CN101368848A - 具有多个光电探测器的扫描光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有探测器阵列的扫描光学光谱仪，其中利用微机电(MEMS)可倾斜微镜扫描在诸如具有平板波导输入的阵列波导光栅(AWG)的色散元件的输入端的光的聚焦光斑的位置，以便在耦合到AWG的探测器阵列上扫描光的色散光谱。用处理器单元连接单个探测器记录的亚光谱以获得输入光的光谱。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及光谱仪，更特别地，涉及光纤网络中的光学性能监测器。
背景技术
[0002]光谱仪是测量诸如光的电磁辐射的光谱的仪器。光谱仪作为有效的分析和测量工具被广泛地应用于科学和工业领域。例如，它们可以被用来遥感温度，确定化学成分和化合物浓度，以及识别物质。
[0003]用于测量作为波长函数的光功率的光谱仪称为光谱分析仪(OSA)。大多数现有的OSA利用诸如法布里-珀罗干涉仪或衍射光栅的波长可调滤光器来分辨各个光谱成分。在后一种情况中，光线以与波长相关的角度反射离开衍射光栅。然后基于光线被衍射的角度利用探测器阵列分析该光线的光谱。可替换地，使衍射光线移动到狭缝上然后利用光电探测器探测。
[0004]传统的OSA被作为在实验室环境条件下运行的实验室装置制造。时常需要复杂的波长和光功率校准以确保装置的波长和功率精度。此外，它们通常体积巨大且价格昂贵。
[0005]使用波分复用(WDM)技术的光通信系统通过尽可能的间隔光信道(通常小于纳米(nm)间隔)以实现大的传输容量。随着信道间隔的减少，监测信道的光谱特性在检验系统功能性，识别特性漂移，以及隔离系统故障方面将变得更关键。例如，这种监测在探测波长漂移方面是关键，该波长漂移能够容易地使一个光学信道中的信号越过一个信道而进入另一个信道。同样，网络元件的实时反馈对于确保通常应用于网络中的光放大器的稳定运行是关键的。
[0006]光通信系统需要功能类似于传统的OSA并且同时满足严格的工业要求的工业级光性能监测器(OPM)。它们必须相对较便宜，尺寸紧凑，具有与实验室级OSA接近的报告功率和波长精度，但是在装置的使用期限中不需要额外的校准，并且能够在密集间隔的频率点以高光谱分辨率和高动态范围监测光。OPM通常输出作为光频率而不是波长的函数的光谱，因为光学信道的标准光谱栅格，所谓的ITU栅格，是在频率上而不是在波长单元上是等距的。
[0007]具有能够监测光通信链路的一光波段中的所有信道的OPM是有利的。具有监测每个信道的光信噪比(OSNR)的额外功能也是有利的，这不仅需要监测各个信道，也需要监测信道间的光以估计光噪声级，从而进一步增加OPM的光谱分辨要求。现在的WDM网络在一个大约5000GHz的光通信波段中可以使用信道间隔为25GHz的信道多至200个；这些网络将受益于能够监测至少200个具有25GHz间隔的频率信道的OPM。通过提供OSNR监测能力，这种OPM同样可以有利地用在具有200GHz、100GHz和50GHz间隔的信道的通信系统中。
[0008]一种类型的工业级OPM通过角度调谐诸如衍射光栅的色散元件获取光谱。例如，Bouevitch等人的转让给JDSU公司的美国专利6,118,530教授了一种具有磁性致动的弯曲支承的衍射光栅和在每个扫描中用于精确波长参考的专用分离信道的扫描无摩擦光谱仪，该文献通过参考结合于此。Bouevitch等人的扫描方法的优点是基于横跨整个光谱区连续扫描波长的能力，其极大地提高了所获得光谱的保真度以及OSNR和峰值波长确定的精确度。不利地，扫描光谱仪经常慢于其基于对应物的探测器阵列。较慢的测量速度是由下面的事实导致的：在传统的扫描光谱仪中，大部分入射光被放弃，并且在任意给定的时间只有有限的光频率成分被允许照射到光电探测器上。此外，必须旋转诸如衍射光栅的相对大的光学元件减小了现有扫描OPM的整体可靠性和预期寿命。
[0009]另一种工业级的OPM通过在空间分散输入光并且利用例如光电二极管阵列(PDA)的多个光电探测器获得平行输入信号的光谱的所有监测光谱点，以同时在多个监测的频率处同时获取光谱信息；体(bulk)光栅、闪耀光纤布拉格光栅、波导阶梯(echelle)光栅或阵列波导光栅(AWG)可被用作色散元件。
