專(zhuān)利名稱(chēng)：檢測(cè)光信號(hào)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)檢測(cè)器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及能測(cè)量單色光信號(hào)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)檢測(cè)器。具體說(shuō)，本發(fā)明提供的電輸出信號(hào)，是對(duì)輸入光信號(hào)波長(zhǎng)的測(cè)量。本發(fā)明能用于光學(xué)領(lǐng)域、電信領(lǐng)域、和激光光譜領(lǐng)域，且特別適用于確定激光器或光源波長(zhǎng)的光與模擬電子學(xué)復(fù)合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于檢測(cè)、監(jiān)控、和控制激光波長(zhǎng)波長(zhǎng)測(cè)量裝置，正在作為激光光學(xué)系統(tǒng)的組成部件出現(xiàn)。因?yàn)殡娦殴I(yè)、光譜學(xué)、和分析化學(xué)工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到這樣的階段，精確的波長(zhǎng)測(cè)量和控制成為重要的要求，所以對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量裝置的需求正在增長(zhǎng)。電信中密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)和分析化學(xué)中高靈敏度光譜系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)致要求波長(zhǎng)測(cè)量和控制系統(tǒng)快速、精密，提供實(shí)時(shí)的波長(zhǎng)讀出，而又廉價(jià)。
例如，在光電信系統(tǒng)中，如果激光光源工作在波長(zhǎng)間隔為100GHz或更小的DWDM系統(tǒng)中，則激光光源必須保持波長(zhǎng)漂移小于1GHz。這種過(guò)程可以用波長(zhǎng)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)，就是用波長(zhǎng)測(cè)量裝置對(duì)激光器的輸出抽樣，然后給出一個(gè)信號(hào)，用于把激光波長(zhǎng)調(diào)整至正確值并限制激光波長(zhǎng)從該值偏離。此外，波長(zhǎng)測(cè)量裝置還用于把激光波長(zhǎng)從一個(gè)電信信道(ITU信道)精密地切換到另一個(gè)電信信道。在寬的波長(zhǎng)范圍(在1550nm上是40nm)上快速和精密的波長(zhǎng)切換(微秒至納秒的切換時(shí)間)，正在成為DWDM系統(tǒng)一種新的和基本的要求。
在光譜學(xué)和分析化學(xué)中，只要有一種精密和相當(dāng)快速的裝置，能把激光器調(diào)諧至需要的波長(zhǎng)，那么，化學(xué)成分或分子與原子組分的濃度，可以用可調(diào)諧二極管激光器容易地并廉價(jià)地測(cè)量。
從歷史上說(shuō)，已經(jīng)有若干途徑進(jìn)行波長(zhǎng)的測(cè)量。
1.用棱鏡或衍射光柵，使不同波長(zhǎng)沿不同方向色散，每一方向?qū)?yīng)于唯一的波長(zhǎng)。通過(guò)用狹縫和對(duì)光強(qiáng)靈敏的檢測(cè)器，對(duì)這些方向掃描，能夠確定光信號(hào)的波長(zhǎng)特性。
2.另外，可以采用掃描光干涉儀，通常是Michelson干涉儀。通過(guò)改變干涉儀的長(zhǎng)度某一已知量，并對(duì)干涉條紋數(shù)(假定用窄帶光信號(hào))計(jì)數(shù)，可以確定光信號(hào)的波長(zhǎng)為了以極高精度確定光信號(hào)的波長(zhǎng)，這些測(cè)量技術(shù)需要增加校準(zhǔn)測(cè)量A.把未知波長(zhǎng)與一光譜信號(hào)比較；或B.把未知波長(zhǎng)與穩(wěn)定化的激光器信號(hào)比較。
這兩種測(cè)量方法都要求用機(jī)械移動(dòng)-因而頗長(zhǎng)的時(shí)間-進(jìn)行測(cè)量，通常在秒的數(shù)量級(jí)。還有，由于要求有微米尺度的穩(wěn)定機(jī)械精度，所以要求昂貴且龐大的機(jī)械部件。利用這些技術(shù)，通過(guò)精密校準(zhǔn)，能夠獲得優(yōu)于1*10-13米的分辨率，但是，進(jìn)行這樣測(cè)量所需的時(shí)間限制了它們?cè)谠S多應(yīng)用中的使用率。必要的機(jī)械穩(wěn)定性和可重復(fù)性，連同校準(zhǔn)測(cè)量的復(fù)雜性，肯定該種測(cè)量裝置是龐大和昂貴的，限制了它們的使用率。
