用于波長交換和頻譜監視應用的自由空間光系統的製作方法

2023-06-04 10:27:16 7

專利名稱：用于波長交換和頻譜監視應用的自由空間光系統的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及光系統。更具體地，本發明涉及用于波長交換和頻譜功率監視應用的自由空間光系統，具有對準補償和偏振分集方案。本發明可以用於構建多種光學器件，例如頻譜功率監視器、復用器和解復用器，以及光添加/去除復用器，上述光學器件都適用於WDM光聯網應用，並且可以通過硬體和/或軟體控制主動地使它們對準，以及它們進一步可以使用偏振分集方案。
背景技術：
隨著全光通信網絡變得越來越普遍，對於光聯網設備製造者來說一個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。
現有的光通信網絡通常使用波分復用(WDM)，這是因為它通過使用不同的光波長使得多個信息(或數據)信道可以同時在一根光纖上傳輸，由此顯著地提高了光纖的信息帶寬。WDM的普遍應用使得存在一種對一系列這樣的光系統的特殊需要這些光系統可以按照波長將一個多波長光信號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這些頻譜信道進行單獨地探測，如在頻譜監視器的情況下；將這些頻譜信道導引到一個輸入/輸出埠陣列(即光纖)，如在光復用器/解復用器的情況下；或者由微反射鏡陣列按照預定的方案動態地路由這些信道。在這樣的光系統中，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)之間保持必要的對準，以及對於例如熱幹擾和機械幹擾的環境影響保持魯棒性。
但是，在本領域中，傳統的光學器件典型地使用精密對準，因而這就意味著嚴格的製造公差和組裝過程中極其辛苦的對準工作，從而使得這些器件造價高、尺寸龐大和操作複雜。而且，沒有提供用於在操作過程中保持必要的對準的措施；以及沒有實施用於克服由於例如熱幹擾和機械幹擾的環境影響導致的對準偏移的機制。總而言之，這些缺點使得現有的光學器件造價高、尺寸龐大和操作複雜，以及性能容易下降。
為了適應高帶寬(容量)要求，密集波分復用(DWDM)也已經在光通信網絡中得到了普遍應用。伴隨DWDM技術的應用而來的是對新一代光學元件和子系統的需要，包含光學頻譜(或信道)功率監視器。這些新的光學頻譜功率監視器的一個特別希望的特徵是分辯佔用寬的頻譜範圍(如C波段或L波段)並且頻率間隔(如50或25GHz)越來越窄的多個頻譜信道的能力。還希望這些光頻率功率監視器具有快的響應時間、魯棒的性能以及成本有效的結構。
傳統的頻譜功率監視器典型地使用這樣一種結構，其中衍射光柵按照波長將一個多波長光信號分離成一個頻譜信道的空間陣列，並且入射到光功率傳感器陣列上。通過探測光功率傳感器由此產生的電信號，可以得到該多波長光信號的光功率頻譜。為了在這樣一個系統中提供提高的頻譜解析度，就需要具有足夠色散能力的衍射光柵。但是，在本領域中公知的高色散衍射光柵(如全息光柵)是偏振敏感的，這使得它們不適用於使用上述結構的光學頻譜功率監視器。
考慮到上述問題，在本領域中的一個令人希望的顯著進步是提供一系列新的光學器件，這些器件以一種簡單的、魯棒的和成本有效的結構，具有在操作期間可以被主動地控制的光對準，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。
發明概要本發明提供使用主動的對準補償和偏振分集方案的光系統。本發明可以包含光器件，例如頻譜功率監視器、復用器和解復用器，以及光添加/去除復用器，它們都適用於WDM和DWDM光聯網應用，並且可以通過硬體和/或軟體控制主動地使它們對準，以及/或它們可以使用偏振分集方案。
在一個實施例中，本發明提供了一種用於光系統中基於伺服的頻譜陣列對準的方法和裝置。本發明的這種實施例的光學裝置包含一個輸入埠，用於提供一個多波長光信號和一個參考信號；一個波長分散器，用於按照波長將該多波長光信號和該參考信號在空間上分離成一個頻譜陣列中的多個頻譜信道和一個參考頻譜成分，並且所述多個頻譜信道和一個參考頻譜成分具有預定的相對排列方式；一個光束接收陣列，包含一個參考波長傳感元件和多個光束接收元件，它們位於特定的位置從而接收相應的參考頻譜成分和頻譜信道；以及伺服控制單元，用於使該參考頻譜成分保持在參考波長傳感元件上預定的位置處，由此確保該頻譜信道和光束接收元件之間的特定對準。
在本發明中，「頻譜信道」的特徵在於一個獨特的中心波長和相關的帶寬，並且可以攜帶如WDM光聯網應用中的一個獨特的信息信號。「參考信號」(以及對應的「參考頻譜成分」)通常是指任意一個光信號，其特徵在於它具有基本上不與任意一個被考慮的頻譜信道的波長重疊的規定好的(和穩定的)中心波長。而且，術語「參考信號」(或「參考頻譜成分」)和「校準信號」(或「校準頻譜成分」)可以在本說明中被互換使用。
光束接收元件在本發明中應該被寬泛地理解為對應於至少一個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、會聚透鏡或光調製器。可以將光束接收元件配置為與頻譜信道具有一一對應的關係。還可以這樣配置光束接收元件，使得光束接收元件的每個子集對應於多個頻譜信道。
在本發明的頻譜功率監視裝置中，可以這樣配置光傳感陣列(即光電二極體陣列)，使得入射到該光電二極體陣列上的頻譜信道的功率電平可以相關於由一個預定的轉換矩陣由此產生的電信號，其中可以通過校準來獲得該矩陣。而且，可以這樣利用該光傳感陣列中的所選擇的兩個(或更多個)相鄰的信道傳感元件，從而提供用於參考位置傳感元件。
在本發明的一個實施例中，對準補償單元是基於伺服的，並且一種形式的對準補償單元可以包含用於調整頻譜信道和參考頻譜成分的對準的對準調整元件和處理元件。該對準調整元件可以是耦合到光傳感陣列用於使該陣列發生移動的驅動器件，由此調整頻譜陣列和位於其下的光傳感陣列之間的相對對準。該處理元件用於監視參考頻譜成分入射到參考位置傳感元件上的實時入射位置，並且對應地提供對準調整元件的控制。該對準補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定位置處，由此確保該頻譜陣列和位於其下的光傳感陣列之間的必要的對準。這樣一種基於伺服的對準補償單元使得本發明的頻譜功率監視裝置可以主動地校正對準的任意偏移，其中該偏移可能出現在操作過程中(如由例如熱擾動和機械擾動的環境影響導致)，由此提高裝置魯棒性。使用這樣一種基於伺服的對準補償單元的一個額外的好處在於寬鬆的製造公差和初始組裝期間的精確度，這使得本發明的頻譜功率監視裝置在結構上變得更簡單和更成本有效。
可替換地，對準調整元件可以是光束控制設備，例如光通信中的具有輸入埠和波長分散器的可動態調整的反射鏡，用於調整輸入多波長光信號和參考信號的對準。對準調整元件也可以是耦合到波長分散器(如衍射光柵)的驅動設備，用於使得該波長分散器移動(如旋轉)並且由此調整頻譜信道和參考頻譜成分的對準。在會聚透鏡被用作本發明的光學裝置中的光束會聚器的情況下，對準調整元件也可以以耦合到該會聚透鏡的適當的驅動設備的形式出現，用於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，本發明的光學裝置可以使用一個或多個輔助參考信號和對應的輔助參考波長傳感元件，從而補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準調整方法的組合從而主動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準。
在本發明的一個替換實施例中，對準補償單元是基於軟體的，並且可以以與光傳感陣列進行通信的信號處理器的形式出現。對準補償單元包含一個預定的校準表，該校準表包含多個轉換矩陣，每個轉換矩陣使來自光傳感陣列的電信號輸出相關於參考頻譜成分的一個特定入射位置處的入射頻譜信道的功率電平。該對準補償單元監視參考頻譜成分入射到參考位置傳感元件上的實時入射位置。在這樣被探測的參考頻譜成分的每個入射位置處，對準補償單元處理由入射到光傳感陣列上的頻譜信道產生的電信號，並且從校準表查找對應的轉換矩陣，由此提供頻譜信道的功率電平。這樣構建的頻譜功率監視裝置通過軟體控制的方法有效地補償可能在操作過程中出現的對準的任意偏移，而不涉及任意的「移動」驅動裝置。這使得本發明的頻譜功率監視裝置具有更簡單的結構和更魯棒的性能。
本發明的頻譜功率監視裝置可以進一步使用一種偏振分集方案，用於減弱由系統中一個或多個偏振敏感元件導致的任意不希望的偏振依賴效應。這可以通過沿輸入埠和波長分散器之間的光路上放置一個偏振分離元件(如偏振分束器)和偏振旋轉元件(如半波片)來實現。該偏振分離元件用於將輸入多波長光信號(和參考信號)分解為第一和第二偏振成分，並且該偏振旋轉元件接下來使該第二偏振成分的偏振方向旋轉90度。例如，在波長分散器是為p(或TM)偏振(垂直於光柵的凹線)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應於多波長光信號(和參考信號)的p偏振和s偏振成分。波長分散器按照波長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，隨後該第一和第二集合入射到光傳感陣列上。相關於每個頻譜信道的第一和第二光束(來自兩個偏振成分)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並且因此使系統的插入損耗最小化的優點。
伺服控制單元和/或主動對準補償硬體和/或軟體的應用使得本發明的光學裝置可以主動地校正由例如熱不穩定性和機械不穩定性在工作過程中所導致的對準偏移，並且因此在性能上更加魯棒。使用這樣的對準補償的一個額外的好處在於寬鬆的製造公差和初始組裝期間的精度，這使得本發明的光學裝置具有更具適應性和更加成本有效的結構。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於執行多波長光信號的頻譜對準的方法。本發明的方法使得需要合併一個多波長光信號和一個參考信號；按照波長將該多波長光信號和該參考信號分離成多個頻譜信道和一個參考頻譜成分，其中的多個頻譜信道和參考頻譜成分具有預定的相對排列方式；使參考頻譜成分入射到預定的位置處，以便頻譜信道根據該預定的相對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定的位置處，由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對準。
在本發明的上述方法中，可以通過監視參考頻譜成分的實時入射位置和相應地調整參考信頻譜成分和頻譜信道的對準來實現伺服控制機制，從而使參考成分的入射位置保持在預定的位置處並且頻譜信道保持在各自的指定位置處。
本發明的方法可以進一步包含將頻譜信道和參考頻譜成分會聚到對應的會聚點的步驟。本發明的方法還可以額外地包含在指定位置處光學地探測頻譜信道的步驟，以便提供探測到的頻譜信道的功率頻譜；重新導引頻譜信道的步驟，以便根據預定的方案動態地路由頻譜信道；或者調製頻譜信道的一個或多個特性的步驟。
