專利名稱：用于測量強度調制光信號之間相位差的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量強度調制光信號之間相位差，尤其是，但不是唯一地，用于測定色度色散、偏振模式色散、長度/距離變化等的方法和設備。
相移測量技術包括在一規(guī)定的足夠高頻率下，對CD測量通常是在至少10MHz下，用一正弦調制信號調制從一個光源(或從許多光源)發(fā)出的光強度。這個或每個所產生的強度調制光信號通常都具有一個主博里葉分量。該光信號經過一個光路，用一光接收器檢測并轉變成電信號。當經過光路時，光信號被延遲，并因此，在到達檢測器時，相對于一基準具有一個相位差。在處理以后的檢測期間，所產生的電信號也將經歷相對于該基準的附加延遲。
該基準可以從用來調制光源的電信號—通常是從電子振蕩器導出，或是由第二光信號(來自同一基準振蕩器的調制)產生的電信號導出，該第二光信號經過一個不同的光路，并已由一個第二光接收器檢測。時間差通過用電子相位檢測器測定兩個電信號之間的相位差得到。
在這種已知的測量方法中，時間間隔或相位差用光接收器在電的范籌內測量，該光接收器檢測調制光，并將光信號轉變成待測電信號。基準(發(fā)自基準振蕩器或第二光接收器)和待測信號不沿著同一電路而行(不同的路線長度、不同的增益、不同的濾波器……)，并且在電的范籌內感生的延遲難以控制和校準，并且不直接涉及光延遲。在高頻下，電子系統(tǒng)中的相位尤其難以穩(wěn)定、控制或校準。因此，電子相位誤差給調制光信號相移的測量增加了不確定性。
由于只須測定電信號的相對振幅，所以可以避免在測量脈沖到達時間或電相位測量中的固有誤差。
按照本發(fā)明的第一方面，測量在同一高頻下強度調制的至少兩個光信號之間相位差的方法包括以下步驟單獨和組合式地按順序選擇兩個光信號，以便產生多個選定的光信號；從選定的光信號得到在調制頻率下并具有一系列相應于不同光信號選擇的不同振幅的相應電信號；和測定所述不同的振幅；及利用振幅和相位差之間的三角關系，從測得的振幅計算第一和第二光信號調制之間的相位差。
對于色度色散測量，該方法可以包括以下步驟改變兩個光信號其中之一或二者的波長；測量在多個選定的波長的每一個波長處的相位差；及從所獲得的多個相位差和波長測量得到色度色散。
對于與偏振態(tài)有關的群延遲測量，該方法可以包括以下步驟改變兩個光信號其中之一的偏振態(tài)；和測量多個不同偏振態(tài)中的每個偏振態(tài)的相位差。
對于伸長測量，該方法可以包括以下步驟改變一個元件在兩個光信號其中之一所采取的傳播路線中的有效光程長度；和測量多個光程長度中每個光程長度的相位差。
兩個光信號可以通過將從一個光源發(fā)出的強度調制光分裂產生，并沿著不同的傳播路線射出?？晒┻x擇地，光信號可以來自兩個或多個不同的光源。光源可以響應來源于基準振蕩器的電調制信號提供強度調制。在使用多個光源的情況下，它們可以用一個信號基準振蕩器控制，該基準振蕩器可以提供幾個鎖相在一起的電信號。還有另一個方案是使由一個或多個光源產生的光信號通過一外部光強調制器。
一個光信號的一部分可以經一第三路線傳播，產生一個第三強度調制光信號，該第三強度調制光信號具有在相同高頻下的調制，和一個已知的相對于其它光信號其中之一的相對傳播延遲，優(yōu)選的是在調制頻率下約為90°。因而上述多個選定的光信號還可以包括第三光信號，該第三光信號單獨選定和/或與第一和第二光信號其中之一或二者組合式選定。
按照本發(fā)明的第二方面，用于測量強度調制光信號之間相位差的設備包括用于提供第一光信號和第二光信號的裝置，該第一和第二光信號具有相同的高頻調制；用于單獨或組合式按順序選擇第一和第二光信號的選擇裝置；用于從選定的光信號導出相應電信號的裝置，該電信號具有一系列相應于不同選擇的不同振幅；用于測定振幅的裝置；和用于利用振幅和相位之間的三角關系，從振幅計算第一和第二光信號之間相位差的裝置。
下面將參照附圖僅以舉例的方式說明本發(fā)明的一些實施例。
附圖簡介

圖1是用于測量在相同高頻下強度調制的光信號之間相位差的設備示意圖。
圖2示出一種改進的相位差測量設備；圖3是用圖1的相位差測量設備測量色度色散的設備示意方框圖；和圖4是可供選擇的光源配置詳圖；
本發(fā)明的各實施例只測量用相同的高頻調制信號調制的一些光信號的調制振幅，并根據三角關系進行一系列計算，以便從不同的振幅測量中求出光學信號之間相位差的大小。由于調制頻率是已知的(例如100MHz)，所以可以把相位差轉換成時間差或相對群延遲。本發(fā)明的另一些實施例測量相位差/相對群延遲方面的變化，以便確定，例如，色度色散、偏振模式色散、伸長，等。
