專利名稱：多光柵光學(xué)波導(dǎo)監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)光學(xué)監(jiān)視器，利用波導(dǎo)光柵使某些波長重導(dǎo)向到一個(gè)監(jiān)視設(shè)備，并且尤其涉及使用多閃耀光柵以改善該監(jiān)視設(shè)備的分辨率及性能。
背景技術(shù)：
在多波長光學(xué)通信系統(tǒng)(通常稱為“波分復(fù)用”或WDM系統(tǒng))中，用于從光纖中分接電磁波(這里不管波長，將被稱為“光”)的有效波長選擇設(shè)備可以有利地用于各種功能，例如，作為波長監(jiān)視器，信道監(jiān)視器，解復(fù)用器，放大器監(jiān)視器，或者帶光學(xué)放大器的一個(gè)反饋回路中。
1991年10月29日授權(quán)給G.Meltz等人的美國專利5,061,032，公開了一種光纖分路器，包括一個(gè)變頻(chirped)折射率閃耀光柵，被選擇使該光纖中引導(dǎo)的光重導(dǎo)向，使其在該光纖外的一點(diǎn)處聚焦。如本論述中所用，術(shù)語“閃耀”是指折射率波動(dòng)(即光柵)平面與光纖中引導(dǎo)的模的傳播方向不垂直的光柵。如果折射率波動(dòng)之間的(光學(xué))重復(fù)距離Λ作為該光纖軸向坐標(biāo)z的函數(shù)不是恒定的，即如果Λ＝Λ(z)，則光柵是“變頻”的。1998年11月3日授權(quán)給T.A.Strasser等人的美國專利5,832,156中公開了一個(gè)示例性的分散光學(xué)波導(dǎo)分路器，包括一個(gè)變頻折射率閃耀光柵。特別是，Strasser等人利用在光柵區(qū)域與光纖相鄰的一個(gè)耦合設(shè)備，使分接的模導(dǎo)入一個(gè)相連的探測器設(shè)備，如光電二極管陣列。光纖中的閃耀光柵還用于使光角度(θ)分散，使得不同波長可以被耦合設(shè)備成象到陣列中的不同探測器元件上。因此，探測器陣列的電信號繪出了與光纖中傳播的原始信號有關(guān)的光譜。
各種現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)監(jiān)視器的光學(xué)性能及成本(如帶寬，分辨率及精度等參數(shù)所定義)主要由所用的光柵/探測器組合所決定。在許多較新的應(yīng)用中，例如測量緊密間隔的密集WDM(“DWDM”)信道(例如50GHz及更近間隔)的光學(xué)信噪比(OSNR)，延伸的動(dòng)態(tài)范圍測量，超寬(例如60-80nm)或多波段(例如C和L)的同時(shí)監(jiān)視，以及多網(wǎng)絡(luò)元件(例如放大器及分插節(jié)點(diǎn))的同時(shí)監(jiān)視，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的組合的成本/性能不能滿足所需的目標(biāo)。
因此，需要光學(xué)波導(dǎo)分路器技術(shù)中仍存在需要，即對于新的及正在顯現(xiàn)的光學(xué)應(yīng)用，保持低成本，同時(shí)能夠提供增加的帶寬和/或分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中仍存在的需要可以由本發(fā)明解決，它涉及一種光學(xué)監(jiān)視器，利用波導(dǎo)光柵使某些波長重導(dǎo)向到一個(gè)監(jiān)視設(shè)備，并且尤其涉及使用多閃耀光柵以提高該監(jiān)視設(shè)備的分辨率及性能。
在包括并排放置的兩個(gè)截然不同的閃耀布喇格光柵的一個(gè)物品中體現(xiàn)了本發(fā)明。對于從一個(gè)相連的1×2光學(xué)開關(guān)的任一輸出入射的光，一個(gè)或另一個(gè)閃耀布喇格光柵用于從光纖中分接出光，并且最終進(jìn)入一個(gè)相連的探測器(光電二極管陣列)。在本發(fā)明的這個(gè)特定實(shí)施例的監(jiān)視設(shè)備中，在一個(gè)時(shí)刻僅一個(gè)閃耀布喇格光柵是“活動(dòng)的”。即，進(jìn)入1×2光學(xué)開關(guān)的一個(gè)輸入端口的光被專門導(dǎo)向兩個(gè)輸出端口之一(并且因此導(dǎo)入這對閃耀布喇格光柵之一)。通常，每個(gè)光柵可以具有與其相連的一個(gè)分離的光源，或者在另一個(gè)實(shí)施例中，M個(gè)光學(xué)信號可以以預(yù)定組合與N個(gè)光柵一起使用。