[0010]不利地，PDA中的光电二极管的数量按适合的比例对应于波长分辨率，因而增加了装置的尺寸和成本，并降低了其可靠性。如果测量每个信道的OSNR，就必须在单个信道的色散光线内提供几个光电探测器。因此，四信道光监测器通常需要至少12个光电二极管。由于现有的光电二极管阵列通常被提供在多至128个光电二极管的条带中，所以这允许稍微超过30个信道的监测。
[0011]于1997年4月1日授权给Koga等人的美国专利5,617,234公开了能够精确辨别WDM信号的波长并适于光集成电路的多波长同时监测电路，该文献通过参考结合于此。Koga提出的装置是具有单个输入端口和多个输出端口并具有耦合到AWG的输出端口的光电探测器的阵列波导光栅(AWG)。Koga的装置需要等于具有比信道间的间隔更好的频率分辨率的监测信道的数量的大量输出端口以及等于将被监测的信道的数量的大量昂贵的光电探测器，而不提供OSNR测量能力的AWG。
[0012]近来，已经进行了一些尝试来通过结合上述的顺序的和平行的获取方法来提供定标问题的解决方案，其中监测器的尺寸，设计复杂性，例如，光敏元件的数量，以及控制的复杂性亚线性地依比例决定于监测的波长范围内的多个监测波长。
[0013]例如，以Berolo等人名义的美国专利6,753,958公开了一种利用相对小数量的光电二极管监测大量的波长而不动态调谐可能需要复杂的实时监测和控制的波长选择元件的方法，该文献通过参考结合于此。Berolo等人教授了一种具有通过开关耦合到多个输入波导的光输入端口的OPM，该多个输入波导被顺序地开关以通过该多个输入波导中的一个提供从输入端口接收的光到将光色散向多个光电探测器的波导阶梯光栅。阶梯光栅根据输入波导的位置色散从输入波导接收的光，因此光电探测器获得的光具有取决于经过输入波导进入光栅的光的不同的中心波长。通过布置输入波导以使得当光被在邻近输入波导之间开关时由光电二极管取样的中心波长偏移WDM信号的信道间隔的一小部分，光携带的WDM信号被以等于信道的该小部分的频率周期取样。不利地，当光信道密度增加时，输入波导之间的串扰有效地限制了可获得的数据点的数量。
[0014]进一步，Shen等人的转让给JDSU公司的美国专利7,035,505和US7,130,505公开了一种基于具有设置在光开关和耦合到AWG的输出波导的光电二极管阵列之间的多个游标输入波导的多路分配阵列波导光栅(AWG)的光性能监测器，上述文献通过参考结合于此。在某种意义上类似于熟知的游标刻度，例如，游标卡尺中的刻度的具有不同于N个输出波导的频率间隔的频率间隔的M个输入波导的特定位置图案足以提供在多至M×N个频率点测量光谱的能力。不利地，Shen等人的方法由于游标几何结构产生了一组折叠的光谱并因此需要密集光谱的展开处理计算。进一步，对于Berolo等人和Shen等人的两种方法，需要耦合到光开关的外部波导，这使得设计变得复杂并且增加了光损耗。
[0015]本发明的目的是提供一种结合了基于扫描和探测器阵列两种方法的优点的光谱仪。本发明的光谱仪利用不受限于仪器的几何结构的多个测量点提供高保真度的扫描光谱。进一步，有利地，本发明的光谱仪利用平行探测，为了光谱选择性而放弃的光远少于上述现有技术的扫描方法中所放弃的。更进一步，有利地，本发明的光谱仪实现了多个可选择的输入端口而不增加相应的复杂性，例如，不需要在输入端结合附加的开关，这将显著地节约了需要多端口光谱测量的系统的成本。
发明内容
[0016]根据本发明，提供一种用于测量具有频率范围Δf的光的光谱的光谱仪，该光谱仪包括：
[0017]用于接收光并将该光中继到M个源点Sm的M个输入端口Pm，其中M≥1；并且m是满足条件1≤m≤M的整数；
[0018]耦合到M个输入端口Pm的输入扫描装置，用于将来自M个源点Sm中的任一个的光中继到中间点，其中在操作中，中间点的位置x被扫描装置在δx＝|x2-x1|的扫描范围内从值x1连续扫描到值x2；
[0019]耦合到输入扫描装置的色散装置，用于根据光的中间点位置x在空间上分开光的频率成分；