已經(jīng)發(fā)展了若干方法，部分地解決了一些這樣的問(wèn)題。如果測(cè)量是在特定波長(zhǎng)上對(duì)單色信號(hào)(即與中心頻率比較，帶寬非常小)進(jìn)行的，則可以用介質(zhì)帶通濾波器或Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具代替參考波長(zhǎng)。當(dāng)光信號(hào)以諧振或接近諧振入射介質(zhì)濾波器或Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，透過(guò)濾波器或標(biāo)準(zhǔn)具的透射率(或從之反射的反射率)，由光信號(hào)的波長(zhǎng)及圖1和圖2的介質(zhì)濾波器11a或標(biāo)準(zhǔn)具11b的諧振特性確定。光束加于分束器12上。從分束器出來(lái)的光，直接加于光電二極管13，又在它已經(jīng)透過(guò)濾波器11(或從之反射)之后，加于第二光電二極管14。然后對(duì)兩個(gè)光電二極管的輸出進(jìn)行比較。分束器和光電二極管的使用，消除了光束強(qiáng)度變化產(chǎn)生的任何誤差。因此，透射率(或反射率)的測(cè)量，確定光的波長(zhǎng)，除非相同的透射率(或反射率)能與不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。當(dāng)光源的波長(zhǎng)接近已知波長(zhǎng)，很多時(shí)候是這種情況，那么，確定光的波長(zhǎng)是不成問(wèn)題的。更普遍地說(shuō)，這意味著已經(jīng)確定該波長(zhǎng)是若干值之一。在有單個(gè)透射率峰的介質(zhì)帶通濾波器的情況下，可以確定該波長(zhǎng)是兩個(gè)值之一。在有多個(gè)諧振的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的情況下，可以確定該波長(zhǎng)是多個(gè)值之一。
這些方法能把單色激光光源的波長(zhǎng)鎖定在需要的波長(zhǎng)上。當(dāng)光源的波長(zhǎng)偏離由濾波器或標(biāo)準(zhǔn)具選定的需要的波長(zhǎng)時(shí)，則光透過(guò)濾波器或標(biāo)準(zhǔn)具的透射率，也偏離該兩個(gè)光電二極管輸出所確定的需要的透射率。這一差值被用來(lái)提供誤差校正信號(hào)，能夠用該誤差校正信號(hào)，把激光光源的波長(zhǎng)調(diào)整至正確的值。
如果把帶通介質(zhì)濾波器用于波長(zhǎng)測(cè)量或波長(zhǎng)鎖定，缺點(diǎn)是它工作的波長(zhǎng)范圍有限(通常＜2nm)。這意味著它不能用于諸如可調(diào)諧電信激光器的應(yīng)用，在可調(diào)諧電信激光器應(yīng)用中，寬的波長(zhǎng)可調(diào)諧性是重要的要求。它還有缺點(diǎn)是，波長(zhǎng)分辨率與薄膜鍍層的質(zhì)量有關(guān)，常常發(fā)生波動(dòng)效應(yīng)或標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，這些效應(yīng)限制了能用透射率測(cè)量的精度。
如果把Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具用于波長(zhǎng)測(cè)量或波長(zhǎng)鎖定，它能使波長(zhǎng)的測(cè)量或波長(zhǎng)的鎖定發(fā)生在許多與該Fabry-Perot不同諧振對(duì)應(yīng)的不同波長(zhǎng)上。缺點(diǎn)是，測(cè)量的精度受機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的限制。另一個(gè)缺點(diǎn)是，F(xiàn)abry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具有多個(gè)諧振透射率峰，從而有多個(gè)波長(zhǎng)給出相同的透射率。因此，不能確定測(cè)量的絕對(duì)波長(zhǎng)。用標(biāo)準(zhǔn)具還有一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)波長(zhǎng)位于它兩個(gè)諧振的中點(diǎn)時(shí)，能達(dá)到的測(cè)量精度非常低。對(duì)電信系統(tǒng)，F(xiàn)abry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的尺寸與信道間隔成反比。因此，當(dāng)信道間隔從100GHz切換到50GHz再到25GHz等等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具的大小必須加倍然后再變成四倍，意味著標(biāo)準(zhǔn)具變得越來(lái)越大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供一種能克服上述許多問(wèn)題的設(shè)備和方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，波長(zhǎng)讀出信號(hào)與入射光束波長(zhǎng)關(guān)系，在超過(guò)40nm的范圍上，是單調(diào)的，在該范圍上的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±7pm，且稍作改進(jìn)，在不改變光路長(zhǎng)度的情況下，可達(dá)到＜±3pm，并且讀出波長(zhǎng)的速度僅受光電檢測(cè)系統(tǒng)速度的限制。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)是a)提供一種廉價(jià)的測(cè)量光波長(zhǎng)的設(shè)備和方法，b)提供一種能夠容易小型化的測(cè)量光波長(zhǎng)的設(shè)備，c)無(wú)需事先知道近似的波長(zhǎng)而確立光的波長(zhǎng)，d)提供一種反饋信號(hào)，能用于鎖定光學(xué)光源的輸出波長(zhǎng)，如單模激光器或光參量振蕩器的輸出波長(zhǎng)，e)提供一種測(cè)量光譜源光信號(hào)波長(zhǎng)的廉價(jià)裝置，用于環(huán)境和化學(xué)分析，和f)提供一種測(cè)量光源波長(zhǎng)起伏的裝置。