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，可以選擇這兩個(gè)閃耀布喇格光柵的參數(shù)，使得例如，它們分接出不同波長范圍的光，因此增加了監(jiān)視器的總帶寬?；蛘?，通過利用一個(gè)較窄的帶寬并且在該帶寬內(nèi)兩次測量原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，可以獲得分辨率的提高。本發(fā)明的一個(gè)折衷實(shí)施例通過同時(shí)應(yīng)用兩項(xiàng)技術(shù)(即通過增加，但不是加倍帶寬，增加的數(shù)量的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)仍可以被收集)可以同時(shí)提高帶寬和分辨率。
在其最通常的形式中，本發(fā)明的監(jiān)視器可以包括N個(gè)這樣的閃耀布喇格光柵，與一個(gè)相連的1×N開關(guān)(或N個(gè)雙位開關(guān)(off/on switch))一起使用。在此情況下，帶寬/分辨率可以獲得N倍的提高。當(dāng)與各種其它光學(xué)輸入元件(例如耦合器或其它通過元件)一起使用時(shí)，可以使用任何數(shù)量的不同光學(xué)信號。事實(shí)上，本發(fā)明的多光柵監(jiān)視器可以用于研究與一個(gè)給定光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的各種不同的光學(xué)信號。
在以下論述過程中并且參考附圖，本發(fā)明的其它及進(jìn)一步實(shí)施例將變得很明白。
本發(fā)明的各種其它實(shí)施例可以使用整體(bulk)光學(xué)元件代替閃耀光纖光柵構(gòu)成。特別是，整塊光學(xué)衍射光柵或棱鏡可以用于將一個(gè)入射光束分成多個(gè)分散的分量，導(dǎo)向一個(gè)探測器陣列，其中可以使用一個(gè)光學(xué)開關(guān)(或一個(gè)分束器及光閘組合)，適當(dāng)?shù)耐哥R選擇(lensingselect)哪個(gè)輸出將被導(dǎo)向該探測器陣列。


現(xiàn)在參考附圖，其中在一些視圖中相同的數(shù)字表示相同的零件圖1是現(xiàn)有技術(shù)閃耀布喇格光柵光學(xué)分路器設(shè)備的頂視圖；圖2是圖1的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的側(cè)視圖；圖3包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)示例性多閃耀布喇格光柵光學(xué)分路器設(shè)備的側(cè)視圖；圖4是圖3的實(shí)施例的頂視圖，特別表示如本發(fā)明所用的一對閃耀光柵的并排放置；圖5表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，設(shè)備中并入了反射元件；圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，包括N個(gè)閃耀光柵以及一個(gè)相連的1×N光學(xué)開關(guān)；圖7是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中圖6的1×N光學(xué)開關(guān)已經(jīng)用N個(gè)雙位開關(guān)代替；圖8表示本發(fā)明的一個(gè)整塊光學(xué)分光計(jì)，利用一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)及帶有單個(gè)衍射光柵和探測器陣列的整塊光學(xué)透鏡元件；圖9是圖8的設(shè)備的替換，其中使用一個(gè)1×2分束器及光閘代替一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)；
圖10表示本發(fā)明的另一個(gè)整塊光學(xué)設(shè)備，利用帶有一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)的一對衍射光柵提供可以交替入射到單個(gè)探測器陣列上的一對光束；以及圖11包括本發(fā)明的另一個(gè)整塊光學(xué)實(shí)施例的圖，該設(shè)備利用單個(gè)衍射光柵提供一級和二級衍射輸出信號作為到探測器陣列的分離的輸出。
具體實(shí)施例方式