[0020]耦合到色散装置的N个探测器Dn，用于根据光的光频率探测光，其中N≥2；n是满足条件2≤n≤N的整数；并且每个探测器Dn被设置来接收中心频率fn(x)处的光频率成分，使得当x被在值x2和x1间扫描时，中心频率fn(x)被在δf＝|fn(x2)-fn(x1)|的范围内扫描；
[0021]其中，对于光频率范围Δf内的任何中心频率f0，至少有一个n＝n0和至少一个x＝x0满足fn0(x0)＝f0。
[0022]根据本发明的另一方面，还提供一种用于测量光纤网络中的光信号的光功率，或中心波长，或光信噪比的光性能监视器，该光性能监视器包括：
[0023]用于发射包含光信号的光的输入波导；
[0024]用于将光分成光频率成分的阵列波导(AWG)多路分配器，该AWG多路分配器具有：输入平板波导，耦合到该输入平板波导的光栅波导阵列，耦合到该光栅波导阵列的输出平板波导，以及耦合到该输出平板波导的星形耦合器；其中，星形耦合器具有多个输出波导，其中每个输出波导被耦合到用于响应照射到其上的光以产生电信号的光电二极管；
[0025]耦合器，其用于将输入波导发射的光耦合到具有倾角的可倾斜微机电(MEMS)镜并在由所述倾角限定的位置处从将该MEMS镜反射的光自由空间耦合到AWG多路分配器的输入平板波导；以及
[0026]控制器，其用于在扫描周期期间连续扫描MEMS镜的倾角，并且用于在扫描周期期间从光电二极管采集电信号，以及用于结合所述信号以便获得光纤网络中的光信号的光功率，或中心波长，或光信噪比。
[0027]根据本发明的再一个方面，还提供一种测量具有频率范围Δf的光的光谱的方法，该方法包括：
[0028]在M个源点Sm的任一个接收光，其中M≥1；并且m是满足条件1≤m≤M的整数；
[0029]中继来自M个源点Sm中的任一个的光到在位置x处的中间点；
[0030]在δx＝|x2-x1|的扫描范围内从位置x1到位置x2连续扫描中间点的位置x；
[0031]根据光的中间点的位置x空间分开光的频率成分；
[0032]利用N个探测器Dn探测光的频率成分，其中N≥2；n是满足条件2≤n≤N的整数；其中每个探测器Dn被设置来接收中心频率fn(x)处的光频率成分，使得当x被在值x2和x1间扫描时，中心频率fn(x)被在δf＝|fn(x2)-fn(x1)|的范围内扫描；
[0033]其中，对于光频率范围Δf内的任何中心频率f0，至少有一个n＝n0和至少一个x＝x0满足fn0(x0)＝f0；以及
[0034]在扫描装置在δx＝|x2-x1|的扫描范围内扫描的过程中，从N个探测器Dn采集信号，以及在各自频率范围δf＝|fn(x2)-fn(x1)|内结合所述信号，以便获得频率范围Δf内的光的光谱。
附图说明
下面将结合附图描述本发明的示范性实施例：
[0035]图1A和1B分别是现有扫描光谱仪和探测器阵列光谱仪的图；
[0036]图2是本发明的光谱仪的图；
[0037]图3A、3B和3C表示的是与图2的光谱仪的探测器阵列的平面图相关的光谱；
[0038]图4是本发明的光性能监测器(OPM)的优选实施例的平面图，其中OPM是基于可倾斜的微机电(MEMS)微镜和阵列波导光栅(AWG)多路分配器；
[0039]图5A和5B是AWG多路分配器的输入平板波导的平面图；
[0040]图6是示出施加到AWG的输入平板波导的掩模的放大图；以及
[0041]图7描述的是掩模和输入平板波导以及单个测量信道的传输函数组的正视图，其中传输函数与最终测量的光谱相关。
具体实施方式
[0042]虽然本发明的教导结合不同的实施例和例子描述，但是并不表示本发明的教导仅限于这些实施例。相反，本发明的教导包含本领域技术人员能够意识到的不同替代实施例，修改实施例以及等效实施例。
[0043]参考图1A，所示的现有扫描光谱仪100A的图包含输入端口102，准直透镜104，衍射光栅106，聚焦透镜108，狭缝110和探测器112。表示输入狭缝或输入波导的输入端口102限定色散光束103的起始点，该色散光束103被准直透镜104准直以产生准直光束105。光束105投射到衍射光栅106，该衍射光栅106将光束色散成各个单色光束的扇形。例如，光频率为f1的光束107-1直着传播到透镜108，并且光频率为f2的光束107-2以图1A所示的角度传播到相同的透镜108。透镜108聚焦光束107-1和107-2到与狭缝110的平面重合的焦平面。光频率为f1的光束穿过狭缝110并在探测器112中产生光电流，同时光频率为f2的光束被狭缝110阻挡。在衍射光栅106被按箭头114所示被旋转之后，光频率为f2的光束将穿过狭缝110。
