘苤涞难苌涔鈻?、全息光柵、階梯光柵、彎曲衍射光柵、透射光柵、分散棱鏡或本領(lǐng)域已知的其它類型的波長分離裝置。輸入端口可以是被耦合于透射多波長光學(xué)信號的輸入光纖的光纖準直器。偏振分離元件可以是偏振束分裂器、雙折射束置換器或本領(lǐng)域已知的其它類型的偏振分離裝置。偏振旋轉(zhuǎn)元件可以是半波片、Faraday旋轉(zhuǎn)器、液晶旋轉(zhuǎn)器、或本領(lǐng)域已知的任何其它偏振旋轉(zhuǎn)裝置，其能將光束的偏振旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度(例如90度)。光學(xué)檢測器可以是PN光電檢測器、PIN光電檢測器、雪崩光電檢測器(APD)、或本領(lǐng)域已知的其它類型的光功率感測裝置。
通過有利地利用在逐個的基礎(chǔ)上與多個光譜波道對應(yīng)的束操縱元件的陣列，可依照本發(fā)明以各種時分復(fù)用方案來進行光譜功率感測。與現(xiàn)有譜功率監(jiān)視器形成明顯對比，這使得有了對由此所構(gòu)建的光譜功率監(jiān)視設(shè)備的較大的通用性。此外，上述偏振分集方案使得偏振敏感效應(yīng)在本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備中沒有意義。這使本發(fā)明能以簡單且成本有效的構(gòu)造(例如通過利用本領(lǐng)域中常用的高分散衍射光柵)來增強譜分辨率，同時提供了光譜功率檢測中的提高的精度。因此，一種新線的光譜功率監(jiān)視器可依照本發(fā)明來構(gòu)建以適合于各種應(yīng)用。
本發(fā)明的新特征以及發(fā)明本身從以下附圖和詳述將被最好地理解。


圖1描述本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第一實施例，其采用作為束操縱元件的微鏡陣列和單個輸入端口；圖2示出本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第二實施例，其采用作為束操縱元件的微鏡陣列和多個輸入端口；圖3描述本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第三實施例，其采用偏振分集方案中作為束操縱元件的微鏡陣列；圖4A-4B示出本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第四實施例，其采用偏振分集方案中作為束操縱元件的液晶快門元件陣列；圖4C示出本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第五實施例，每個都采用偏振分集方案中作為束操縱元件的液晶快門元件陣列；并且圖5示出本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第六實施例，其說明在本發(fā)明中如何確定最優(yōu)對準。
具體實施例方式
圖1示出依照本發(fā)明的光譜監(jiān)視設(shè)備的第一實施例的透視圖。舉例說明本發(fā)明的一般原理，光譜功率監(jiān)視設(shè)備100包括輸入端口110，其可以是光纖準直器；波長分散器120，其一種形式可以是衍射光柵；束聚焦器130，其可以是聚焦透鏡；以及束操縱元件陣列140，其一種形式可以是微鏡140-1到140-N。光譜功率監(jiān)視設(shè)備100可進一步包括光學(xué)檢測器150，其可以是結(jié)合關(guān)聯(lián)檢測電路的光電二極管。
為了說明和清楚的目的，僅所選的幾個(例如三個)光譜波道與輸入多波長光學(xué)信號被圖示于圖1和隨后的圖中。然而，應(yīng)指出，在本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備中可以有任何數(shù)量的光譜波道(只要光譜波道的數(shù)量與在系統(tǒng)中采用的束操縱元件的數(shù)量相當)。亦應(yīng)指出，圖1和隨后的圖中的備種元件和光束被示出是為了說明性的目的，因此可以不按比例畫出。
在操作中，輸入端口110發(fā)送多波長光學(xué)信號(其可例如包含波長λ1到λN)。衍射光柵120根據(jù)波長在角度上將多波長光學(xué)信號分成具有預(yù)定相對安排的多個光譜波道(例如，分別由波長λ1到λN來表征)。聚焦透鏡130可將光譜波道聚焦到例如具有預(yù)定相對安排的空間陣列中的對應(yīng)焦斑中。微鏡140-1到140-N可被放置成使每個微鏡接收光譜波道的唯一一個。微鏡140-1到140-N可以是單獨可控制和可移動的(例如可轉(zhuǎn)動或可旋轉(zhuǎn))從而以時分復(fù)用序列將相應(yīng)的光譜波道導(dǎo)入光學(xué)檢測器150中。這使能得到輸入多波長光學(xué)信號的光功率譜(即作為波長的函數(shù)的光功率水平)。