為了幫助理解本發(fā)明，將簡要描述一個(gè)常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)分路器監(jiān)視器，其中一個(gè)這樣的設(shè)備10在圖1中用頂視圖，圖2中用側(cè)視圖表示。光學(xué)波導(dǎo)12(在此情況下，一個(gè)光纖——盡管可以使用任何光導(dǎo)介質(zhì))包括一個(gè)閃耀布喇格光柵14。為了簡化圖1和2的圖(所有以下圖解也一樣)，光纖12用單個(gè)線表示。應(yīng)理解到現(xiàn)實(shí)中光纖12包括纖芯區(qū)域(用于光導(dǎo))及周圍的一層包層，其中閃耀布喇格光柵14在纖芯中以常規(guī)方式構(gòu)成。為了舉例，該光纖可以包括一個(gè)常規(guī)的硅基單模光纖，并且該光柵可以使用相位掩?！皩憽?即照相平板印刷方式蝕刻)入光纖。選擇光柵周期Λ及閃耀角θ(即關(guān)于光軸的傾斜角)，以分接(以下稱為“重導(dǎo)向”，其中該術(shù)語的使用應(yīng)理解為使該光學(xué)信號功率的一部分，例如從1％至99％，如用戶所需，重導(dǎo)向到任何地方)所需帶寬Δλ中的光學(xué)波長?；仡^參考圖1，一個(gè)折射率匹配的玻璃塊16與光纖12相鄰，并且包括一個(gè)透鏡元件18，用于將重導(dǎo)向的光信號聚焦到探測器陣列20上，其中探測器陣列可以包括InGaAs光電二極管陣列。因此，探測器陣列的電信號繪出了與輸入信號有關(guān)的光譜。然后可以使用常規(guī)控制電路(未顯示)提取并分析探測器陣列數(shù)據(jù)。然后具體的數(shù)據(jù)可以定義光譜和DWDM信道數(shù)連同其波長，功率，及信噪比(SNR)。如上所述，圖1和2所述的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備在帶寬和分辨率方面受到限制，可以用閃耀布喇格光柵14與光電探測器陣列20的特定組合實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，使用多閃耀光柵被認(rèn)為是克服了現(xiàn)有技術(shù)的這些限制。圖3包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)示例性光學(xué)監(jiān)視器30的側(cè)視圖，利用分別在一對相連的光纖(或任何其它合適的光導(dǎo)材料)33和35中構(gòu)成的一對閃耀布喇格光柵32和34，以提高光學(xué)監(jiān)視器30的總帶寬和分辨率。圖4中顯示光學(xué)監(jiān)視器30的頂視圖，清楚地表示閃耀布喇格光柵32和34的并排放置。同現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備一樣，光柵32，34被粘結(jié)到包括一個(gè)透鏡端面38的一個(gè)折射率匹配的玻璃塊36上。光電探測器陣列40被定位以捕獲被光柵32，34重導(dǎo)向(“分路的”)的光學(xué)信號。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，第一閃耀布喇格光柵32顯示第一光柵周期Λ1和閃耀角θ1，將用于使一個(gè)預(yù)定的光譜λA-λB從光纖33重導(dǎo)向到探測器陣列40。特別是，通過控制角位移，可以類似地控制陣列40中由光譜λA-λB照明的特定子集的光電二極管。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，第二閃耀布喇格光柵34顯示與不同的光譜λX-λY的重導(dǎo)向有關(guān)的第二不同的光柵周期Λ2和閃耀角θ2。使用不同的閃耀角和光柵周期的作用是改變成象到探測器陣列上的譜段。參考圖3和4，顯示一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)42耦合到光纖33和35，其中開關(guān)42的狀態(tài)用于控制在一個(gè)時(shí)刻哪個(gè)光柵是“活動(dòng)的”，因?yàn)樵诖藢?shí)施例中在任何給定時(shí)刻僅使用一個(gè)閃耀布喇格光柵。即，進(jìn)入1×2光學(xué)開關(guān)42的輸入端口44的光被專門導(dǎo)向開關(guān)42的兩個(gè)輸出端口46和48的其中一個(gè)。盡管圖中未顯示，光學(xué)開關(guān)42和光電探測器陣列40由外部電路控制，該外部電路包括一個(gè)微處理器，用于光譜定標(biāo)及各種相關(guān)計(jì)算。應(yīng)理解到本發(fā)明的設(shè)備可以使用“非變頻”或“變頻”閃耀光柵，如上定義，或者“非變頻”與“變頻”閃耀光柵的任何適當(dāng)?shù)慕M合。