[0044]现在转到图1B，所示的是现有探测器阵列光谱仪100B的图。图1B的光谱仪100B由与图1A的光谱仪100A相同的部分组成除了用图1B中的探测器阵列116代替图1A中的狭缝110和单个探测器112。图1B的光谱仪100B和图1A的光谱仪100A的另一个重要的不同是：在图1B的光谱仪100B中，衍射光栅106不被旋转；代替地，光频率为f1和f2的两束光被探测器阵列106的不同探测器同时探测，不同探测器分别为探测器106-1和探测器106-2。由于不同频率的光被探测器阵列106的不同探测器同时探测，数据采集速度远高于图1A的扫描光谱仪100A的数据采集速度。不利地，图1B的光谱仪100B的光谱点的数量限于探测器阵列116中的单个探测器的数量。
[0045]现在转到图2，所示的本发明的光谱仪200包括输入端口202、第一准直装置220、扫描镜222、第一聚焦装置224、第二准直装置204、色散装置206、第二聚焦装置208和探测器阵列216。优选地，输入端口202是输入光纤，扫描镜222是微机电(MEMS)镜，并且色散装置206是衍射光栅。在操作中，输入端口202发射发散光束223，该发散光束223被第一准直装置220准直以产生入射到扫描镜222上的准直光束225。反射光束被第一聚焦装置224聚焦到中间焦平面226，使得当扫描镜222被按箭头228转动时，在图2中的中间焦平面226中的中间焦点230向上移动。在通过中间焦平面226之后，发散光束203被第二准直装置204准直以产生照射到色散装置206的准直光束205。色散装置206根据其光频率再次引导光束205。为了简单，图2中只示出了频率成分为f1的光束207-1。光束207-1被聚焦到探测器阵列216上。当扫描镜222被连续倾斜时，或按箭头228扫描时，光束203，205和207-1如图2所示的虚线移动，以便移动光频率为f1的光束的焦斑横跨探测器阵列216的探测器216-1。其它光频率的光束，未示出，被扫描横向通过探测器阵列216的各自的探测器。当扫描镜222被扫描时，探测器阵列216的每个探测器将发现一亚组(sub-set)入射光信号的光频率谱。当被结合时，这些光频率谱亚组将产生光谱仪200测量的信号的整个光谱。优选地，亚组的光谱范围等于所覆盖的整个光谱范围除以探测器阵列216中的探测器数。
[0046]图2中所示的准直和/或聚焦装置220，224，204和208是透镜，这是为了光谱仪200的操作原理解释方便的原因。具有光功率的其它元件，例如凹面镜可以用作聚焦装置220，224，204和208；此外，装置220和224可被结合成单个双通光学元件；类似地，装置204和208可被结合以增加紧密性并减少装置的成本。进一步，可以理解装置204，206和208可由单个元件取代，例如凹衍射光栅。
[0047]现在参考图3A-3C，更进一步地说明图2的光谱仪200的数据采集原理。在图3A-3C中，探测器阵列316对应于图2中的探测器阵列216。光谱302是在探测器阵列316的平面中以光频率f色散的光的光功率密度P的分布。当扫描图2中的镜222时，光谱302将横跨探测器阵列316的探测器316-1—316-9移动，如箭头318A-318C所示。例如，在图3B中，光谱302的峰值与探测器阵列316的各个探测器重叠。在图3C中，这些峰值从各个相应的探测器向右偏移。所有的扫描亚范围δf与光谱302的整个光谱范围Δf满足下述关系：
[0048]δf＝Δf/N，(1)
其中N是探测器阵列316中探测器的总量。在图3A-3C中，N＝9。
[0049]可替换地，所有的扫描亚范围δf可被做的稍大于Δf/N以允许过扫描(overscan)，以便使从探测器阵列316的各个探测器获得的光谱的“缝合”工作变得容易。过扫描的条件可以表示为：
[0050]δf>Δf/N，(2)。