在本發(fā)明中，“光譜波道”的特征在于明顯的中心波長和關(guān)聯(lián)的帶寬，并且可如在WDM光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用中而載運唯一的信息信號?！皶r分復(fù)用序列”指的是光譜波道被操縱，例如被導(dǎo)入光學(xué)檢測器中的特定時間順序。例如，可以以連續(xù)或其它預(yù)定序列將光譜波道依次(即一個接一個)導(dǎo)入光學(xué)檢測器中。光譜波道亦可依照預(yù)定或動態(tài)方案而被分組成譜集，每個都包含一個或多個光譜波道。對應(yīng)于每個譜集的束操縱元件然后可被協(xié)調(diào)以將成分光譜波道同時導(dǎo)入光學(xué)檢測器中，由此提供這些光譜波道的綜合信號。譜集被引導(dǎo)到光學(xué)傳感器上的序列可依照任何所需的時分復(fù)用方案。而且，如果在應(yīng)用中需要，光譜波道的子集(例如，“偶數(shù)編號的”或“奇數(shù)編號的”光譜波道)可在預(yù)定或動態(tài)的基礎(chǔ)上被選擇，并且以時分復(fù)用序列被監(jiān)視。另外，被分配用于每個光譜波道(或譜集)的檢測時間可被固定，或者在逐通道(例如，逐波長)的基礎(chǔ)上被動態(tài)地控制。
在圖1的實施例中，微鏡140-1到140-N可以是硅微機械加工鏡、反射帶(或膜)或本領(lǐng)域中已知的其它類型的束偏轉(zhuǎn)元件。每個微鏡都可關(guān)于一個或多個軸轉(zhuǎn)動。用于微機械加工鏡的基礎(chǔ)制造技術(shù)是本領(lǐng)域中已知的。用于激勵和控制微鏡140-1到140-N的關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員亦是已知的，因此未在圖1中被明確示出。
將理解，如果在實際應(yīng)用中需要，則一個或多個附加的光學(xué)檢測器可被用在圖1的實施例中，并且依照預(yù)定或動態(tài)方案與微鏡對應(yīng)。例如，在需要同時監(jiān)視所選組的光譜波道(例如，“偶數(shù)編號的”或“奇數(shù)編號的”光譜波道)的情況下，多個光學(xué)檢測器可因此與正在引導(dǎo)所選光譜波道的微鏡一一對應(yīng)地被實施。
圖1的實施例可被進一步擴展成提供對多個輸入多波長光學(xué)信號的光譜功率監(jiān)視。圖2中所述為屬于該情況的本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備的第二實施例的示意性側(cè)視圖。(圖2中的示意性側(cè)視圖和頂視圖以及隨后的圖是相對于圖1的透視圖而被呈現(xiàn)的)。舉例來說，圖2的光譜功率監(jiān)視設(shè)備可利用圖1中所使用的體系結(jié)構(gòu)和許多元件，如以相同數(shù)字被標記的那些元件所示。該實施例實施了多個輸入端口210-1到210-K(K≥2)，其可處于光纖準直器的形式。每個輸入端口都可發(fā)送光學(xué)信號。舉例來說，第一輸入端口210-1可發(fā)送包含波長λ1(1)到λN(1)的第一多波長光學(xué)信號，而第二輸入端口210-2可發(fā)送包含波長λ1(2)到λM(2)(例如M≤N)的第二多波長光學(xué)信號，其中λi(1)到λi(2)(i＝1到M)可基本上相同(即，與每個波長關(guān)聯(lián)的上標僅用于識別對應(yīng)光束所出自的輸入端口)。衍射光柵120隨后根據(jù)波長將每個多波長光學(xué)信號分成成分光譜波道。聚焦透鏡130可將光譜波道聚焦到對應(yīng)的焦斑中，從而照射到微鏡陣列140上。由相同波長表征的光譜波道(例如λi(1)到λi(2))可照射到相同的微鏡(例如微鏡140-i)上。為了說明和清楚起見，微鏡140-i被明確標識于圖2中，而微鏡陣列作為整體由數(shù)字140來標識。
舉例來說，考慮上述光譜波道λi(1)、λi(2)以說明圖2實施例的一般工作原理。光譜波道λi(1)、λi(2)可以以不同入射角入射到微鏡140-i上，假定它們分別源自兩個不同的輸入端口，例如第一和第二輸入端口210-1、210-2。因此，光譜波道λi(1)、λi(2)以不同反射角從微鏡140-i被反射，由此分別照射到兩個分離的光學(xué)檢測器上，例如第一和第二光學(xué)檢測器250-1、250-2。將理解，在該實施例中所實施的光學(xué)檢測器(例如光學(xué)檢測器250-1到250-K)的數(shù)量可與所采用的輸入端口(例如輸入端口210-1和210-K)的數(shù)量相當，從而使每個微鏡所反射的光譜波道由相應(yīng)的光學(xué)檢測器單獨接收。而且，微鏡140可被操作從而以時分復(fù)用序列，例如以基本上與針對圖1所述而類似的方式，將對應(yīng)的光譜波道導(dǎo)入相應(yīng)的光學(xué)檢測器中。同樣，與每個輸入多波長信號關(guān)聯(lián)的光功率譜可被單獨獲得于光譜功率監(jiān)視設(shè)備200中。