通常，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)來源于控制光柵32和34的參數(shù)的能力。例如，可以設(shè)計(jì)光柵使其分接出不同波長范圍的光，即λA-λB(表示為范圍RAB)與λX-λY(表示為范圍RXY)之間無光譜重疊。因此，在輸出端口44與46之間轉(zhuǎn)換(相當(dāng)于在光柵32與34之間轉(zhuǎn)換)1×2光學(xué)開關(guān)42，分別得到波長范圍RAB和RXY內(nèi)的光譜，成象到探測器陣列40上。由于監(jiān)視器30的帶寬，用B表示，與焦距f成比例，因此，可以選擇光柵32，34和聚焦光學(xué)器件(包括玻璃塊36和透鏡38)，以許多不同方式提供提高的性能。例如，光學(xué)監(jiān)視器30可以使得一個(gè)給定帶寬的有關(guān)分辨率加倍。即，使用2倍焦距的光學(xué)器件，可以使用每個(gè)光柵32，34對所需帶寬的一半成象，在相同波長范圍產(chǎn)生兩倍的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)?；蛘?，可以通過對每個(gè)閃耀布喇格光柵實(shí)現(xiàn)不相重疊的波段使監(jiān)視器的帶寬加倍(對于一個(gè)給定分辨率)。即，通過保持相同焦距的光學(xué)器件，可以使用每個(gè)光柵32和34將截然不同的滿帶成象到光電探測器40上，使總波長范圍加倍。應(yīng)理解到在這兩個(gè)極端之間，可以合并增加的分辨率和增加的帶寬。
也可以選擇閃耀布喇格光柵32，34使其增加監(jiān)視器30的總動(dòng)態(tài)功率范圍。如技術(shù)上眾所周知，可以制造閃耀光柵從光纖分接出從小于1％到大于99％的光。因此，強(qiáng)度有很大不同的兩個(gè)光柵可以用于一個(gè)設(shè)備中，依靠輸入功率水平，控制設(shè)備在兩者之間轉(zhuǎn)換。特別是，對于高輸入功率，將使用較弱的光柵，以及類似地，對于低功率輸入信號，將使用較強(qiáng)的光柵，保證在每個(gè)情況下將有足夠功率的光學(xué)信號照射監(jiān)視器40。有利地，可以用單個(gè)監(jiān)視器30測量顯著較寬的輸入功率范圍(例如，等于20dB或更大)。
監(jiān)視器30的幾何結(jié)構(gòu)被認(rèn)為僅是示例性的，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，有技術(shù)上眾所周知的各種其它設(shè)備可以利用多閃耀布喇格光柵。特別是，圖5表示一個(gè)反射的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)備，其中圖3和4的透鏡38被凹面鏡50代替，它將使分接的光往回反射通過玻璃塊36并進(jìn)入(復(fù)位的)探測器陣列40。
如上所述，除使用一對閃耀布喇格光柵之外，可以將本發(fā)明的教導(dǎo)延伸到使用N個(gè)閃耀布喇格光柵的一個(gè)設(shè)備。圖6包括一個(gè)N元件的光學(xué)監(jiān)視器60，包括N個(gè)閃耀布喇格光柵621-62N，并排堆放，每個(gè)光柵在一個(gè)相連的光學(xué)波導(dǎo)(例如，光纖)641-64N中構(gòu)成。該多個(gè)光柵621-62N與玻璃塊66及其相連的透鏡元件68相鄰放置，然后玻璃塊及透鏡元件用于使分接的光聚焦到光電探測器陣列70上。在此特定實(shí)施例中，使用一個(gè)1×N光學(xué)開關(guān)72控制在一給定時(shí)刻“活動(dòng)的”特定光柵。這樣一種設(shè)備對于需要使用多個(gè)緊密間隔的波長的DWDM應(yīng)用尤其非常適合。
在另一個(gè)實(shí)施例中，1×N開關(guān)72可以由N個(gè)雙位開關(guān)741-74N代替，如圖7所示。該設(shè)備對于多輸入，例如可以用單個(gè)設(shè)備監(jiān)視的N個(gè)分離的網(wǎng)絡(luò)元件，尤其非常適合。
我們已經(jīng)實(shí)驗(yàn)性地演示了圖3和4所述的多光柵光學(xué)波導(dǎo)監(jiān)視器。中心波長分別為1547nm和1575nm的一對非變頻光纖閃耀光柵32和34被用作分散元件。選擇閃耀角θ1和θ2等于9°，使得波長1547nm從光柵32且波長1575nm從光柵34相對于光纖軸以相同的角度，即18°發(fā)射。使用相位掩模在一個(gè)常規(guī)單模硅基光纖中以照相平板印刷方式寫光柵。光柵的長度為近似10mm。光柵的強(qiáng)度使得中心波長處～20％的單模光從光纖中分接出。為了實(shí)現(xiàn)光纖至塊的耦合，用一種光學(xué)透明的，接近折射率匹配(n＝1.56)的粘合劑將光柵粘結(jié)到一個(gè)熔融硅玻璃塊(1550nm處n＝1.44)上。