CN101487738A - 基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置，属于光谱分析技术领域，该方法包括：使被测光进入DGD装置，产生在相互垂直的偏振模式有不同差分群时延的输出光；测量输出光与DGD值相对应的光偏振态和偏振度；对测得的输出光偏振态和偏振度处理，生成被测光的光谱。该装置包括：一个DGD装置，通过改变DGD值，接收被测光并产生不同的群时延；一个光探测器，接收经过DGD装置的光信号，同时去测量输出光的偏振态和偏振度；一个数据处理装置，通过处理来自探测器的光偏振态和偏振度信息，获得被测光的光谱。本发明可以实现很快的测量速率，用来测量与时间函数有关的快速扫描激光。可以通过控制差分群时延值，获得最小频率间隔，提高光谱分辨率。

Description

基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置

本申请是以2008年2月4日递交的美国专利申请(申请号为：No.61/025,933。题目为：“基于偏振分析的光谱测量”)作为优先权的申请案，本申请的内容是基于所述美国专利申请的内容。

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，特别涉及光谱测量的方法及装置设计。

背景技术

光已经广泛的应有于各种领域。光谱特性，也就是光的波长或频率等的光谱组成，是光的重要特性之一。比如，光信号的性质随给定光信号的光谱而定；再比如，可以通过分析光信号的光谱来获取某一种装置或某一种材料中的光信息。

分析光谱的技术和装置有很多种。用来测量光谱信号的装置叫做光谱分析仪，它可以从一个光信号中分离出所包含的光波长。可以测量每一个波长上的光功率，同时可以绘制出横轴为光波长纵轴为光功率的曲线关系。光谱分析仪的性能可以用光谱分辨率、光谱范围和测量速率等参量来衡量。

光谱分析仪可以有多种光分析结构来实现其功能。其中主要的结构有以下三种：1)利用空间分光器件—如衍射光栅，来分离光的不同光谱成分；2)利用可调谐窄带滤波器，如法珀腔或可调光纤布拉格光栅，依次选择并一次探测一个光谱成分；3)利用光干涉仪—如迈克尔逊或马赫曾德干涉仪，通过改变两边干涉臂的光程差来测量光的干涉信号，然后对干涉仪的输出进行快速傅里叶变换。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置，本发明可以用来测量和分析通过不同光延迟线后光信号的偏振态和偏振度(或分析其中之一)，并利用已测得的偏振差分群时延值来测量光的光谱特性(如光的频率特性和频谱特性)。通过改变光的差分群时延可以改变光谱的分辨率和测量光谱范围。在一种方案中，可以使用基于偏振测量和分析技术的方法测量光的光谱，这既不需要使用分光元件空域分解光成分，也不需要利用可调谐滤波器依次分离出每一个光谱成分，或是利用干涉仪来获得干涉花样。

本发明中所描述的一个基于偏振测量与分析的光谱分析仪实施例，主要包括三个组成部分，一是差分群时延器件，其作用是通过改变差分群时延值，在接收到光的两个相互正交偏振模式上产生不同的群时延；二是光探测器，它可以接收经过差分群时延器件的光信号，同时去测量输出光的偏振态和偏振度；三是数据处理器件，通过处理所接收光的偏振态和偏振度信息，来获得所测光的光谱。

一种差分群时延器件的实施例由三个部分组成：一个偏振分束器，它的作用是将所测光的分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，它沿第二路径传输；一个延时结构，它将第一路径与第二路径的相对光程差进行改变，从而产生差分群时延值；一个偏振合束器，它可以将在第一路径中以第一种偏振态传输的光与在第二路径中以第二种偏振态传输的光合成一束，从而产生一束输出光。

另外一种差分群时延器件的实施例由四部分组成：一个偏振分束器，它的作用是将所测的光分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，并沿第二路径传输；一个第一法拉第旋转镜位于第一光路中，可以将光反射回偏振分束器；一个第二法拉第旋转镜位于第二光路中，也是将光反射回偏振分束器；一个延时结构，它将改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生差分群时延值。然后偏振合束器会将在第一路径中以第一种偏振态传输回来的反射光与在第二路径中以第二种偏振态传输回来的反射光合成一束，从而产生一束输出光。

还有一种差分群时延器件的实施例由一系列的可调差分群时延单元级联而成。所测光通过级联的可调差分群时延单元形成的光路输出。每一个可调差分群时延单元都含有三个组成部分：一个偏振旋转装置，它可以根据控制信号来控制接收光的偏振态；一个由双折射材料构成的双折射器件，它接收并传输偏振旋转装置中的光；一个控制元件，它与偏振旋转装置连接并提供控制信号，作用是控制双折射器件接收到的光，使双折射器件对第一种偏振模式产生第一种时延，对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而就利用了双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。

再有一种差分群时延器件的实施例由一系列级联的可调差分群时延单元和可调差分群时延单元的控制单元组成。所测光通过级联的可调差分群时延单元形成的光路输出。每一个可调差分群时延单元包含一个偏振旋转装置，它可以根据控制信号来控制接收光的偏振态；还包括一个由双折射材料构成的双折射器件，它接收并传输偏振旋转装置中的光。控制单元与偏振旋转装置成对出现并为每个旋转装置提供控制信号，它可以控制双折射器件接收到的光，使双折射器件对第一种偏振模式产生第一种时延的同时也对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而就利用了双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。