已知衍射光柵的衍射效率可以是偏振相關(guān)的。例如，在標準安裝配置中光柵的偏振效率對于與光柵上的槽線垂直的p(或TM)偏振比對于與p偏振正交的s(或TE)偏振高，或反之亦然。這樣的偏振敏感效應(yīng)對于具有大量槽線(每單位長度)的光柵可變得明顯。因此，在偏振敏感效應(yīng)被視為不理想的應(yīng)用中，偏振分集方案可被實施于本發(fā)明中。圖3描述了本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備第三實施例的示意性側(cè)視圖，其采用微鏡陣列作為偏振分集方案中的束操縱元件。
舉例來說，圖3的光譜功率監(jiān)視設(shè)備300可利用圖1中所使用的一般體系結(jié)構(gòu)以及許多元件，如以相同數(shù)字被標記的那些元件所示。在此情況下，輸入端口110發(fā)送多波長光學(xué)信號(例如，其可包含波長λ1到λN)。偏振分離元件360可將輸入多波長光學(xué)信號分解成p偏振分量和s偏振分量(或第一和第二偏振分量)。舉例來說，假定p偏振是衍射光柵120的優(yōu)選方向(即衍射效率對于p偏振分量比對于s偏振分量高)，則可借助偏振旋轉(zhuǎn)元件370將s偏振分量旋轉(zhuǎn)90度，從而使入射到衍射光柵120上的光學(xué)信號全部擁有p偏振。衍射光柵120隨后根據(jù)波長將入射光學(xué)信號分別分成第一和第二集合的光束(其中例如每組都可包含具有波長λ1到λN的光束)。注意第一和第二集合的光束被分散于基本上與紙平面垂直的方向上，因此未在圖3的側(cè)視圖中被明確示出。聚焦透鏡130可將光束聚焦到對應(yīng)的焦斑中，從而照射到微鏡陣列140上。例如，與相同波長(例如波長λi)關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可以以不同入射角照射到相同的微鏡(例如微鏡140-i)上。(為了說明和清楚起見，微鏡140-i被明確標識于圖3中，而微鏡陣列作為整體由數(shù)字140來標識)。因此，與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束以不同反射角從對應(yīng)的微鏡被反射，由此分別照射到第一和第二光學(xué)檢測器350-1、350-2上。這樣，通過依照所需時分復(fù)用方案(例如，以基本上與針對圖1所述類似的方式)來操作微鏡140，與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可被相繼導(dǎo)入相應(yīng)的第一和第二光學(xué)檢測器350-1、350-2中。同樣，與輸入多波長光學(xué)信號中的每個偏振分量關(guān)聯(lián)的光功率譜可被單獨獲得于光譜功率監(jiān)視設(shè)備300中。這使設(shè)備300能增強譜分辨率，同時提供光譜功率檢測中的提高的精度。
可替換的是，在圖3的實施例中，與相同波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可被導(dǎo)入單個光學(xué)檢測器中。這提供了輸入多波長光學(xué)信號的“組合”光功率譜。
應(yīng)理解，在本說明書和所附的權(quán)利要求中，由偏振旋轉(zhuǎn)元件(例如偏振旋轉(zhuǎn)元件370)產(chǎn)生的偏振的旋轉(zhuǎn)可被理解成具有由于可存在于實際系統(tǒng)中的不完美而造成的有關(guān)規(guī)定角度(例如90度)的微小變化。然而，這樣的變化將不顯著影響本發(fā)明的總體性能。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，在本發(fā)明中，可替換的是，束操縱元件可由本領(lǐng)域中已知的其它束操縱裝置來提供，如用作光學(xué)快門的快門類元件。圖4A示出依照本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備第四實施例的示意性側(cè)視圖，其采用液晶(LC)快門元件的陣列440作為偏振分集方案中的束操縱元件。舉例來說，光譜功率監(jiān)視設(shè)備400A可利用圖3的實施例中所使用的一般體系結(jié)構(gòu)以及許多元件，如以相同數(shù)字被標記的那些元件所示。如在圖3情況下，輸入端口110發(fā)送多波長光學(xué)信號(例如，其可包含波長λ1到λN)。偏振分離元件360可將輸入多波長光學(xué)信號分解成p偏振分量和s偏振分量(或第一和單獨偏振分量)。偏振旋轉(zhuǎn)元件370可將s偏振分量(或第二偏振分量)旋轉(zhuǎn)90度。衍射光柵120隨后根據(jù)波長將入射光學(xué)信號分別分成第一和第二集合的光束(其中例如每組都可包含具有波長λ1到λN的光束)，從而照射到可包括LC快門元件的束操縱元件的陣列440(進一步的細節(jié)見以下的圖4B)上。注意第一和第二集合的光束被分散于基本上與紙平面垂直的方向上，因此未在圖4A的側(cè)視圖中被明確示出。聚焦透鏡130可將與相同波長(例如λi)關(guān)聯(lián)的第一和第二光束聚焦到相同的LC快門元件(例如圖4B中所示的LC快門元件440-i)上。光譜功率監(jiān)視設(shè)備400A可進一步包括光學(xué)檢測器450，其與LC快門元件陣列440進行光通信。
