專利名稱：在光譜分析儀中同時檢測校準信號和測試信號的光學系統(tǒng)的制作方法
本申請要求以2000年2月21日申請的60/184,163號美國臨時申請的申請日為優(yōu)先權(quán)日。
本發(fā)明總的說來涉及光學系統(tǒng)，更具體說，涉及一種在分析光通信傳輸線路的光譜分析儀中同時檢測校準信號和測試信號的光學系統(tǒng)。
電信工業(yè)的光網(wǎng)絡(luò)中越來越多地采用密集波長多路復用(DWDM)的光系統(tǒng)。一般的DWDM光系統(tǒng)將具有各種波長的多重光信號射入單模光纖中。光信號包括抽運激光器來的1480納米光信號。抽運激光信號供系統(tǒng)中的光纖放大器使用，其波長也可以是980納米。1625納米服務(wù)信道光信號是為各總局等之間的通信而設(shè)的。通過光纖的電信服務(wù)采用多重緊密配置的1525納米至1585納米范圍的光信號信道進行?，F(xiàn)行的DWDM傳輸系統(tǒng)各毗鄰的光信號信道之間的一般間距為200吉赫、100吉赫和50吉赫，這相當于1550納米下各信道之間1.6納米、0.8納米和0.4納米左右的間距。未來的DWDM電信系統(tǒng)設(shè)計成有25吉赫間距，這相當于各光信號信道之間有0.2納米左右的間距。要考核這些光信號是否合格和確定這些光信號的特性需要有一個光譜分析儀。
光譜分析儀(OSA)是根據(jù)波長或頻率的變化測定光功率的儀器。光譜分析儀的好處在于其動態(tài)范圍和對許多離散譜線的測定?，F(xiàn)行光譜分析儀的顯著缺陷是其波長測定的可靠性較差，誤差在40至50皮米的范圍。因為這個缺陷，因而研制出了能精確測定波長和校準光譜分析儀的波長儀。波長儀是以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)的。成千數(shù)字化的干涉條紋從譜域轉(zhuǎn)換成頻域。頻率和條紋的調(diào)制通過付里叫變換轉(zhuǎn)換成關(guān)于波長和功率的信息。波長儀雖然在波長校準的精確度方面要好得多，但其動態(tài)范圍一般比以光柵為基礎(chǔ)的OSA差得多。
通常，所測定的光信號和校準的光信號都通過光譜分析儀的同一條光路并占據(jù)光譜的同一個通用區(qū)。OSA的校準通常按以下程序進行。首先，將已知光譜的光信號從校準源加到OSA上。校準源可以在OSA外面，也可以是內(nèi)部校準源，通過內(nèi)部光開關(guān)注入OSA的光路中。接著，用OSA掃描光譜，測定并記錄已知光譜中出現(xiàn)光峰信號時的波長。確定所測定尖峰信號下的波長誤差，并通過在已知各譜線之間和之外進行內(nèi)插，根據(jù)波長變化估計波長測定的誤差。從相應(yīng)測出的波長尖峰信號減去測定誤差，校準OSA。
由于校準光信號和所測定的光信號都通過OSA的同一光路，因而OSA不能在以校準光譜測定未知光信號的同時測定校準光譜。因此，校準過程是先后進行OSA的校準和測定測試信號。這里假設(shè)OSA經(jīng)過一段時間仍然處于校準狀態(tài)，而在進行其它測定之前必須再經(jīng)過校準。
現(xiàn)行校準程序的一個缺點是不能肯定OSA何時不處于校準狀態(tài)。這就是說，再校準一般是在需要校準之前或之后進行的。在第一種情況下，操作人員在不需要校準的情況下會浪費時間，而在第二種情況下，由于沒有進行校準，因而OSA的測定結(jié)果誤差過大。
這里就需要有一種能在光譜分析儀中對光測試信號和光校準信號同時進行光學檢測的光學系統(tǒng)。這種光學系統(tǒng)應(yīng)能在光譜分析儀中極精確地校準波長，而且光譜分析儀應(yīng)能夠用波長校準特性相同的兩個光路同時檢測受測試的校準信號和光信號。此外，光譜分析儀應(yīng)能將校準信號和光測試信號分離開來。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能在規(guī)定的第一級光譜范圍內(nèi)同時檢測光校準信號和受測試的光信號的光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)的準直光學元件(例如拋物面鏡或球面鏡等)有一個光軸和一個接收光校準信號和受測試光信號的焦平面。準直光學元件的焦平面上配有一個光纖陣列，光纖陣列的中心軸與準直光學元件的光軸處在同一條直線上。第一和第二對光纖配置在準直光學元件的焦平面上，各對光纖有一個輸入光纖和一個輸出光纖。各對的輸入和輸出光纖對稱配置在中心軸的任一邊上，第一對光纖的輸入光纖連接成使其接收受測試的光信號。一個光源與第二對光纖的輸入光纖連接，產(chǎn)生其第二級或以上譜線處在光學系統(tǒng)第一級光譜范圍的光校準信號。一個光調(diào)諧元件接收從準直光學元件來的光校準信號和受測試的光信號，并在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，將光校準信號和受測試光信號的各光譜分量分開。第一光檢測器與第一對光纖的輸出光纖連接，對受測試光信號的光譜分量敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感。第二光檢測器與第二對光纖的輸出光纖連接，對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試光信號的光譜分量不太敏感。