首先將說明測量相位差的基本方法。參見圖1，要對其間的相位差進行測量的強度調制光信號S1和S2，分別通過光路P1和P2輸送到選擇裝置12的輸入口20/1和20/2上。光信號S1和S2用一個或多個光源(圖1中未示出)輸送，該光源可以是設備的一部分或者可以是分開的。在無論哪一種情況下，光信號S1和S2都可以用任何合適的裝置，如光波導，例如光纖、或自由空間耦合，引入輸入口20/1和20/2。當接收時，信號S1的調制具有振幅A01和相位φ1，而信號S2的調制具有振幅A02和相位φ2。選擇裝置12分別接收光信號S1和S2，選擇兩個光信號S1和S2的不同置換并把這些選擇加到光檢測器14上，該光檢測器14把它們轉換成相應的電信號，并把該電信號提供給信號調節(jié)裝置16，在該信號調節(jié)裝置16處，將電信號放大和濾波，以便檢測高頻調制，該高頻調制的峰間幅度隨不同的置換選擇而改變。信號調節(jié)裝置16將提取出的高頻調制信號轉變成一個變動的直流(dc)信號，測量它的不同振幅并產生相應的數字值。將數字化的振幅值輸送到控制和計算裝置18上，該控制和計算裝置18可以是集成式微型計算機或個人計算機。以后面所述的方式，控制和計算裝置18利用振幅來分別計算信號S1和S2的調制之間相位差φ＝φ1-φ2?？刂坪陀嬎阊b置18還控制選擇裝置12和信號調節(jié)裝置16，以便使振幅測量和光信號選擇同步。
在選擇裝置12內，光信號S1和S2分別通過光路P1和P2的分開部分。為方便起見，在兩個光路中的相似元件具有同樣的標號，但帶有適當的附標/1或/2。這樣，在選擇裝置12中，輸入口20/1和20/2分別利用光纖22/1和22/2耦合到準直器24/1和24/2上，該準直器24/1和24/2設置在可旋轉的開槽輪26的一側。設置在開槽輪26另一側的兩個準直器28/1和28/2，分別與準直器24/1和24/2配準，因此，如果開槽輪26多個槽的其中之一插在無論是準直器24/1和28/1之間或者準直器24/2和28/2之間，則光信號S1和S2其中相應的一個將通過，分別經由兩個光纖30/1和30/2其中對應的一個到達組合器32。組合器32把光信號，或者如果兩個光信號都通過的話把光信號的組合，在光路34(該光路34可以是光纖或空氣)輸送到光檢測器14上。
開槽輪26中的各槽如此設置，以便在不同的旋轉角下，選擇光束S1和S2的不同置換來通過開槽輪26。選擇順序包括單獨信號S1、單獨信號S2、信號S1和S2一起、及信號S1和S2都沒有這樣一組選擇。
開槽輪26在控制和計算裝置18的控制下，通過一個驅動裝置36連續(xù)旋轉，因此選擇順序可以重復許多次?？刂坪陀嬎阊b置16計算并存儲每組選擇的相位差φ并可以取平均值，以便得到平均相位差φav。
現在將說明其中控制和計算裝置18從振幅A01和A02(及組合信號的振幅)計算相位差φ的方法。
在到達光檢測器14時，光路P1中的信號S1具有強度調制對應于其主傅里葉分量的最大振幅為A01和相位為φ1，該強度調制可以寫成
A1＝A01Sin(2πfmodt+φ1)式中，fmod是調制頻率。同樣，對光路P2中的信號S2；A2＝A02Sin(2πfmodt+φ2)組合器32將來自光纖30/1和30/2二者的光組合，以便產生一個組合的信號，該組合信號的振幅可以寫成A＝A1+A2＝A12Sin(2πfmodt+φ0)轉變成電信號之后，信號調節(jié)裝置16按時測量相應于旋轉輪26不同槽選擇的電信號的振幅。振幅的開始測量將包括儀器調整偏差。利用在光檢測器14上沒有光的情況下，亦即，在開槽輪26擋住準直器24/1和24/2與它們的配對物28/1和28/2之間的通路以致沒有信號通過的情況下，進行測量，來消除這種調整偏差，以便傳送到計算裝置18上的測量包括調制振幅A12、A01和A02，該調制振幅A12、A01和A02分別相應于選擇信號S1和S2二者、單獨信號S1，和單獨信號S2?？刂坪陀嬎阊b置18將它們處理如下因為A12＝[A012+A022+2A01A02cos(φ1-φ2)]1/2則cos(φ1-φ2)＝[A122-A012-A022]/(2A01A02)并且相位差φ＝(φ1-φ2)＝arc cos[(A122-A012-A022/(2A01A02)]常常，相位差φ將不是所考慮的變量。在許多應用中，更有用的是知道等效的時間差或相對群延遲。由于調制頻率fmod是已知的，所以時間差/相對群延遲可以從相位差計算出來。