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，是借助一種光學(xué)系統(tǒng)，把激光器的光引進(jìn)兩條預(yù)定的路徑，路徑中至少一條的光強(qiáng)是隨波長(zhǎng)變化的。每一路徑的光用光電檢測(cè)器檢測(cè)，光電檢測(cè)器給出的光電電流被對(duì)數(shù)放大器接收，給出該兩種光電電流強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。減法器接收該對(duì)數(shù)輸出并給出表示波長(zhǎng)的信號(hào)。
更具體地說(shuō)，本設(shè)備包括一種光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含把入射光束分為兩束光束的分束器，每一光束近似為入射功率的一半；一個(gè)光譜濾波器或反射鏡，其作用是對(duì)較長(zhǎng)激光波長(zhǎng)的反射比較短激光波長(zhǎng)更強(qiáng)；一個(gè)光譜濾波器或反射鏡，其作用是對(duì)較短激光波長(zhǎng)的反射比對(duì)較長(zhǎng)激光波長(zhǎng)的反射更強(qiáng)；用于捕獲來(lái)自?xún)蓚€(gè)光譜濾波器的光并產(chǎn)生光電電流的光電檢測(cè)器；用于接收所述光電電流并給出該兩光電電流的對(duì)數(shù)的對(duì)數(shù)放大器；最后是是減法器，把該兩光電電流的對(duì)數(shù)相減并給出表示波長(zhǎng)的輸出信號(hào)。
模擬電子系統(tǒng)可以包括每一光電檢測(cè)器一個(gè)光電檢測(cè)器放大器；每一光電檢測(cè)信號(hào)一個(gè)對(duì)數(shù)放大器；和把該兩個(gè)對(duì)數(shù)信號(hào)相減的差分放大器。
結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明，可以對(duì)本發(fā)明有更好的了解，附圖有圖1是示意圖，畫(huà)出用于測(cè)量光信號(hào)波長(zhǎng)的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備。
圖2是示意圖，畫(huà)出用于測(cè)量光信號(hào)波長(zhǎng)的另一種現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備。
圖3是示意圖，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，畫(huà)出用于測(cè)量光信號(hào)或光束波長(zhǎng)的檢測(cè)器。
圖4是示意圖，按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，畫(huà)出用于測(cè)量光信號(hào)或光束波長(zhǎng)的檢測(cè)器。
圖5對(duì)采用透射率隨波長(zhǎng)線(xiàn)性變化的分束器的設(shè)備，畫(huà)出作為波長(zhǎng)函數(shù)的檢測(cè)器輸出信號(hào)。
圖6對(duì)采用透射率隨波長(zhǎng)按Gauss式變化的分束器的設(shè)備，畫(huà)出作為波長(zhǎng)函數(shù)的檢測(cè)器輸出信號(hào)。
圖7是當(dāng)采用透射率或反射率隨波長(zhǎng)按Gauss式變化的濾波器或反射器時(shí)，畫(huà)出作為波長(zhǎng)函數(shù)的圖6檢測(cè)器的輸出信號(hào)。
圖8是示意圖，畫(huà)出一種偏振不靈敏的波長(zhǎng)檢測(cè)器。
圖9是圖8設(shè)備的三維表示。
圖10是示意圖，畫(huà)出另一種偏振不靈敏的波長(zhǎng)檢測(cè)器。
圖11是示意圖，畫(huà)出又一種偏振不靈敏的波長(zhǎng)檢測(cè)器。
圖12是示意圖，畫(huà)出一種為校準(zhǔn)波長(zhǎng)檢測(cè)器而引入?yún)⒖夹盘?hào)的光學(xué)設(shè)備。
圖13是示意圖，畫(huà)出按照本發(fā)明的操作，使用可調(diào)諧波長(zhǎng)光學(xué)濾波器和波長(zhǎng)檢測(cè)器的光譜分析器。
圖14是示意圖，畫(huà)出使用衍射光柵的窄帶寬范圍可調(diào)諧的波長(zhǎng)檢測(cè)器。
圖15是示意圖，畫(huà)出使用本發(fā)明的波長(zhǎng)檢測(cè)器，對(duì)激光器和其他光源進(jìn)行的波長(zhǎng)鎖定。
圖16是示意圖，畫(huà)出波長(zhǎng)檢測(cè)器的三檢測(cè)器型式，用于非單色光檢測(cè)。
具體實(shí)施例方式
圖3按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，畫(huà)出波長(zhǎng)檢測(cè)器基本的光學(xué)和電學(xué)部件。該檢測(cè)器放在接收光信號(hào)(光束)Iin的地方。該檢測(cè)器包括透射率隨波長(zhǎng)變化的分束器22，用于形成兩光束23和24。兩光束被光電檢測(cè)器28和29接收。模擬對(duì)數(shù)放大器電路26和27，接收光電檢測(cè)器的輸出，并給出接收的光電檢測(cè)器電流的對(duì)數(shù)。兩個(gè)對(duì)數(shù)輸出被減法器或差分放大器31相減，給出表示光信號(hào)波長(zhǎng)的信號(hào)。然后，能夠用該信號(hào)與查閱表之類(lèi)結(jié)合，給出波長(zhǎng)的測(cè)量。