在本發(fā)明的最佳實施例中，光纖陣列是一V形槽部件，其中形成有大致呈V形的溝道，等間距平行地處在該V形部件中軸的任一邊。光源是一光信號發(fā)生器，按原子或分子型發(fā)射或吸收能級的躍遷產(chǎn)生光譜輸出。在一最佳實施例中，光源為汞氬放電燈。光調(diào)諧元件最好為衍射光柵。第一光檢測器為InGaAs PIN或雪崩光電二極管，它對光測試信號的第一級光譜分量敏感。第二光檢測器為硅光電二極管，它對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感。
本發(fā)明光學系統(tǒng)的各實施例可以結(jié)合到同時檢測受測試光信號和光校準信號的光譜分析儀中。這種組合可以連續(xù)校準光譜分析儀。光譜分析儀包括本光學系統(tǒng)，其中各光接收器中裝有光測試信號檢測器和光校準信號檢測器。光接收器將相應(yīng)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。表示光測試信號和光校準信號的數(shù)字值由諸如數(shù)字信號處理器之類的控制器處理，校準誤差值則根據(jù)光校準信號的第二級或以上的譜線計算出來。校準誤差值加到受測試的光信號上，以精確校準測試信號。光測試信號進一步處理過后顯示在顯示器上。
本發(fā)明提供了在光譜分析儀中同時檢測光校準信號和受測試光信號的一種方法，所述光譜分析儀具有一光學系統(tǒng)，其限定有第一級光譜范圍，該光學系統(tǒng)包括準光學元件、產(chǎn)生光校準信號的光信號校準源、受測試光信號輸入端、光校準信號輸入端、光調(diào)諧元件以及第一和第二光檢測器，所述方法包括下列步驟，將光校準信號和受測試的光信號同時射入所述光學系統(tǒng)中，其中光校準信號具有處在光學系統(tǒng)范圍內(nèi)的第二級或以上的譜線；用第一光檢測器和第二光檢測器同時檢測光校準信號和受測試的光信號，其中第一光檢測器對受測試的光信號敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感，第二光檢測器對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試的光信號不太敏感。進一步的步驟是同時檢測光測試信號和光校準信號，其中包括在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，從而將光校準信號和受測試光信號的各光譜分量分離開來。所述方法還包括一附加步驟，即同時將光校準信號和受測試的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
結(jié)合所附權(quán)利要求書和附圖閱讀下面的詳細說明可以清楚地理解本發(fā)明的上述目的、優(yōu)點和新的特點。


圖1是本發(fā)明光學系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明另一光學系統(tǒng)的示意圖。
圖3是采用本發(fā)明光學系統(tǒng)的光譜分析儀的示意方框圖。
參看圖1。圖中示出了可在光譜分析儀中同時檢測光校準信號和受測試光信號的光學系統(tǒng)10。光學系統(tǒng)10有一個準直光學元件12，例如拋物面鏡、球面鏡等，它具有光軸14和焦平面16。準直光學元件12的焦平面16上有一光纖陣列18，光纖陣列18的中心軸20與準直光學元件12的光軸14處在一條線上。光纖陣列18具有第一和第二對光纖22,24，各光纖對具有輸入光纖26,28和輸出光纖30,32。各光纖對22,24的輸入和輸出光纖對稱配置在光纖陣列18的中心軸20任一邊。第一對光纖22的輸入光纖26連接成使其接收受測試的光信號34。光纖對的輸出光纖30與測試信號檢測器36(例如InGaAs PIN光電二極管或InGaAs雪崩光電二極管)連接。第二對光纖24的輸入光纖28與光校準源38連接，光校準源38根據(jù)原子或分子型發(fā)射或吸收能級的躍遷產(chǎn)生光譜輸出。這類光源的例子有氣體放電燈，例如氬和汞氬放電燈，和由寬帶光源照明的乙炔吸收的光電池，例如LED(發(fā)光二極管)。光纖對的輸出光纖32與校準源檢測器40(例如硅光二極管)連接。光纖陣列18與準直光學元件12之間配有光調(diào)諧元件42，例如衍射光柵，主要確定光學系統(tǒng)10第一級光譜范圍。光調(diào)譜元件驅(qū)動電機44與光調(diào)諧元件42連接，通過光譜范圍調(diào)諧光學系統(tǒng)10。
圖1的光學系統(tǒng)10同時檢測光校準源38來的光校準信號39和受測試的光信號34。光校準源38產(chǎn)生處在光學系統(tǒng)10第一級光譜范圍內(nèi)的具有第二級和/或以上譜線的光輸出39。舉例說，在本發(fā)明的最佳實施例中，光學系統(tǒng)10第一級光譜范圍的覆蓋范圍為1450納米至1650納米。在該最佳實施例中，光校準源38是一汞氬放電燈。光校準源38產(chǎn)生光輸出39，具有至少為光學系統(tǒng)10第一級光譜范圍一半或更小的第一級光譜范圍。在該最佳實施例中，光校準源38光譜范圍覆蓋從725納米至825納米的光譜范圍。應(yīng)該指出的是，光校準源的光譜范圍也在光學系統(tǒng)10第一級光譜范圍的1/3和1/4等處產(chǎn)生譜線，即光校準源的光譜范圍可以是483.33納米至550納米，362.5納米至412.5納米等。還應(yīng)該指出的是，光校準源38能產(chǎn)生多個級同時存在的光輸出。此外，還應(yīng)該指出的是，光學系統(tǒng)10的第一級光譜范圍可以是所述最佳實施例范圍以外的范圍，且只要光校準源38的光譜范圍為光學系統(tǒng)光譜范圍的一半或更小，該范圍也可以是最佳實施例所述范圍以外的范圍。