本发明提出的一种所述光谱特性测量实施例的测量方法包括三步：第一步使被测光通过差分群时延(DGD)器件，并在被测光相互正交的两偏振态上产生时延并输出；第二步测量输出光的偏振态；第三步是对所测得的输出光偏振态进行处理，并根据所测的光偏振态变化来确定光频率的增减。这种测量方法可以实现测量偏振态矢量在邦伽球上的变化角度，也可以实现根据偏振态矢量在邦伽球上的角度变化来判断光频率增加或减小。这种测量方法的另一个实现方式包括两步：第一步测量输出光的偏振度；第二步对测得的输出光偏振度进行处理，来确定被测光的光谱。这种测量方法还有一种实现方式，包括两步：第一步测量输出光偏振态在邦伽球上的若干转数；第二步由于偏振态在邦伽球上的单一转数和若干转数决定了光谱范围，基于这个光谱范围我们就可以获得被测光拓展光谱范围。这种测量方法还有一种实现方式，包括五步：第一步利用波长扫描光源产生被测光，第二步控制DGD装置，使其对输出光产生不同的DGD值；第二步，在每一个DGD值上，使波长扫描光源在其光谱范围和扫描周期内对波长进行扫描，与此同时测量输出光在扫描周期内的不同时刻的偏振态(SOP)和偏振度(DOP)；第三步对不同DGD值上每一瞬时时刻的SOP和DOP进行处理，从而获得波长扫描光源在每一瞬时时刻的中心频率或波长；第四步是获得每一时刻下与光波长成函数关系的光源光谱功率，可以通过对DOP值和DGD值的关系进行傅里叶变换得出；第五步是获得光功率随瞬时时刻和光波长变化的三维图。此外，这种方法可以将上述的三维图转换为光功率随中心频率和光波长的三维图，其中中心频率是通过处理测得的SOP和DOP得到的。

本发明的另外一种所述光谱测量实施例的测量方法包括三步，第一步通过差分群时延装置使被测光相互正交的偏振模式产生指定的差分群时延值，然后将光输出；第二步是根据差分群时延值测量光的偏振态和偏振度；第三步是对输出光的偏振态和偏振度进行处理，从而获得被测光的光谱。

还有一种测量光谱特性的装置实施例，它包括以下几个部分：一个接收被测光的输入端口；一个差分群时延(DGD)装置，它接收从输入端口传输的光，并使该光在DGD装置两相互正交偏振主轴方向上产生时延，形成输出光；一个偏振探测器，放置用来接收从DGD装置输出的光，并测量输出光的偏振态和偏振度(或其中之一)；一个处理装置，它是用来接收并处理光偏振探测器的测量结果，从而提取被测光的光谱信息。

本发明的特点及效果

本发明可以实现很快的测量速率(比如MHz量级或更高)，因此可以用来测量与时间函数有关的快速扫描激光。频谱分辨率与差分群时延的大小有关，差分群时延值与可达到的频率间隔最小值成反比，因此，可以通过控制差分群时延值，就可以获得其它光谱分析仪所无法达到的最小频率间隔(比如Khz)，从而提高光谱分辨率。

以上这些及其他的实现方法和特点的详细叙述可参见附图，表格和实施例的详细说明。

附图说明

图1A和图1B所示为本发明基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置实施例。

图1C和1D所示为本发明基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置另外两个实施例，图中在DGD装置的输入端放置了一个线起偏器。

图2A和2B所示为本发明基于偏振测量与分析的光谱分析仪测得的曲线，该曲线是当光频率变化时，偏振态在邦伽球上的典型轨迹。

图3A、3B、3C及3D表明了本发明基于偏振测量与分析的光谱分析仪的操作。

图4A、4B和4C列举了采用本发明差分群时延结构的基于偏振测量与分析光谱分析仪的实现方法。

图5和图6列举了本发明另外一种基于偏振测量与分析光谱分析仪的实现方法。这种方法采用了基于偏光计的差分群时延结构。

图7A和7B分别是利用1-KHz可调法布里-罗珀滤波器滤波的放大自发射(ASE)光源的偏振度(S1)和扫描波长随时间的变化。图中起始波长由商业化的光谱分析仪获得，本发明基于偏光计的光谱分析仪可以直接确定绝对起始波长。

图8A和8B分别是利用1-KHz可调法布里-罗珀滤波器滤波的商业化可调激光器的偏振度(S1)和扫描波长随时间的变化。图中，本发明基于偏光计的光谱分析仪可以直接确定绝对起始波长。

图9是高速嵌入式DSP的偏光器(POD-101D，通用光电公司)示波器模式下的屏幕快照例图。当输入光以0.1sec的速度扫描时，可以记录偏振度的轨迹(S1、S2、S3、S4)和SOP的变化。

图10所示为输入光以0.1sec的速度扫描时测得的瞬态波长和功率。图中起始波长由商业化的光谱分析仪获得，扫描激光光源的瞬态特性在子图中明确显示。

图11是对定波长的光源进行光谱分析的实验装置。

图12是利用图11的装置测得的DOP值的实验结果、光谱分析仪光谱及其派生光谱。实验过程中分别用40-Gb/s非归零键控(NRZ-OOK)和归零键控(RZ-OOK)调制信号来改变DGD值从0到1000ps。

图13所示是本发明偏振光谱仪测量的光功率随光波长和扫描波长或时间变化的三维图。

图14是本发明利用一个偏振光谱仪和一个光波长传感器组成光传感器系统的实施例。

图15A和15B是本发明利用一个偏振光谱仪、多个波长传感器及其传感系统组成光传感器系统的实施例。

具体实施方式

这里将详细说明光谱特性测量装置、系统及技术的例子和实现方法。所述的例子和实现是基于通过不同光延迟线或延迟装置后光信号的偏振态和偏振度(或其中之一)。通过改变光的差分群时延可以改变光谱的分辨率和测量范围。选择恰当的结构来实现所述的技术、装置及结构，就可以优化分辨率、光谱范围和测量速度这些参数，从而满足光谱分析应用的特殊要求。

在各种各样的光谱分析仪中，有的是利用一个或多个色散元件组成在空域上分离光谱，有的是利用一个或多个可调光滤波器或通过光干涉和快速傅里叶变换(FFT)的光谱提取元件在时域分离光谱。这些光谱分析仪一旦应用于对性能有特殊要求的情况时，就会由于光谱分辨率、测量范围和测量速度相互制约，很难同时提高这三个参数。比如，对于基于FFT的光谱分析仪来说，其光谱分辨率被延时的测量范围变化和干涉仪的稳定性所制约；再比如，对于基于衍射光栅的光谱分析仪，光束直径、光栅上的物理间隔、光探测器的稳定性都会制约光谱分辨率，因此，光谱分析仪中光栅的物理间隔及成本，就限制了这种光谱分析仪不能获得所期望的高分辨率。可调快速扫描激光器的大扫描范围(如160nm)，高扫描重复率(如几十KHz)，当这种激光器的输出波长进行扫描时，如果想要测量随时间变化的波长，很多光谱仪都很难实现这一要求。