圖4畫(huà)出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，圖中相同部件用相同參考數(shù)字表示。在本實(shí)施例中，分束器33僅把輸入光束Iin分為兩光束34和36。該兩光束然后落在濾波器37和38上，濾波器37和38是透射率特性隨波長(zhǎng)變化的短波長(zhǎng)通(LWP)濾波器和長(zhǎng)波長(zhǎng)通(SWP)濾波器。用反射短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)的濾波器，可以收到相同效果。光電檢測(cè)器和模擬電路與上述參照?qǐng)D3說(shuō)明的相同，并用相同參考數(shù)字表示。
如果我們假定，激光束Iin被分解為兩部分或兩光束34和36，該兩光束的強(qiáng)度為(1-η)*Iin和η*Iin，這里η是分束比且近似等于0.5，然后每一光束被適當(dāng)?shù)墓庾V濾波器37、38改變，那么，得到的光電電流是I1＝Iin(1-η)F1(1)I2＝IinηF2(2)這里I1和I2是光電檢測(cè)器26和27輸出的強(qiáng)度。
兩個(gè)光電電流的每一個(gè)都被對(duì)數(shù)放大器28、29放大并隨后轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)。獲得的電壓然后在減法器31中相減。Iwd=ln[Iin(1-η)F1]-ln[IinηF2]]]>=ln[(1-η)F1]-ln[ηF2]]]>=ln[(1-η)η]-ln[F1F2]---(3)]]>輸出電流Iwd是波長(zhǎng)的表示。
注意，信號(hào)Iwd與激光的強(qiáng)度Iin無(wú)關(guān)。還有，Iwd與分束比η有關(guān)，也與光譜濾波器F1和F2有關(guān)。因此，如果這些成分的任一個(gè)在數(shù)值上作為波長(zhǎng)的函數(shù)而變化，則輸出信號(hào)就成為波長(zhǎng)的表示。
如果我們假定，F(xiàn)1＝F2＝1，那么我們有Iwd只與η有關(guān)的特殊情形。我們通過(guò)圖3，令η成為波長(zhǎng)的函數(shù)，就能夠創(chuàng)建一種波長(zhǎng)檢測(cè)器。最簡(jiǎn)單的情況是
η(λ)＝mλ+b (4)這里m和b是適當(dāng)?shù)某?shù)，能在感興趣的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，使h成為0與1之間的值。例如，如果h隨波長(zhǎng)線(xiàn)性地變化，在1525nm上h＝0，又在1575nm上h＝1，那么，m＝0.02和b＝30.5，于是我們得，Iwd(λ)=ln[(1-(0.02λ-30.5))(0.02λ-30.5)]---(5)]]>從圖5中可以看到η的線(xiàn)性變化和得到的波長(zhǎng)檢測(cè)器信號(hào)Iwd。波長(zhǎng)檢測(cè)器信號(hào)是隨波長(zhǎng)單調(diào)變化的曲線(xiàn)，但是，它在可用的波長(zhǎng)范圍上不產(chǎn)生線(xiàn)性的響應(yīng)。通過(guò)修整η(1)，使在更大的范圍上Iwd是線(xiàn)性的，就能改善該范圍。
更為標(biāo)準(zhǔn)的鍍層應(yīng)該是Gauss形狀的。圖6畫(huà)出使用分束比按Gauss式變化的分束器的Iwd。注意，在波長(zhǎng)標(biāo)尺的一端，波長(zhǎng)檢測(cè)器信號(hào)的線(xiàn)性得到改善，但在另一端卻不然。
另外，可以使分束器的比值保持恒定，同時(shí)我們選擇改變系統(tǒng)中濾波器的反射率。再次使該最簡(jiǎn)單的鍍層隨波長(zhǎng)作Gauss式變化。我們可以考慮如下的情形，即37對(duì)較短波長(zhǎng)的反射比對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的反射更強(qiáng)，而38對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的反射比對(duì)較短波長(zhǎng)的反射更強(qiáng)。圖7畫(huà)出在此情形下得到的波長(zhǎng)檢測(cè)器信號(hào)Iwd。在這些條件下，該信號(hào)在濾波器的可用范圍上是線(xiàn)性的。因此，該系統(tǒng)使檢測(cè)器的可用范圍最大化。
圖8畫(huà)出的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，使用長(zhǎng)的和短的波通濾波器41a、41b、和42a、42b，這些濾波器在相互垂直的平面內(nèi)按串列方式工作。圖9是該種光學(xué)布局的三維簡(jiǎn)圖。在其他方面，檢測(cè)器按圖4的說(shuō)明工作，且用相同的參考數(shù)字表示相同的部件。要測(cè)量波長(zhǎng)的從激光器或其他光源來(lái)的光Iin，不是以固定的偏振到達(dá)的。相反，它可以是任何角度的線(xiàn)偏振，或橢圓偏振。如果不把波長(zhǎng)檢測(cè)器做成偏振無(wú)關(guān)測(cè)量的，那么，不同的偏振態(tài)將給出不同的測(cè)量結(jié)果，產(chǎn)生測(cè)量誤差。要抵消濾波器的偏振相關(guān)性，可以在平面內(nèi)彼此相對(duì)地旋轉(zhuǎn)濾波器41a、41b、和42a，使該兩個(gè)平面對(duì)入射光束是確定的，而反射是垂直的。這表示偏振光對(duì)41a或42a是s偏振光(電場(chǎng)與表面平行)，對(duì)41b或42b是p偏振光，反之亦然。待測(cè)量光信號(hào)的每一偏振分量，經(jīng)歷全同的s偏振反射和p偏振反射，盡管次序不同，所以從濾波器41a、41b或42a、42b反射的光，偏振不發(fā)生改變。因此，不存在波檢測(cè)器工作的偏振相關(guān)性。