最佳實施例中的光學系統(tǒng)10以里特羅(Littrow)安裝方式配置。光纖陣列18在光學系統(tǒng)10中安置得使其中心軸與準直光學元件12的光軸在一條直線上，且處在準直光學元件12的焦平面上。在最佳實施例中，光纖陣列18安置在一個V形槽部件中，該V形槽部件有一個中心軸，部件中形成有大致呈V字形的平行于部件中心軸的溝道。V字形溝道與V形槽部件中心軸20兩邊等距。各光纖對22,24的輸入和輸出光纖對稱配置在光纖陣列中心軸20的任一邊上，因而對稱配置在準直光學元件12光軸14的任一邊。由于準直光學元件12的成像特性，從光軸14一邊的輸入光纖26,28發(fā)射出來的光都聚焦在光軸14另一邊相應(yīng)的輸出光纖30,32上。在最佳實施例中，最靠近光軸14的第一對光纖用來進行測定，外面的光纖對24用來進行校準。用來測定和校準的光纖對是任意的，光纖對22,24的指定可以倒過來而不脫離本發(fā)明的范圍。
光纖陣列18的配置形成了兩條通過光學系統(tǒng)10的光路，兩光路在空間上彼此分開，但實質(zhì)上它們有緊密聯(lián)系，以致可以感受到諸如溫度、沖擊、磨損、機械驅(qū)動偏差等引起的同一干擾。這就是說，雖然輸入到一個光路中的光信號實體上沒有耦合到另一光路中，但實際上，兩光路之間總是有未計及的少量有限度的光散射。為進一步隔離各光路，光路的各光檢測器36和40中采用了光譜過濾，這在下面將更詳細地說明。這樣做的結(jié)果是使兩光路高度隔離。此外，由于各光路的波長相關(guān)性相同，因而可以測定其中一個光路光譜上已知的源，用此信息校準另一光路，用此光路測定光測試信號34。若已知光源38中的信噪比足夠高，得出的光譜分析儀的校準是實時的，在此情況下，每一測試包括用以獲取校準測試波形的已知波形的過程。光譜分析儀的用戶對整個過程都可以看清楚。在操作人員看來，光譜分析儀始終處在最佳狀態(tài)，無需進行任何校準保養(yǎng)。
從測試光纖26發(fā)出的實線表示光測試信號34的射線路徑。光測試信號從準直光學元件反射出去，投向調(diào)諧衍射光柵42。衍射光柵衍射的光譜分量從準直光學元件12反射出去，調(diào)諧后的譜線或分量聚焦到對稱配置在準直光學元件光軸14相對邊的光測試信號檢測器上。這相當于通過光學系統(tǒng)10的第一光路。從光校準源的光纖28發(fā)出的虛線表示光校準信號39的射線路徑。和測試信號路徑一樣，光校準信號39從準直光學元件12反射，從調(diào)諧光柵42衍射，從準直光學元件12反射，聚焦到對稱配置在準直光學元件光軸14相對邊的光校準源檢測器光纖32上。這相當于通過光學系統(tǒng)10的第二光路。由于波長掃描在垂直于圖1平面的方向進行，因而兩光路的波長誤差相同，兩誤差都用同一波長校準方式校正。由于各光路實體上是分開的，因而測定未知光譜并用來對其進行校準時可以打開校準源38。
光測試信號34的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量通過光測試信號檢測器的光纖30耦合到光測試信號檢測器36上。在最佳實施例中，光測試信號檢測器36是InGaAs PIN或雪崩光電二極管，對光測試信號34的第一級光譜分量敏感。光校準源39的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量通過光校準源的光纖32耦合到光校準源檢測器40上。在最佳實施例中，光校準源檢測器40是硅光電二極管，對光校準源38的第二級或以上的譜線敏感。硅檢測器的噪聲特性比InGaAs檢測器好。此外，硅檢測器對1450納米至1650納米范圍的光不太敏感，因而從主要光信號34米的散射光不會干擾校準檢測器40。另外，InGaAs檢測器對725納米至825納米范圍的光不太敏感，因而光校準源38束的射光干擾主要光信號34的可能性較小。應(yīng)該指出的是，測試信號檢測器36和校準檢測器40的響應(yīng)特性無需限制在該最佳實施例所述的各光譜范圍。只要測試信號檢測器對光學系統(tǒng)光譜范圍內(nèi)的第一級光譜分量敏感而校準源檢測器對光學系統(tǒng)光譜范圍內(nèi)的第二極或以上的光譜分量敏感，其它類型的在其它光譜范圍敏感的光檢測器都可以采用。光測試信號檢測器36和光校準源檢測器40同時將受測試光信號34的各光譜分量和光校準信號39的校準線轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過放大、數(shù)字化、儲存和處理，輸出并顯示出來。