[0051]图2的光谱仪200继承了图1A和图1B中的两种光谱仪100A和100B的优点，而没有它们大部分的共同缺点。实际上，光谱仪200产生具有高保真度和改进的峰值频率测定精度的扫描光谱，而不必丢弃大部分频率色散的光。事实上，图2中的光谱仪200的信号利用率大约比图1A中的光谱仪100A的信号利用率大N倍。有利地，在光谱仪200被用作光性能监测器(OPM)的情况下，亚范围δf被选取等于光通信网络中的信道频率间隔，例如100GHz，扫描亚范围δf的中心对应于ITU栅格的光频率。进一步，有利地，由于下述事实光谱仪200对扫描机构的要求非常宽松，第一图2中的扫描镜222可以做得比色散装置206小得多且轻得多，第二扫描角可被做得足够小以致于可以利用适合的技术，例如MEMS倾斜微镜技术，这极大地提高了扫描光谱仪200的整体可靠性。更进一步，有利地，可以利用平面阵列波导光栅(AWG)多路分配器以取代第二准直装置204，色散装置206和第二聚焦装置208，这将在下面示出。
[0052]现在参考图4说明本发明的光谱仪的另一个优选实施例。光谱仪400包括提供多个输入端口的输入光纤阵列402，光耦合到光纤阵列402的耦合来自各个光纤的光进入平面光波电路(PLC)406的微透镜阵列404，耦合来自PLC406的光到MEMS镜410并返回PLC406的透镜408，耦合到PLC406的两个光电二极管阵列412-1和412-2，其中所述光电二极管阵列412-1和412-2分别通过带状电缆416-1和416-2提供电输入到控制器414。控制器414通过线418连接到MEMS致动器409。MEMS致动器409响应于由控制器414通过线418到MEMS致动器409施加的电压而倾斜MEMS镜410。PLC406包括通过微透镜阵列404一对一光耦合到输入光纤阵列402的多个光纤的输入波导阵列422和具有输入平板波导426，波导阵列428，输出平板波导430，和光耦合到探测器阵列412-1和412-2的多个输出波导432的AWG多路分配器424。操作中，将被测量光谱的光通过输入光纤阵列402中的一根光纤被输送并且被耦合进入输入波导阵列422的各自输入波导。透镜408准直输入波导阵列422发射的输出光束407并将其引向以取决于施加到MEMS致动器409上的电压的角度反射该光束的MEMS镜410。在所有可能的光束路径，图4示出了反射光束的两个路径411A和411B。路径411A和411B分别以实线和虚线示出。沿着这些路径传播的光束被耦合进入AWG多路分配器424的平板波导426，并且所述多路分配器将光束分成各个频率成分，每个频率成分在输出波导阵列432的相应波导中传输。在阵列432的输出端，照射到相应光电二极管上的光束产生取决于所述光电二极管上的光功率级的光电流。光电流由控制器414记录。控制器414扫描通过线418施加到MEMS致动器409的电压以使如箭头420所示倾斜MEMS镜410并使反射光束从路径411A向411B扫描。随着光束扫描，光进入平板波导426的发射点419在图4中向上移动，这有效地扫描耦合进入输出波导432并照射到光电二极管阵列412-1和412-2的光电二极管上的光的中心光频率。热敏传感器(thermalsensor)，未示出，可以被用来测量PLC406的温度并补偿AWG多路分配器的波长漂移。
[0053]现在参考图5A和5B，通过两个输入平板波导，即图5A中的板502A和图5B中的板502B的平面图更进一步说明图4中的输入平板波导426的几何结构。在图5A中，基板506A支承平板波导502A和耦合到平板波导502A的多个输入波导504，以及从相反侧耦合到所述平板波导的多个输出波导508A。在图5B中，基板506B支承平板波导502B和多个输出波导508B。代替输入侧的波导，平板波导是打开的以从基板的外部耦合光。例如并用于说明的目的，通过沿着虚线510切割基板506A，可以从图5A中的平板波导502A获得图5B中的平板波导502B。图5B中的平板波导502B的优点是光可以沿着基板506B的一侧511在连接图5B中的点x1和x2的直线的任意点x被耦合进入平板波导502B，然而在图5A的平板波导502A中，光耦合进入平板波导502A的点的位置是根据图5A中的输入波导504的右端的位置预先确定的。附加地和有利地，光沿着连接点x1和x2的线进入平板波导502B的耦合公差被极大地降低，这将导致沿着所述线耦合进入平板波导502B的光的更好的重复性的和更均匀的插入损耗。进一步，有利地，图5B的输入平板波导的几何结构实现了位置为x的光的中间点的扫描，这将有效地扫描图4中的AWG多路分配器424的输出波导的中心波长。