根據本發明的一個方面，提供一種在頻譜功率監視中使用基於軟體的對準補償的方法。該方法包含以下步驟提供一個多波長光信號和一個參考信號；按照波長將該多波長光信號和該參考信號在空間上分離成多個頻譜信道和一個參考頻譜成分，其中的多個頻譜信道和參考頻譜成分具有預定的相對排列方式；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，並且從預定的校準表查找對應的轉換矩陣，其中該矩陣使得來自光功率傳感器陣列的輸出信號相關於入射到該光功率傳感器陣列上的頻譜信道的功率電平，由此提供該多波長光信號的功率頻譜。
根據本發明的另一方面，提供一種使用偏振分集方案的用於頻譜功率監視的方案。本發明的光學頻譜功率監視裝置包含一個用於一個多波長光信號的輸入埠；一個將該多波長光信號分離成第一和第二偏振成分的偏振分離元件；一個使該第二偏振成分旋轉90度的偏振旋轉元件；一個按照波長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分散器；以及被放置用於接收該光束的第一和第二集合的光功率傳感器陣列(這裡被稱作「光傳感陣列」)。
在希望相關於相同的波長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(或位於相同的光功率傳感器之內)的情況中，可以採用一個輔助的偏振旋轉元件，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致的強度幹涉邊紋。可以將該輔助的偏振旋轉元件放在波長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，其偏振方向都經歷90度的旋轉。
可替換地，在本發明中可以使用一種調製組件，用於在光束的第一和第二集合入射到光傳感陣列之前對其進行調製。光束的第一和第二集合可以被調製從而以時分復用序列的形式到達光傳感陣列。可替換地，可以按照頻分復用的方式調製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」調製信號。在以上兩種情況中的任意一種中，使用這樣一種調製組件使得光束的第一和第二集合可以被分別探測，由此可以獨立地得到相關於輸入多波長光信號中的每個正交的偏振成分的光功率頻譜(光功率水平作為波長的函數)。可以將該調製組件放置在偏振分離元件以及偏振旋轉元件與波長分散器之間的光路上，由此控制第一和第二偏振成分。可替換地，可將該調製組件放置在波長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。
該調製組件可以包含本領域中公知的液晶光閘元件、MEMS(微電機系統)光閘元件，或者電光強度調製元件。還可以由斬光器(如配有至少一個孔的旋轉片)提供該調製組件，被配置用於向兩個入射光信號引入不同的調製。
上述偏振分集方案的應用使得本發明的光學頻譜功率監視裝置可以使插入損耗最小化，而同時利用簡單的和成本有效的結構(如通過有利地利用在本領域中可以普遍得到的高色散衍射光柵)提供增強的頻譜解析度。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製，可以分別確定相關於輸入多波長光信號中的每個偏振成分的光功率頻譜，這在某些應用中可能是希望得到的。
同樣地，可以根據本發明構建一系列新的基於伺服的光系統，包括頻譜功率監視器和光復用器/解復用器，從而滿足光聯網應用的具有挑戰性的要求。
通過下面的附圖和詳細描述可以理解本發明新穎的特徵以及本發明自身。
附圖簡述

圖1提供根據本發明的一個參考頻譜成分和多個頻譜信道的示例性功率頻譜的圖示；
圖2A-2D描述根據本發明的光學裝置的第一實施例；圖3A-3B描述根據本發明的光學裝置的第二和第三實施例；圖4A-4C描述根據本發明的光學裝置的第四實施例；圖5A-5B描述顯示根據本發明執行多波長光信號的頻譜對準的方法的兩個流程圖。
圖6A-6C描述根據本發明的頻譜功率監視裝置的另一個實施例，使用基於伺服的對準補償單元；圖7A-7B描述根據本發明的頻譜功率監視裝置的另一個實施例，使用基於軟體的對準補償單元；圖8描述根據本發明的使用偏振分集方案的光學頻譜功率監視裝置的一個實施例；圖9描述根據本發明的使用偏振分集方案的光學頻譜功率監視裝置的另一個實施例；和圖10描述根據本發明的使用偏振分集方案的光學頻譜功率監視裝置的另一個實施例。
發明詳述圖1描述了示例性的功率頻譜，即光功率P作為一個參考頻譜成分λC和多個頻譜信道λ1到λN的波長λ的函數的圖形。在本詳細說明和所附的權利要求中，一個「頻譜信道」的特徵在於一個獨特的中心波長(如λi)和相關的帶寬，如圖1中所示。每個頻譜信道可以承載如WDM光聯網應用中的一個唯一的信息信號。一個「參考頻譜成分」(或「參考信號」)，其特徵在于波長λC，通常是指具有基本上不與任意一個被考慮的頻譜信道的波長重疊的規定好的(和穩定的)中心波長的任意一個光信號。在圖1中，通過舉例的方式，示出的參考頻譜成分具有短於頻譜信道波長的波長λC。通常而言，頻譜信道不必是波長(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對準補償和偏振分集方案的本發明(i)部分I描述了一種方法，該方法使用基於伺服的系統來實現光系統中的主動對準補償；(ii)部分II描述了用於光系統中的主動對準補償的其它硬體和軟體解決方案；以及(iii)部分III描述了可以應用於本發明的偏振分集方案。
I.基於伺服的主動對準補償圖2A描述了根據本發明的光學裝置的第一實施例。通過舉例的方式，顯示了本發明的原理和總體結構，光學裝置200包含一個用於多波長光信號的輸入埠210，該埠可以以光纖準直器的形式出現；一個對準調整元件，可以以控制鏡260-1和波長分散器220的形式出現，其中該波長分散器可以是衍射光柵；以會聚透鏡形式出現的光束會聚器230；以及包含參考波長傳感元件240和多個光束接收元件250-1到250-N的光束接收陣列。在本詳細說明和所附的權利要求中，光束接收元件被寬泛地理解為包含接收一個或多個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、會聚透鏡，或者光調製器，如將在後面詳細描述的那樣。
圖2A的光學裝置200可以按照如下的方式工作。輸入埠210傳輸包含波長λ1到λN的多波長光信號和包含波長λC的參考信號。然後，通過控制鏡260-1將這些光信號導引到衍射光柵220。衍射光柵220按照波長在角度上將該多波長光信號和參考信號分離成具有預定相對排列方式的多個頻譜信道λ1到λN和參考頻譜成分λC。會聚透鏡230將參考頻譜成分和頻譜信道會聚到對應的會聚點，如會聚到根據該預定相對排列方式的頻譜陣列。包含參考波長傳感元件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在預定的位置處x0入射到參考波長傳感元件240上，那麼頻譜信道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。
應該注意到，圖2A的實施例和隨後的圖都是以原理圖的形式示出的，並且僅用於舉例說明。各種元件和光束都不是按照比例繪製的。總體而言，在本發明的光學裝置中可以有任意數量的頻譜信道(只要它們的數量等同於位於其下的光束接收元件的數量)。而且，圖2A(和隨後的圖)中所示的入射到光束接收陣列上的衍射光束的會聚點可以不均勻地間隔。
圖2A的光學裝置200可以進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動態地調整多波長光信號和參考信號的對準，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監視參考頻譜成分λC入射到參考波長傳感器元件240上的實時入射位置，並且相應地提供控制鏡260-1的反饋(或者伺服)控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預定位置xo處並且因此頻譜信道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使本發明的光學裝置可以主動地校正由例如工作過程中熱不穩定性和/或機械不穩定性的環境影響所導致的對準的偏移，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額外的好處在於初始組裝期間寬鬆的製造公差和精度，從而這使得本發明的光學裝置具有更具適應性和更成本有效的結構。
在上面的實施方案中，參考波長傳感元件240可以是位置敏感探測器、四分探測器、分裂探測器，或者本領域中公知的任何其它位置敏感裝置，它使得藉助於由傳感元件產生的電(如電流或電壓)信號可以監視光束的實時入射位置(一維或二維)。通過舉例的方式，圖2B顯示了位置敏感探測器240-A的示意圖，其中光束241入射到該探測器上。可以通過探測一對輸出信號，如電流信號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的相對幅度提供了在x方向上光束點的一種度量方式。類似地，可以通過測量另一對電流信號Iy1和Iy2從而獲得y方向上的光束241的入射位置。而且，通過按照一種適當的歸一化差分探測方案(如通過測量(Ix1-Ix2)/(Ix1+Ix2)和/或(Iy1-Iy2)/(Iy1+Iy2))探測輸出信號，如在本領域中普遍實施的那樣，可以監視光束241的實時入射位置對指定的位置的偏移，該指定位置例如是位置敏感探測器240-A上的中心點O。本領域的技術人員還知道如何利用本領域中已知的其它類型的位置敏感裝置來提供本發明中的參考波長傳感元件。
圖2A的控制鏡260-1可以是一種可以繞一個或兩個軸旋轉的可動態調整的反射鏡。例如，該控制鏡可以是具有適當的驅動機制的矽微機械鏡；可以通過將本領域中公知的驅動設備耦合到鏡或光束偏轉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、控制器和信號處理程序，用於處理從參考波長傳感元件240接收到的輸出信號(例如從圖2B的位置敏感探測器240-A接收到的電流信號)以及通過探測到的信號得到參考頻譜成分λC的實時入射位置。處理元件260-2對應地生成要被施加到對準調整元件(如圖2A的控制鏡260-1)的適當的控制信號，從而按照這樣一種方式調整參考頻譜成分和頻譜信道的對準，即使得參考頻譜成分λC保持在預定的位置xo處。伺服控制系統中的用於處理元件的電子電路和相關的信號處理算法/軟體在電子工程和伺服控制系統的領域中是公知的。
圖2C-2D描述了兩種調整圖2A的實施例中的光束的對準的示例性方法。在圖2C中，包含波長λi的第一光束271以入射角θin(可以代表一個頻譜信道)入射到衍射光柵220上，並且被衍射光柵220衍射成為第一衍射光束272，並以衍射角θout出射，如由下面的光柵等式所確定的sinin+sinout=md...(1)]]>其中m是衍射階數，d是光柵間距(即光柵上兩個相鄰凹線之間的間隔)。θin和θout都是相對於衍射光柵220的法線測量的。如果光束入射到衍射光柵220上的入射角改變Δθin，如第二光束273所指示的，那麼衍射光束的衍射角對應地改變Δθout，如第二衍射光束274所指示的。因此，改變多波長光信號和參考信號入射到光柵220上的入射角，例如通過圖2A的控制鏡260-1的動作，會使得頻譜信道和參考頻譜成分的衍射角相應地改變，由此使得參考頻譜成分λC入射到預定的位置xo處，頻譜信道λ1到λN入射到指定的位置x1到xN處。