玻璃塊36名義尺寸為6cm×3cm×1cm。焦距100mm的高反射介質(zhì)(R＞99％)凹面鏡用于將外耦合光從光柵32和34聚焦到一個(gè)256元件線性InGaAs探測器陣列(應(yīng)理解到可以使用一個(gè)二維陣列作為替換)。每個(gè)探測器元件寬30μm長250μm。該陣列覆蓋35nm寬的波長范圍，每個(gè)探測器元件對應(yīng)0.14nm范圍的光。兩個(gè)光柵的輸入?yún)R合接合到1×2光機(jī)開關(guān)42的輸出。加到該開關(guān)的電導(dǎo)線上的一個(gè)5V信號被用于使該開關(guān)在輸出端口46與48之間來回切換。
來自可調(diào)惠普和Photonetics外諧振腔激光器(ECL)的激光射線一起被多路復(fù)用并且用作該設(shè)備的輸入。圖8顯示當(dāng)光學(xué)開關(guān)導(dǎo)線上未加電壓時(shí)，如該例所述設(shè)計(jì)的一個(gè)雙光柵監(jiān)視器的光譜響應(yīng)。在此配置中，進(jìn)入開關(guān)的光被導(dǎo)向輸出端口46并且因此通過光柵32。入射在探測器陣列40上的對應(yīng)波長范圍為1556-1591nm。類似地，圖9顯示當(dāng)導(dǎo)線上加5V偏置電壓時(shí)的響應(yīng)。這里，光被導(dǎo)向輸出端口48并且此后通過光柵34，導(dǎo)致來自1529-1564nm的一個(gè)測量光譜。
圖8表示本發(fā)明的另一個(gè)監(jiān)視器80，其中使用單個(gè)探測器結(jié)構(gòu)測量兩個(gè)(或更多)分離的波長分組的能力來源于利用整塊光學(xué)設(shè)備，整塊光學(xué)設(shè)備可以是提供分離的光學(xué)信號分組的設(shè)備。如所示，監(jiān)視器80利用一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)82以及單個(gè)衍射光柵84，結(jié)合其它整塊光學(xué)元件，將第一光學(xué)輸出O1或第二光學(xué)輸出O2的任何一個(gè)導(dǎo)向探測器86，其中在圖8的特定設(shè)備中，探測器86包括一個(gè)分離的探測器元件陣列。在此特定實(shí)施例中，以下所述也一樣，衍射光柵可以由一個(gè)棱鏡，或者適合于將一個(gè)入射光束分成分離的波長的任何其它整塊光學(xué)設(shè)備代替。
回頭參考圖8，光學(xué)開關(guān)82包括一對輸出端口88和90，其安裝使得從這些端口出射的光然后可以被準(zhǔn)直并導(dǎo)向衍射光柵84。特別是，第一光學(xué)輸出O1從第一端口88出射，沿輸出信號路徑92(例如光纖的一部分)傳播，并且此后通過第一準(zhǔn)直透鏡94。第一準(zhǔn)直透鏡94關(guān)于衍射光柵84定位，使得從透鏡94出射的準(zhǔn)直光束O1以第一角度θ1照射衍射光柵84。仔細(xì)選擇第一角θ1的位置，使得該入射角將導(dǎo)致衍射光柵提供一個(gè)預(yù)定范圍λ1-λ2內(nèi)的所有光學(xué)信號作為一個(gè)輸出(該技術(shù)在技術(shù)上眾所周知)。類似地，來自光學(xué)開關(guān)82的第二光學(xué)輸出O2通過剩下的輸出端口90耦合到光學(xué)信號路徑96并且被第二準(zhǔn)直透鏡98準(zhǔn)直，其中光學(xué)輸出O2的準(zhǔn)直形式此后以第二預(yù)定角θ2被導(dǎo)向衍射光柵84，其中選擇角度θ2的值，使得當(dāng)信號O2照射衍射光柵84時(shí)，一個(gè)預(yù)定范圍λ3-λ4內(nèi)的所有波長將被衍射。根據(jù)本發(fā)明，控制開關(guān)82使得在任何給定時(shí)刻輸出光學(xué)信號O1或O2僅有其中一個(gè)存在。
衍射光柵84用于使入射光(波長λ1-λ2或λ3-λ4)角度分散，然后通過透鏡元件100聚焦到探測器陣列86上。透鏡100將角度分散轉(zhuǎn)變成空間分離，使得探測器陣列86中的每個(gè)象元將響應(yīng)衍射帶寬內(nèi)的一個(gè)不同的窄波長范圍?？梢杂锰綔y器陣列86測量的整個(gè)波長范圍具有由透鏡100的焦距f確定的帶寬。減小f可以增加帶寬，但是要以減小的分辨率為代價(jià)，因?yàn)閷τ谝粋€(gè)給定的探測器，相同數(shù)量的象元將覆蓋較大的波長范圍。當(dāng)然，改變θ1和/或θ2的值可以修改光柵衍射的特定波長范圍，而不改變帶寬。