在理論上，這些測量用于得到相位差(及因此時間差)是足夠的，并且對于相位差接近90°這一般是適用的。然而，實際上，當相位差接近于零(或者π弧度的整數倍)時，該結果對振幅測量中的微小誤差很敏感。因此，優(yōu)選的是增加一第三光信號并因此有助于更大數量的選擇。通過將一個分光器和另一對準直器加到選擇裝置12上，同時增加開槽輪中的槽數目，和對控制和計算裝置18中的軟件作相應修改以便供附加的選擇用，就可以做到這點。
如圖2所示，這種改進的選擇裝置12包括一個分光器38，設置在可旋轉開槽輪26一側上的第一組三個準直器24/1、24/2和24/3，及設置在開槽輪26另一側上的第二組三個準直器28/1、28/2和28/3。準直器28/1、28/2和28/3的輸出，如前所述，通過光纖30/1、30/2和30/3輸送到組合器32上，該組合器32將信號轉送到光檢測器14上。將從光檢測器14出來的相應的組合電信號轉送到信號調節(jié)裝置16，用于放大、濾波、振幅檢測和數字化，上述操作采用常規(guī)技術，此處無需詳細說明。
將改進的選擇裝置12的輸入口20/2，如前所述，通過一段光纖22/2，直接耦合到第二準直器24/2上。然而，光纖22/1把準直器24/1連接到分光器38的輸出口40上，該分光器38具有它的輸入口42，輸入口42通過光纖44連接到選擇裝置12的輸入口20/1上。分光器38的第二輸出口46通過光纖22/3連接到第三準直器24/3上。分光器38把從光纖44出來的光分裂成兩個光信號S1和S3。信號S1沿著光路P1傳播，該光路P1現在還包括分光器38和光纖44。信號S3沿著光路P3傳播，該光路P3包括光纖44、分光器38、光纖22/3、準直器24/3和28/3及它們之間的空氣間隙、光纖30/3、及組合器32。
光路P3比光路P1長的量，足以在調制信號的頻率下產生約90°的相移。準直器28/1、28/2和28/3接收成不同組合的準直光，這些不同的組合由開槽輪26中的槽來決定，當然，該開槽輪26將具有不同的槽圖案，因為現在在各種不同置換中有三個待選擇的光信號S1、S2和S3。準直器28/1、28/2和28/3分別通過光纖30/1、30/2和30/3將不同的選擇傳送到組合器32，組合器32將它們組合，并把組合后的光輸送到光檢測器14。優(yōu)選的是，組合器32是一組三個準直器，每個光纖用一個準直器，捆扎在一起，并且后面有合適的透鏡。可供選擇地，組合器32可以是一組具有合適耦合比的熔接式光纖光耦合器。
因此，在這種情況下，穿過選擇裝置12的光學部分有三個光路P1、P2和P3。第一光路P1構成裝置的0°基準光路，而具有較長光程長度的第三光路P3包括一個90°基準光路。這兩個光路之間的光程差等于Δ/=C(4N+1)4nfmod]]>式中△/是光程長度差，C是真空中的光速，N是0和∞之間的整數，n是光纖22/3纖芯的折射指數和fmod是光的高調制頻率。即使光程長度是這樣，以致當重新組合時，在兩個光路P1和P3中的調制光信號沒有正好90°的相位差，這個相位差也如前所述可以測量并供計算用。第二光路P2載運從光纖輸入口20/2出來的光信號。
現在對通過開槽輪26的光束有八種可能的組合，亦即(i)單獨信號S1；(ii)單獨信號S2；(iii)單獨信號S3；(iv)信號S1+信號S2；(v)信號S1+信號S3；(vi)信號S2+信號S3；(vii)三個信號都沒有；和(viii)所有三個信號S1、S2和S3。為方便起見，組合(viii)不用，因此開槽輪26在低頻(通常傾向于幾百赫茲)下，通過前七種可能的組合(i)-(vii)重復循環(huán)。
光檢測裝置14檢測從組合器32出來的組合光信號，并產生一個電信號。信號調節(jié)裝置16將電信號放大和濾波，并對每種由開槽輪26作出的選擇測量一個與峰間調制振幅成比例的信號。信號調節(jié)裝置16將振幅數字化，并將這些值傳送到計算裝置18，計算裝置18計算相位或相對群延遲數據?？刂坪陀嬎阊b置18如此控制開槽輪26，以使振幅測量對應于開槽輪26的不同位置。在這種情況下，并假定光路P3比光路P1長，形成一個90°相位，則用于計算相位差φ＝φ1-φ2的方法如下信號選擇單獨S1、單獨S2、信號S1+信號S2、及沒有信號，得到如前面參照圖1所述的相同結果。若用單獨信號S2、單獨信號S3、和信號S2+信號S3，則我們得到另一種等效關系；cos(φ2-φ3)＝(A232-A022-A032)/(2A02A03)和，由于φ1和φ3之間的90°關系；sin(φ1-φ2)＝(A232-A022-A032)/(2A02A03)和，最后
φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}或更完整地，以弧度φ1-φ2＝arg{[(A122-A012-A022)/(2A01A02)]+i[(A232-A022-A032)/(2A02A03)]}應該理解，如果光路P3比光路P1短，也產生90°的相移，可以進行類似的計算，但正弦函數的符號改變，亦即，是負的。
盡管使用第三光路P3要求這種稍微更復雜的開關方案，但有利的是它使整個過程對測量誤差不太敏感。為了還要更完全和自動較正，假如光路1和3之間的相位差不是正好90°，則可以測量信號S1+信號S3的振幅，并相應地修正上述方程，利用附加的光路，該附加的光路具有實際長度增加量等于在高調制頻率下相移90°，其優(yōu)點是，使得相位差，和因此使群延遲，能在2π弧度(整個循環(huán))范圍內測量，而不是在兩光路方法情況下只在π弧度范圍內測量。
利用上述相位差測量方法中的無論哪種方法，通常優(yōu)選的是，通過在比高頻強度調制低得多的頻率下重復選擇順序，重復相位差測量許多次。然后可以對許多循環(huán)計算平均相位差，以便得到更精確的值。低頻循環(huán)越快，排除所謂的1/f噪音，亦即，與任何兩個振幅測量之間的時間差有關的噪音，更好；這個時間越短，則1/f噪音效應越低。
如前所述，上述用于測量強度調制光信號之間相位差的裝置和方法中的任何一種，都可以用于許多應用中。圖3示出應用于測量被測器件(DUT)或被測光纖(FUT)50中的色度色散，該DUT或FUT 50在一端連接到多波長光源裝置54的輸出口52上，而在另一端連接到分光器58的輸入口56上。分光器58的一個輸出口60通過光纖62直接耦合到相位差測量裝置10的輸入口20/1上，并向其輸送強度調制光信號S1。分光器58的第二輸出口64通過光纖66耦合到可調濾光器68上，該濾光器68由控制和計算裝置18控制?？烧{濾光器68的輸出口70通過光纖72耦合到相位差測量裝置10的輸入口20/2上，并給其輸送強度調制光信號S2。優(yōu)選的是，分光器58是一個分復用濾光器(drop filter)，但可用一光學寬帶3dB熔接式光纖光耦合器，或者具有不同耦合比的另一種耦合器代替。
假定第一光路P1具有一第一傳輸參數值，亦即波長λ1，并且沿著它通過的信號到達光檢測器14，該信號具有第一群延遲t1，和假定第二光路P2具有一第二傳輸參數值λ2，和相應的信號在到達光檢測器14時具有一第二群延遲t2，則相應測得的相位差φ1-φ2與群延遲差t1-t2成正比。應該理解，每條光路都是從光源延伸到光檢測器14。
在操作時，控制和計算裝置18控制可調濾光器68，以便選擇多個不同的用于光信號S2的波長，并對每個由可調濾光器68選定的不同波長計算φ1-φ2值，并利用該數據來計算DUT/FUT 50的色度色散。
光源裝置54提供具有至少兩個波長的光，為了測量色度色散，這是必要的。光的強度(亦即，光功率)用一從振蕩器74發(fā)出的高頻電子信號在高頻下調制，該振蕩器74，例如，調制輸送到光學上寬帶發(fā)光二極管76上的電流。然而，可供選擇地，如圖4所示，調制可以用一外部的、例如電光調制器或聲光調制器78進行，該調制器78由振蕩器74控制。這些提供調制的可供選擇的方法也可應用于單個光源。
調制后的光沿著/穿過DUT/FUT 50傳播。高頻強度調制以一個速度傳播，該速度通常視光波長和輸入光偏振而定。為了確定色度色散，測量不同光波長下調制之間的傳播時間差。為了測量正確值，必須用例如，一個非偏振源，對偏振效應進行平均、校正或補償。
分光器58以一種預定的方式將從DUT/FUT 50出來的光分光，以便提供光信號S1和S2。光信號S1具有一固定的中心波長和固定的光學半高全寬度，通過光纖62直接輸送到測量裝置10的第一輸入口20/1，亦即，其波長沒有改變，并用作基準。其余的光信號經過光纖66傳送到可調濾光器68。可調濾光器由控制和計算裝置18控制，以便在光信號S2通過光纖72輸送到測量裝置10的第二輸入口20/2之前，改變光信號S2的波長。在光源76是一種光學上寬帶發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)的情況下，可調濾光器68可以是一種薄膜干涉濾光片、光柵單色器、聲光濾光器或其它可選擇不同波長的器件。