圖2示出了可用來在光譜分析儀中同時檢測光校準信號39和受測試光信號34的另一光學系統(tǒng)50的示意圖。與圖1相同的各元件以同樣編號標出。此另一光學系統(tǒng)具有第一和第二準直光學元件52,54，例如拋物面鏡、球面鏡等，各準直光學元件52,54具有光軸56,58和焦平面60,62。各準直光學元件52,54的各焦平面60,62中配有光纖陣列64,66，光纖陣列64,66的中心軸為68,70。光纖陣列64,66的第一和第二對光纖22,24分別具有輸入光纖26,28和輸出光纖30,32。其中光纖陣列64包括光纖對22,24的輸入光纖26,28，另一光纖陣列66具有光纖對22,24和輸出光纖30,32。各光纖對的輸入和輸出光纖平行于光纖陣列64,66各自的中心軸68,70。第一對光纖32的輸入光纖26連接成使其接收受測試的光信號34。光纖對的輸出光纖與光測試信號檢測器36(例如InGaAs PIN光電二極管或InGaAs雪崩光電二極管)連接。第二對光纖24的輸入光纖28與光校準源38連接。光校準源38按原子或分子型能級的躍遷產(chǎn)生光譜輸出39。和上面所述的一樣，光源38可以是氣體放電燈，例如氬和汞氬放電燈，或由寬帶光源照明的乙炔吸收的燈，例如LED。光纖對24的輸出光纖32與光校準源檢測器40(例如硅光電二極管)連接。準直光學元件52,54可以配置成使光纖對22,24的輸入和輸出光纖30,32都配置在準直光學元件52,54各光軸56,58的同一邊。此外，準直光學元件52,54的焦距可以不同，且可以取向在需要有復合光角度的光路的不同空間平面上。光纖陣列64,66與準直光學元件52,54之間橫向配置有光調(diào)諧元件42，例如衍射光柵，用于主要確定光學系統(tǒng)50的第一級光譜范圍。調(diào)諧衍射光柵42不一定非要配置在準直光學元件52,54的焦距內(nèi)。光調(diào)諧元件的驅(qū)動電機44與光調(diào)諧元件42連接，通過光譜范圍調(diào)諧光學系統(tǒng)50。
現(xiàn)在用與上面說明圖1時同樣的光譜范圍說明光學系統(tǒng)50的工作過程。光測試信號34可作為寬帶光信號且具有這樣的特點光信號的第一級光譜分量處在1450納米至1650納米范圍內(nèi)。光校準源產(chǎn)生的光輸出39，其第二級和/或以上的譜線處在光學系統(tǒng)50的范圍內(nèi)。和前面所述的一樣，光測試信號34和光校準信號39通過光學系統(tǒng)50分開的光路。從光測試信號光纖26發(fā)出的實線表示光測試信號34通過光學系統(tǒng)50的射線路徑，從光校準源光纖28發(fā)出的虛線表示光校準信號39通過光學系統(tǒng)50的射線路徑。光測試信號34和光校準信號從第一準直光學元件52反射到調(diào)諧衍射光柵42上。光信號34,39的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量從調(diào)諧衍射光柵42衍射到第二準直光學元件54上。第二準直光學元件54反射經(jīng)調(diào)諧的光信號34,39，將光測試信號34的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量聚焦到光測試信號的輸出光纖30上，將光校準信號39的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量聚焦到光校準信號的輸出光纖32上。
光測試信號34的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量通過光測試信號的輸入光纖30耦合到光測試信號檢測器36上。光測試信號檢測器36是InGaAsPIN或雪崩光電二極管，對光測試信號34的第一級光譜分量敏感，對光校準信號39的第二級或以上的譜線不太敏感，光校準信號39的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量通過光校準信號的輸出光纖32耦合到校準源檢測器40。光校準源檢測器40是硅光電二極管，對光校準源38的第二級或以上的譜線敏感，對光測試信號34的第一級光譜分量不太敏感。光測試信號檢測器36和光校準源檢測器40同時檢測光測試信號34和光校準信號39，并將光信號34和39轉(zhuǎn)換成電信號。
參看圖3，圖中示出了裝有供同時檢測光校準信號39和受測試光信號34的光學系統(tǒng)10的光譜分析儀80的示意方框圖。在圖3中，與以上各附圖中所示相同的元件用同樣的編號標出。光譜分析儀80的最佳實施例包括光譜分析模塊82和基礎(chǔ)部分84。光譜分析模塊82有一個光學系統(tǒng)10，供將受測試光信號34和光校準信號39的光譜分量分開。光學系統(tǒng)的拋物面鏡12起準直光學元件的作用，具有光軸14和焦平面16。拋物面鏡12的焦平面16上配有光纖陣列18，光纖陣列18的中心軸與鏡12的光軸在同一直線上。光纖陣列18具有第一和第二對22,24輸入光纖26,28和輸出光纖30,32，各對的輸入和輸出光纖對稱配置在光纖陣列中心軸20的任一邊。一對光纖22的輸入光纖26連接成使其接收受測試的光信號34，另一輸入光纖28與光校準源38連接。光調(diào)諧元件42呈衍射光柵的形式，在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)10。光接收器86,88接收各光測試信號34和光校準信號39，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。