[0054]利用诸如图4中的MEMS镜410的可倾斜MEMS镜对光进入平板波导的入口的图5B的中间点x的扫描具有另外重要的优点，特别地，其允许在本发明的光谱仪中结合多个输出端口而不需要引入额外的光开关。
[0055]现在参考图6，提供的是图4中的光谱仪400的放大图。图6中的三个输入波导601，602和603同时分别发射如箭头641，642和643所示的光束。透镜608准直光束并将它们引向MEMS镜610。选取透镜608的位置，波导601、602和603的角度，以及MEMS镜610的位置，以便由箭头641、642和643分别表示的三束光束在MEMS镜610上重叠。例如，当波导601、602和603彼此平行时，透镜608应该被放置在距平板波导626的输入小面646的一个焦距处，而MEMS镜610应该被放置在距透镜608的一个焦距处。反射离开MEMS镜610之后，光束652被聚焦在输入平板波导626的输入小面646处。在光谱仪的正常操作期间，MEMS镜610的倾角被如箭头620所示扫描。为了在扫描期间阻止波导601和603发射的光进入平板波导626，施加掩模644到输入小面646。掩模646的宽度δx被选择成小于波导601和602之间的距离以及波导602和603之间的距离。通过比较波导601、602和603的位置和图6中的虚线的位置，可以发现，只要光束652耦合进入平板波导626，则波导601和603的光束不能进入所述平板波导626。但是，通过在不同的角度倾斜MEMS镜610，能够将箭头641表示的光束耦合进入平板波导626。由于掩模644的存在，只有来自输入波导601、602或603中的一个的光束可以进入平板波导626。因此，当以比对应于扫描的角更大的角倾斜时，用于扫描光谱的相同的镜610可被用来在多个输入波导601、602和603之间开关。为了减少开关输入波导601，602和603所需的MEMS镜610的倾角幅度，并且还为了降低透镜608引起的光学像差，输入波导601、602和603从在光纤阵列侧例如250微米的间距扇入(fan in)到图6中所示的MEMS侧的20和40微米之间的值。
[0056]现在参考图7，示出掩模744和输入平板波导726的正视图，其中在由基板706支承的输入平板波导726的前小面746上的聚焦光斑719的位置是与四个未示出的单独测量信道的四个传输函数T1..T4的光学频移相关的。在整个图7中，术语“测量信道”指的是AWG多路分配器的输出波导，例如图4中的AWG多路分配器424的耦合到相应的用于该信道中的光功率的测量的光电二极管的输出波导。当具有由轮廓760表示的频率谱的光的光斑719被在如箭头750所示的方向在输入平板波导726的输入小面746上从位置751到位置758扫描时，对应于传输函数T1..T4中的峰值传输的光频率，在本例子中被以100GHz分开，在图7中被连续地向右偏移。光斑719的位置和相应的偏移传输函数之间的关系被象征性地用水平虚线761说明。当光斑719偏移值δx时，传输函数T1..T4中的峰值光频率偏移值δf。在对应于传输函数T1..T4的测量信道中探测的星762表示的光功率的值被加在一起以形成测量的光谱766，如利用垂直虚线764象征性地示出。来源于不同的输入波导的两个其它聚焦光斑718和720在光斑719的扫描期间被掩模744阻挡。
Claims (25)
1.一种用于测量具有频率范围△f的光的光谱的光谱仪，所述光谱仪包括：
M个输入端口Pm，其用于接收所述光并将所述光中继到M个源点Sm，其中M≥1；并且m是满足条件1≤m≤M的整数；
输入扫描装置，其被耦合到所述M个输入端口Pm，并且所述输入扫描装置用于将来自所述M个源点Sm中的任一个的光中继到中间点，其中在操作中，所述中间点的位置x被所述扫描装置在δx＝|x2-x1|的扫描范围内从值x1连续扫描到值x2；