應該注意，DUT/FUT 50可以安放在組合器32和光檢測器14之間，亦即，可以在DUT/FUT 50的入口端處進行濾光、分光、修改、切換(轉換)和重新組合。濾光可以在光源和光檢測器之間的任何地方進行?；鶞使饪梢酝ㄟ^或者不通過DUT-FUT。
測量裝置10的輸出，是一種代表一序列不同振幅測量的數字化信號，它被輸送到一個控制和計算裝置18，該控制和計算裝置18，如前所述，計算在由可調濾光器68所設定的波長處的相位差φ?？刂坪陀嬎阊b置18把相位差值和可調濾光器68的中心波長值一起，存儲在例如計算機存儲器(未示出)中。然后控制和計算裝置18改變可調濾光器68的中心波長，重復測量新波長的相位差，并存儲新波長的相位差值。對可調濾光器68的許多中心波長重復這個過程，同時控制和計算裝置18計算和存儲每次的時間延遲差和波長數據。當積累了充足的數據時，控制和計算裝置18利用存儲的時間延遲數據和波長數據，按用戶限定的方法或按任何標準化方法(纖維光學測試程序(FOTP)169、FOTP 175)，計算色度色散。用于從時間延遲數據和波長數據計算色度色散的方法在本技術領域中是眾所周知的，因此此處將不再說明。
應該理解，相位差測量可以用如上所述的改進測量裝置10(圖2)和相關的方法進行。
應該注意，調制頻率通常將高于10MHz，以便它具有一個周期，該周期短到足夠精密地測量色度色散，此外該周期還要長到足以持續(xù)至少如待測的最長時間差那樣長。另外，它必需比開槽輪26中每個槽跨過光路所花的時間短得多。
還應該理解，多波長光源76和可調濾光器68可以用一個窄帶可調光源(和合適的基準光源)代替，該窄帶可調光源由控制和計算裝置18控制。
還應該理解，色度色散可以通過在施加到選擇裝置12的輸入口20/1和20/2之前改變兩個信號的波長進行測量。
本發(fā)明不限于測量色度色散，而是可用于各種其它的應用。例如，它可以用來測量偏振模式色散。如果各光路之間的差別僅是光路長度，則它可用來測量光路長度差。
上述相位差測量方案，可用來測量已通過DUT或FUT的不同偏振狀態(tài)的高頻調制光信號之間的相對時間延遲。在多個測量波長處，記錄對應于所有偏振狀態(tài)其最大相對時間延遲以及所對應的波長。
該設備可在許多方面與圖3所示的色度色散測量設備相同。高頻強度調制多波長非偏振光源耦合到DUT/FUT中。在DUT/FUT輸出端處，分光器58提出一個集中在一特定波長上的非偏振光部分。這是施加到選擇裝置12(在測量裝置10中)的口20/1上的基準信號S1。其余的光進入低偏振相關損耗(PDL)可調單色器(亦即可調濾光器68)上。其差別在于在可調濾光單色器68之后，有一個偏振控制器80(在圖3中用虛線示出)，該偏振控制器80包括每個偏振態(tài)(SOP)，后面是一個偏振器82(也用虛線示出)。改變這個光路中選定的SOP，以便找出相對于基準信號S1的最小和最大的相移。計算這些最小和最大相移之間的差值，然后與波長一起存儲。對另一些波長重復該方法。這些在多個波長處測得的相移差(或群延遲差)代表作為波長的函數的微分群延遲(DGD)(群延遲的最大差等于低PDL條件下的DGD，但對大的PDLs(＞1dB)則不是如此)。這個數據可以被處理，以便在測量波長范圍內，計算DGD平均值或均方根(rms)，或者按照標準化方法(例如FOTP 122)計算其它的偏振模式色散(PMD)統(tǒng)計值。
為了測量光路長度差，在光路2中引入一個變化的光路長度，可以例如，通過拉伸被測光纖產生。因為只需要一個波長，所以可調濾光器68可以省去，并且光源可以不必是寬帶的。另外，分光器58不必是一種引出濾光器。群延遲差測量可以按時重復進行。這些重復測量表明DUT或FUT的伸長或壓縮。
應該注意，本發(fā)明包括裝備有合適的控制接口和用戶軟件的設備，供與一分開的個人計算機一起使用。
工業(yè)應用性本發(fā)明各實施例的優(yōu)點是，在強度調制光信號之間的相位差，可以通過只測量振幅來確定，這避免了在用于測量脈沖到達時間或電相移技術中固有的困難。更具體地說，由光檢測器所產生的調制電信號相位不再予以關注，因而大大減化了檢測方法。
權利要求