同上述其它設(shè)備一樣，可以控制開關(guān)82及光電探測器陣列86，以修改被監(jiān)視器80所用的分辨率和帶寬的任何一個(gè)或兩個(gè)。即，在一個(gè)給定波長范圍，通過使用O1用于所需分辨率的一半，O2用于分辨率的剩余部分，用一個(gè)給定探測器能達(dá)到的分辨率可以加倍。在此情況下，設(shè)備的焦距f將被改變以使帶寬減小2倍，對于每一半使分辨率加倍?；蛘?，對于一個(gè)固定的分辨率，通過保持f及帶寬不變以及選擇兩個(gè)波長范圍鄰接，可以使波長范圍加倍。也可以利用這兩個(gè)極端的任何組合，以提供對于分辨率及波長范圍的較小程度的提高。
圖9顯示一個(gè)示例性監(jiān)視器110，與圖8的監(jiān)視器80的不同之處僅在于輸入光學(xué)元件的選擇。如所示，使用一個(gè)1×2分束器112代替光學(xué)開關(guān)82，其中分束器112被認(rèn)為是比光學(xué)開關(guān)相對簡單且較不昂貴的元件。在此情況下，相同的光學(xué)輸出信號將同時(shí)出現(xiàn)在分束器112的每個(gè)輸出端口114和116處。在此實(shí)施例中，選擇照射光柵84的特定輸出光束之間的控制通過使用一對光閘118和120選擇，每個(gè)光閘分別位于來自分束器112的分離的光學(xué)信號路徑122和124上。然后輸出被控制合拍，在一個(gè)給定時(shí)刻僅允許一個(gè)光閘“打開”。特別如圖9所示，當(dāng)?shù)谝还忾l118“打開”時(shí)，第一光學(xué)信號O1將被允許通過準(zhǔn)直透鏡94并照射衍射光柵84(第二光學(xué)信號O2被第二光閘120的“關(guān)閉”位置阻止)。或者，當(dāng)?shù)诙忾l120“打開”時(shí)，第二光學(xué)信號O2將被允許通過第二光閘120，第二準(zhǔn)直透鏡98并照射衍射光柵84。同樣，O1的入射角(即θ1)或O2的入射角(即θ2)將控制光柵84衍射的特定波長范圍。圖9所示的剩余元件與圖8所示及以上連同監(jiān)視器80的工作所述基本相同。
圖10顯示本發(fā)明的另一個(gè)整塊光學(xué)元件監(jiān)視器設(shè)備140。在此情況下，一個(gè)光纖中的閃耀光柵對，如以上各種實(shí)施例所述，被一對整塊衍射光柵142和144代替，其中選擇光柵142和144以顯示出特定參數(shù)(例如周期，閃耀角)，使得每個(gè)光柵衍射不同的波長范圍。參考圖10，監(jiān)視器140包括一個(gè)1×2光學(xué)開關(guān)148，在輸入端口150處響應(yīng)一個(gè)光束，該光束包括λ1-λ4之間各種波長的信號。光學(xué)開關(guān)148如上所述用于在第一輸出端口152處提供第一輸出信號O1以及在第二輸出端口154處提供第二輸出信號O2。然后輸出信號O1通過第一準(zhǔn)直透鏡156并且準(zhǔn)直光束照射第一整塊衍射光柵142。同上述設(shè)備一樣，第一衍射光柵142用于衍射一個(gè)預(yù)定波長范圍，圖10中表示為λ1-λ2。然后透鏡158使該波長范圍的角度分離改變?yōu)榭臻g分離，并將分離的波長導(dǎo)向探測器陣列146。以類似的方式，來自光學(xué)開關(guān)148的輸出信號O2將通過透鏡160準(zhǔn)直并照射第二整塊光學(xué)衍射光柵144。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)第二衍射光柵，以衍射一個(gè)預(yù)定波長范圍λ3-λ4，然后通過透鏡162。同第一透鏡158一樣，第二透鏡162用于將該波長范圍的角度分離改變?yōu)榭臻g分離，然后空間分離的波長被導(dǎo)向探測器陣列146。同上述所有其它實(shí)施例一樣，開關(guān)148的作用是在任何給定時(shí)刻控制哪個(gè)輸出信號O1或O2是活動(dòng)的。此外，同上述設(shè)備一樣，監(jiān)視器140中的各種元件可以用于提供探測過程中的提高的分辨率，增加的系統(tǒng)波長范圍，或者這兩個(gè)要求之間的折衷。
本發(fā)明的另一個(gè)設(shè)備可以用于使用從單個(gè)衍射光出射的一級和二級衍射光束。圖11所示的監(jiān)視器200包括單個(gè)衍射光柵210，接收光學(xué)信號O的準(zhǔn)直形式作為輸入(使用例如準(zhǔn)直透鏡220)。來自光柵210的一級衍射光束輸出O1將包括第一組波長λ1-λ2，二級衍射輸出O2將包括波長λ3-λ4，其中輸出O1和O2是空間分離的，如圖11所示。使用一對光閘230，240并如圖11所示定位，而不是使用一個(gè)光學(xué)開關(guān)控制輸出信號之間的交替。特別是，第一光閘230位于第一輸出信號O1的光學(xué)信號路徑上，其中第一透鏡250位于第一光閘230以外，用于在光束照射探測器陣列260之前將波長λ1-λ2之間的角度分離轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g分離。第二光閘240類似地位于第二輸出信號O2的信號路徑上。其中透鏡270用于將波長λ3-λ4轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M空間分離的信號。