色散装置，其被耦合到所述输入扫描装置，所述色散装置用于根据所述光的所述中间点的所述位置x在空间上分开所述光的频率成分；
N个探测器Dn，其被耦合到所述色散装置，所述N个探测器Dn用于根据所述光的光频率探测所述光，其中N≥2；n是满足条件2≤n≤N的整数；并且每个探测器Dn被设置来接收中心频率fn(x)处的光频率成分，使得当x被在值x2和x1间扫描时，所述中心频率fn(x)被在δf＝|fn(x2)-fn(x1)|的范围内扫描；
其中，对于所述光频率范围Δf内的任何中心频率f0，至少有一个n＝n0和至少一个x＝x0满足fn0(x0)＝f0。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，δf基本等于Δf/N。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，δf>Δf/N，并且其中，对于每个探测器Dn，具有由各自的中心频率fn(x2)和fn(x1)限定的相关的光谱带Bn，并且每个所述光谱带Bn与另一个所述光谱带Bi重叠，其中|i-n|＝1。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括控制器，其用于控制所述扫描装置并在所述扫描装置在所述扫描范围δx＝|x2-x1|内的扫描期间从所述N个探测器Dn采集信号，以及用于在各自的频率范围δf＝|fn(x2)-fn(x1)|内结合所述信号，以便在所述频率范围△f内获得所述光的所述光谱。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述输入扫描装置包括微机电MEMS可倾斜镜。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述色散装置包括衍射光栅。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述色散装置包括阵列波导光栅AWG，所述阵列波导光栅包括：
输入平板波导，其被耦合到所述输入扫描装置，其中，所述耦合是通过所述光的自由空间传播实现的；
光栅波导阵列，其被耦合到所述输入平板波导；
输出平板波导，其被耦合到所述光栅波导阵列；以及
星形耦合器，其被耦合到所述输出平板波导，其中，所述星形耦合器具有N个输出波导，其中，每个所述输出波导被耦合到所述N个探测器中的一个。
8.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，对于每个对应于光源点Sm的m，所述中间点的所述位置x从值x1到值x2的扫描通过从角度αm1到角度αm2倾斜所述MEMS镜执行的。
9.根据权利要求8所述的光谱仪，其中：
M≥2；以及
对于对应于源点Sk的整数k，其中1≤k≤M，并且其中k≠m，所述中间点的所述位置x从值x1到值x2的所述扫描是通过从角度αk1到角度αk2倾斜所述MEMS镜执行的，其中下述条件被满足：|αm1-αm2|<|αm1-αk1|；|αk1-αk2|<|αm1-αk1|；|αm1-αm2|<|αm2-αk2|；and|αk1-αk2|<|αm2-αk2|。
10.根据权利要求6所述的光谱仪，其中，所述衍射光栅是凹衍射光栅。
11.根据权利要求6所述的光谱仪，其中，所述衍射光栅是平坦的，并且所述色散装置还包括至少一个具有光功率的元件，其用于耦合来自所述输入扫描装置的所述光到所述平坦衍射光栅，以及耦合来自所述平坦衍射光栅的所述光到所述N个探测器的每一个。
12.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述AWG是平面光波电路PLC的一部分并且所述M个输入端口Pm是所述PLC的输入波导。
13.根据权利要求12所述的光谱仪，其中，所述PLC具有输入小面，并且所述输入波导在所述输入小面以20和40微米之间的距离被扇入，并且所述M个源点Sm是所述扇入的输入波导的端部，其中，所述端部位于所述输入小面，并且其中，所述输入小面从x1到x2穿过所述输入平板波导。