圖4B描述了包括LC快門元件440-1到440-N的LC快門元件陣列440以及光學(xué)檢測器450的示意性頂視圖。注意，在該示意性頂視圖中，僅一個集合的光束(例如第二集合的光束)被明確示出。LC快門元件440-1到440-N可被配置成起到光學(xué)快門的作用。例如，每個LC快門元件可包括液晶旋轉(zhuǎn)器，其在沒有任何控制信號的情況下將入射光束的偏振旋轉(zhuǎn)90度，并且結(jié)合偏振器在適當?shù)碾娍刂菩盘栂卤３制癫蛔?，所述偏振器的偏振軸垂直于由液晶旋轉(zhuǎn)器產(chǎn)生的由此被旋轉(zhuǎn)的偏振。結(jié)果，當經(jīng)歷適當?shù)目刂菩盘枙r，每個LC快門元件都允許對應(yīng)的光束經(jīng)過；并且在沒有任何控制信號的情況下保持對入射光束“關(guān)閉”。舉圖4B中的實例，LC快門元件440-i允許具有波長λ1的第一和第二束進入光學(xué)檢測器450中，同時其余LC快門元件對其相應(yīng)的光束“關(guān)閉”，如圖中所說明的。這樣，通過依照所需時分復(fù)用方案來控制LC快門元件440-1到440-N，與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束可例如以基本上類似于針對圖1所述的方式相繼進入光學(xué)檢測器450中。并且被分配給與每個波長關(guān)聯(lián)的光束的檢測時間可被固定，或者可通過控制對應(yīng)LC快門元件保持開啟的時間量在逐波長的基礎(chǔ)上動態(tài)地控制。同樣，輸入多波長光學(xué)信號的光功率譜可被獲得于圖4A的實施例中。(將理解，用于提供控制信號給LC快門元件440-1到440-N的關(guān)聯(lián)激勵/控制系統(tǒng)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，并因此未在圖4A中被明確示出)。
如果在給定應(yīng)用中需要，圖4A的實施例可被進一步修改成提供與輸入多波長光學(xué)信號中的每個偏振分量關(guān)聯(lián)的光功率譜。圖4C描述了屬于該情況的本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備第五實施例的示意性側(cè)視圖。舉例來說，光譜功率監(jiān)視設(shè)備400B可利用圖4A的實施例中所使用的一般體系結(jié)構(gòu)以及許多元件，如以相同數(shù)字被標記的那些元件所示。在此情況下，經(jīng)過每個LC快門元件(例如，400-i)的第一和第二光束可分別照射到兩個分離的光學(xué)檢測器上，例如第一和第二光學(xué)檢測器450-1、450-2。以這種方式，通過依照所需時分復(fù)用方案來控制LC快門元件440，與輸入多波長光學(xué)信號中的每個偏振分量關(guān)聯(lián)的光譜功率可由相應(yīng)的第一和第二光學(xué)檢測器450-1、450-2來提供。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可替換的是，圖4A(或4C)的實施例中的束操縱元件440可由以下來提供基于MEMS(微機電系統(tǒng))的快門元件、以偏振獨立的方式起到光學(xué)快門的作用的LC快門元件、或者可在逐個的基礎(chǔ)上被動態(tài)地控制的本領(lǐng)域中已知的其它類型的光學(xué)快門。將進一步理解，取代微鏡，MEMS快門元件或LC快門元件(例如偏振獨立型)亦可被用作圖1的實施例中的束操縱元件。
在本發(fā)明中，偏振分離元件360可以是偏振束分裂器(結(jié)合適合的束偏轉(zhuǎn)器或棱鏡，從而使入射和出來的光束保持平行)、雙折射束置換器或本領(lǐng)域已知的其它類型的偏振分離裝置。偏振旋轉(zhuǎn)元件370可以是半波片、Faraday旋轉(zhuǎn)器、液晶旋轉(zhuǎn)器、或本領(lǐng)域已知的任何其它偏振旋轉(zhuǎn)裝置，其能將光束的偏振旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度(例如90度)。波長分散器120通常可以是受支配的衍射光柵、全息衍射光柵或階梯光柵、透射光柵、分散棱鏡或本領(lǐng)域已知的其它類型的波長分離裝置。束聚焦器130通?？梢允且粋€或多個聚焦透鏡的組件，或者本領(lǐng)域中已知的其它類型的束聚焦裝置。聚焦功能亦可通過使用執(zhí)行波長分離和束聚焦的雙功能的彎曲衍射光柵來實現(xiàn)。輸入端口(例如圖1的輸入端口110)可以是被耦合于透射光學(xué)信號的輸入光纖(例如，單模光纖)的光纖準直器。為便于對準，提供多重輸入端口(例如圖2的實施例中的輸入端口210-1到210-K)的光纖準直器可被方便地安裝于在基片上制造的V形槽中，如在本領(lǐng)域中所一般實踐的，所述基片由硅、塑料或陶瓷制成。此外，任何以上實施例中的光學(xué)檢測器可以是PN光電檢測器、PIN光電檢測器、雪崩光電檢測器(APD)、或本領(lǐng)域已知的其它類型的光功率感測裝置。從本說明書的教導(dǎo)來看，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道對于給定應(yīng)用如何根據(jù)本發(fā)明來設(shè)計適合的光譜功率監(jiān)視設(shè)備。