各電信號經(jīng)多路復用器90多路復用，耦合到模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器92上。A/D轉(zhuǎn)換器92將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，經(jīng)數(shù)字信號處理器(DSP)94處理后存入存儲器96。存儲器96包括RAM和ROM存儲器，RAM存儲器儲存易失性數(shù)據(jù)，例如表示光測試信號34和光校準信號39的光譜分量的數(shù)字值。DSP 94執(zhí)行儲存在ROM存儲器96中的涉及獲取、處理和儲存數(shù)字值的編程指令。數(shù)據(jù)和控制總線98不僅將A/D轉(zhuǎn)換器92和衍射光柵驅(qū)動電機44而且也將存儲器96連接到數(shù)字信號處理器94上。衍射光柵驅(qū)動電機44改變衍射光柵42的位置，通過光學系統(tǒng)10的光譜范圍調(diào)諧光學系統(tǒng)10。DSP 94還給多路復用器90和A/D轉(zhuǎn)換器92提供控制信號。
儲存的數(shù)據(jù)通過光譜分析儀系統(tǒng)總線100中的串行數(shù)據(jù)線耦合到基礎(chǔ)部分84。光譜分析模塊82來的數(shù)字數(shù)據(jù)存入存儲器102，由控制器104處理，顯示在諸如液晶顯示器、陰極射線管之類的顯示器106上、在最佳實施例中，控制器104是莫托羅拉(Motorola)公司出品和銷售的XPC821微處理器。數(shù)據(jù)和控制總線108將存儲器102不僅與顯示器106而且與控制器104連接起來。控制器104還與前板控制器110連接。前板控制器110可包括按鈕、旋鈕和鍵片，供選擇待進行的特殊測量、測量參數(shù)、顯示窗口等。在本發(fā)明的最佳實施例中，作為顯示器106一部分的觸摸式屏幕顯示部分具有一般測定儀前板的控制功能。存儲器102包括RAM和ROM存儲器，RAM存儲器儲存從光譜分析模塊82來的獲取和處理過的數(shù)字數(shù)據(jù)，ROM存儲器儲存控制光譜分析儀80工作過程的程序指令。本發(fā)明最佳實施例中的光譜分析儀80是由微軟公司出品和銷售的WINDOWSCE操作系統(tǒng)控制的。
在最佳實施例中，光譜分析儀80的第一級光譜范圍為1450納米至1650納米，主要由可調(diào)諧衍射光柵42控制。受測試的光信號34通過光接口112耦合到光譜分析儀80。光譜分析儀80測定寬帶光測試信號34在分析儀的1450納米至1650納米光譜范圍內(nèi)的特性。光測試信號34和光校準信號39通過光纖陣列18的第一和第二輸入光纖26,28耦合到光學系統(tǒng)10中。光校準源38產(chǎn)生第二級和/或以上的譜線處在光學系統(tǒng)10光譜范圍內(nèi)的光校準信號39。光測試信號34和光校準信號39沿分開的光路傳輸，從拋物面鏡12反射到衍射光柵42上。調(diào)諧衍射光柵42將光測試信號34的第一級光譜分量與光校準信號39的第二級或以上的譜線分開，并將調(diào)諧過的分量和譜線通過分開的光路衍射回拋物面鏡12。舉例說，光測試信號34含有許多光信號，其中一個光信號為1500納米。衍射光柵42通過衍射光柵驅(qū)動電機44調(diào)諧到1500納米。衍射光柵驅(qū)動電機44接收來自DSP94的調(diào)諧指令，DSP94將1500納米的光信號與光測試信號中的其它光信號分離開來。與此同時，衍射光柵42分離光校準信號39的第二級的750納米譜線。光測試信號34的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量和光校準信號39的經(jīng)調(diào)諧的譜線由拋物面鏡12聚焦到相應(yīng)的光測試信號輸出光纖30和光校準輸出光纖32上。
光測試信號34的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量耦合到光接收器86，光接收器86有一個光檢測器36，對光測試信號34的第一級光譜分量敏感，對光校準信號39的第二級或以上的譜線不太敏感。在光譜分析儀80的最佳實施例中，光檢測器36是InGaAs雪崩光電二極管。光校準信號的經(jīng)調(diào)諧的譜線耦合到第二光接收器88。光接收器88有一個光檢測器40，對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對光測試信號34的第一級光譜分量不太敏感。在光譜分析儀80的最佳實施例中，光檢測器40是個硅光電二極管。光檢測器36,40將各光測試信號34和光校準信號39轉(zhuǎn)換成電信號。電信號耦合到放大器114,116上進行放大。放大過的電信號耦合到多路復用器90上，由多路復用器90在DSP 94的控制下多路復用這些信號，并將多路復用過的信號耦合到A/D轉(zhuǎn)換器92。A/D轉(zhuǎn)換器92在DSP 94的控制下將多路復用過的信號數(shù)字化，并對數(shù)字化后的值進行處理，存入RAM存儲器96中。在光信號為1500納米、第二級校準線為750納米的光測試信號34的實例中，DSP 94將表示750納米校準線的數(shù)字值乘以2，產(chǎn)生表示1500納米校準線的數(shù)字值。由于確實知道750納米校準線的誤差極小，因而乘2后校準線的不確定性也非常小。1500納米校準線的波長用光譜分析儀80測定時可能得出其它值，例如適當?shù)牡谌壔虻谒募壸V線。測定出的校準線與實際校準線之間的誤差由DSP 94計算出來，用來校正1550納米的光測試信號。光測試信號的校準誤差計算和校正由DSP94自動進行，光譜分析儀的用戶可以看得很清楚。