举一个特殊的例子，基于法布里-罗珀滤波器光谱仪的光谱分辨率与测量范围的关系。为了获得很好的光谱分辨率，就要牺牲法布里-罗珀滤波器由自由光谱范围所决定的测量范围。这里，分辨率δf与精细度F和自由光谱范围(FSR)的关系如下式：

δf＝FSR/F

其中精细度F由两个端镜的反射率和传输损耗部分决定。在实际的仪器中，精细度的最大值会受到限制而无法无限的提高。自由光谱范围与光谱分辨率成比例的，决定了光谱测量范围，光谱分辨率越高测量范围就越小。因此，对光谱分辨率和光谱测量范围就要折中选择。如上所述，基于可调法珀滤波器的各种光谱分析仪，其光谱分辨率和测量范围都会受到限制

本发明基于偏振光谱测量方法及装置利用了一个差分群时延(DGD)装置和偏振态探测装置来获得接收光的光谱。举一种基于此应用典型的光谱测量方法为例，被测光经过DGD装置，两个相互垂直的偏振模式就会产生指定的差分群时延值，输出光进入光偏振探测器，测量出从DGD装置输出光的偏振态(SOP)的同时，也可以测量该光的偏振度(SOP)，这样就获得了被测光的全部光谱信息。最后处理所得的SOP和DOP值就可以获得被测光的光谱，这种方法既不需空域分光元件，也不需可调光滤波器。改变DGD的值就能够改变可测量的光谱分辨率和光谱范围。在这种方法中，光谱分辨率与DGD的值成反比，因此通过提高或降低DGD就可以在很大范围上调节光谱分辨率。比如通过DGD的光纤就可以实现几kHz的光谱分辨率。

DGD装置可以选择为可变DGD，通过改变DGD的值就可以实现高扫描速率(MHz范围)，因此能够测量随时间变化快速扫描激光器的波长。这种装置的工作过程如下，首先控制DGD装置扫描来获得一系列DGD值不同的输出光，然后偏振探测器接收DGD装置的输出光，并测量出与DGD值相对应的SOPs，DOPs及光功率值，最后对光功率和对应的DGD值进行处理，来获得所测光的光谱。

本发明基于偏振光谱测量方法及装置能够很容易设计用来捕捉光谱或波长的瞬态特性，其他的光谱分析仪是不能实现的。本发明基于偏振光谱测量方法及装置可以用来测量SOP轨迹的方向，很明显这就可以测量输入光的波长变化方向。这种能够监测并测量光频率方向变化的能力，就使本基于偏振光谱测量方法及装置有着独一无二的应用。

光源的谱宽会受到多种因素的影响，如光源自发辐射的噪声，中心频率随时间的漂移。如果光谱测量速度小于光源频率漂移速度，或光谱测量分辨率大于频率漂移范围，或者两种情况都有，这时候上述的两个因素在实际中就很难分辨出来。由于本偏振分析方法的测量速度高于频谱分辨率，就可以测量出随时间变化的光源频率瞬态变化。此外，利用本方法和装置也可以获得被测光的频率漂移方向。其它的光谱测量方法很困难或根本无法完成的以上这些任务。

图1所示为本发明基于DGD装置110的光谱分析仪100的例子，图中DGD装置可以是产生固定或可变的DGD装置。DGD装置通过光输入端口接收被测光101，然后产生在相互垂直偏振模式上有指定时延的输出光102。DGD装置110可以是定值DGD装置用来产生固定的DGD值，也可以是可变的DGD装置(包括用来调整该装置的控制单元)对输出光102产生变化的DGD值。采用可变的DGD装置能够改变光谱分析仪100的光谱分辨率和测量范围。光偏振探测器120位于DGD装置110的后面，它在接收从DGD 110输出光102的同时能够测量该光的偏振态和偏振度。数据处理装置接收光偏振探测器120输出的偏振态、偏振度及光功率等数据，通过处理就能获得光101的光谱。光偏振探测器120可以利用多种器件实现，如偏光计等。

输入DGD装置110的光101可以是线偏振光，这样DGD装置中两偏振主态(PSP)方向上的光强就是相等，这种结构可以简化光谱分析仪110的操作。但不需要简化的情况下，在恰当操作下可以接收输入任何的偏振态。

图1A的光谱分析仪有多种实现方法，光路可以由光纤搭建，也可以是自由空间。由于光在光纤中传输容易产生随机椭圆偏振，所以很难保证输入光在DGD装置110的两个主偏振态PSP方向上具有同等的光强。为了降低技术难点，可以在DGD装置110后加上保偏(PM)光纤140制成的尾纤，保偏光纤140的慢(或快)轴与DGD元件110的主偏振方向成45角。

图1B所示为一个实施例，其中将稳偏器130置于可变DGD装置112的输入端，控制接收非偏振保持光纤(如单模光纤)中的光同时产生稳定的线偏光，该线偏光的方向对齐于稳偏器的输出保偏光纤慢(快)轴。稳偏器130的输出保偏光纤与DGD装置112的输入保偏光纤140相连。因为稳偏器的输入端接收光的偏振态会发生变化或扰动，所以设计一个稳偏器130用来保证输出光是所需的线偏光。稳偏器130可以是有源器件，有源控制一个或多个偏振单元，如双折射单元或法拉第旋转器，基于反馈控制环路或负反馈控制环路稳定输出偏振态，得到所需的线偏光。稳偏器130也可以是无源稳偏器，无需有源控制结构，就可以获得所需的线偏光。

图1C和1D所示为基于偏振测量与分析的光谱分析仪的另外两个实例，它们在DGD装置的输入端放置了一个线起偏器。图1C所示，线起偏器150放置在DGD装置112的输入端，起偏器的起偏方向与DGD装置112的偏振主轴方向成45度角。因此，起偏器150输出光152的偏振态方向就与DGD装置112的偏振主轴方向成45度角。这种设计就保证了DGD装置112的两相互正交偏振主轴方向上的光强相同，而不用考虑起偏器150中输出光的偏振态情况。图1D所示为在图1B的装置中加入了一个起偏器150，该起偏器连接了保偏光纤140的输出端和DGD装置112。保偏光纤140中偏振光输入DGD装置112时，会有偏振方向不重合或产生闲散光的情况，使用线起偏器，并保证其偏振方向与保偏光纤偏振方向正交，就可以使偏振方向不重合或出现闲散光的效应最小。