另一種偏振不靈敏檢測(cè)器示于圖10。在該實(shí)施例中，對(duì)入射光束的波長(zhǎng)進(jìn)行兩種分開(kāi)的測(cè)量，對(duì)每種入射偏振一種測(cè)量，這樣，不論入射偏振如何，波長(zhǎng)測(cè)量都是正確的。每一波長(zhǎng)檢測(cè)器按圖4的說(shuō)明工作，且可以是偏振有關(guān)的。分束器43把待測(cè)量的入射光束分解為兩個(gè)垂直偏振46、47，使該兩種測(cè)量的每一種，都是對(duì)已知的并固定的偏振進(jìn)行。把圖4說(shuō)明的光學(xué)配置和模擬電路用于每一偏振；相同的參考數(shù)字已經(jīng)添加在相同的部件上。
再一種偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器示于圖11。該檢測(cè)器使用低反射率分束器51、52和60，和布置為正入射或接近正入射工作(即垂直于分束器表面)的短波長(zhǎng)與長(zhǎng)波長(zhǎng)濾波器53和54。
分束器51和52各截取部分待測(cè)量的光，并把它反射至濾波器53和54，濾波器53和54把光沿它們的路徑(或近似沿它們的路徑)向后反射回去，使得光透過(guò)分束器51和60落在光電二極管55上，和通過(guò)分束器52落在光電二極管56上。來(lái)自?xún)蓷l臂中光電二極管的信號(hào)，進(jìn)入對(duì)數(shù)放大器56和57，對(duì)數(shù)放大器的輸出，進(jìn)入減法器電路31。濾波器53或?yàn)V波器54的反射表面由光學(xué)干涉鍍層組成，垂直入射于濾波器53或?yàn)V波器54反射表面的光，對(duì)所有偏振態(tài)有相等的反射率。因而消除或近似消除濾波器53和54的偏振靈敏性。在檢測(cè)器短波長(zhǎng)臂和長(zhǎng)波長(zhǎng)臂中，通過(guò)令分束器60與分束器51或52全同，從而把在待測(cè)量信號(hào)偏振上的任何效應(yīng)，做成完全相同。于是，從分束器51前表面反射，又從濾波器53反射的信號(hào)，在到達(dá)光電二極管55之前，透過(guò)分束器51的前表面、分束器51的后表面、分束器60的前表面、和分束器60的后表面。在到達(dá)光電二極管56之前的信號(hào)，通過(guò)分束器51的前表面、分束器51的后表面、經(jīng)分束器52的前表面反射、濾波器54的反射，最后透過(guò)分束器52的前表面和后表面。雖然次序不同，但透射率和和反射率(包括正入射下的SWP和LWP濾波器)是一樣的。因?yàn)檠貎蓷l路徑傳播的信號(hào)，經(jīng)歷相同的效應(yīng)，所以偏振效應(yīng)是一樣的，從而被減法電路拒絕。
如果分束器51和52有低的反射率，就是說(shuō)，在1％至5％范圍，且偏振靈敏性很小，即s和p偏振的反射接近相等，那么，分束器60可以取消。于是，兩個(gè)光電二極管看見(jiàn)的信號(hào)具有近似一樣的偏振導(dǎo)至的效應(yīng)，因?yàn)榉质?1對(duì)透過(guò)它的光的偏振效應(yīng)非常小。
通過(guò)引進(jìn)已知波長(zhǎng)的參考信號(hào)，能夠校準(zhǔn)波長(zhǎng)檢測(cè)器。圖12畫(huà)出加在圖4波長(zhǎng)檢測(cè)器的參考信號(hào)61，圖中相同的部件有相同的參考數(shù)字。
波長(zhǎng)檢測(cè)器可以與窄帶可調(diào)諧光濾波器62一起，用作光譜分析器。圖13畫(huà)出的波長(zhǎng)檢測(cè)器，從掃描可調(diào)諧窄帶光濾波器62接收輸出。這樣消除了必需精確知道可調(diào)諧光濾波器的中心波長(zhǎng)。
通常，光譜分析器使用運(yùn)動(dòng)的衍射光柵和固定的狹縫，或運(yùn)動(dòng)的狹縫和固定的衍射光柵，作為窄帶可調(diào)諧光濾波器。掃描這種濾波器是緩慢的，因?yàn)樗鼈冃枰獧C(jī)械運(yùn)動(dòng)和精密的機(jī)械位置測(cè)量，以確定它們的工作波長(zhǎng)。它們還是龐大的、笨重的、和昂貴的，特別是要求高精度的話(huà)。使用具有窄帶掃描可調(diào)諧光濾波器的波長(zhǎng)檢測(cè)器，消除了必需精確測(cè)量濾波器的中心波長(zhǎng)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)該濾波器的光的波長(zhǎng)，能夠用波長(zhǎng)檢測(cè)器確定。這樣，由于允許使用廣泛的各種濾波器，其中的一些能非?？焖俚卣{(diào)諧，所以能使光濾波器的掃描在確定它的中心波長(zhǎng)中獨(dú)立地完成。因此，窄帶掃描光濾波器與波長(zhǎng)檢測(cè)器的組合，能構(gòu)造十分緊湊的、廉價(jià)的、快速的、和高通用性的光譜分析器。