RAM存儲器96中處理過的數(shù)字值通過系統(tǒng)總線100中的串行數(shù)據(jù)線耦合到基礎(chǔ)部分84中的控制器104。控制器104對各數(shù)字值進一步處理并將數(shù)據(jù)格式化，以便顯示在顯示器106上。
上述光譜分析儀是用圖1的光學系統(tǒng)說明的。光譜分析儀同樣也可以用圖2的光學系統(tǒng)說明。此外，光譜分析模塊可以通過除去多路復用器、采用獨立的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換光接收器的輸出進行修改。另外，光譜分析模塊和基礎(chǔ)部分可結(jié)合成一個組件，DSP功能和基礎(chǔ)部分功能由單一的控制器進行。
上面說明了一個同時檢測光測試信號和光校準信號的光學系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)包括至少一個具有光軸和焦平面的第一準直光學元件。準直光學元件的焦平面上配有一個具有第一和第二光纖對的光纖陣列。光纖陣列的中心軸與準直光學元件的光軸處在同一條直線上。光纖對具有輸入光纖和輸出光纖，各光纖對的輸入和輸出光纖以中心軸對稱配置。光學系統(tǒng)的第一級光譜范圍供測定寬帶光測試信號，光學系統(tǒng)的光校準元件產(chǎn)生第二級譜線處在光學系統(tǒng)光譜范圍內(nèi)的光校準信號。輸入光纖接收光測試信號和光校準信號并向準直光學元件發(fā)射相應(yīng)的光信號。光測試信號和光校準信號沿兩條分開的通過光學系統(tǒng)的光路傳播。光測試信號和光校準信號從準直光學元件直接反射到衍射光柵上。起調(diào)諧作用的衍射光柵將光測試信號的分量與光校準信號的譜線分開，并將調(diào)諧過的信號衍射到準直光學元件上。光測試信號的經(jīng)調(diào)諧的光譜分量和光校準線聚焦到光纖陣列中的輸出光纖上。光測試信號的光纖將光測試信號經(jīng)調(diào)諧的光譜分量耦合到一個測試信號檢測器上，光校準光纖將經(jīng)調(diào)諧的光校準線耦合到校準信號檢測器上。光測試信號檢測器對測試信號的第一級光分量敏感，對光校準信號的第二級或以上的校準線不太敏感。校準信號檢測器對光校準信號的第二級或以上的光校準線敏感，對光測試信號的第一級光譜分量不太敏感。光檢測器將各光測試信號和光校準信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種光學系統(tǒng)可用在光譜分析儀中以同時校準該分析儀。
上面說明了可用在光譜分析儀中以同時檢測光測試信號和光校準信號的光學系統(tǒng)。本技術(shù)領(lǐng)域的行家們在閱讀了上述說明之后都知道可以對本發(fā)明進行種種更改和修改。不言而喻，以上所舉的一些具體實施例僅僅是舉例說明，沒有限制本發(fā)明的意思。談?wù)撘恍┚唧w實施例的細節(jié)并非旨在限制所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1．一種光學系統(tǒng)，具有限定的第一級光譜范圍，供同時檢測光校準信號和受測試的光信號，其特征在于包括準直光學元件，具有一個光軸和一個焦平面，供接收光校準信號和受測試的光信號；一個光纖陣列，其中心軸與準直光學元件的光軸處在同一條直線上，其第一和第二對光纖配置在準直光學元件的焦平面上，各對光纖具有一個輸入光纖和一個輸出光纖，各對光纖的輸入和輸出光纖對稱配置在中心軸的任一邊，第一對光纖的輸入光纖連接成使其接收受測試的光信號；一個光源，與第二對光纖的輸入光纖連接，產(chǎn)生具有處在光學系統(tǒng)第一級光譜范圍內(nèi)的第二級或以上譜線的光校準信號；一個光調(diào)諧元件，接收準直光學元件來的光校準信號和受測試的光信號，供在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，從而將受測試光信號的各光譜分量分開，并傳送光校準信號的第二級或以上的譜線；第一光檢測器，與第一對光纖的輸出光纖連接，對受測試光信號的光譜分量敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感；和第二光檢測器，與第二對光纖的輸出光纖連接，對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試光信號的光譜分量不太敏感。
2．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述準直光學元件是拋物面鏡。
3．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述準直光學元件是球面鏡。
4．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖陣列還包括一個V形槽部件，其中形成有大致呈V形的溝道，等間距平行地處在V形部件中心軸的任一邊。