除了(或結合採用)改變光束入射到衍射光柵220上的入射角(例如藉助於圖2A中的控制鏡260-1)之外，衍射光柵220自身還可以旋轉，由此實現類似的對準功能，如圖2D中所示的。在這種情況下，包含波長λi的第一光束281入射到衍射光柵220上，並且被衍射光柵220衍射成為第一衍射光束282。使衍射光柵220旋轉角度Δθg，如這樣旋轉的衍射光柵221所指示的，這實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的驅動設備例如音圈致動器、步進電機、螺線管致動器、壓電致動器，或者本領域中公知的任意類型的驅動裝置，來實現衍射光柵的旋轉。反過來，可由伺服控制單元中的處理元件控制該驅動設備。
在圖2A的實施例中，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=out=mdcosout...(2)]]>令會聚透鏡230的焦距長度為f。由衍射光束形成的頻譜陣列的間距P，即任意兩個相鄰頻譜點之間的間隔，可以被表示為P=fout=fmd1cosout...(3)]]>其中Δλ是兩個相鄰頻譜信道之間的波長差。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相對於θout的變化率可以被表示為Pout=fmdsinoutcos2out...(4)]]>在上述的圖2C和2D中，因為是通過改變入射角θin並且因此改變衍射角θout從而實現對準調整，所以等式(3)指示頻譜陣列的間距可以在發生對準調整的時候改變，特別是在大的衍射角θout值處。因此，在圖2A的實施例中(其中可以實施圖2C或2D中顯示的對準調整方法)，應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改變頻譜信道和各自的光束接收元件之間的對應關係，因此在實際中頻譜陣列的間距的改變是無關緊要的。)圖2A的實施例在這樣的應用中也是希望的，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)，以至於它在實際中是無關緊要的。
除了如在圖2C或2D中所示的那樣通過改變輸入多波長光信號和參考信號的入射角從而執行對準調整之外，還可以通過，如將光束接收陣列作為一個整體而使其平移和/或旋轉從而使圖2A中的參考波長傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N整體移動，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。可替換地，圖2A實施例中的會聚透鏡230可以被移動，如偏移或平移，以便控制衍射光束的入射位置。
圖3A顯示了本發明的光學裝置的第二實施例。通過舉例的方式，光學裝置300利用圖2A的實施例中的結構和許多元件，如採用相同的數字所指示的那些。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一個單個的結構中，如通過將元件組成元件安裝或製造在一個基底上。伺服控制單元360可以包含對準調整元件360-1，它可以是耦合到光束接收陣列的線性驅動設備，以及包含處理元件360-2。這樣配置驅動設備360-1，使得可以導致光束接收陣列作為一個整體而發生移動，因此參考波長傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N作為一個整體而發生移動，例如沿著基本上橫切入射光束的傳播方向的方向進行平移，由此調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對準。如圖2A的實施例中，處理元件360-2用於監視參考頻譜成分λC入射到參考波長傳感元件240上的實時入射位置，並且相應地提供驅動設備360-1的伺服控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預定的位置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顯示了本發明的光學裝置的第三實施例。通過舉例的方式，光學裝置350利用圖3A的實施例中使用的結構和許多元件，如採用相同的數字所指示的那些。可以實施一種替換的伺服控制單元365，它包含對準調整元件365-1，以耦合到會聚透鏡230的驅動設備的形式出現，以及包含處理元件365-2。驅動設備365-1促使會聚透鏡發生移動，如偏移、旋轉或平移，由此分別控制衍射光束入射到參考波長傳感元件240和光束接收元件250-1到250-N的入射位置。如在圖3A的實施例中的情況，處理元件365-2監視參考頻譜成分λC入射到參考波長傳感元件240上的實時入射位置，並且相應地提供驅動設備365-1的伺服控制，由此使參考頻譜成分λC保持在預定的位置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的實施例中的驅動設備360-1，或者圖3B的實施例中的驅動設備365-1可以是步進電機、螺線管致動器、壓電致動器，音圈致動器，或者本領域中公知的任意類型的致動裝置。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在結構上和操作上相類似。圖3A或3B的實施例的優點是明顯的，這是因為位於其下的對準調整方法基本上不改變頻譜陣列的間距，也就是說，只調整頻譜陣列和光束接收陣列之間的相對對準。應該理解，只需在設計圖3B的實施例中的會聚透鏡230的時候多加小心，就使得基本上消除象差和其它的缺陷。如可以通過本詳細說明所理解的，本領域的技術人員知道如何根據本發明來設計適當的對準調整方法和對應的伺服控制系統，以適於給定的應用。
在圖2A、3A或3B的實施例中，可以由耦合到用作輸入埠210的光纖準直器的輸入光纖201提供包含波長λ1到λN的多波長光信號，並且可以由參考光源202提供參考信號λc。光合波器203，其一種形式可以是光纖熔融耦合器，可以用於將參考光源202耦合到輸入光纖201，從而多波長光信號和參考信號都被導引到輸入埠210中。因此，該光學裝置200就具有一個獨立的、內部產生的參考光源。可替換地，多波長光信號自身可以包含用作參考信號的頻譜成分(如光網絡中的業務信道)，如在WDM光聯網應用中那樣。在這樣一種情形中，不必實施內部參考光源202和光纖耦合器203。
在本發明中，可以額外地使用一個或多個輔助參考信號以及對應的參考波長傳感元件，來補充參考頻譜成分λc的上述功能。圖4A描述了本發明的光學裝置的第四實施方案。通過舉例的方式，光學裝置400利用圖2A和3A的實施例中使用的結構和許多元件，如採用相同的數字所指示的那些。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λc』的輔助參考信號耦合到輸入埠210，其中該合波器可以是一個光纖耦合器。然後，通過控制鏡260-1可以將輔助參考信號λc』，以及多波長光信號和參考信號λc導引到衍射光柵220上。可以選擇輔助參考信號的波長λc』，使其大於頻譜信道的波長，從而在發生衍射的時候，輔助參考信號λc』在指定位置xo』處入射到輔助參考波長傳感元件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λc』形成了具有預定的相對排列方式的頻譜陣列。所以，參考波長傳感元件240、光束接收元件250-1到250-N，以及輔助參考波長傳感元件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。可以將該光束接收陣列集成在一個單個的結構中，例如通過將組成元件安裝或製造在一個基底上。
輔助參考波長傳感元件441可以是位置敏感探測器、分裂探測器、四分探測器，或者本領域中公知的任意其它類型的位置敏感裝置。本領域的技術人員應該理解，上述的參考信號和輔助參考信號也可以被稱作第一和第二參考信號；並且對應地，參考波長傳感元件和輔助參考波長傳感元件可以被稱作第一和第二參考波長傳感元件。而且，波長分散器，例如衍射光柵220，可以分別將第一參考信號中的(第一)參考頻譜成分λc和第二參考信號中的(第二)參考頻譜成分λc』導引到分別位於第一和第二預定位置處的第一和第二參考波長傳感元件。
圖4A的實施例可以進一步包含驅動設備460-1和處理元件460-2。通過舉例的方式，驅動設備460-1可以耦合到上述的光束接收陣列，從而導致光束接收陣列作為一個整體，因此參考波長傳感元件240、光束接收元件250-1到250-N和輔助參考波長傳感元件441整體發生移動，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所指示地進行旋轉。例如，驅動設備460-1可以導致光束接收陣列繞位於預定位置xo處的軸點進行旋轉。同樣地，驅動設備460-1可以主要用於調整由衍射光束形成的頻譜陣列和位於其下的光束接收陣列之間的相對對準。處理元件460-2可以監視參考頻譜成分λc入射到參考波長傳感元件240上的實時入射位置並且相應地提供驅動設備460-1的伺服控制，從而使參考頻譜成分λC保持在預定的位置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可以額外地監視輔助參考信號λc』入射到輔助參考波長傳感元件441上的實時入射位置。這樣的信息對於監視頻譜信道和各自的光束接收元件之間的錯位是有用的，其中該錯位可能並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保持在預定的位置xo處，而輔助參考信號λc』入射到輔助參考波長傳感元件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生變化，因此隨光信號入射到衍射光柵上的入射角而發生變化(例如見上面的等式(3)和(4))。所以，處理元件460-2可以使用探測到的輔助參考信號λc』對指定位置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λc』帶回到指定的位置xo』，如通過以類似於圖2C中所描述的對準調整方法調整輸入多波長光信號、參考信號以及輔助參考信號入射到衍射光柵220上的入射角。參考頻譜成分λc和輔助參考信號λc』在各自位置xo、xo』處的對準指示了頻譜信道和各自的光束接收元件之間的必要的對準。
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保持在預定的位置xo處，而輔助參考信號λc』入射到輔助參考波長傳感元件441上的入射位置偏離預定的位置xo』，如所示的那樣，該偏離可能是由光束接收陣列相對於頻譜陣列的旋轉運動(或反之)導致的。所以，處理元件460-2可以使用探測到的輔助參考信號λc』對指定位置xo』的偏離以一種方式來控制驅動設備460-1，從而將輔助參考信號λc』帶回到指定的位置xo』處，例如通過使光束接收陣列相對於頻譜陣列發生旋轉，由此恢復頻譜信道和各自的光束接收元件之間的必要的對準。
本領域的技術人員可以理解，圖4B-4C的實施方案是作為例子而提供的，以闡明本發明的基本原理。在實際的情況下，輔助參考信號λc』對指定位置的偏離可能是由於多種因素，如頻譜陣列的間距變化和光束接收陣列的旋轉運動(相對於頻譜陣列)的組合。所以，處理元件460-2可以以一種協調的方式控制驅動設備460-1和控制鏡260-1，從而將輔助參考信號λc』帶回到指定的位置，而同時使參考頻譜成分λc保持在預定的位置xo處，由此恢復頻譜信道和光束接收元件之間的必要的對準。而且，替代(或結合使用)控制鏡260-1的功能，可以藉助於在圖2D的實施例中描述的對準調整方法來實現頻譜陣列的間距的控制。替代(或結合使用)驅動設備460-1的對準功能，可以通過將合適的驅動設備連接到會聚透鏡230來調整頻譜陣列與位於其下的光束接收陣列之間的對準關係，如圖3B的實施例中所述的。另外，通過伺服控制可以使輔助參考信號λc』的入射位置保持在預定的位置處，而對參考頻譜成分λc的入射位置進行周期性地或連續地監視；或者可以根據適當的信號處理和伺服控制方案主動地控制參考頻譜成分和輔助參考信號的入射位置。