调节可调激光器的光波长或频率，当光通过本光谱分析仪的DGD装置时，其偏振态轨迹在邦伽球上是个环形，如图2A所示。SOP的随频率变化速率是由DGD的值决定的。因此通过SOP在邦伽球上的轨迹就可以获得DGD的值。

利用上述的逆效应就可以测量光源频率变化。如果DGD装置中的DGD值已知，就可以通过SOP在邦伽球上的轨迹来确定光源频率。例如，DGD装置的DGD值为时间τ，从DGD装置输出的光经光电转换后，其复振幅为：

$\stackrel{\→}{E}=(E_x{e}^{i2\mathrm{\πf\τ}}{\hat{e}}_x+E_y{\hat{e}}_y)e^{i{\mathrm{\φ}}_o}---\left(1\right)$

其中E_x和E_y分别为电场在所选坐标系下的x和y方向；

和

分别是x和y方向的单位矢量；φ_o代表相位角。

在工作状态下，电场的幅值在x和y方向是相等的(E_x＝E_y)，SOP是邦伽球上最大一圈，如图2B所示。在此工作状态下，测量精度或敏感度最高。若输入光在两偏振模式上的频率分别为f₁和f₂，利用(1)式可得相位差的表达式：

Δθ＝2π(f₁-f₂)τ                              (2)

对于已知时延τ，频率差可以根据邦伽球上的矢量相位差计算得出，如下式：

$f_1-f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

一种实现方式是可以通过不同的时延值来测量SOP，测得SOP变化值能够转化为输入光的频率变化，然后通过对数据的进一步处理可以就得到输入光随时间变化(横轴为时间，纵轴左侧为光频率，纵轴右侧为光强)的光频率和相应光强(斯托克斯矢量为光强)。同时也可获得随光频率变化的光强(横轴为频率，纵轴为光强)。

在对本基于偏振光谱测量技术及装置的频率分辨率进行优化时，无需牺牲测量范围。若偏振分析仪的SOP分辨率为0.36度，在邦伽球上一圈轨迹就可以获得360/0.36＝1000个点。利用公式(1)，若DGD已知，频率变化Δf大于1/τ，则SOP在邦伽球上的轨迹就会不断地自身重复。在不计轨迹方向变化的信息时，基于光谱分析仪的偏光计测量范围和频率分辨率分别为：

Δf＝1/τ             (4)

δf＝Δf/1000＝10^-3/τ (5)

公式(4)中光谱测量范围是对于一圈轨迹测量范围小于1/τ的。举例来说，若DGD的τ值等于100ps，测量范围和精度就分别为1GHz和1MHz。

如果考虑SOP在邦伽球上只有一圈轨迹，那么就要对测量分辨率和测量范围作出折中选择。而当SOP在邦伽球上的轨迹不断地自身重复的话，且频率变化范围Δf大于1/τ，则利用SOP方向的变化值就可以计算出测量范围：Δf＝N×1/τ，其中N为SOP轨迹重复的数目。这样就可以在不牺牲光谱分辨率的基础上获得很大的测量范围。对于固定的DGD装置，若想不牺牲测量范围，就需要选择大的DGD值来提高光谱分辨率。因此，对本基于偏振光谱测量技术及装置就不必像其他光谱分析仪一样，要对光谱分辨率和测量范围之间作出权衡。

在这种实现方式中，选择可变的DGD装置可以同时实现高光谱分辨率和大测量范围。增加可变DGD装置的DGD值，就可以得到高光谱分辨率，而降低DGD值就可以得到大测量范围。所以只要DGD值已知，就可以获得光谱信息。例如，一个可变DGD装置的DGD最小值为1.4ps，最大值为45ps，则测量范围和测量精度就分别为700GHz(87nm波长)和20MHz。在实际中，测得SOP的变化方向，相应的测量范围就为1/τ的整数倍。因此，SOP方向的变化信息就可以用来拓展基于偏振光谱分析技术及装置的频率测量范围。

图3A、3B、3C和3D所示为本发明的基于偏振光谱测量方法及装置的光谱仪的工作流程。

图3A是基于偏振测量与分析的光谱仪在波长扫描模式的实施例，利用高速偏光计测量随时间变化的SOP轨迹可以实现偏振分析仪120。当对输入光的波长扫描时，扫描波长就反应了SOP随时间变化。所测的SOP轨迹包含了详细的偏振信息。对于已知的DGD值和测得的SOP轨迹信息，利用(3)式计算偏振旋转角就可以获得波长的瞬态变化。图3A中测得的SOP曲线有几个尖峰，是由于光波长或频率的突变造成的。

当E_x＝E_y时，由(1)式可得SOP在邦伽球上的旋转角度：

θ＝θ_o+2πfτ          (6)

其中θ_o为定值。对于固定的光频率f，SOP的旋转角度θ与DGD值τ成线性关系。所以，利用测得的SOP旋转角θ和相应的DGD值τ，通过(6)式就可以得到光频率f，也就是线性关系的斜率值。

基于上述偏振分析，测量并处理光的SOP就可以获得被测光的光频率，值得指出的是，这样也可以获得被测光的频率漂移。图1A到1D的几个设计用来测量从DGD装置110或112中输出光的SOP，提供被测光的光谱分析。通过进一步测量和处理被测光的偏振度(DOP)就可以获得被测光的全部光谱特性。在一些特殊的应用中，图1A到1D的装置可以即测量SOP又测量SOP，也可以只测量其中之一，然后利用基于偏振的测量与分析就可以获得输入光的光谱信息。

在(1)式中假定了被测单色光信号的相干长度无限长。然而实际的光信号，大都具有有限的光谱宽度或有限相干长度。所以当与DGD值τ相对应的光程长度大于信号的相干长度时，两个偏振模式再合成时就不能相干叠加。因此合成的输出光就会消偏，其DOP值为0。当与DGD值τ相对应的光程长度小于信号的相干长度时，光的DOP值就会小于单位1。随着DGD随时间增加，DOP在下降。由于相干长度与光谱的形状和宽度有关，测得的DOP与DGD的曲线关系就反应了被测光源的光谱形状和宽度。