1.一種測量在相同調制頻率下調制的至少第一和第二強度調制光信號(S1、S2)之間相位差的方法，其特征在于以下步驟(i)單獨地和然后組合式按順序選擇兩個光信號；(ii)在調制頻率下從選定的光信號導出一個相應的電信號，此電信號具有一系列相應于不同的光信號選擇的不同的振幅，并測定不同的振幅；和(iii)利用振幅和相位角之間的三角關系，從測得的振幅計算第一和第二調制光信號之間的相位差(φ1-φ2)。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于振幅相應于單獨第一光信號(S1)和第二光信號(S2)其中的每一個，及第一和第二光信號的總和。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于振幅相應于沒有選定的光信號(S1、S2)中的任一個，并且用此振幅值來進行偏置校正。
4.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在第一光信號(S1)具有這樣的強度調制振幅A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里葉分量的最大振幅和φ1是主傅里葉分量的相位，第二光信號(S2)具有這樣的強度調制振幅A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里葉分量的最大振幅和φ2是主傅里葉分量的相位，及式中fmod是調制頻率，并且組合的信號具有振幅A＝A1+A2＝A12sin(2πfmodt+φ0)的情況下，控制和計算裝置(18)計算相位差(φ)為φ＝φ1-φ2＝arccos[(A122-A012-A022/(2A01A02)]。
5.按照權利要求1所述的方法，其特征還在于以下附加的步驟(iv)提供一個在上述高頻下強度調制的第三光信號(S3)，該第三光信號調制相對于第一和第二光信號中任一個都具有一預定的相位差；和(v)單獨選擇第三光信號及選擇第三光信號與第一和第二光信號中任一或二者組合，以便產生一個附加的光信號選擇，使得上述相應的電信號具有相應于附加選擇的附加振幅，并且其中振幅測定步驟也測定該附加振幅，以及計算第一和第二光信號之間相位差的步驟考慮所有三種光信號的振幅和相位之間的三角關系。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于所述振幅相應于單獨的第一、第二和第三光信號中的每一個，第一與第二光信號的總和，第一和第三光信號的總和，以及第二與第三光信號的總和。
7.權利要求6所述的方法，其特征在于所述振幅還相應于所有三個光信號的總和。
8.按照權利要求5、6或7所述的方法，其特征在于在第一光信號(S1)具有這樣的振幅強度調制A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里葉分量的最大振幅和φ1是主傅里葉分量的相位，第二光信號(S2)具有這樣的振幅強度調制A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里葉分量的最大振幅和φ2是主傅里葉分量的相位，第三光信號(S3)具有這樣的振幅強度調制A3＝A03sin(2πfmodt+φ3)，式中A03是主傅里葉分量的最大振幅和φ3是主傅里葉分量的相位，及式中fmod是調制頻率，控制和計算裝置(18)計算相位差(φ)為φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}。
9.按照權利要求5、6、7或8所述的方法，其特征在于在上述高頻下，預定的相位差包括約90°。
10.按照權利要求5-9中任一項所述的方法，其特征在于其中一個選擇不選擇上述光信號，并且用相應的振幅測量作為其它振幅測量的偏置校正。
11.按照任何上述權利要求所述的方法，其特征在于第一和第二光信號通過將發(fā)自單一光源的單個強度調制光束分裂來提供，該單一光源由一基準振蕩器控制。
12.按照權利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于第一和第二光信號分別由第一和第二光源提供，上述第一和第二光源由來自一基準振蕩器的鎖相信號控制。
13.按照權利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于第一和第二光信號由一個光源提供并由一光調制器調制。
14.按照權利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于第一和第二光信號分別由第一和第二光源提供，并由一光調制器調制。