在圖4A的實施例中，伺服控制單元通常可以包含用於調整由衍射光束形成的頻譜陣列和位於其下的光束接收陣列之間的相對對準的第一對準調整元件(如驅動設備460-1，或者耦合到會聚透鏡230的適當的驅動設備)；用於控制頻譜陣列的間距的第二對準調整元件(如控制鏡260-1，或者耦合到衍射光柵220的適當的驅動設備)；以及與第一和第二對準調整元件及參考波長傳感元件240和輔助參考波長傳感元件441進行通信的處理元件(如處理元件460-2)。處理元件460-2可以分別監視參考頻譜成分λc和輔助參考信號λc』入射到參考波長傳感元件240和輔助參考波長傳感元件441上的入射位置，並且相應地提供第一和第二對準調整元件的控制，從而使參考頻譜成分λc和輔助參考信號λc』保持在它們各自指定的位置處，並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準。
同樣地，圖4A的光學裝置有利地利用適當的對準調整方法的組合來主動地控制頻譜陣列的位置和間距，因此該光學裝置在性能上更魯棒。
總體而言，本發明中的一個或多個輔助參考信號可以是具有基本上不與頻譜信道和參考頻譜成分λc的波長重疊的定義好的(並且穩定的)中心波長的任意光信號。在圖4A的實施例中，通過舉例的方式，輔助參考信號的波長λc』被顯示為大於頻譜信道的波長，而參考頻譜成分的波長λc小於頻譜信道的波長，並且兩個參考信號都由內部參考光源提供，如所示的那樣。應該注意到，圖4A中的兩個參考光源可以通過單個的光合波器(例如一個3×1光纖耦合器)耦合到輸入光纖；或者參考信號和輔助參考信號由能夠提供多個參考信號的單個參考光源來提供，其中的參考信號通過光合波器耦合到輸入光纖。可替換地，多波長光信號自身可以包含能被用作一個或多個參考信號的一個或多個頻譜成分(如光網絡中的一個或多個業務信道)。本領域的技術人員知道如何在根據本發明的光學裝置中實現適當的參考信號，從而適應給定的應用。
在上述實施例中，衍射光柵220可以是刻線的衍射光柵、全息衍射光柵、階梯光柵或者色散稜鏡，所有這些通常在本領域中被用於按照波長來分離多波長信號。通過舉例的方式，上述實施例中的波長分散器被以反射式衍射光柵的形式示出。本領域的技術人員可以理解，在本發明的光學裝置中，可以替換地使用傳輸衍射光柵或者色散稜鏡。光束會聚器還可以是會聚透鏡的集合，或者本領域中公知的任何其它適合的光束會聚裝置。也可以通過使用執行波長分離和光束會聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會聚功能。應該注意到，在其中頻譜信道和參考頻譜成分被完全分離的應用中，可以不使用諸如上述實施例中的會聚透鏡230的光束會聚器。
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光探測器、pin(p-本徵-n)光探測器或者雪崩光探測器(APD)形式出現的光探測器。這樣構建的光學裝置組成了具有伺服控制能力的頻譜功率監視器，由此提供我們感興趣的頻譜信道的特徵功率頻譜。光束接收元件250-1到250-N還可以是微反射鏡(如矽微機械反射鏡)，每個都可以被單獨控制(如可以繞一個或兩個軸旋轉)來動態地根據預定的方案路由頻譜信道。可替換地，光束接收元件250-1到250-N還可以是光纖陣列，並且頻譜信道被導引到該光纖陣列中。這樣構建的光學裝置組成解復用器，或者當逆轉光束的傳播方向的時候組成復用器。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，例如會聚透鏡，從而將頻譜信道投射到希望達到的位置。光束接收元件250-1到250-N還可以以光調製器陣列的形式出現，例如液晶光調製器或光衰減器，用於調製每個頻譜信道的一個或多個特徵(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應。可能有這樣一種應用，其中光束接收元件的子集每個都對應多個頻譜信道，或者為一個單個的頻譜信道指定多個光束接收元件。例如，在光功率傳感器被用作光束接收元件的情況下，可以指定一個或多個光功率傳感器中的每個光功率傳感器，以用於接收多個頻譜信道，從而提供接收到的頻譜信道的完整的功率測量。
已經知道的是，衍射光柵的衍射效率通常是偏振依賴的，並且對於具有大量凹線(每單位長度)的光柵來說，這種偏振依賴效應可能變得很顯著。這樣，在衍射光柵被用作波長分散器的情況下，如在圖2A、3A、3B或4A的實施例的情況中，就可以使用多種裝置/機制來降低相關的偏振敏感效應，例如那些在下面的部分III中討論的機制。通過舉例的方式，可以實施一種偏振分集方案。在這種方案中，首先將輸入多波長光信號(和一個或多個參考信號)分解為P偏振部分和S偏振部分。假設P偏振方向是衍射光柵的優選方向(即衍射效率對於P偏振來說比對於S偏振來說要高)，那麼S偏振部分被旋轉90度，由此入射到衍射光柵上的光信號都具有P偏振。這種偏振分集方案具有使衍射效率最大的優點。可替換地，可以採用一種適合的偏振敏感元件(如洩漏分束器)，用於在輸入多波長光信號(和一個或多個參考信號)入射到衍射光柵之前使這些信號當中的P偏振部分相對於S偏振部分按照預定比率進行衰減，從而補償由衍射光柵造成的對不同偏振態的區別對待。用於這些偏振分集方案的裝置和方法將在下面在部分III中得到更詳細的討論。
本發明進一步提供了一種多波長光信號的頻譜對準方法。作為示出本發明的總體原理的一個例子，圖5A顯示了一個示例性的流程圖，該圖概述了本發明的方法。方法500需要組合多波長光信號和參考(或校準)信號，如在步驟510中指示的那樣；按照波長將多波長光信號和參考(或校準)信號在空間上分離成多個頻譜信道和一個參考(或校準)頻譜成分，其中所述多個頻譜信道和一個參考(或校準)頻譜成分具有預定的排列方式，如在步驟520中指示的那樣；使該參考(或校準)頻譜成分入射到預定的位置處，以便頻譜信道按照預定的相對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)頻譜成分保持在預定的位置處，由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對準，如在步驟540中指示的那樣。
本發明的上述方法利用了這樣一個事實參考頻譜成分和頻譜信道，其中每個都由一個獨特的中心波長來表徵，形成了具有預定的相對排列方式的頻譜陣列。這樣，使參考頻率成分在預定的位置處對準就確保頻譜信道可以按照頻譜陣列同時地入射到指定的位置處。這提供了一種使由多波長光信號形成的頻譜陣列對準的簡單而有效的方法。這樣對準的頻譜信道然後可以例如被光束接收元件單獨地操作，如上面所述的。
圖5B進一步詳細示出在圖5A的步驟540中所述的伺服控制操作的示例性實施例。該實施例需要監視參考(或校準)頻譜成分的實時入射位置，如在步驟540-A中指示的那樣；並且相應地調整參考(或校準)頻譜成分和頻譜信道的校準，從而使參考(或校準)頻譜成分保持在預定的位置處，並且由此確保頻譜信道在指定的位置處保持對準，如在步驟540-B中所述的那樣。
圖5A(或圖5B)的方法500可以進一步包含使頻譜信道和參考(或校準)頻譜成分會聚到對應的會聚點的步驟，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地探測頻譜信道的步驟，從而提供探測到的頻譜信道的功率頻譜；重新導引頻譜信道的步驟，以根據預定的方案路由頻譜信道；或者調製頻譜信道的一個或多個特性的步驟。
II.用於光系統中主動對準補償的其它硬體和軟體圖6A描述了根據本發明的頻譜功率監視裝置的示例性實施例。通過舉例的方式，描述了本發明的原理和總體結構，頻譜功率監視裝置600包含用於多波長光信號的輸入埠610，該輸入埠可以以光纖準直器的形式出現；波長分散器620，它可以以衍射光柵的形式出現；光束會聚器630，它可以是會聚透鏡；光功率傳感器陣列640(這裡被稱作「光傳感陣列」)，提供一個參考位置傳感元件640-C和多個信道傳感元件640-1到640-N。光傳感陣列640可以集成為單個結構(如通過將組成元件安裝或製造在一個基底上)。
圖6A的頻譜功率監視裝置600可以按照下面的方式進行工作。輸入埠610傳輸包含波長λ1到λN的多波長光信號和包含波長λc的參考信號。衍射光柵620按照波長在角度上將入射多波長光信號和參考信號分離成具有預定相對排列方式的多個頻譜信道λ1到λN和參考頻譜成分λc。會聚透鏡630將參考頻譜成分λc和頻譜信道λ1到λN會聚到對應的會聚點，如具有預定的相對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，從而當參考頻譜成分λc在預定的位置xo處入射到參考位置傳感元件640-C上時，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和下面附圖的實施例。各種元件和光束都不是按照比例繪製的。總體而言，在本發明的頻譜功率監視裝置中可以有任意數量的頻譜信道，只要系統中使用的信道傳感元件的數量足夠用於以希望得到的準確度確定頻譜信道的功率電平。而且，圖6A(和隨後的圖)中所示的入射到光傳感陣列的衍射光束的會聚點可以不是均勻間隔的，並且不必與位於其下的信道傳感元件具有一一對應的關係，如將在後面詳細說明的那樣。
圖6A的頻譜功率監視裝置600可以進一步包含基於伺服的對準補償單元660，該單元的一種形式可以包含耦合到光傳感陣列640的驅動設備660-1和處理元件660-2。這樣配置驅動設備660-1，以便促使光傳感陣列640作為一個整體而發生移動，因此參考位置傳感元件640-C和信道傳感元件640-1到640-N整體進行運動(如平移和/或旋轉)，由此調整由衍射光束形成的頻譜陣列和位於其下的光傳感陣列640之間的相對對準。處理元件660-2監視參考頻譜成分λc入射到參考位置傳感元件640-C上的實時入射位置，並且相應地提供驅動設備660-1的伺服(或反饋)控制，從而使參考頻譜成分λc保持在預定的位置xo處，並且因此頻譜信道λ1到λN保持在指定的位置x1到xN處。這樣所描述的基於伺服的對準補償單元使得本發明的光學裝置可以主動地校正可能出現在操作過程中的對準偏移(例如由於諸如熱擾動和/或機械擾動引起的環境影響)，因此增加了裝置的魯棒性。使用這樣一種對準補償單元的一個額外的好處在於初始組裝期間具有寬鬆的製造公差和精度，因而這使得本發明的頻譜功率監視裝置具有更簡單的和更成本有效的結構。