光信号的DOP的表达式如下

$\mathrm{DOP}\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{4({\mathrm{\γ}}^2-\mathrm{\γ})[1-R^2\left(\mathrm{\τ}\right)/R^2\left(0\right)]+1}---\left(7\right)$

其中γ是DGD装置两偏振模式上的光强分配比(当γ＝1/2时，两偏振方向上的光强相等)。R(τ)是所测光源的自相关函数，其与功率谱的关系如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}P\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{i\ω\τ}}\mathrm{d\ω}---\left(8\right)$

当E_x＝E_y且γ＝1/2时，DOP可以简化为：

$\mathrm{DOP}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{R\left(\mathrm{\τ}\right)}{R\left(0\right)}=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}P\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{i\ω\τ}}\mathrm{d\ω}}{S_o}---\left(9\right)$

其中为总光强，由DOP的测量结果可以得到被测光源的功率谱：

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=S_o\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{DOP}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{\mathrm{i\ω\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

上述(6)-(10)式表明，根据所测得随时间变化光的SOP和DOP，如图3B和3C所示，能够获得输入光的功率谱和频率。

图3D所示为本发明的一个利用基于偏振测量与分析的光谱仪对固定波长光源的谱分析的实施例。在该谱分析模式下，图1B中可变DGD装置112通过调节不同的DGD值，来获得SOP旋转角和DOP。在调节DGD值的过程中，处理偏光计120出来的SOP和DOP信息，就得到了被测光源的光谱分析结果。对于固定波长输入光源来说，偏振旋转角与DGD值成线性关系。将测得的数据带入(6)式后得出拟合曲线，就得到了被测光的中心频率，也就是光源的中心频率。再对所测DOP信息进行处理，如快速傅里叶变换，就能够得到光源在各波长下的光功率，利用这些光功率值可以确定输入光的光谱线形和宽度。

如(6)式所示，测得的频率稳定性与DGD值的稳定性相互制约，频率的稳定性会受到温度或其他环境因素的影响。由(6)式得到的频率变化如下：

Δf/f＝-Δτ/τ            (11)

其中Δτ/τ是相应的群时延变化系数。以光纤为例，热效应是主要影响因素，光纤的热致时延系数大约为10-6/度。对于中心频率为1015Hz的光信号，测得的频率稳定性大约为每度1GHz，这个数字与可调谐法布里-罗珀滤波器的值相同。

以下是基于DGD光谱分析仪的几个实施例。DGD装置可以由很多结构来实现。一种简单的结构是利用一段保偏光纤或双折射材料来实现，这种结构的特点是具有相对较小的DGD值和有限的调节范围。大DGD值及宽调节范围的DGD装置可以由多种光时延器件来实现。图4A、4B和4C分别为由三种不同可变DGD装置实现的光谱分析仪实施例。

如图4A所示，基于DGD的光谱分析仪401由可变DGD装置110A实现，该DGD装置包括一个偏振分束器(PBS)410，它能够将输入光101分离为两束分别沿光路411和412传播并相互正交的偏振光。该DGD装置包括还包括另外一个PBS 420，它将两路分别沿411和412的光合成一束信号光102，输入到光偏振探测器120中探测。在第二光路412中有一个用来产生时延或相位差的时延器件。该时延器件可以是根据控制信号改变时延值的可变时延器件，也可以是产生预定的固定时延值的固定时延器件。因此，第二光路412中的偏振光被控制与第一光路中的偏振光产生了可变或固定时延。然后偏振探测器120会探测经过PBS 420合成的两束偏振光。

图4B所示，基于DGD的光谱分析仪402由两路光程不同的DGD装置110B来实现，该装置能够获得所需的光延迟。与DGD装置110A相似，DGD装置110B包括一个偏振分束器(PBS)410，它能够将输入光101分离为两束分别沿光路411和412相互正交的偏振光。DGD装置110B分别在第一光路411和第二光路412中加入了第一反射镜431和第二反射镜432，这两个反射镜使两光路中的光反射回PBS410中，这种设计取代了图4A合成两束光的第二PBS 420。在图4B中两个反射镜中431和432包括了法拉第旋转镜，该旋转镜在PBS410和反射镜之间使偏振方向形成了45度角旋转，这就使每一个反射镜接收光的偏振方向沿各自的偏振方向旋转了90度。然后被旋转的反射光回到PBS410，PBS410将分别沿411和412的两束光合成一束信号光102，传输到光偏振探测器120中。上述PBS 410有四个输入和输出端口，分别为端口1、端口2、端口3、端口4，其中端口1用来接收输入光101，端口2将分离的第二偏振光输入到第二光路412中，并接收从第二光路412反射回的光，端口3将分离的第一偏振光输入到第一光路411中，并接收从第一光路411反射回的光，端口4将合成光102输入光偏振探测器中。

在光路411和光路412中，其中一路的偏振光相对于另一偏振光具有一个延迟。根据控制信号产生延迟或是具有一个固定延迟的延迟器件413，位于PBS 410和反射镜432之间的第二光路中。因此，第二光路中的光就会两次通过延迟器件，与第一光路411中的光产生两倍于延迟器件413延迟时间的延迟量。

两光路411和412中的反射光在同一PBS 410中合为一束，从端口4输出，进入光偏振探测器120。若两偏振光在偏振保持介质中传输，如保偏光纤或自由空间，法拉第旋转镜431或者432就可以由反射镜和1/4波片组合来代替，并且保证1/4波片的光轴与相应偏振光的偏振方向成45度角。