為確保光譜波道和相應(yīng)的束操縱元件(即圖1中的微鏡140-1到140-N)之間的必要對準，本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備可利用一個或多個基準信號和對應(yīng)的基準位置感測元件以及適當?shù)膶收{(diào)節(jié)元件以監(jiān)視光譜波道和相應(yīng)的束操縱元件之間的對準并校正可在操作過程中發(fā)生的未對準。圖5描述了本發(fā)明光譜功率監(jiān)視設(shè)備第六實施例的示意性頂視圖。舉例來說，光譜功率監(jiān)視設(shè)備500可利用圖1的實施例中所使用的一般體系結(jié)構(gòu)以及許多元件，如以相同數(shù)字被標記的那些元件所示。以下描述將使用該系統(tǒng)作為實例來說明如何確定并進一步維持光譜波道和相應(yīng)的束操縱元件之間的必要對準。作為光譜功率監(jiān)視設(shè)備的圖5的實施例的操作可基本上與以上所述(例如圖1的實施例)相同。(因此，一些元件，如光學(xué)檢測器，未在圖5中被明確示出)。
在光譜功率監(jiān)視設(shè)備500中，輸入端口110發(fā)送包含波長λ1到λN的多波長光學(xué)信號以及包含波長λc的基準信號。衍射光柵120根據(jù)波長在角度上將入射多波長光學(xué)信號以及基準信號分成具有預(yù)定相對安排的多個光譜波道λ1到λN和基準譜分量λc。聚焦透鏡130可將基準譜分量和光譜波道聚焦到例如具有預(yù)定相對安排的預(yù)定空間陣列中的對應(yīng)焦斑中。光學(xué)元件陣列540，包括基準位置感測元件540-C和多個束操縱元件540-1到540-N(例如圖1中的微鏡140-1到140-N)，可被定位成當基準譜分量λc在預(yù)定方位xo處照射到基準位置感測元件540-C上時，光譜波道λ1到λN根據(jù)必要對準而分別照射到束操縱元件540-1到540-N上。這提供了簡單而有效的方式來對準光譜波道與相應(yīng)的束操縱元件。應(yīng)理解，照射到光學(xué)元件陣列540上的衍射光束可被不均勻地隔開。此外，例如通過將成分元件安裝和/或制造在基片上，光學(xué)元件陣列540可被集成到單一結(jié)構(gòu)中。
圖5的光譜功率監(jiān)視設(shè)備500可進一步包括對準調(diào)節(jié)元件560-1，其一種形式可以是被耦合于光學(xué)元件陣列540的激勵設(shè)備，用于使光學(xué)元件陣列540作為整體——因此使基準位置感測元件540-C和束操縱元件540-1到540-N一前一后地——移動(例如平移和/或旋轉(zhuǎn))，由此調(diào)節(jié)由衍射光束形成的譜陣列和下面的光學(xué)元件陣列之間的相對對準。光譜功率監(jiān)視設(shè)備500可另外包括處理元件560-2，用于監(jiān)視基準位置感測元件540-C上的基準譜分量λc的實時照射位置，并因此用于控制激勵設(shè)備560-1。這確保了基準譜分量λc在預(yù)定方位xo處保持對準，由此維持了光譜波道λ1到λN和束操縱元件540-1到540-N之間的必要對準。這樣描述的對準監(jiān)視調(diào)節(jié)過程可被周期性地進行或者通過伺服控制連續(xù)進行。(在后者的情況下，激勵設(shè)備560-1和處理元件560-2可起到伺服控制單元560的作用)。光譜功率監(jiān)視設(shè)備500由此能主動校正可在操作過程中發(fā)生(例如，由于諸如熱和/或機械干擾的環(huán)境效應(yīng)而造成)的未對準，并因此提供較魯棒的性能。
在圖5的實施例中，基準位置感測元件540-C可以是位置敏感檢測器、象限檢測器、分裂檢測器、或者本領(lǐng)域中已知的任何其它位置敏感裝置，其借助由感測元件產(chǎn)生的電(例如電流或電壓)信號來監(jiān)視光束的(一維或二維)實時照射位置。激勵設(shè)備560-1可以是音圈激勵器、步進馬達、螺線管激勵器、壓電激勵器或本領(lǐng)域中已知的其它類型的激勵裝置。處理元件560-2可包括電電路、控制器和信號處理算法，用于處理從基準位置感測元件560-1接收的輸出信號并從所檢測的信號得到基準譜分量λc的實時照射位置。處理元件560-2因此產(chǎn)生待施加給激勵設(shè)備560-1的適當控制信號。