通過舉例的方式，圖6B顯示了如何將一個光電二極體陣列實施為圖6A實施例中的光傳感陣列640。圖6B顯示了光電二極體陣列640A的示例性段的放大視圖，包含多個具有不同的光響應特徵的相鄰的光傳感元件，如圖中所顯示的陰影區域和非陰影區域所區分的那樣。作為例子，光響應函數Ri(x)，如圖中的實線所顯示的，代表了非陰影光電傳感區域640-i以及它的兩個相鄰的陰影區域640-i-H和640-j-H的光響應的特徵。類似地，光響應函數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域640-j以及它的兩個相鄰的陰影區域640-j-H和640-k-H的光響應的特徵。光響應函數使入射到光傳感元件上的光功率與因此產生的電(如電壓)信號相關，如將在後面進一步詳細討論地那樣。通過舉例的方式，圖6B中的每個光響應函數被顯示為在對應的非陰影區域中幾乎是恆定的，並且隨著移離非陰影區域進入相鄰的陰影區域而按照幾乎線性的方式降低，因此在總體特性上表現為類似於梯形的形狀。同樣地，光電二極體陣列640A具有連續的總體光響應函數；也就是說在光電二極體陣列640A上沒有「死區」(或光非敏感區域)。具有這樣描述的特性的光電二極體陣列在市場上是可以買到的，例如，從Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey處買到。
作為例子，在隨後的討論中描述的光電二極體陣列包含適當的探測電路，以便輸出信號可以以電壓信號的形式出現。可以理解，本發明的基本原理和工作方式同樣也適用於其它的光電二極體陣列或光功率傳感器陣列，它們的輸出信號採用電流信號的形式。還可以理解，在本詳細說明中的下標i、j、或者k可以是1到N之間的任意一個整數。
可以這樣配置圖6B中的光電二極體陣列640A，從而通過非陰影區域輸出電壓信號。通過舉例的方式，可以通過下面的公式得到從非陰影區域640-i輸出的電壓信號ViVi＝∫Ri(x)I(x，y)dxdy (1)其中積分發生在非陰影區域640-i和它的相鄰的陰影區域640-i-H和640-j-H上，並且I(x，y)是入射到在圖6B中規定的x-y平面上的我們所感興趣的區域上的光強度。光響應函數Ri(x)是預定的，並且基於所使用的光電二極體陣列的特性。這樣，電壓信號Vi將入射到非陰影區域640-i以及它的相鄰的陰影區域640-i-H和640-j-H上的總光功率都考慮在內。類似地，從非陰影區域640-j輸出的電壓信號Vj就與入射到非陰影區域640-j以及它的相鄰的陰影區域640-j-H和640-k-H上的總光功率相聯繫。而且，因為兩個空間上相鄰的光響應函數，例如Ri(x)和Rj(x)，交織在一起的關係，可以從測量得到的電壓信號Vi和Vj得到入射到陰影區域上的光束的功率電平，例如夾在非陰影區域640-i和640-j之間的陰影區域640-i-H。在光電二極體陣列640A中的其它部分也是同樣的情況。因此，每個非陰影區域和它的相鄰的陰影區域，例如非陰影區域640-i以及它的相鄰的陰影區域640-i-H和640-j-H組成了本發明中的一個信道傳感元件(或像素)。
另外，可以將光電二極體陣列640A中兩個相鄰的信道傳感元件用作「分裂探測器」來提供用於參考頻譜成分λc的參考位置傳感元件(如圖6A的實施例中的參考位置傳感元件640-C)。這可以如下實現使用本領域中公知的適當的規範化差分探測方案來分別測量從非陰影區域640-1、640-2輸出的電壓信號V1、V2，例如通過監視位置誤差信號(V1-V2)/(V1+V2)。這樣一種規範化差分探測方案具有通過幅度噪聲的通用模式抑制來改善探測的信噪比(SNR)的優點。作為一個例子，參考頻譜成分λc的入射位置可以位於夾在兩個相鄰的非陰影區域640-1、640-2之間的陰影區域640-2-H上，以便從非陰影區域640-1、640-2輸出的電壓信號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行變化。在這種情形中，單個的信道傳感元件，例如與非陰影區域640-1、640-2中的任意一個相聯繫的信道傳感元件，都可以被用作參考位置傳感元件。
可以這樣配置圖6A的頻譜功率監視裝置600，以使頻譜信道按照一一對應的關係入射到光電二極體陣列640A的非陰影區域；並且由頻譜信道形成的頻譜點被限制在各自的非陰影區域內，如在圖6B中顯示的那樣。通過舉例的方式，可以指定非陰影區域640-i用於頻譜信道λi，而指定非陰影區域640-j用於頻譜信道λj。通過這種方式，從非陰影區域輸出的電壓信號分別與它們的對應的頻譜信道的功率電平成比例，這是因為在每個非陰影區域中(如非陰影區域640-i)中，僅有一個光響應函數是得到控制的(例如Ri(x))。例如，電壓信號Vi直接與入射到非陰影區域640-i上的頻譜信道λi的功率電平成比例，並且可以通過校準獲得相關的比例因子，如將在後面詳細描述的那樣。這樣一種配置同樣利用了非陰影區域中的統一的光響應特性，這使得在對應的非陰影區域中的頻譜信道的入射位置的任何偏離在實際上變得是無關緊要的。而且，圖6A的實施例中的處理元件660-2可以使用本領域中公知的適合的差分探測方案來測量上述的電壓信號V1、V2，以便可以容易地監視參考頻譜成分λc的實際的入射位置對指定位置的偏離。反過來，處理元件660-2可以使用探測到的參考頻譜成分λc的入射位置的偏離來生成要被施加到驅動設備660-1的適當的控制信號，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應的信道傳感元件之間的必要的對準。同樣地，圖6B的實施例提供了圖6A中的光傳感器陣列640的一個實施例。
在某些應用中，可能很難將頻譜信道的頻譜點限制在對應的信道傳感元件中的非陰影區域內(如按照圖6B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相鄰的頻譜點之間的間隔可以不是恆定的。這兩種方案中的任意一種都可以導致這樣一種情況，其中一個或多個信道傳感元件中的每個都接收多於一個頻譜信道，並且在某些情況下，頻譜點可以重疊。圖2C描述了如何將圖6B中描述的光電二極體陣列應用於這種應用中的示例性實施方案。
通過舉例的方式，在配置和工作方面，圖2C中顯示的光電二極體陣列640B可以與圖6B的光電二極體陣列640A基本上類似，因此用相同的數字代表其中的元件。為了說明和清楚起見，僅明確示出了3個頻譜信道λi、λj、λk；並且這些頻譜信道被顯示為這樣排列，從而一個或多個信道傳感元件每個都可以接收多於一個頻譜信道。例如，與非陰影區域640-i相關聯的信道傳感元件至少接收頻譜信道λi、λj；類似地，與非陰影區域640-j相關聯的信道傳感元件至少接收頻譜信道λj、λk。基於等式(1)，通常可以將從非陰影區域640-i輸出的電壓信號Vi表示為Vi=Rl(x)[n=1NIn(x,y)]dxdy...(2)]]>其中In(x，y)是我們感興趣的區域中相關聯的頻譜信道λn(n＝1到N)的光強度。本領域的技術人員可以理解，等式(2)適用於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，並且由電壓矢量(V)代表光電二極體陣列640B由此產生的電壓信號V1到VM(M≥N)，那麼(P)和(V)之間的關係式如下(v)＝[T](P) (2)其中[T]是一個(M×N)的傳輸矩陣。傳輸矩陣[T]通常依賴於頻譜信道和位於其下的信道傳感元件之間的相對對準，以及所使用的光電二極體陣列的本徵特性(例如光響應特性)。傳輸矩陣[T]典型地是帶對角線(band-diagonal)的，除非一個或多個信道傳感元件都接收多個頻譜信道。本領域的技術人員可以認識到，上面的等式(2)還適用於圖6B的實施例，其中N＝M，並且傳輸矩陣[T]是真對角線的。
基於等式(2)，有下面的等式(P)＝[C](V)(3)其中[C]是一個(N×M)轉換矩陣，並且可以從等式(2)中的傳輸矩陣[T]得到。為了確定傳輸矩陣[T]，可以執行校準(如在工廠)，其中校準光信號的特徵在於具有基本上與要被探測的頻譜信道相同的波長，並且使得已知的功率電平耦合進圖6A的輸入埠610，由此經過了與頻譜信道所要經歷的光路相同的光路。(例如，可以由可調諧雷射器提供該校準光信號)。然後對響應於入射校準光信號的光電二極體陣列640B的輸出電壓信號進行了測量。通過將測量得到的電壓信號和校準光信號的已知功率電平帶入等式(2)，可以計算出傳輸矩陣[T]。藉助於本領域中公知的適合的矩陣算法，可以進一步由該傳輸矩陣[T]得到等式(3)中的轉換矩陣[C]。可以將這樣獲得的轉換矩陣[C]存儲到一個系統存儲器中，例如在作為圖6A中的處理元件660-2的一部分的信號處理器中。隨後在操作過程中，轉換矩陣[C]基本上保持不變，只要頻譜信道保持與校準光信號入射到光電二極體陣列640B上的基本上相同的位置。例如，通過上述的圖6A中的基於伺服的對準補償單元660可以保持必要的對準。這使得信號處理器可以以根據等式(3)的方式，通過這樣產生的電壓信號容易地計算入射到光電二極體陣列640B上的頻譜信道的功率水平。本領域的技術人員可以認識到，如果這在實際應用中是希望得到的，那麼可以獨立地確定背景貢獻量(例如，由於光電二極體陣列的「暗電流」和/或由於來自環境的「雜散光」導致的)，並且隨後將其考慮進上述的校準和操作過程中。
在圖2C的實施例中，可以通過使用適當的規範化差分探測方案來分別測量從非陰影區域640-1、640-2輸出的電壓信號V1、V2從而監視參考頻譜成分λc的入射位置，例如按照針對圖6B所描述的方式通過探測位置誤差信號(V1-V2)/(V1+V2)。同樣地，可以在圖6A中替換地實施圖2C的實施例，從而實現光傳感陣列640。
回過來參考圖6A的實施例。驅動設備660-1可以是步進電機、螺線管致動器、壓電致動器，音圈致動器，或者本領域中公知的任意類型的驅動裝置。處理元件660-2可以包含電路、控制器和信號處理算法，用於處理從參考位置傳感元件640-C接收到的輸出信號(例如從圖6B中的光傳感陣列640A輸出的電壓信號V1、V2)並且通過探測到的信號得到參考頻譜成分λc的實時入射位置。處理元件660-2相應地生成要被施加到驅動設備660-1的適當的控制信號，以按照這樣一種方式調整參考頻譜成分λc和頻譜信道λ1到λN的對準，以便參考頻譜成分λc保持在預定的位置xo處。用於伺服控制系統中的處理元件的電子電路和相關的信號處理算法/軟體在電子工程和伺服控制系統的領域中是公知的。
本領域的技術人員可以理解，除了(或結合)如上面所述的那樣移動光傳感陣列640之外，還可以替換地(或額外地)使圖6A中的會聚透鏡630移動，如使該會聚透鏡發生平移或旋轉，由此控制衍射光束的入射位置並且執行類似的對準功能。如上面描述的那樣，可以通過將會聚透鏡耦合到適當的驅動設備從而實現會聚透鏡630的平移/旋轉。在某些情況下，還可以通過適當地改變輸入多波長光信號(和參考信號)入射到衍射光柵620上的入射角來實現(或補償)對準調整，如通過使光柵旋轉或者在輸入埠610和衍射光柵620之間放置動態可調的反射鏡，只要這樣一種調整基本上不改變由衍射光束形成的頻譜陣列的間距。如可以通過本詳細說明理解的，本領域的技術人員可以知道如何設計用於根據本發明的基於伺服的對準補償單元的適當的對準調整元件和對應的處理元件，從而最好的適於一個給定的應用。
圖7A描述了根據本發明的頻譜功率監視裝置的第二實施例。通過舉例的方式，頻譜功率監視裝置700可以利用在圖6A的實施例中使用的結構和多個元件，如那些由相同數字所指示的。注意，在該系統中沒有「移動」對準調整裝置。替代地，實施了基於軟體的對準補償單元760，它可以是與光傳感陣列640進行通信的信號處理器。