14.根据权利要求13所述的光谱仪，还包括邻接所述输入平板波导的掩模，其中，所述掩模对于具有所述频率范围Δf的光是不透明的，并且其中，所述掩模具有从x1延伸到x2的开口。
15.根据权利要求7所述的光谱仪，还包括温度传感器，所述温度传感器用于补偿所述AWG的温度漂移。
16.一种包括根据权利要求1所述的光谱仪的光性能监测器，用于测量光纤网络中的光信号的光功率，或中心波长，或光信噪比，其中所述δf的值选自包含200GHz；100GHz；50GHz和25GHz的值的组。
17.一种用于测量光纤网络中的光信号的光功率，或中心波长，或光信噪比的光性能监测器，所述监测器包括：
输入波导，其用于发射包含所述光信号的光；
阵列波导光栅AWG多路分配器，其用于将所述光分成光频率成分，所述AWG多路分配器具有：输入平板波导，耦合到所述输入平板波导的光栅波导阵列，耦合到所述光栅波导阵列的输出平板波导，以及耦合到所述输出平板波导的星形耦合器；其中，所述星形耦合器具有多个输出波导，其中，每个所述输出波导被耦合到用于响应照射到其上的光以产生电信号的光电二极管；
耦合器，其用于耦合所述输入波导发射的光到具有倾角的可倾斜微机电MEMS镜，并用于在由所述倾角限定的位置处自由空间耦合从所述MEMS镜反射的所述光到所述AWG多路分配器的所述输入平板波导；以及
控制器，其用于在扫描周期期间连续扫描所述MEMS镜的所述倾角，并且用于在所述扫描周期期间从所述光电二极管采集所述电信号，以及用于结合所述信号以便获得所述光纤网络中的所述光信号的所述光功率，或所述中心波长，或所述光信噪比。
18.一种测量具有频率范围Δf的光的光谱的方法，所述方法包括：
在M个源点Sm的任一个接收光，其中M≥1；并且m是满足条件1≤m≤M的整数；
中继来自所述M个源点Sm中的任一个的所述光到在位置x处的中间点；
在δx＝|x2-x1|的扫描范围内从位置x1到位置x2连续扫描所述中间点的所述位置x；
根据所述光的所述中间点的所述位置x空间分开所述光的频率成分；
利用N个探测器Dn探测所述光的所述频率成分，其中N≥2；n是满足条件2≤n≤N的整数；其中，每个探测器Dn被设置来接收中心频率fn(x)处的所述光的频率成分，使得当x被在值x2和x1间扫描时，所述中心频率fn(x)被在δf＝|fn(x2)-fn(x1)|的范围内扫描；
其中，对于所述光频率的所述范围△f内的任何中心频率f0，至少有一个n＝n0和至少一个x＝x0满足fn0(x0)＝f0；以及
在所述扫描装置在所述δx＝|x2-x1|的扫描范围内的所述扫描期间从所述N个探测器Dn采集信号，以及在各自频率范围δf＝|fn(x2)-fn(x1)|内结合所述信号，以便获得所述频率范围δf内的所述光的光谱。
19.根据权利要求18所述的方法，其中δf基本等于Δf/N。
20.根据权利要求18所述的方法，其中δf>Δf/N，并且其中，对于每个探测器Dn，具有由各自的中心频率fn(x2)和fn(x1)限定的相关的光谱带Bn，并且每个所述光谱带Bn与另一个所述光谱带Bi重叠，其中|i-n|＝1。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，利用微机电MEMS可倾斜镜执行所述扫描。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，利用衍射光栅执行所述频率成分的所述分开。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，利用包含具有连续光进入区的输入平板波导的平面阵列波导光栅AWG执行所述频率成分的分开，并且其中，利用所述MEMS可倾斜镜沿着所述光进入区扫描所述中间点。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，所述光的所述光谱是光纤网络中的光信号的光谱。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括分析所述光的所述测量光谱以获得所述光纤网络中的光信号的光功率，或中心波长，或光信噪比的步骤。
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