5．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是一光信號發(fā)生器，按原子型的能級躍遷產(chǎn)生光譜輸出。
6．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是一光信號發(fā)生器，按分子型的能級躍遷產(chǎn)生光譜輸出。
7．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是汞氬放電燈。
8．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光調(diào)諧元件是衍射光柵。
9．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs PIN光電二極管。
10．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs雪崩光電二極管。
11．如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光接收器中的光檢測器是硅光電二極管。
12．一種光學系統(tǒng)，具有限定的第一級光譜范圍，供同時檢測光校準信號和受測試的光信號，其特征在于包括第一和第二準直光學元件，各準直光學元件具有一個光軸和一個焦平面，第一準直光學元件接收光校準信號和受測試的光信號；第一和第二光纖陣列，各光纖陣列具有一個中心軸，第一光纖陣列固定第一和第二對光纖的輸入光纖，使其平行于中心軸，且處在第一準直光學元件的焦平面上，第二光纖陣列固定兩光纖對的輸出光纖，使其平行于中心軸，且處在第二準直光學元件的焦平面上，第一對光纖的輸入光纖連接成使其接收測試的光信號；一個光源，與第二對光纖的輸入光纖連接，產(chǎn)生具有處在光學系統(tǒng)光譜范圍內(nèi)的第二級或以上譜級的光校準信號；一個光調(diào)諧元件，接收第二準直光學元件來的光校準信號和受測試的光信號，供在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，從而將受測試信號的各光譜分量分開，并傳送光校準信號的第二級或以上的譜線；第一光檢測器，與第一對光纖的輸出光纖連接，對受測試光信號的光譜分量敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感；和第二光檢測器，與第二對光纖的輸出光纖連接，對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試光信號的光譜分量不太敏感。
13．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二準直光學元件為拋物面鏡。
14．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二準直光學元件為球面鏡。
15．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二光纖陣列還包括一個V形槽部件，其中形成有大致呈V形的溝道，平行于V形部件的中心軸。
16．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是光信號發(fā)生器，按原子型能級躍遷產(chǎn)生光譜輸出。
17．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是光信號發(fā)生器，按分子型能級躍遷產(chǎn)生光譜輸出。
18．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是汞氬放電燈。
19．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光調(diào)諧元件是衍射光柵。
20．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs PIN光電二極管。
21．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs雪崩光電二極管。
22．如權(quán)利要求12所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光接收器中的光檢測器是硅光電二極管。
23．一種光譜分析儀，具有限定的光譜范圍和一個供同時檢測光校準信號和受測試的寬帶光信號，供測定并顯示受測試光信號的光譜分量，其特征在于包括準直光學元件，具有一個光軸和一個焦平面，供接收光校準信號和受測試的光信號；一個光纖陣列，其中心軸與準直光學元件的光軸處在同一條直線上，其第一和第二對光纖配置在準直光學元件的焦平面上，各對光纖具有一個輸入光纖和一個輸出光纖，各對光纖的輸入和輸出光纖對稱配置在中心軸的任一邊，第一對光纖的輸入光纖連接成使其接收受測試的光信號；一個光源，與第二對光纖的輸入光纖連接，產(chǎn)生具有處在光學系統(tǒng)第一級光譜范圍內(nèi)的第二級或以上譜線的光校準信號；一個光調(diào)諧元件，接收準直光學元件來的光校準信號和受測試的光信號，供在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