一種使用本發(fā)明的波長(zhǎng)檢測(cè)器的光譜分析器，示于圖13。待檢測(cè)的信號(hào)光-非單色的或單色的-被引導(dǎo)通過(guò)窄帶掃描可調(diào)諧濾波器62。濾波器透過(guò)入射光的一部分，該部分由濾波器的調(diào)諧頻率確定。假定該部分是窄帶的-就是說(shuō)，在波長(zhǎng)上比波長(zhǎng)檢測(cè)器的帶寬范圍窄得多。波長(zhǎng)檢測(cè)器確定經(jīng)窄帶濾波器傳送至波長(zhǎng)檢測(cè)器的該信號(hào)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。當(dāng)濾波器在待測(cè)量的波長(zhǎng)范圍上掃描時(shí)，濾波器給出信號(hào)光譜的測(cè)量。
因?yàn)檎谶M(jìn)行波長(zhǎng)測(cè)量的是波長(zhǎng)檢測(cè)器，不是濾波器，所以濾波器能夠非?？斓貟呙?，這使光譜分析器在需要濾波器快速掃描時(shí)非常有用。如果濾波器的掃描機(jī)構(gòu)是電的，掃描能以微妙或小于微妙完成。如果用MEMS或壓電技術(shù)，掃描能以毫妙或更快速完成。這種速度比當(dāng)前典型的測(cè)量裝置快得多，當(dāng)前典型的測(cè)量裝置的掃描不能比0.1秒左右快出許多，更常見(jiàn)的是一秒的掃描或更慢。還有，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)檢測(cè)器是進(jìn)行波長(zhǎng)測(cè)量的，所以與當(dāng)前使用的工作臺(tái)式大小裝置相反，該裝置可以做得極其緊湊和輕盈。
要增大波長(zhǎng)檢測(cè)器的測(cè)量范圍，可以用帶有可調(diào)諧中心頻率的長(zhǎng)波長(zhǎng)通濾波器和短波長(zhǎng)通濾波器，代替圖4所示固定波長(zhǎng)濾波器。這樣可使測(cè)量范圍移動(dòng)至波長(zhǎng)譜的不同部分的同時(shí)，保持測(cè)量精度不變。例如，假定中心在1550nm上的測(cè)量范圍是1nm和精度是1pm。通過(guò)使用可調(diào)諧濾波器，可以把1nm的測(cè)量范圍移動(dòng)至任何需要的中心頻率上，同時(shí)保持測(cè)量精度不變。
可以實(shí)現(xiàn)如圖14所示的使用衍射光柵71和孔徑72、73的裝置。用分束器74裝備標(biāo)準(zhǔn)的光柵單色儀，于是它有兩束輸出光束76、77，而不是一束。光電檢測(cè)器26、27前的狹縫72、73的作用，類(lèi)似于具有Gauss或Lorentz響應(yīng)的光濾波器。如果讀出是半狹縫的，如圖14所示，它們的作用便類(lèi)似于長(zhǎng)波長(zhǎng)通和短波長(zhǎng)通濾波器，能重復(fù)圖7的操作。運(yùn)行時(shí)，該裝置可以用固定狹縫和旋轉(zhuǎn)光柵，對(duì)某一已知波長(zhǎng)移動(dòng)至某一固定位置。通過(guò)旋轉(zhuǎn)該光柵，可以工作在許多不同波長(zhǎng)上。
如上所述，波長(zhǎng)檢測(cè)器能夠作為分開(kāi)的部件或綜合進(jìn)激光器組件中，以便提供反饋信號(hào)來(lái)控制激光器的波長(zhǎng)。該種裝置示意地畫(huà)在圖15，其中，分束器86接收激光光束87并把一部分88轉(zhuǎn)向有關(guān)的設(shè)備。波長(zhǎng)的控制，是按照本發(fā)明任一個(gè)實(shí)施例，用波長(zhǎng)檢測(cè)器檢測(cè)部分89，并向控制激光87頻率的電子反饋電路91，提供代表波長(zhǎng)的輸出信號(hào)。
圖16畫(huà)出一種光電子系統(tǒng)，用于檢測(cè)光信號(hào)的非單色性。該系統(tǒng)按圖11的配置使用三個(gè)分束器101、102、103。該系統(tǒng)基本上包括兩個(gè)圖4類(lèi)型的波長(zhǎng)檢測(cè)器，一個(gè)包括分束器101、光電二極管104及短波長(zhǎng)通濾波器106、和分束器102、光電二極管107及長(zhǎng)波長(zhǎng)通濾波器108；另一個(gè)包括分束器101、光電二極管104及短波長(zhǎng)通濾波器106、和分束器103、光電二極管112及另一個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)通濾波器111。對(duì)數(shù)放大器113及114與減法器116的組合，給出表示波長(zhǎng)的第一輸出，而對(duì)數(shù)放大器113及117與減法器118的組合，給出表示波長(zhǎng)的第二輸出。當(dāng)引進(jìn)一單色波長(zhǎng)的輸入光信號(hào)時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)器讀出該同一波長(zhǎng)，且比較器119也這樣指示。當(dāng)引進(jìn)一非單色信號(hào)時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)器各給出波長(zhǎng)的虛假讀數(shù)且該兩個(gè)虛假讀數(shù)不同，比較器119發(fā)出非單色光信號(hào)的信號(hào)。
因此，已經(jīng)說(shuō)明一種廉價(jià)的、能夠小型化的波長(zhǎng)檢測(cè)器，且該檢測(cè)器精確地測(cè)量波長(zhǎng)，無(wú)需事先知道其近似波長(zhǎng)。該波長(zhǎng)檢測(cè)器能用于鎖定光源的波長(zhǎng)輸出，還能用于測(cè)量光源的波長(zhǎng)起伏。