應(yīng)理解到如上所述的實(shí)施例有許多變型，被認(rèn)為包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，閃耀光柵可以包括光纖光柵、波導(dǎo)管或平面波導(dǎo)光柵或，通常，任何適合類型的光導(dǎo)光柵?？梢允褂贸龍D3和5所示以外的幾何結(jié)構(gòu)，此外，可以與能夠?qū)⒎纸拥墓饩劢沟揭粋€(gè)探測設(shè)備上的任何適合類型的透鏡設(shè)備，例如，球面透鏡，柱面透鏡或這些透鏡的任何適當(dāng)組合一起使用。甚至，探測設(shè)備本身可以采用任何適合的設(shè)備，包括一維光電二極管陣列，二維陣列，每個(gè)都定義為單個(gè)“探測設(shè)備”，或者，多個(gè)分離的較小的探測設(shè)備，可能每個(gè)設(shè)備用于以一對一的關(guān)系聚焦來自一個(gè)分離的光柵的光?；蛘?，可以使用多個(gè)探測器研究來自不同光柵的光譜。本發(fā)明的多光柵光學(xué)波導(dǎo)監(jiān)視器也可以被用作一個(gè)雙向設(shè)備，接收來自光纖光柵結(jié)構(gòu)的任一端的光學(xué)輸入信號。所有這些變型被認(rèn)為包括在由附加的權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)監(jiān)視器，用于將一個(gè)入射光學(xué)信號的一部分重導(dǎo)向到一個(gè)探測設(shè)備，該監(jiān)視器包括N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)可以接收所述入射光學(xué)信號作為一個(gè)輸入，用于沿一個(gè)定義的光軸傳播；N個(gè)閃耀布喇格光柵，每個(gè)光柵在該N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)的單獨(dú)一個(gè)中構(gòu)成，定義為包括光柵周期Λi及閃耀角θi，以將一個(gè)預(yù)定范圍的光學(xué)波長重導(dǎo)向出該光軸；以及一個(gè)光學(xué)探測設(shè)備，用于接收被所述光學(xué)透鏡設(shè)備捕獲的該重導(dǎo)向的光學(xué)波長，以及監(jiān)視所述輸入光學(xué)信號的預(yù)定特性。
2.如權(quán)利要求1所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中該監(jiān)視器進(jìn)一步包括一個(gè)光學(xué)透鏡設(shè)備，用于捕獲被該N個(gè)閃耀光柵重導(dǎo)向的該預(yù)定范圍的光學(xué)波長。
3.如權(quán)利要求1所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中該N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)包括N個(gè)光纖，光纖包括一個(gè)內(nèi)纖芯區(qū)域和外包層，并且該N個(gè)閃耀布喇格光柵在其相連的光纖的纖芯區(qū)域構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中每個(gè)閃耀布喇格光柵包括一個(gè)基本相同的閃耀角θ。
5.如權(quán)利要求1所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中至少一個(gè)閃耀布喇格光柵為變頻光柵。
6.如權(quán)利要求2所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中該光學(xué)透鏡設(shè)備包括一個(gè)折射率匹配的塊，用于捕獲被該N個(gè)閃耀布喇格光柵重導(dǎo)向的該預(yù)定范圍的光學(xué)波長；以及一個(gè)透鏡元件，用于在該折射率匹配的塊的輸出處將所述預(yù)定范圍的光學(xué)波長聚焦到該光學(xué)探測設(shè)備上。