，從而將受測試光信號的各光譜分量分開，并傳送光校準信號的第二級或以上的譜線；第一光接收器，具有一個光檢測器，與第一對光纖的輸出光纖連接，對受測試光信號的光譜分量敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感，供產(chǎn)生表示受測試光信號光譜分量的電信號；第二光接收器，具有一個光檢測器，與第二對光纖的輸出光纖連接，對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試光信號的光譜分量不太敏感，供產(chǎn)生表示光校準信號的第二級或以上譜線的電信號；電信號轉(zhuǎn)換器件，供將光接收器來的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；和處理器件，供處理數(shù)字值，以便從表示光校準信號譜線的數(shù)字值產(chǎn)生校準誤差，并將誤差值加到表示受測試光信號的光譜分量的數(shù)字值上。
24．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述光源用于產(chǎn)生725納米至825納米范圍的第二級或以上的譜線。
25．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述光源是汞氬放電燈。
26．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs PIN光電二極管。
27．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述第一光接收器中的光檢測器是InGaAs雪崩光電二極管。
28．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述第二光接收器中的光檢測器是硅光電二極管。
29．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述光調(diào)諧元件是衍射光柵。
30．如權(quán)利要求28所述的光譜分析儀，其特征在于，它還包括一個在1450納米至1650納米的在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧衍射光柵的衍射光柵調(diào)諧電機。
31．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述電信號轉(zhuǎn)換器件包括一個多路復用器，連接成使其接收來自第一和第二光接收器的電信號；一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，交替接收來自第一和第二光接收器的電信號。
32．如權(quán)利要求23所述的光譜分析儀，其特征在于，所述處理器件包括一個數(shù)字信號處理器。
33．一種在光譜分析儀中同時檢測光校準信號和受測試光信號的方法，所述光譜分析儀有一個具有限定的第一級光譜范圍的光學系統(tǒng)，且包括準直光學元件、產(chǎn)生光校準信號的光信號校準源、受測試光信號輸入端、光校準信號輸入端、光調(diào)諧元件以及第一和第二光檢測器，所述方法的特征在于，它包括下列步驟a)將光校準信號和受測試的光信號同時射入所述光學系統(tǒng)中，其中光校準信號具有處在光學系統(tǒng)范圍內(nèi)的第二級或以上的譜線；和b)用第一光檢測器和第二光檢測器同時檢測光校準信號和受測試的光信號，其中第一光檢測器對受測試的光信號敏感，對光校準信號的第二級或以上的譜線不太敏感，第二光檢測器對光校準信號的第二級或以上的譜線敏感，對受測試的光信號不太敏感。
34．如權(quán)利要求33所述的在光譜分析儀中同時檢測光校準信號和受測試光信號的方法，其特征在于，它還包括在第一級光譜范圍內(nèi)調(diào)諧光學系統(tǒng)，從而將光校準信號和受測試光信號的各光譜分量分離開來的步驟。
35．如權(quán)利要求33所述的在光譜分析儀中同時檢測光校準信號和受測試光信號的方法，其特征在于，所述同時檢測步驟還包括同時將光校準信號和受測試的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的步驟。
全文摘要
一種光學系統(tǒng),通過光隔離的光路將光信號耦合到分立的光檢測器上,以對光譜分析儀中的校準信號和測試信號一起進行檢測。成對的光纖對稱設(shè)在光軸任一邊,供與一邊的輸入光纖和另一邊的輸出光纖準直的光學元件之用。輸入光纖分別接收校準信號和測試信號,輸出光纖與各檢測器連接。光校準源產(chǎn)生處在光學系統(tǒng)第一級光譜范圍內(nèi)的第二級或以上的譜線。衍射光柵將測試信號的第一級光譜分量傳送給一個檢測器,將校準信號的第二級或以上的譜線從準直光學元件傳送給另一檢測器。對來自檢測器的電信號數(shù)字化并進行處理,獲得校正誤差,以用于校正由光譜分析儀顯示的測試信號。
文檔編號G01J3/36GK1318742SQ0110475
公開日2001年10月24日 申請日期2001年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月21日
發(fā)明者D·R·安德森 申請人:特克特朗尼克公司