圖7B進一步詳細顯示了如何配置圖7A的實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的光電二極體陣列640C可以基本上與圖6B中描述的光電二極體陣列640A類似，因此用相同的數字標記了這些元件。在這種情況下，可以利用佔據光電二極體陣列640C的相鄰段(在這裡被稱作「參考段」)的兩個或多個相鄰的信道傳感元件來監視參考頻譜成分λc的入射位置。例如，如果參考頻譜成分λc位於兩個相鄰的信道傳感元件內，例如那些如圖7B中所描述的那樣的與非陰影區域640-1、640-2相關的信道傳感元件，那麼可以通過使用適當的規範化差分探測方案來分別測量從非陰影區域640-1、640-2輸出的電壓信號V1、V2，例如按照圖6B所描述的方式通過探測位置誤差信號(V1-V2)/(V1+V2)。在參考頻譜成分λc可能經歷對準的偏移或者延伸到兩個信道傳感元件之外的「走偏」(如在下面所描述的校準或操作期間)的情況下，參考段可以包含多個信道傳感元件，並且它們各自的輸出電壓信號都得到探測。因而，可以相應地生成一系列位置誤差信號，每個位置誤差信號按照上述的方式相關於從該段中的兩個相鄰的信道傳感元件輸出的電壓信號，通過這些電壓信號可以推導出參考頻譜成分λc的入射位置。本領域的技術人員可以知道如何設計一種適當的信號探測和處理方案，用於有效地監視參考頻譜成分λc的實時入射位置。
在圖7B中，頻譜信道λ1到λN可以入射到位於光電二極體陣列640C一個段(在這裡被稱作「信道段」)內的多個信道傳感元件，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並不包含來自頻譜信道的貢獻量，或者反之亦然。頻譜信道和位於其下的信道傳感元件之間的對應可以如在圖6B或6C的實施例中描述的那樣。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，通過預定的轉換矩陣[C]使入射到光電二極體陣列640C上的頻譜信道的功率電平與由此通過光電二極體陣列640C的信道段所產生的電壓信號相聯繫。
圖7A實施例中的頻譜功率監視裝置700可以按照下面的方式進行工作。在初始(或工廠)校準期間，按照一種「模仿」我們感興趣的頻譜信道的方式，將具有與要被探測的頻譜信道相同的波長的光信號和已知的功率電平耦合進輸入埠610。(例如，可以由可調諧雷射器提供校準光信號。)校準光信號和參考信號λc從輸入埠610出現，在衍射光柵620和會聚透鏡630的作用下在空間上分離並且隨後入射到光電二極體陣列640(如圖7B的光電二極體陣列640C)上。然後，在具有足夠的空間解析度的情況下參考頻譜成分λc的入射位置按照增量進行變化(如沿圖7B中所示的x方向)，這可以通過使用適合的驅動裝置使光傳感陣列640發生平移從而得以實現。然後，如上面所述那樣，通過從指定的參考段輸出的電壓信號(如電壓信號V1、V2)確定參考頻譜成分λc的位置x。在參考頻譜成分λc的每個位置x處，還測量由校準光信號產生的電壓信號，然後將這些電壓信號和校準光信號的已知的功率電平代入上面的等式(2)，由此計算得到對應的傳輸矩陣[T(x)]。反過來，可以通過使用本領域中公知的適當的矩陣算法，通過該傳輸矩陣[T(x)]來得到等式(3)中的轉換矩陣[C(x)]。因此，該校準過程建立了一個矩陣校準表，包含作為x的函數的[C(x)]，它可以被存儲在對準補償單元760中。隨後在工作過程中，對準補償單元760監視參考頻譜成分λc的實時入射位置x，並且測量在對應的位置x處入射到光電二極體陣列640C的信道段上的頻譜信道所產生的電壓信號。然後，對準補償單元760從預定的矩陣校準表查詢對應的轉換矩陣[C(x)]，從而通過使用上面的等式(3)從測量得到的電壓信號獲得入射頻譜信道的功率電平。同樣地，頻譜功率裝置700通過軟體控制有效地補償可能在工作過程中出現的對準的偏移，而不涉及任意「移動」的驅動裝置。使用這樣一種基於軟體的對準補償單元還放鬆了對製造公差和在初始組裝期間對於精確度的要求，這使得本發明的頻譜功率監視裝置具有更簡單和更魯棒的結構。
應該理解，通過舉例的方式提供了如在圖6B中描述的光電二極體陣列640A的示例性光響應特性，從而說明了本發明的基本原理。本領域的技術人員可以理解，在本發明的頻譜功率監視裝置中，可以替換地實施具有不同的光響應特性的其它光功率傳感器(或光電二極體)陣列，用於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，本發明中的光功率傳感器陣列不必具有連續的總體光響應函數(如在光傳感區域之間可以有一個或多個「死區」)。如通過本發明的教導可以理解的，本領域的技術人員可以知道設計一種適當的頻譜功率監視裝置，從而最好地適於一個給定的應用。
在圖6A或7A的實施例中，可以由耦合到用作輸入埠610的光纖準直器的輸入光纖601提供包含波長λ1到λN的多波長光信號。可以由參考光源602提供參考信號λc，其中該光源可以是分布反饋(DFB)雷射器、法布裡-珀羅(FP)雷射器(與抑制模跳躍並穩定輸出信號的適當的調製/控制系統結合使用)，或者本領域中公知的任意其它光源，該光源可以提供具有規定好的和穩定的波長的適當參考信號。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，有效地將多波長光信號和參考信號耦合到輸入埠610中。這樣，頻譜功率監視裝置就具有一個獨立的、內部的參考光源。可替換地，輸入多波長光信號自身可以包含可被用作參考信號的頻譜成分(如光聯網應用中的業務信道)，如在WDM光聯網應用中那樣。在這樣一種方案中，不必實施內部參考光源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域中一般用於按照波長來分離多波長信號。可以使用本領域中的公知的其它類型的波長分離裝置來實現本發明的頻譜功率監視裝置中的波長分散器，例如傳輸衍射光柵或者色散稜鏡。光束會聚器630也可以是會聚透鏡的集合，或者是本領域中公知的任意其它適合的光束會聚裝置。也可以通過使用執行波長分離和光束會聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會聚功能。應該注意到，在頻譜信道和參考頻譜成分被很好地分離的應用中，可以不使用例如圖6A或7A中會聚透鏡630的光束會聚器。
公知的是，衍射光柵的衍射效率可能是偏振依賴的。例如，一個標準安裝配置中的光柵對於p(或TM)偏振的衍射效率比對於s(或TE)偏振的衍射效率要高，或者反之，並且其中p偏振垂直於光柵上的凹線，s偏振與p偏振正交。為了減小這種偏振敏感影響，可以在本發明的頻譜功率監視裝置中採用一種適合的偏振敏感元件(如洩漏分束器)，用於在輸入多波長光信號(和一個或多個參考信號)入射到衍射光柵之前使這些信號當中的一個偏振態(如p偏振)成分相對於另一個偏振態(如s偏振)成分按照預先的比例進行衰減，從而補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的實施例中的輸入埠610和衍射光柵620之間的光路上放置適當的弱偏振器(如洩漏分束器)得以實現。可替換地，可以實施如下面在部分III中討論的適當的偏振分集方案。
如可以通過本發明的描述中理解的，本領域的技術人員可以知道如何通過使用適當的對準補償單元以及適當的偏振分集方案來設計一種頻譜功率監視裝置，從而最好地適用於一個給定的應用。例如，通過將基於InGaAs的光電二極體陣列(這種光電二極體在1-1.7μm的波長範圍內特別敏感)用作上述實施例中的光傳感陣列，本發明提供了一系列能夠進行主動對準補償的新型頻譜功率監視器，這些監視器將特別適用於DWDM光聯網應用。
III.偏振分集方案圖8顯示了本發明光學頻譜功率監視裝置的一個示例性實施例。通過舉例的方式，顯示了本發明的原理和總體結構，光學頻譜功率監視裝置800包含以光纖準直器形式出現的用於多波長光信號的輸入埠810；偏振分離元件870，它的一種形式可以是偏振分束器；偏振旋轉元件880，它可以是半波片；波長分散器820，它的一種形式可以是衍射光柵；光束會聚器830，它可以是會聚透鏡；以及光功率傳感器陣列840(在這裡被稱作「光傳感陣列」)。
圖8的光學頻譜功率監視裝置800的原理操作如下。輸入埠810傳輸多波長光信號(例如，它可以包含波長λ1到λN)。偏振分離元件870將多波長光信號分解為相對於衍射光柵820的一個p(或TM)偏振成分(垂直於光柵上的凹線)和一個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」。)作為一個例子，假設p偏振是衍射光柵820的「優選方向」(即衍射效率對於p偏振比對於s偏振高)，偏振旋轉元件880隨後使s偏振成分(或第二偏振成分)旋轉90度，由此入射到衍射光柵820上的光信號都具有p偏振。衍射光柵820按照波長在角度上將入射光信號分離成第一和第二光束集合(例如，其中每個集合包含具有λ1到λN波長的光束)。會聚透鏡830隨後可以將衍射光束會聚到對應的會聚點，從而相關於相同波長(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)。(應該理解，在本詳細說明和所附的權利要求中，由偏振旋轉元件(如偏振旋轉元件880)產生的偏振旋轉可以被理解為對於指定的角度(如90度)具有輕微的差異，這是由實際系統中所存在的缺陷造成的。但是，這種差異將不會顯著影響本發明的整體性能。)
上述的第一和第二光束(偏振方向相同並且具有相同的波長)的重疊會導致產生不希望強度邊紋的相干幹涉。為了避免這種情況，可以在圖8的實施例中實施輔助的偏振旋轉元件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偏振方向。可以在衍射光柵820和光傳感陣列840之間實施輔助的偏振旋轉元件，並且用於使光束的第一和第二集合中的任意一個在入射到光傳感陣列840上之前旋轉90度。在圖8中，通過舉例的方式，在衍射光柵820和會聚透鏡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，其偏振方向經歷90度旋轉。應該理解，替換地，可以按照這樣一種方式將輔助的偏振旋轉元件890放置在衍射光柵820和會聚透鏡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，其偏振方向經歷90度旋轉。在這兩種方案中的任何一種方案中，相關於相同波長(如λi)的第一和第二光束在入射到光傳感陣列840之前變成具有兩個互相正交的偏振方向，由此消除了任意的相干強度幹涉。
同樣地，通過有利地採用上述的偏振分集方案，衍射光柵820的偏振敏感度在光學頻譜功率監視裝置800中就變得是無關緊要的。這使得本發明的裝置可以以一種簡單並且成本有效的結構來提高頻譜解析度(如通過利用本領域中通常可以得到的高色散衍射光柵)，而同時改善光學頻譜功率探測的準確度。
根據本發明，圖9描述了使用偏振分集方案的光學頻譜功率監視裝置的另一個實施例。通過舉例的方式，光學頻譜功率監視裝置900可以利用圖8實施例中使用的總體結構和多個元件，如那些標有相同數字的元件所指示的那樣。在這種情況下，可以實施調製組件985，並且這樣配置該組件，使得光束的第一和第二集合按照一種時分復用的(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中的任意一個都可以被這樣配置，從而在適當的控制信號的作用下(如由控制單元983提供的信號)它允許光信號通過；並且在沒有任何控制信號的情況下保持對輸入光信號關閉。因此，通過利用控制單元983，根據一種適當的控制方案從而以一種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分復用序列的形式入射到光傳感陣列840上，如圖中實線和虛線所指示的。這使得光束的第一和第二集合可以分開地被探測，由此可以獨立地得到相關於輸入多波長光信號中的每個偏振成分的光功率頻譜。本領域的技術人員可以理解，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。