7.如權(quán)利要求1所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中該監(jiān)視器進(jìn)一步包括一個(gè)1×N光學(xué)開關(guān)，包括用于接收入射光學(xué)信號的單個(gè)輸入端口以及N個(gè)輸出端口，每個(gè)輸出端口耦合到該N個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的單獨(dú)一個(gè)，其中輸出端口之間的轉(zhuǎn)換被控制以確定該N個(gè)閃耀布喇格光柵的哪個(gè)光柵將與入射光學(xué)信號一起使用。
8.一種光學(xué)監(jiān)視器，用于將M個(gè)入射光學(xué)信號的一部分重導(dǎo)向到一個(gè)探測設(shè)備，該監(jiān)視器包括N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)可以接收所述M個(gè)入射光學(xué)信號的一個(gè)或多個(gè)作為一個(gè)輸入，用于沿一個(gè)定義的光軸傳播；一個(gè)光學(xué)耦合設(shè)備，用于向該N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)提供該M個(gè)光學(xué)輸入信號作為輸入；N個(gè)閃耀布喇格光柵，每個(gè)光柵在該N個(gè)輸入光學(xué)波導(dǎo)的單獨(dú)一個(gè)中構(gòu)成，定義為包括光柵周期Λi及閃耀角θi，以將一個(gè)預(yù)定范圍的光學(xué)波長重導(dǎo)向出該光軸；以及一個(gè)光學(xué)探測設(shè)備，用于接收被所述光學(xué)透鏡設(shè)備捕獲的該重導(dǎo)向的光學(xué)波長，以及監(jiān)視所述輸入光學(xué)信號的預(yù)定特性。
9.一種光學(xué)監(jiān)視器，用于將一個(gè)入射光學(xué)信號的一部分重導(dǎo)向到一個(gè)探測設(shè)備，該監(jiān)視器包括N個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)可以接收沿一個(gè)定義的光軸傳播的所述入射光學(xué)信號作為一個(gè)輸入，并且提供N個(gè)輸出光學(xué)信號作為一個(gè)輸出；一個(gè)選擇設(shè)備，用于選擇該N個(gè)輸出光學(xué)信號的一個(gè)，以被選擇用于所述光學(xué)監(jiān)視器中；一個(gè)整塊光學(xué)設(shè)備，用于接收來自所述N個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的選擇的輸出光學(xué)信號，所述整塊光學(xué)設(shè)備用于在所述選擇的輸出光學(xué)信號中的各種波長之間提供角度分散；一個(gè)透鏡設(shè)備，用于將來自所述整塊光學(xué)設(shè)備的角度分散的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g分散的光學(xué)信號；以及一個(gè)光學(xué)探測設(shè)備，用于接收來自所述透鏡設(shè)備的空間分散的光學(xué)信號輸出，以及監(jiān)視所述選擇的輸出光學(xué)信號的預(yù)定特性。
10.如權(quán)利要求9所定義的光學(xué)監(jiān)視器，其中該整塊光學(xué)設(shè)備包括一個(gè)衍射光柵，并且每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)關(guān)于所述衍射光柵成不同的入射角。
全文摘要
一種光學(xué)監(jiān)視設(shè)備，利用閃耀布喇格光柵的性質(zhì)，將一個(gè)光學(xué)信號的一部分重導(dǎo)向出軸向路徑并進(jìn)入一個(gè)探測設(shè)備。利用多個(gè)閃耀布喇格光柵，每個(gè)光柵具有唯一的性質(zhì)，以增加監(jiān)視器的強(qiáng)度。特別是，通過利用N個(gè)光柵，監(jiān)視器的帶寬可以增加N倍(假定光柵之間的波長無重疊)?；蛘撸ㄟ^利用一個(gè)較窄的帶寬以及測量該帶寬內(nèi)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量N次，可以提高分辨率。通過這兩個(gè)極端之間的折衷可以組合增加帶寬和分辨率。也可以使用變頻閃耀光柵。
文檔編號H04B10/02GK1407752SQ02141579
公開日2003年4月2日 申請日期2002年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者蔡永明, 克里斯托佛·科朋, 斯蒂芬·F.·維蘭迪 申請人:朗迅科技公司