图4C所示是基于另外一种DGD装置的光谱分析仪403，其中DGD装置110C由多片双折射材料452和偏振旋转镜或偏振开关450组成。在这个例子中，DGD装置110C利用多个可变DGD单元级联而成，级联而成的DGD形成了光通路使输入光由此输出。每一个可变DGD单元由偏振旋转镜或开关做成，并利用单元控制信号对接收光的偏振进行控制；由双折射材料构成的双折射部件452接收从偏振旋转镜输入的光并传输。每一个偏振旋转镜450都有一个控制单元，它能够为各自的偏振旋转镜450提供控制信号，这样就可以控制双折射部件452中接收光，使其对第一偏振光产生时延并从双折射部分452输出，同时也对第二偏振光产生一个不同的时延从双折射部件452输出。双折射部件452的双折射材料可以选择双折射晶体或是保偏光纤。在不同的可变DGD单元中双折射部件452是不同的，光路长度也不同。两相邻的双折射部件452的长度比不同，可以选择常数因子2。从负责接收输入光的第一个可变DGD单元到最后一个负责输出光的可变DGD单元之间，不同双折射部件452的长度可以连续增加或减小。可变的DGD光延迟单元可以包括一个由第一双折射部件构成的第一可变光延迟单元，和一个有第二双折射部件构成的第二可变延迟单元所组成，其中第二双折射部件与第一块双折射材料的双折射率不同。本光谱仪中采用的DGD装置包括了美国专利5,978,125，5,796,510，RE38809E，RE38735E和L.S.Yan等的“Programmable Group Delay Module using binary polarizationswitching，”IEEE J.of Lightwave Technology，Vol.21，no.7，(2003)中的相关内容。以上的四个专利和一篇文章中的全部公开内容通过引用做为本文的一部分公开内容。

图4A和4B中的延迟器件413采用了可变延迟器件，可变延迟器件413可以是机械延迟线。如上所述，图4B中的延时器件110B可以使时延部分产生的时延倍加。为了进一步增大延时值并使延迟线的结构紧凑，可以采用4倍频器使延迟线产生的有效时延增加4倍。下面的例子是关于四倍延迟的光延迟线技术和装置设计，这样就无需增加光纤线圈或光纤环的实际长度。具有偏振态的被测光在相对简单的光学系统中，四次通过光纤线圈或光纤环。这种光延时器件可以达到集成化，因此有广泛的应用，如OEO和OCT系统。

图5所示为采用基于光纤线圈或光纤环的光延迟装置，这样就可以获得四倍于原延迟信号的延迟。图中光偏振分束器(PBS)503包含有三个端口，分别为1端口、2端口、3端口。输入光101为在第一偏振模式下为线偏光，从PBS的1端口入，在PBS1端口和2端口间的光路中传输。PBS503用来反射与第一偏振模式正交的第二偏振模式光，第二偏振模式光从2、3端口之一输入，传输到另外一个端口。第一光路503一端与PBS 503的2端口相连，另一端与法拉第反射镜530相连。第一光路503的作用是：当PBS 503的2端口接收光并输出时，为其提供光时延，同时将从法拉第反射镜530反射回的光输入2端口。法拉第反射镜由一个45度法拉第旋转镜531和一个反射镜532组成，其作用是使第一光路510中传输过来的光具有一个反射偏振模式并反射回第一光路510，这个反射回去的偏振模式垂直于从第一光路510中传输到法拉第反射镜530光的偏振模式。

需要指出的是，图5中的装置包括第二光路520，它的一端与PBS 503的3端口相连，另一端与反射镜540相连。在这种工作状态下，光是从PBS 503的2端口输入从3端口输出，反射镜540的作用是使第二光路520中传输过来的光具有一个反射偏振模式并反射回第二光路520，这个反射回去的偏振模式与从第二光路520中传输到反射镜540光的偏振模式相同。因此，从反射镜540反射回的光保持了第二偏振模式并输入到了PBS 503的2端口中，然后这束光被PBS503反射到2端口，这样就会在第一光路510中第二次传播。被法拉第反射镜第二次反射后，第一偏振模式的光回到PBS 503的2端口，通过PBS 503进入1端口，变成输出光102输出。

在此设计中，第一偏振模式的输入光101输入PBS 503的1端口，四次通过第一光路510，两次通过第二光路520，然后回到了1端口，变成输出光102输出。光纤延迟线圈或光纤环作为第一光纤路径510，使光纤线圈的延时量增加四倍。

图5所示的延时装置，可以通过在光路510或/和520中加入可变单元，延时装置产生可变的时延。如图中例子所示，在第一光路510中加入具有可变时延550的光时延装置500，这样就可以在输出光102中产生可变的时延。可变延时550有多种实现方法，其中之一就是可以在光纤线圈中加入光纤拉伸器。可变延时550可以由单模(SM)光纤或保偏(PM)光纤组成，在PBS 503的2端口和法拉第反射镜之间形成光路。利用这种结构，时延值可以增加四倍。另外，可变延时550也可以放在PBS 503的3端口与540反射镜之间形成光路，这样时延值可以增加两倍。

在操作过程中，PBS 503被用来接收进入第一光路中510获得延迟之前的光信号。输入光101的偏振态被PBS 503控制，使通过PBS 503的光为线偏光。PBS 503有3个端口：1端口接收输入光信号101，2端口接收1端口传输过来的光，3端口接收从2端口传输过去并被反射回来的光。在实际中，进入PBS503的第一端口并穿过PBS503到达第二端口的光的偏振态，与从第二端口输出后反射回来进入第二端口再反射至3端口的光的偏振态相互垂直。在第一光路510中的延迟光纤与PBS 503的2端口相连，其主要作用如下：(1)接收来自1端口传输的光；(2)接收通过3端口被PBS 503反射回的光。法拉第反射镜位于延迟光纤的末端，它将从延迟光纤中传输过来的光再一次反射回PBS 503。法拉第旋转镜531是一个用来实现正交的45度旋转镜：被法拉第反射镜530反射回的光，其偏振态(SOP)与正向输入第一光路510光的偏振态处于正交。因此，在PBS 503中，反射光的偏振态(SOP)与正向传输光的偏振态正交，所以光信号就反射到了PBS 503的3端口。反射镜540位于3端口的末端，将从3端口输出的光反射回3端口，并保持其偏振态不变。反射镜540可以是一个直接贴在3端口的反射镜，也可以是将3端口直接抛光制成，或者用一段介质将反射镜与PBS 503分离开来，如保偏光纤或自由空间，只要在平面镜540反射回的直接进入3端口的光偏振态保持不变就可以。由于从平面镜540反射回的光SOP保持不变，PBS 503接收的平面镜540反射光就会从2端口反射出来，进入第一光路510中的延迟光纤，然后再被法拉第旋转镜530再次反射。从法拉第反射镜530反射回的光将第四次通过延迟光纤，并到达PBS 503的2端口。在PBS 503中，被法拉第镜两次反射的光其SOP与从PBS 503的3端口反射到2端口光的SOP相互正交，这也就使被法拉第镜两次反射的光与1端口接收到的输入光偏振态相同。这就导致，被法拉第反射镜530两次反射的光，进入2端口后，通过PBS 503到达PBS 503的输入端口1。因此，光在从PBS 103输出之前，总共四次通过了延迟光纤。