在上述的實施例中，替換地，可以由斬光器(以及相關的控制單元)提供調製組件985，例如配有至少一個孔的不透明旋轉盤或本領域中已知的任意其它適當的裝置，它們允許兩個入射光信號以一種交替的方式通過。該斬光器可以被實施在偏振分離元件870以及偏振旋轉元件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的實施方案中，光束的第一和第二集合中的每個都可以與位於其下的光傳感陣列840具有預定的對準。可替換地，相關於相同波長(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(雖然在不同的時間)。光傳感陣列840可以基本上與陣列240或640相同，並且可以包含一個光電二極體陣列(如由Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey生成的光電二極體陣列)，或者本領域中其它適當的光功率傳感裝置。本領域的技術人員可以知道如何實施適當的光傳感陣列以及設計適當的探測方案，從而最好地適用於一個給定的應用。
與圖8的實施例類似，光學頻譜功率監視裝置900對衍射光柵820是偏振不敏感的，因此可以以提高的頻譜解析度提供多波長光信號的準確的探測。光學頻譜功率監視裝置900的一個額外的好處在於通過使光束的第一和第二集合以一種時分復用的方式入射到光傳感陣列上，可以獨立地確定相關於輸入多波長光信號中的每個偏振成分的光功率頻譜，這在光聯網應用中是有用的。例如，偏振復用(將數據流編碼到單個波長信道的兩個互相正交的偏振成分上)已經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備它可以分開地探測單個波長信道的兩個互相正交的偏振成分。
本領域的技術人員可以認識到，調製組件985的上述功能可以概括為以頻分復用的方式調製光束的第一和第二集合，由此可以在光傳感陣列840上分開地識別這些集合。適用於這種情況，圖10示出光學頻譜功率監視裝置的另一個實施例。通過舉例的方式，光學頻譜功率監視裝置1000可以採用在圖8中使用的總體結構和多個元件，如由標有相同數字的元件所指示的。在這種情況下，調製組件1085可以被放置在偏振分離元件870以及偏振旋轉元件880和衍射光柵820之間的光路上，用於分別調製第一和第二偏振成分。調製組件1085可以以第一和第二調製元件1081、1082以及控制單元1083的形式出現，其中該第一和第二調製元件1081、1082可以是本領域中公知的電光強度調製器(基於液晶的強度調製器)。第一和第二調製元件1081、1082可以在兩個不同的交替(或者「高頻振動」)控制信號(如由控制單元1083提供)的控制下進行工作，該控制信號的一種形式可以是具有兩個不同頻率(如第一和第二「高頻振動頻率」)的時間的正弦函數。調製元件1081、1082中的任意一個可以被配置，從而將「高頻振動調製信號」引入它所對應的光束的光功率電平，其中該光功率電平包含對控制信號的線性響應，並且該功率電平受該控制信號的控制。同樣地，在從第一和第一光束調製元件1081、1082處出現的時候，第一和第二偏振成分可以分別攜帶第一和第二高頻振動調製信號(如以第一和第二高頻振動頻率為特徵)。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調製信號，並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生的電信號包含相同的特徵高頻振動調製信號，並且可由與光傳感陣列840進行通信的同步探測單元1090對其進行探測。如本領域的技術人員可以理解的那樣，如果在實際的應用中有必要的話，同步探測單元1090還可以與控制單元1083進行通信。
在本發明中，「頻譜信道」的特徵在於獨特的中心波長和相關聯的帶寬，並且可以攜帶如在WDM光聯網應用中那樣獨特的信息信號。與輸入多波長光信號所攜帶的「本徵」調製信號(如信息信號)相比，「高頻振動調製信號」指任意由調製組件產生的光信號光功率電平中的調製。對應地，將高頻振動調製信號分配在這樣一個頻譜範圍之內，該頻譜範圍與頻譜信道所攜帶的其它「本徵」調製信號的頻率足夠地分開。
如在圖9的情況中那樣，圖10實施例中的光束的第一和第二集合可以都與位於其下的光傳感陣列840具有預定的對準。可替換地，相關於相同波長(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(或位於相同的光功率傳感器內)。在這兩種方案的任意一種中，由這兩個光束集合攜帶的不同的高頻振動調製信號使得這兩個光束集合可以被分開探測，如使用同步探測單元1090。為了使由同步探測單元1090提供的測量相關於輸入多波長光信號中的對應的光功率水平，可以進行一個校準過程，由此可以得到相關於輸入多波長光信號中的每個偏振成分的光功率頻譜。通過本發明的描述，本領域的技術人員可以知道如何實施適當的光傳感陣列以及設計適當的探測方案，從而適用於一個給定的應用。
還可以由斬光器(以及相關的控制單元)，如配有兩組孔的不透明旋轉盤，提供調製組件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「斬斷」它所對應的光束(如第一或第二偏振成分)。通過按照希望實現的方案安排兩組孔，到達光傳感陣列840的第一和第二光束由不同的調製表徵，由此使得它們可以被分開地探測。應該理解，替換地，可以將調製組件1085(如第一和第二調製元件1081、1082)實施在衍射光柵820和光傳感陣列840之間，從而分別調製光束的第一和第二集合。如可以通過本發明的描述理解的，本領域的技術人員可以知道如何在根據本發明的光學頻譜功率監視裝置中實施適當的調製組件，從而最好地適用於一個給定的應用。
在上述實施例中，偏振分離元件870可以是偏振分束器、雙折射光束轉移器(birefringent beam displacer)，或者本領域中公知的其它類型的偏振分離裝置。偏振旋轉元件880或者輔助的偏振旋轉元件890可以是半波片、法拉第旋轉片、液晶旋轉片，或者本領域中公知的可以使光束的偏振方向旋轉指定的角度(如90度)的任意其它的偏振旋轉裝置。第一和第二光閘元件981、982中的任意一個可以是基於液晶的光閘元件，如包含在沒有任何控制信號的情況下使入射光束的偏振方向旋轉90度並且在適當的控制信號的作用下使偏振方向保持不變的液晶旋轉片，以及其偏振軸垂直於由液晶旋轉片產生的旋轉偏振方向的偏振器。第一或第二光閘元件981、982中的任意一個也可以是起到光閘作用的基於MEMS(微電機系統)的元件，或者本領域中公知的任意其它的類光閘元件，該元件通過適當的驅動裝置對於入射光束開放或保持關閉。控制單元983可以包含本領域中公知的電路和信號處理算法，用於根據希望得到的方案控制第一或第二光閘元件981、982。
而且，第一和第二調製元件1081、1082中的任意一個可以是電光強度調製器，例如液晶強度調製器，或者本領域中公知的任意其它適當的調製裝置。本領域的技術人員可以知道如何設計適當的控制單元1083，從而由第一和第二調製元件1081、1082產生希望得到的高頻振動調製信號。同步探測單元1090通常包含被設計用於分別對在光束的第一和第二集合中產生的高頻振動調製信號執行同步探測的電路和信號處理算法。
在本發明中，波長分散器(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域中被用於按照波長來分離多波長信號。一般地，可以使用本領域中的公知的其它類型的波長分離裝置來實現本發明的光學頻譜功率監視裝置中的波長分散器820，例如傳輸衍射光柵或者色散稜鏡。光束會聚器830也可以是會聚透鏡的集合，或者是本領域中公知的任意其它適合的光束會聚裝置。也可以通過使用執行波長分離和光束會聚的雙重功能的曲面衍射光柵來提供會聚功能。用作輸入埠810的光纖準直器可以以一起被封裝在機械堅硬的不鏽鋼(或玻璃)管子中的準直透鏡(例如GRIN透鏡)和套圈安裝的光纖的形式出現。
應該理解，上述偏振分集補償方案結合在部分I和II中描述的頻譜監視器也使用主動的對準補償。例如但不限於，通過將偏振分離元件870、偏振旋轉元件880和/或890，以及調製組件985、1085集成到頻譜監視器之內的對應位置(如在輸入埠和波長分散器和/或光束會聚器之間)，可以在頻譜監視器之內使用偏振分集方案。
儘管已經詳細描述了本發明及其優點，但是應該理解，只要不脫離本發明的原理和範圍，在這裡可以進行各種改變、替代和替換。所以，應該由隨後的權利要求和其法律等價物來確定本發明的範圍。
權利要求
1.一種光學裝置，包含一個輸入埠，提供一個多波長光信號和至少一個參考信號；一個波長分散器，按照波長將所述多波長光信號和所述至少一個參考信號分離成具有預定相對排列方式的多個頻譜信道和至少一個參考頻譜成分；一個光束接收陣列，包含至少一個參考波長傳感元件和多個光束接收元件，將這些元件定位成用於分別接收所述至少一個參考頻譜成分和所述頻譜信道；以及第一對準調整元件，該第一對準調整元件調整所述頻譜陣列和所述光束接收陣列之間的對準，從而使所述至少一個參考頻譜成分能夠在所述至少一個參考波長傳感元件上的預定位置處對準。
2.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述第一對準調整元件包含一個耦合到所述光束接收陣列的驅動設備，用於使所述光束接收陣列發生移動。
3.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述第一對準調整元件包含一個耦合到所述光束會聚器的驅動設備，用於使所述光束會聚器發生移動。
4.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述至少一個參考信號包含第一和第二參考信號，該第一和第二參考信號分別具有第一和第二參考頻譜成分，並且其中所述第一對準調整元件適用於使得所述第一參考頻譜成分能夠在所述第一參考波長傳感元件上的第一預定位置處對準，並且所述第二參考頻譜成分能夠在所述第二參考波長傳感元件上的第二預定位置處對準。
5.如權利要求1所述的光學裝置，進一步包含一個伺服控制單元，該伺服控制單元包含所述第一對準調整元件和一個處理元件，其中所述處理元件監視所述至少一個參考頻譜成分入射到所述至少一個參考波長傳感元件上的入射位置，並且相應地提供對於所述第一對準調整元件的控制，由此確保所述至少一個參考頻譜成分在所述至少一個參考波長傳感元件上的所述預定位置處保持對準。
6.如權利要求5所述的光學裝置，其中所述伺服控制單元進一步包含一個調整所述頻譜陣列的間距的第二對準調整元件，並且所述第二對準調整元件與所述處理元件進行通信。
7.如權利要求6所述的光學裝置，其中所述第二對準調整元件包含一個控制鏡，該控制鏡與所述輸入埠和所述波長分散器進行光通信，並且用於調整所述多波長光信號和所述至少一個參考信號的對準。
8.如權利要求6所述的光學裝置，其中所述第二對準調整元件包含一個耦合到所述波長分散器的驅動設備，用於使所述波長分散器發生旋轉。
9.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述至少一個參考波長傳感元件包含從包括位置敏感探測器、分裂探測器和四分探測器的組中選出的元件。