熟練技工將理解，不是(或結(jié)合)如以上所述相對于譜陣列而移動光學(xué)元件陣列540，圖5中的聚焦透鏡130可被可替換地(或另外)移動(例如平移或旋轉(zhuǎn))以執(zhí)行類似的對準功能。從本發(fā)明的教導(dǎo)來看，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進一步理解，一個或多個輔助基準信號和對應(yīng)的基準位置感測元件以及適合的對準調(diào)節(jié)元件可被另外用在本發(fā)明的光譜功率監(jiān)視設(shè)備中以補充基準譜分量λc的上述功能。
在本發(fā)明中，一個或多個基準信號通常可以是具有基本上不與所考慮的光譜波道的任何波長重合的界限分明且穩(wěn)定的中心波長的任何光學(xué)信號。舉例來說，圖5中的基準信號被示出具有比光譜波道的波長短(或長)的波長λc。一般而言，光譜波道不需要在波長(或頻率)上被均勻地隔開。
在圖5的實施例中，包含波長λ1到λN的多波長光學(xué)信號可由被耦合于用作輸入端口110的光纖準直器的輸入光纖501來提供?；鶞市盘枽薱可由基準光源502來提供，其可以是分布反饋(DFB)激光器、適合的Fabry-Perot(FP)激光器，或者可提供具有界限分明且穩(wěn)定的中心波長的適當基準信號的本領(lǐng)域中已知的任何其它光源。光學(xué)組合器503(例如光纖熔融耦合器)可被用于將基準光源502耦合于輸入光纖501，從而有效地將多波長光學(xué)信號和基準信號兩者導(dǎo)入輸入端口110中。光譜功率監(jiān)視設(shè)備500由此具有獨立的內(nèi)部基準光源。(在一個或多個輔助基準信號被用在本發(fā)明中的情況下，可以以類似方式借助一個或多個輔助光學(xué)組合器將一個或多個輔助基準光源耦合于輸入光纖501；或者代替基準光源502，能提供多個截然不同的基準信號的單個基準光源可被實施)。可替換的是，多波長光學(xué)信號本身可包括可用作一個或多個基準信號的一個或多個譜分量(例如光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個服務(wù)通道)，如在WDM光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用中。在此情況下，內(nèi)部基準光源502以及光纖耦合器503不需要被實施。
從有關(guān)圖5的本發(fā)明的教導(dǎo)來看，熟練技工將知道如何在采用偏振分集方案的光譜功率監(jiān)視設(shè)備(例如圖3、4A或4C的實施例)中實施適當?shù)膶时O(jiān)視調(diào)節(jié)方案。例如，通過將源自基準信號λc的p偏振和s偏振分量的第一和第二光束照射到基準位置感測元件540-C上基本上相同的方位(例如圖5中的xo)上，可借助與以針對圖5所述基本上相同的方式來進行隨后的對準監(jiān)視和調(diào)節(jié)。此外，在多個輸入端口被實施于光譜功率監(jiān)視設(shè)備(例如圖2的實施例)中的情況下，與相應(yīng)的輸入光學(xué)信號一起，多個基準信號可被利用并從輸入端口(例如以一對一的對應(yīng)關(guān)系)被發(fā)送。多個基準位置感測元件可因此被實施，例如每個都對應(yīng)于唯一的一個基準信號。同樣，以基本上類似于圖5中所述的方式，每個基準信號，結(jié)合對應(yīng)的基準位置感測元件，可被指定用于監(jiān)視由對應(yīng)的輸入光學(xué)信號形成的譜陣列(基準信號借助它從輸入端口出來)和下面的束操縱元件。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，以上所述的示例實施例僅提供了可依照本發(fā)明來構(gòu)建的許多光譜功率監(jiān)視系統(tǒng)中的幾個?？稍O(shè)計各種裝置和方法從而以等效方式來執(zhí)行指定功能。而且，在此可在本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)做出各種改變、替換和變更。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)由以下權(quán)利要求及其合法等效形式來確定。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包括a)輸入端口，其提供多波長光學(xué)信號；b)波長分散器，其根據(jù)波長將所述多波長光學(xué)信號分成具有預(yù)定相對排列的多個光譜波道；c)束操縱元件的陣列，其被放置成與所述光譜波道對應(yīng)；以及d)光學(xué)檢測器；其中所述束操縱元件是單獨可控制的以將所述光譜波道以時分復(fù)用序列導(dǎo)入所述光學(xué)檢測器中。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括微鏡。