前面對(duì)本發(fā)明特定實(shí)施例的說(shuō)明，其目的在于演示和說(shuō)明。不應(yīng)認(rèn)為這些說(shuō)明企圖窮舉本發(fā)明，或把本發(fā)明限制在已經(jīng)公開(kāi)的準(zhǔn)確形式；顯然，借鑒上面的教導(dǎo)，可以實(shí)施許多修改和變化。選出并說(shuō)明的各實(shí)施例，是為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，讓本領(lǐng)域熟練人員以各種修改來(lái)最好地利用本發(fā)明和各個(gè)實(shí)施例，以便適應(yīng)預(yù)期的特殊應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書(shū)及它們的等效陳述界定。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)入射光信號(hào)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括接收入射光信號(hào)并把它分成兩條路徑的裝置，在兩條路徑的至少一條中，光信號(hào)的強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的，光電檢測(cè)器，接收每一條所述路徑中的光信號(hào)，并給出每一條所述路徑中光信號(hào)強(qiáng)度的輸出電信號(hào)表示，對(duì)數(shù)電路，接收該輸出電信號(hào)并給出該電信號(hào)的對(duì)數(shù)，和減法電路，接收所述輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)，并給出表示入射光信號(hào)波長(zhǎng)的輸出。
2.按照權(quán)利要求1的波長(zhǎng)檢測(cè)器，其中接收入射光信號(hào)并把它分成兩條路徑的所述裝置，包括分束器，在該分束器中，每一路徑中的光能量強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的。
3.按照權(quán)利要求1的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括一分束器和一波長(zhǎng)靈敏濾波器，該分束器把入射光信號(hào)分成兩條路徑，該波長(zhǎng)靈敏濾波器接收所述路徑至少一條的光信號(hào)并讓該光信號(hào)通過(guò)或把該光信號(hào)反射，使在所述路徑中的光能量強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變化。
4.按照權(quán)利要求1的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括把入射光信號(hào)分成兩條路徑的分束器，和在一條所述路徑中的長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器及在另一條所述路徑中的短波長(zhǎng)靈敏濾波器，每一濾波器讓該路徑中的光信號(hào)通過(guò)或把該光信號(hào)反射，使得每一條所述路徑中的光信號(hào)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變化。
5.一種用于檢測(cè)入射光信號(hào)波長(zhǎng)的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括分束器，把入射光信號(hào)分成兩條路徑，第一和第二長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器，在一條所述路徑中彼此垂直的平面內(nèi)按串列方式連接，使得在所述路徑中的光信號(hào)強(qiáng)度，隨波長(zhǎng)而變化，但不隨偏振而變化，第一和第二短波長(zhǎng)靈敏濾波器，在另一條所述路徑中彼此垂直的平面內(nèi)按串列方式連接，使得在所述路徑中的光信號(hào)強(qiáng)度，隨波長(zhǎng)而變化，但不隨偏振而變化，光電檢測(cè)器，接收每一條所述路徑的光信號(hào)，并給出表示每一條所述路徑光信號(hào)強(qiáng)度的輸出電信號(hào)，對(duì)數(shù)電路，接收每一條所述路徑的輸出電信號(hào)，并給出該信號(hào)的對(duì)數(shù)，和減法電路，接收所述輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)并給出表示入射光信號(hào)波長(zhǎng)的輸出。
6.一種用于檢測(cè)入射光信號(hào)波長(zhǎng)的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括偏振靈敏分束器，接收該光信號(hào)并把它分成有不同偏振的兩條路徑，在每一條所述路徑中的單獨(dú)波長(zhǎng)檢測(cè)器，接收在它路徑中的光能量，所述單獨(dú)波長(zhǎng)檢測(cè)器每一個(gè)都包括接收入射偏振光信號(hào)，并把它分成另外兩條路徑的裝置，另外兩條路徑的至少一條中，光信號(hào)的強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的，光電檢測(cè)器，接收所述另外路徑每一條的光信號(hào)，并給出表示所述另外路徑每一條中光信號(hào)強(qiáng)度的輸出電信號(hào)，對(duì)數(shù)電路，接收所述另外路徑每一條的輸出電信號(hào)，并給出該信號(hào)的對(duì)數(shù)，和減法或比值電路，接收所述輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)，并給出表示入射偏振光信號(hào)波長(zhǎng)的輸出。
7.按照權(quán)利要求6的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，其中，接收入射偏振光信號(hào)并把它分成兩條路徑的所述裝置，包括一分束器，在該分束器中，另外路徑每一條的光能量是隨波長(zhǎng)變化的。