图6所示是基于图5设计的独立光延迟器件600，这种器件允许用户选择光延迟元件，来获得四倍于所选延迟器件的延迟时间。光延迟器件600包括一个光环形器610，601的输入端口接收要被延迟的光(如输入光101)，602的输出端口输出被延迟的光(如输出光102)，两个用户光端口631和632用来连接光延时元件640。光环形器有3个端口，分别为1端口、2端口、3端口，1端口接收到的输入光传输到2端口，2端口接收到的光传输到3端口。环形器的1端口通过光纤或自由空间与输入端口601相连，用来接收输入光。环形器的2端口通过光纤或自由空间与PBS503的1端口相连，使光输入到PBS 503中并接收从PBS 503中输出的光。环形器的3端口通过光纤或自由空间与602端口相连，这样就环形器接收到的使从PBS 503端口1进入环形器610的光，从602端口输出光延迟器件600。环形器610可以实现对输入光101和输出光102的路由。

在图6的装置600中，光路621代替图5中的第一光路510，将PBS 503的2端口与使用的光端口631相连；第二光路622将用户的632光端口与法拉第反射镜530相连。光路621和622没有直接相互连接，它们可以一段光纤或自由空间组成。使用者可以将固定或可变的光延时部件与两个使用的端口631和632相连，来控制反射光在602输出端口的延迟。图6中的所有元件可以用一个设备盒装起来，端口601、602、631、632安装在设备盒上方便用户使用的地方。图6中虚线内的所有器件都可以放入设备盒中。

本发明对基于偏振测量与分析的DGD光谱分析仪或偏光器光谱分析仪(P-OSAs)做了各种实验与测试，以下的实验和测试的结果可以用来阐述本光谱分析仪的特征。

图7A和7B是基于采用频率扫描光源的DGD光谱分析仪的测试结果。该频率扫描光源为谱叠加的放大自发射(ASE)光源，它采用了一个40KHz的高速法布里-罗珀滤波器和一个输出为15dBm的大功率掺铒光纤放大器。高速可调滤波器的扫描波长可以通过信号发生器来调制，信号发生器的频率、幅值、偏移与EDFA的增益带宽相匹配。固定DGD元件是由具有5.7-ps的群时延的双折射晶体组成，通过偏振控制器来调节，确保两相互垂直本征偏振态上的分配功率相等。DGD元件的输出端口与通用光电公司生产的嵌入式高速DSP偏光计(产品号：POD-101D)相连，这样就可以以1MHz的采样速率实时显示SOP在邦伽球上的轨迹。

滤波器扫描速率为1-KHz时，偏光计测得一个斯托克斯矢量(S1)调制结果如图7A所示。正弦信号产生器的幅值和偏移分别为10V和3.5V。通过SOP方向的变化，可以计算获得偏振旋转角，如图7B的右侧Y轴所示。调制SOP重复轨迹圈数可以用来正确表达积累的旋转角。通过(3)式，利用积累偏振角可以得到扫描波长随时间变化的函数(如图7B的右侧Y轴所示)。光谱分析仪可以测量起始波长。在实际中，用可变的DGD单元可以获得参考波长。从测得数据我们可以看出，扫描波长与正弦扫描信号很吻合，其时间周期由1-KHz的扫描频率决定。

图8A和8B为基于DGD的光谱分析仪采用另一个频率扫描光源的测试结果。该频率扫描光源为HP 8164A可调激光器，其扫描步长为0.05nm，频率间的停留时间为0.1s，DGD光谱分析仪与图7A和7B测量时所使用的相同。滤波器扫描速率为1-KHz时，DGD偏光计测得一个斯托克斯矢量(S1)调制结果如图8A所示。正弦信号发生器的幅值和偏移分别为5V和4.5V。图8B所示为扫描波长随时间的变化。周期为100μs时扫描频率为10-KHz。由于DSP偏光计的采样速率有限，在此频率下恢复的SOP轨迹没有像1-KHz情况下的一样平滑。如果偏光计的采样频率可以提高，那么就可以获得预期的结果。在测量过程中由于法布里-罗珀滤波器幅值的波动，导致调制SOP轨迹减小和扫描波长范围减小。

图9和图10所示是HP8164A波长扫描的测量结果。图9为POD-101D示波器模式下的屏幕快照，它记录了SOP的轨迹(S0、S1、S2、S3)。当输入HP8164A光源仪0.05nm的步长扫描时，SOPs不仅反应了正弦特性，也反应出了波长从一个值变化到另一个值时的阶跃引起的SOP轨迹上的尖峰脉冲。

根据采样的SOP轨迹，利用记录的SOP数据可以计算出在考虑旋转方向情况下的偏振旋转角。偏振旋转角可以转化为时间分辨扫描频率，如图10所示。图中获得的瞬时波长范围为1540-1560nm，它利用了图9中SOP轨迹的周期特性。尽管P-OSAs具有测量绝对起始波长的能力(在下一部分将有详细的介绍)，单图中的起始波长由可调激光器获得，而不是从数据分析所得。值得注意的是，当记录更多的SOP轨迹变化圈数时，测量范围就可以进一步提高。图10中放大的曲线为快速转换时间(毫秒量级)低相对扫描速率(0.1秒)光源的测量结果。放大图显示出了光源波长从一个值转换到另外一个值时的特性，在光源快速初始化过程中波长首先发生振荡，然后在几十毫秒的时间里迅速达到指定值，大部分的时间内光源都是稳定在锁定波长上。图9和图10显示了P-OSA捕获扫描光源瞬时变化的强大能力，本光谱仪的这种能力远远超过了其他类型的光谱分析仪。通过时间分辨的S0轨迹可以测得光功率的瞬时变化。