15.按照權利要求5所述的方法，其特征在于第三光信號通過將第一和第二強度調制光束其中之一分裂來提供。
16.按照任何上述權利要求所述的方法，其特征還在于以下步驟使強度調制光信號(S1、S2)中之一或二者通過一選定的光學元件(50)；對光信號許多不同光波長的每一個光波長實施相位差測量步驟；以及利用最終產生的波長和許多相位差測量來計算光學元件的色度色散。
17.按照權利要求1-15中任一項所述的方法，其特征在于以下步驟在一特定波長下改變光信號中之一的偏振態(tài)；對許多不同的這種偏振態(tài)中的每一個都實施相位差測量步驟；及利用最終產生的許多相位差測量來計算不同偏振態(tài)的群延遲中最大差值。
18.按照權利要求1-15中任一項所述的方法，其特征在于以下步驟使光信號的其中之一通過光學元件；改變光學元件的有效光程長度；對許多不同光程長度中的每一個實施相位差測量步驟；利用最終產生的許多相位差測量來計算光程長度差。
19.用于測量強度調制光信號之間相位差的設備，包括(i)用于提供第一光信號(S1)和第二光信號(S2)的裝置(54)，上述第一光信號(S1)和第二光信號(S2)二者具有在相同高頻下的強度調制；(ii)選擇裝置(12)，用于單獨和組合式按順序選擇第一和第二光信號(S1、S2)；(iii)裝置(14、16)，用于從選定的光信號導出相應的在調制頻率下的電信號，該電信號具有一系列相應于不同光信號選擇的不同振幅，和用于測定相應于不同的選擇的電信號的振幅；和(iv)裝置(18)，用于控制上述選擇裝置(12)，并利用振幅和相位之間的三角關系，從振幅計算由上述導出裝置(14、16)接收的第一和第二光信號調制之間的相位差(φ1-φ2)。
20.按照權利要求19所述的設備，其特征在于選擇裝置(12)安排成單獨選擇第一信號(S1)和第二信號(S2)中的每一個，以及選擇第一和第二光信號的組合。
21.按照權利要求19所述的設備，其特征在于選擇裝置(12)安排成不選擇任一個光信號(S1、S2)，而控制和計算裝置(18)安排成利用最終產生的振幅值來進行偏置校正。
22.按照權利要求19、20或21所述的設備，其特征在于在第一光信號(S1)具有這樣的強度調制振幅A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里葉分量的最大振幅和φ1是主傅里葉分量的相位，第二光信號(S2)具有這樣的強度調制振幅A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里葉分量的最大振幅和φ2是主傅里葉分量的相位，及式中fmod是調制頻率，并且組合的信號具有振幅A＝A1+A2＝A12sin(2πfmodt+φ0)的情況下，控制和計算裝置(18)安排成計算相位差為φ＝φ1-φ2＝arc cos[(A122-A012-A022/(2A01A02))
23.按照權利要求19所述的設備，其特征還在于包括裝置(38)，用于提供一個具有在上述高頻下調制的強度調制第三光學信號(S3)，和提供一個相對第一和第二光信號中任一個的預定相位差，并且其中選擇裝置(12)安排按順序單獨地選擇第三光信號(S3)以及選擇第三光信號(S3)與第一和第二光信號(S1、S2)中的任何一個和/或二者的組合，以便產生一組附加的光信號選擇，導出裝置(14、16)從附加的光信號選擇導出具有相應的附加振幅的上述電信號，并測定相應于該附加選擇的振幅，而控制和計算裝置(18)，當計算上述相位差時，是可操作的，以便考慮相應于涉及第三光信號的附加選擇的振幅。
24.按照權利要求23所述的設備，其特征在于導出裝置(14、16)包括裝置(16)，該裝置(16)用于測定單獨第一、第二和第三光信號中的每一個，第一和第二光信號的總和，第一和第三光信號的總和，以及第二和第三光信號的總和的振幅。
25.按照權力要求24所述的設備，其特征在于振幅測定裝置(16)還測定相應于所有三個光信號總和的振幅。
26.按照權利要求23、24或25所述的裝置，其特征在于在第一光信號(S1)具有這樣的振幅強度調制Ar＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里葉分量的最大振幅和φ1是主傅里葉分量的相位，第二光信號(S2)具有這樣的振幅強度調制A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里葉分量的最大振幅和φ2是主傅里葉分量的相位，第三光信號(S3)具有這樣的振幅強度調制A3＝A03sin(2πfmodt+φ3)，式中A03是主傅里葉分量的最大振幅和φ3是主傅里葉分量的相位差，以及式中fmod是調制頻率情況下，控制和計算裝置(18)計算相位差為φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}。