8.按照權(quán)利要求6的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括分束器和波長(zhǎng)靈敏濾波器，該分束器把入射光信號(hào)分成兩條路徑，該波長(zhǎng)靈敏濾波器接收所述另外路徑至少一條中的光信號(hào)，并透過(guò)或反射該光信號(hào)，使在所述路徑中的光能量強(qiáng)度，隨波長(zhǎng)變化。
9.按照權(quán)利要求6的偏振不靈敏波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括分束器、長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器、和短波長(zhǎng)靈敏濾波器，該分束器把入射光信號(hào)分成兩條路徑，該長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器在所述另外路徑中的一條內(nèi)，該短波長(zhǎng)靈敏濾波器在所述另外路徑中的另一條內(nèi)，長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器和短波長(zhǎng)靈敏濾波器，各透過(guò)或反射路徑中的光信號(hào)，使在每一條所述路徑中的光信號(hào)強(qiáng)度，隨波長(zhǎng)變化。
10.一種檢測(cè)入射光信號(hào)波長(zhǎng)的方法，包括的步驟為把該光信號(hào)分成兩條路徑，在兩條路徑的至少一條中，光束的強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的，產(chǎn)生電信號(hào)，其數(shù)值代表所述路徑每一條中光信號(hào)的強(qiáng)度，和取所述電信號(hào)的比值，給出表示入射光信號(hào)波長(zhǎng)的輸出信號(hào)。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其中的比值，是通過(guò)取每一電信號(hào)的對(duì)數(shù)，然后把對(duì)數(shù)相減而得到的。
12.一種用于檢測(cè)入射光信號(hào)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括接收入射光信號(hào)并把它分成至少兩條路徑的裝置，在該至少兩條路徑的一條中，光信號(hào)的強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的，光電檢測(cè)器，接收所述路徑每一條中的光信號(hào)，并給出表示所述路徑每一條中光信號(hào)強(qiáng)度的輸出電信號(hào)，和比值電路，接收該電信號(hào)并給出電的讀出，該電的讀出與代表入射光能量波長(zhǎng)的輸入信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。
13.按照權(quán)利要求1的波長(zhǎng)檢測(cè)器，其中接收入射光信號(hào)并把它分成兩條路徑的所述裝置，包括分束器，在該分束器中，每一路徑中的光能量強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)變化的。
14.按照權(quán)利要求13的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括一分束器和一波長(zhǎng)靈敏濾波器，該分束器把入射光信號(hào)分成兩條路徑，該波長(zhǎng)靈敏濾波器接收所述路徑至少一條的光信號(hào)并讓該光信號(hào)通過(guò)或把該光信號(hào)反射，使在所述路徑中的光能量強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變化。
15.按照權(quán)利要求13的波長(zhǎng)檢測(cè)器，包括把入射光信號(hào)分成兩條路徑的分束器，和在一條所述路徑中的長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏濾波器及在另一條所述路徑中的短波長(zhǎng)靈敏濾波器，每一濾波器讓該路徑中的光信號(hào)通過(guò)或把該光信號(hào)反射，使得每一條所述路徑中的光信號(hào)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變化。
全文摘要
本專(zhuān)利說(shuō)明一種波長(zhǎng)檢測(cè)器。該波長(zhǎng)檢測(cè)器把輸入的光信號(hào)引進(jìn)兩條路徑，路徑中至少一條隨光信號(hào)的波長(zhǎng)而改變。在該兩條路徑中的光，被光電檢測(cè)器檢測(cè)，同時(shí)對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大。把對(duì)數(shù)放大了的信號(hào)加在差分放大器上，差分放大器的輸出表示入射光信號(hào)的波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01J9/00GK1469993SQ01817549
公開(kāi)日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月19日
發(fā)明者斯蒂芬·R·弗里伯格, 查爾斯·C·哈勃, C 哈勃, 斯蒂芬 R 弗里伯格 申請(qǐng)人:拉姆達(dá)控制公司