3.權(quán)利要求2的光學(xué)設(shè)備，其中所述微鏡包括硅微機械加工鏡。
4.權(quán)利要求2的光學(xué)設(shè)備，其中每個微鏡都可關(guān)于至少一個軸轉(zhuǎn)動。
5.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括MEMS快門元件。
6.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括液晶快門元件。
7.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述波長分散器包括從一個組中選擇的元件，該組由受支配的衍射光柵、彎曲衍射光柵、全息衍射光柵、階梯光柵、透射光柵和分散棱鏡組成。
8.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述光學(xué)檢測器包括從一個組中選擇的元件，該組由PN光電檢測器、PIN光電檢測器和雪崩光電檢測器組成。
9.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述輸入端口包括光纖準直器，其被耦合于透射所述多波長光學(xué)信號的輸入光纖。
10.權(quán)利要求9的光學(xué)設(shè)備，其中所述輸入光纖是單模光纖。
11.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，進一步包括束聚焦器，用于將所述光譜波道聚焦成對應(yīng)的焦斑以照射到所述束操縱元件上。
12.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，進一步包括基準信號，其與所述多波長光學(xué)信號一起從所述輸入端口出來；以及基準位置感測元件，其中所述波長分散器將所述基準信號的基準譜分量引導(dǎo)到所述基準位置感測元件上的預(yù)定方位處。
13.權(quán)利要求12的光學(xué)設(shè)備，其中所述基準位置感測元件包括從一組中選擇的元件，該組由位置敏感檢測器、象限檢測器和分裂檢測器組成。
14.權(quán)利要求12的光學(xué)設(shè)備，其中所述輸入端口包括被耦合于輸入光纖的光纖準直器，其中所述光學(xué)設(shè)備進一步包括用于將基準光源耦合于所述輸入光纖的光學(xué)組合器，并且其中所述輸入光纖發(fā)送所述多波長光學(xué)信號并且所述基準光源提供所述基準信號。
15.權(quán)利要求12的光學(xué)設(shè)備，進一步包括對準調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)所述光譜波道和所述束操縱元件之間的對準。
16.權(quán)利要求15的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件和所述基準位置感測元件形成光學(xué)元件陣列，并且其中所述對準調(diào)節(jié)元件包括被耦合于所述光學(xué)元件陣列的激勵設(shè)備，用于使所述光學(xué)元件陣列移動。
17.權(quán)利要求15的光學(xué)設(shè)備，進一步包括與所述對準調(diào)節(jié)元件和所述基準位置感測元件通信的處理元件，其中所述處理元件監(jiān)視所述基準譜分量到所述基準位置感測元件上的照射位置并因此提供對所述對準調(diào)節(jié)元件的控制，從而將所述基準譜分量維持于所述預(yù)定方位，由此確保所述光譜波道和所述束操縱元件之間的必要對準。
18.一種光學(xué)設(shè)備，包括a)輸入端口，其提供多波長光學(xué)信號；b)偏振分離元件，其將所述多波長光學(xué)信號分解成第一和第二偏振分量；c)偏振旋轉(zhuǎn)元件，其將所述第二偏振分量的偏振旋轉(zhuǎn)近似90度；d)波長分散器，其根據(jù)波長將所述第一和第二偏振分量分別分成第一和第二集合的光束；e)束聚焦器，其將所述第一和第二集合的光束聚焦為對應(yīng)的焦斑；f)束操縱元件的陣列，其被布置成與所述第一和第二集合的光束對應(yīng)；以及g)至少一個光學(xué)檢測器；其中所述束操縱元件是單獨可控制的，從而將與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束以時分復(fù)用序列導(dǎo)入所述至少一個光學(xué)檢測器中。
19.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括微鏡。
20.權(quán)利要求19的光學(xué)設(shè)備，其中所述微鏡包括硅微機械加工鏡。
21.權(quán)利要求19的光學(xué)設(shè)備，其中每個微鏡都可關(guān)于至少一個軸轉(zhuǎn)動。
22.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括液晶快門元件。