27.按照權利要求23、24、25或26所述的設備，其特征在于預定的相位差在上述高頻下基本上是90°。
28.按照權利要求23-27中任一項所述的設備，其特征在于選擇裝置(12)不選擇任何光信號，并且振幅測定裝置(16)測定相應的振幅，并用它作為其它振幅測量的偏置校正。
29.按照權利要求19-28中任一項所述的設備，其特征在于光信號提供裝置(54)包括一個或多個用于提供上述光信號的光源(76)，和用于提供上述調制的裝置(74、78)。
30.按照權利要求28所述的設備，其特征在于調制提供裝置(74)包括基準振蕩器裝置(74)，基準振蕩器裝置(74)用于控制該一個或多個光源，以便調制由其輸出的光。
31.按照權利要求28所述的設備，其特征在于調制提供裝置包括一個光調制器裝置(78)，該光調制器裝置(78)用于調制從上述一個或多個光源輸出的光。
32.按照權利要求19-31中任一項所述的設備，其特征在于包括裝置(38)，用于將第一和第二強度調制光信號(S1、S2)中的任一個分裂，以便產生上述第三光信號(S3)。
33.按照權利要求19-32中任一項所述的設備，適合于使光信號的其中之一或二者穿過一光學元件(50)，其特征在于還包括用于改變第一和第二光信號其中之一或二者的波長的裝置(68)，并且其中導出和測定裝置(14、16)測定上述光信號其中之一的多個波長中每一個的振幅，而控制和計算裝置(18)計算上述多個波長中的每一個波長的相位差，并利用多個波長和相位差，確定上述光學元件的色度色散。
34.按照權利要求19-32中任一項所述的設備，適合于使光信號的其中之一穿過一個光學元件，其特征還在于包括用于在特定波長下改變上述光信號其中之一的偏振態(tài)的裝置(80、82)，其中導出和測定裝置(14、16)及控制和計算裝置(18)可以操作，以便測定上述選定的振幅，并計算上述多個偏振態(tài)中每一個的相位差，控制和計算裝置(18)利用最終產生的多個相位差測量，來確定不同偏振態(tài)的群延遲中的最大差值。
35.按照權利要求19-32中任一項所述的設備，適合于測量光學元件的伸長，光信號的其中之一穿過該光學元件，其特征在于導出和測量裝置(14、16)及控制和計算裝置(18)是可操作的，以便測定上述振幅和計算上述光學元件的多個長度狀態(tài)中的每一個的相位差，并據此計算伸長。
36.供在測量強度調制信號之間相位差中用的設備，包括(i)用于提供第一光信號(S1)和第二光信號(S2)的裝置(54)，該第一和第二光信號(S1、S2)二者具有相同高頻率的強度調制；(ii)選擇裝置(12)，用于單獨及組合式按順序選擇第一和第二光信號(S1、S2)并具有一用于耦合到計算機上的接口；(iii)裝置(14、16)，用于在調制頻率下從選定的光信號導出相應的電信號，此電信號具有一系列相應于不同光信號選擇的不同振幅，測定相應于不同選擇的電信號振幅，并把振幅值輸送到用于耦合到上述計算機上的接口；和(iv)用于給上述計算機編程的軟件，以便控制上述選擇裝置(12)，并利用振幅和相位之間的三角關系，由振幅計算由上述導出裝置(14、16)接收的第一和第二光信號調制之間的相位差(φ1-φ2)。
全文摘要
為了避免在相對群延時測量中測量電相位差或脈沖到達時間時固有的誤差，不同的光信號具有它們在共同的高頻下調制的強度，并選擇不同的置換。檢測相應電信號的振幅，并根據三角關系計算相位差。由于調制頻率已知，所以時間差可以導出。用于測量相位差的設備方便地包括一個開槽輪，該開槽輪通過選定的光信號其中之一或二者?？梢詫⒐庑盘柕钠渲兄环至?，以便產生具有預定相移，比如在調制頻率下約90°，的第三信號，并用三個光學信號一些可能置換的振幅來計算相位差。可以用這些測量來計算色度色散、偏振模式色散、伸長，等。
文檔編號G01M11/00GK1430724SQ01809799
公開日2003年7月16日 申請日期2001年3月30日 優(yōu)先權日2000年3月31日
發(fā)明者F·巴賓, N·西爾 申請人:?？扑垢ル姽夤こ坦?