10.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述波長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、傳輸光柵和色散稜鏡的組中選出的元件。
11.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述輸入埠包含一個耦合到輸入光纖的光纖準直器，其中所述光學裝置進一步包含至少一個用於將至少一個參考光源耦合到所述輸入光纖的光合波器，並且其中所述輸入光纖傳輸所述多波長光信號，所述至少一個參考光源提供所述至少一個參考信號。
12.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述光束接收元件包含光功率傳感器。
13.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述光束接收元件包含微反射鏡。
14.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述光束接收元件包含光纖。
15.如權利要求1所述的光學裝置，進一步包含偏振分離元件和偏振旋轉元件，它們與所述輸入埠和所述波長分散器進行光通信，其中所述偏振分離元件將所述多波長光信號和所述參考信號分解成第一和第二偏振成分，並且所述第一偏振旋轉元件使得所述第二偏振成分的偏振旋轉90度。
16.如權利要求15所述的光學裝置，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移器的組中選出的元件。
17.如權利要求15所述的光學裝置，其中所述偏振旋轉元件包含從包括半波片、液晶旋轉片和法拉第旋轉片的組中選出的元件。
18.如權利要求15所述的光學裝置，進一步包含輔助偏振旋轉元件，它在所述波長分散器和所述光功率傳感器陣列之間進行光通信，從而使來自所述第一偏振成分的每個色散光束的偏振都經歷90度的旋轉。
19.如權利要求18所述的光學裝置，其中所述輔助偏振旋轉元件包含從包括半波片、法拉第旋轉片和液晶旋轉片的組中選出的元件。
20.如權利要求1所述的光學裝置，進一步包含使所述頻譜信道和所述至少一個參考頻譜成分會聚到頻譜陣列中的對應會聚點的光束會聚器，其中所述頻譜信道和所述至少一個參考頻譜成分具有所述的相對排列方式。
21.如權利要求20所述的光學裝置，其中所述光束會聚器包含至少一個會聚透鏡。
22.一種光學裝置，包含一個輸入埠，提供一個多波長光信號和一個參考信號；一個波長分散器，按照波長將所述多波長光信號和所述參考信號分離成具有預定相對排列方式的多個頻譜信道和一個參考頻譜成分；一個光功率傳感器陣列，該光功率傳感器陣列包含一個用於接收所述參考頻譜成分的參考位置傳感元件和多個用於接收所述頻譜信道的信道傳感元件；以及一個對準補償單元，包含一個用於調整所述頻譜信道與所述參考頻譜成分之間對準的對準調整元件和一個處理元件；其中所述處理元件監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，並且相應地提供對於所述對準調整元件的控制，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定位置處，並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準。
23.如權利要求22所述的光學裝置，進一步包含一個信號處理器，用於通過由所述信道傳感元件產生的輸出信號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.如權利要求23所述的光學裝置，其中所述信號處理器包含一個預定的轉換矩陣，該轉換矩陣使得所述輸出信號相關於所述功率電平。
25.如權利要求22所述的光學裝置，其中所述對準補償單元進一步包含一個包括多個轉換矩陣的預定校準表，所述多個轉換矩陣中的每一個都對應於所述參考頻譜成分的一個特定入射位置，由此對於探測到的所述參考頻譜成分的每個入射位置，所述對準補償單元都從所述校準表查詢對應的轉換矩陣，該轉換矩陣使來自所述信道傳感元件的輸出信號相關於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.如權利要求22所述的光學裝置，其中所述對準調整元件包含一個耦合到所述光功率傳感器陣列的驅動設備，用於使所述光功率傳感器陣列發生移動。
27.如權利要求22所述的光學裝置，進一步包含用於使所述頻譜信道和所述參考頻譜成分會聚到對應的會聚點並且入射到所述光功率傳感器陣列上的光束會聚器，其中所述對準調整元件包含一個耦合到所述光束會聚器的驅動設備，用於使所述光束會聚器發生移動。
28.如權利要求22所述的光學裝置，其中所述光功率傳感器陣列包含一個光電二極體陣列。
29.如權利要求28所述的光學裝置，其中每個信道傳感元件接收所述頻譜信道中的一個單獨信道。
30.如權利要求28所述的光學裝置，其中所述光電二極體陣列具有一個連續的總體光響應函數。
31.如權利要求30所述的光學裝置，其中所述參考位置傳感元件包含所述光電二極體陣列中的兩個相鄰的信道傳感元件。
32.如權利要求22所述的光學裝置，其中所述波長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、傳輸光柵和色散稜鏡的組中選出的一個元件。
33.如權利要求22所述的光學裝置，進一步包含一個光束會聚器，用於將所述頻譜信道和所述參考頻譜成分會聚到對應的會聚點。
34.如權利要求22所述的光學裝置，進一步包含一個偏振分離元件和一個偏振旋轉元件，它們與所述輸入埠和所述波長分散器進行光通信，其中所述偏振分離元件將所述多波長光信號和所述參考信號分解成第一和第二偏振成分，並且所述第一偏振旋轉元件使得所述第二偏振成分的偏振旋轉90度。
35.如權利要求34所述的光學裝置，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移器的組中選出的一個元件。
36.如權利要求34所述的光學裝置，其中所述偏振旋轉元件包含從包括半波片、液晶旋轉片和法拉第旋轉片的組中選出的一個元件。
37.如權利要求34所述的光學裝置，進一步包含一個輔助偏振旋轉元件，它在所述波長分散器和所述光功率傳感器陣列之間進行光通信，使得來自所述第一偏振成分的每個色散光束的偏振都經歷90度的旋轉。
38.如權利要求37所述的光學裝置，其中所述輔助偏振旋轉元件包含從包括半波片、法拉第旋轉片和液晶旋轉片的組中選出的一個元件。
39.一種光學裝置，包含一個輸入埠，提供一個多波長光信號；一個偏振分離元件，它將所述多波長光信號分解為第一和第二偏振成分；一個偏振旋轉元件，它使所述第二偏振成分的偏振旋轉大約90度；一個波長分散器，它按照波長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；以及一個光功率傳感器陣列，被定位用於接收所述光束的第一和第二集合。
40.如權利要求39所述的光學裝置，進一步包含一個輔助偏振旋轉元件，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其偏振方向是正交的。
41.如權利要求40所述的光學裝置，其中所述偏振旋轉元件位於所述波長分散器和所述光功率傳感器陣列之間。
42.如權利要求41所述的光學裝置，其中所述輔助偏振旋轉元件被如此配置，使得所述光束的第二集合的偏振經歷大約90度的旋轉。
43.如權利要求41所述的光學裝置，其中所述輔助偏振旋轉元件被如此配置，使得所述光束的第一集合的偏振經歷大約90度的旋轉。
44.如權利要求41所述的光學裝置，其中所述輔助偏振旋轉元件包含從包括半波片、法拉第旋轉片和液晶旋轉片的組中選出的一個元件。
45.如權利要求39所述的光學裝置，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移器的組中選出的一個元件。
46.如權利要求39所述的光學裝置，其中所述偏振旋轉元件包含從包括半波片、法拉第旋轉片和液晶旋轉片的組中選出的一個元件。
47.如權利要求39所述的光學裝置，其中所述光功率傳感器陣列包含一個光電二極體陣列。
48.如權利要求39所述的光學裝置，其中所述波長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、傳輸光柵和色散稜鏡的組中選出的一個元件。
49.如權利要求39所述的光學裝置，進一步包含一個光束會聚器，用於將所述光束的第一和第二集合會聚到對應的會聚點。
50.如權利要求39所述的光學裝置，進一步包含一個調製組件，該調製組件適用於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製所述光束的第一和第二集合。
51.如權利要求50所述的光學裝置，其中所述調製組件適用於使得所述光束的第一和第二集合以時分復用序列的形式入射到所述光功率傳感器陣列上。
52.如權利要求51所述的光學裝置，其中所述調製組件包含第一和第二光閘元件。
53.如權利要求52所述的光學裝置，其中所述第一光閘元件包含從包括基於液晶的光閘元件和基於MEMS的光閘元件的組中選出的一個元件。
54.如權利要求53所述的光學裝置，其中所述第二光閘元件包含從包括基於液晶的光閘元件和基於MEMS的光閘元件的組中選出的一個元件。
55.如權利要求52所述的光學裝置，進一步包含一個控制單元，該控制單元與所述第一和第二光閘元件進行通信。
56.如權利要求50所述的光學裝置，其中所述調製組件包含第一和第二調製元件，該第一和第二調製元件適用於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攜帶不同的高頻振動信號。
57.如權利要求56所述的光學裝置，其中所述第一調製元件和第二調製元件中的至少一個包含一個電光強度調製器。
58.如權利要求56所述的光學裝置，進一步包含一個控制單元，該控制單元與所述第一和第二調製元件進行通信。
59.如權利要求56所述的光學裝置，進一步包含一個同步探測單元，該同步探測單元被配置用於探測所述高頻振動調製信號。
60.如權利要求50所述的光學裝置，其中所述調製組件包含一個斬光器。
61.如權利要求50所述的光學裝置，其中所述調製組件與所述偏振分離元件以及所述偏振旋轉元件和所述波長分散器進行光通信，由此控制所述第一和第二偏振成分。
62.如權利要求50所述的光學裝置，其中所述調製組件與所述波長分散器和所述光功率傳感器陣列進行光通信，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)的波長色散裝置來按照波長將一個多波長光信號和一個參考信號在空間上分離成一個頻譜陣列中的多個頻譜信道和一個參考頻譜成分，並且所述多個頻譜信道和一個參考頻譜成分具有預定的相對對準關係。通過使參考頻譜成分在一個預定的位置處對準，多個頻譜信道可以同時入射到指定的位置，如入射到按照該頻譜陣列分布的光束接收元件陣列上。藉助於伺服控制(260)，該參考頻譜成分可以進一步保持在預定的位置，由此確保所述多個頻譜信道在指定的位置處保持對準。本發明可以用於構建一系列新的基於伺服的光系統，包含頻譜功率監視器和光復用器/解復用器，用於WDM光聯網應用。
文檔編號G01J3/28GK1610850SQ02823085
公開日2005年4月27日 申請日期2002年9月19日 優先權日2001年9月20日
發明者J·P·維爾德, P·波林金, M·J·蒂蒙斯, M·H·加雷特 申請人:卡佩拉光子學公司