23.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述束操縱元件包括MEMS快門元件。
24.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述偏振分離元件包括從由偏振束分裂器和雙折射束置換器組成的組中選擇的元件。
25.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)元件包括從由半波片、液晶旋轉(zhuǎn)器和Faraday旋轉(zhuǎn)器組成的組中選擇的元件。
26.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述波長分散器包括從一組中選擇的元件，該組由受支配的衍射光柵、全息衍射光柵、階梯光柵、彎曲衍射光柵、透射光柵和分散棱鏡組成。
27.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述束聚焦器包括至少一個聚焦透鏡。
28.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述輸入端口包括光纖準直器。
29.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述至少一個光學(xué)檢測器包括單個光學(xué)檢測器。
30.權(quán)利區(qū)域18的光學(xué)設(shè)備，其中所述至少一個光學(xué)檢測器包括第一和第二光學(xué)檢測器，其被配置成分別接收所述第一和第二集合的光束。
31.權(quán)利要求18的光學(xué)設(shè)備，其中所述至少一個光學(xué)檢測器包括從一組中選擇的至少一個元件，該組由PN光電檢測器、PIN光電檢測器和雪崩光電檢測器組成。
32.一種使用時分復(fù)用方案進行譜功率監(jiān)視的方法，包括a)提供多波長光學(xué)信號；b)根據(jù)波長將所述多波長光學(xué)信號分成多個光譜波道；以及c)將所述光譜波道以時分復(fù)用序列導(dǎo)入光學(xué)檢測器中。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述光譜波道被依次導(dǎo)入所述光學(xué)檢測器中。
34.權(quán)利要求32的方法，進一步包括以下步驟將所述光譜波道分組成多個譜集，每個都包含一個或多個光譜波道，從而使所述譜集以所述時分復(fù)用序列被導(dǎo)入所述光學(xué)檢測器中。
35.權(quán)利要求32的方法，其中所述步驟c)是借助單獨可移動的微鏡的陣列來進行的。
36.一種光譜功率監(jiān)視方法，包括a)提供多波長光學(xué)信號；b)將所述多波長光學(xué)信號分解成第一和第二偏振分量；c)將所述第二偏振分量的偏振旋轉(zhuǎn)近似90度；d)根據(jù)波長將所述第一和第二偏振分量分別分成第一和第二集合的光束；e)將所述第一和第二集合的光束聚焦到對應(yīng)的焦斑中；f)將所述第一和第二集合的光束照射到束操縱元件的陣列上；以及g)單獨控制所述束操縱元件以將與每個波長關(guān)聯(lián)的第一和第二光束以時分復(fù)用序列導(dǎo)入至少一個光學(xué)檢測器中。
37.權(quán)利要求36的方法，其中所述至少一個光學(xué)檢測器包括單個光學(xué)檢測器，并且其中所述步驟g)包括將與每個波長關(guān)聯(lián)的所述第一和第二光束同時導(dǎo)入所述光學(xué)檢測器中。
38.權(quán)利要求36的方法，其中所述至少一個光學(xué)檢測器包括第一和第二光學(xué)檢測器，并且其中所述步驟g)包括將所述第一和第二集合的光束分別導(dǎo)入所述第一和第二光學(xué)檢測器中。
全文摘要
一種使用時分復(fù)用檢測方案來進行光譜功率監(jiān)視的方法和設(shè)備。該設(shè)備使用諸如衍射光柵的波長分散器(120)以將光學(xué)信號分成多個光譜波道，并且束操縱元件的陣列(140)被放置成與所述光譜波道對應(yīng)。所述束操縱元件是單獨可控制的以將所述光譜波道以時分復(fù)用序列導(dǎo)入光學(xué)檢測器(150)中。所述設(shè)備進一步采用了用于偏振不敏感的操作的偏振分集方案。這增強了該設(shè)備的譜分辨率，同時提供了譜功率檢測中的提高的精度。依照本公開內(nèi)容構(gòu)建的譜功率監(jiān)視器很適合于WDM光學(xué)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。
文檔編號G02B6/42GK1623082SQ02828361
公開日2005年6月1日 申請日期2002年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者P·波林金, J·P·維爾德, M·H·加雷特 申請人:卡佩拉光子學(xué)公司