SOP轨迹方向的变化可以用来探测波长方向的变化。参考图10，可以看出在波长转换过程中的快速振动(毫秒量级)是由频率的瞬时变化决定的，这与图9中所示的SOP变化很吻合。以上这些特性也可以应用于扫描光谱分析，这是其他很多光谱分析仪很难实现的。

这里也使用基于DGD光谱分析仪对光源的光谱形状进行了测量和分析。图11所示用来测量固定波长光源光谱的实验装置。为了证实上面提出的P-OSA的性能，这里对窄带可调光源采用两种不同的开关键控调(OOK)制信号来调制，分别是40-Gbit/s非归零码(NRZ)和归零码(RZ)的编码格式，这样就获得了两种相应的光谱特性。可变DGD模块由一个2×2的偏振分束器组成，它可以将输入光的两个相互垂直的偏振态分离(端口1→端口2和端口3)，也可以将这两个偏振态合成输出(端口2和端口3→端口4)。一个调谐范围为560ps的机械延迟线(MDL)插入两光路中一臂。当MDL设置在原点时，要保证两臂的路径匹配。两个法拉第旋转镜(FRM)分别放置在每一臂的末端用来保证偏振的正交性和经过PBS合成光的稳定性。PBS的输出光会直接进入嵌入式DSP偏光计中。偏振控制器放置在偏振干涉仪的输入端，以保证在PBS中要重新合成的两臂光强相等。因为只有在两臂光强相等时才能在邦伽球上获得最大的圆周(如图所示)，从而保证最高的频率分辨率。

图12是图11的实验装置的测试结果。当MDL的值从0增加到500ps，40-Gbit/s NRZ-OOK和RZ-OOK调制下的DOP如图12(a)所示。由于两次通过实验装置，所以图中结果与调谐范围1000ps的DGD相符合。当DGD超过25ps时，DOP与DGD的关系曲线表明NRZ-OOK的曲线在60％的程度上保持不变，而从RZ-OOK的曲线可以看出，DOP的周期性，由于RZ-OOK，使得具有40-GHz的调制峰和20-GHz的残余调制峰。图12(b)所示为传统的OSAs在NRZ-OOK和RZ-OOK调制下的测量光谱，从图中可以看出40-GHz调制结果占主导，且光谱宽度较宽。利用(6)-(9)对中心频率旋转角度及DOP谱型和谱宽处理，可以得到两种不同调制模式下光谱。图(12)c为利用本P-OSA方法得出光谱特性。

在同样的横坐标和纵坐标下，P-OSA谱宽与谱型与前面的相似，但是由于有调谐范围1000ps的DGD，P-OSA的光谱分辨率更高，其线宽分辨率小于1GHz。

波长扫描光源在每一波长下的谱型和宽度具有光源的相干长度信息，因此具有很多应用，如光学相干层析(OCT)。扫描波长光源每一波长下的谱型和宽度是无法通过传统的OSAs直接测量的。本P-OSA除了可以测量固定波长光源的谱型(光强和频率的关系)，还可以用于直接测量快速扫描波长光源的谱型。基于此，就可以生成一个三维图，该图是谱型及其全部信息与扫描波长及中心频率的函数关系。

在一种实现方法中，图1B的DGD装置112改变DGD值的同时，使波长扫描光源的波长重复扫描，这样就能够测量波长扫描光源的中心波长和谱型。测量步骤如下：首先，从波长扫描光源输出的光进入图1B中的DGD装置112产生输出光；其次，可变DGD装置改变其DGD值，在每一个DGD值上，波长扫描光源都要完成波长的全扫描，扫描范围为可调全光谱范围或在在全光谱范围内的一段特殊光谱范围。在每一次扫描过程中，实时测量与DGD值对应的偏振态(SOP)和偏振度(DOP)。这样当光源波长扫描时，就可以测得随波长变化的SOP和DOP。因此，在每一DGD值上，SOP和DOP都是时间的函数。在其它DGD值上，重复上述测量。将不同DGD值在光源不同扫描波长上的SOP和DOP数据重新整合，就能够得出在特殊光谱扫描波长范围内，SOP和DOP随DGD及时间的变化关系。

在测得SOP和DOP的基础上，利用SOP与DGD值的曲线关系，可以获得在每一时刻光源的中心频率或中心波长。光源光谱是光源光功率与光源波长的函数关系。对在不同DGD值上测得DOP进行傅里叶变化，就可以获得在每一时刻光源的光谱特性。光源的三维光谱图可以表示为光功率随光波长和时间的变化。然后通过SOP与DGD的曲线拟合，就可以获得光谱功率随中心波长变化的三维图。

图13所示是基于本P-OSA的三维图示，该图是光强随波长与扫描波长或扫描时间的变换关系。可变DGD模块会对每一输入的扫描频率产生一个特定的DGD值，当光源的波长在可调范围内扫描时，SOP与DOP的信息就会记录下来。可变DGD模块的DGD值会从最小值逐渐变化到最大值，这样就可以获得所扫描波长和DGD调节点相对应的SOP与DOP的二维矩阵。该二维矩阵可以通过(6)到(10)式用来表示在每一扫描波长下的光谱。每一次波长的扫描范围内(如1540nm到1560nm)，调制模式为40-Gb/s NRZ-OOK和40-Gb/s RZ-OOK两种，这样就可以获得对比光谱的丰富特征。RZ-OOK谱表现出了更好的分辨型，与载波信号的同步性，及更宽的谱范围。以上这种可以获得快速扫描光源光谱详细信息的能力，是其它传统的光谱测量方法不具备的。

如上所述，本基于偏光计的光谱分析仪可以在光谱分析领域有广泛的应用。举一个光传感系统例子，它由光源、波长传感器组成。光源产生探测光的光源、波长传感器随位置或物体变化，如温度、应力、位移、或材料特性(如材料密度、折射率)变化，接收到的探测光与传感器相互作用会在探测光的波长上产生一个偏移。从传感器出来的探测光直接进入基于偏光计的光谱分析仪(P-OSA)中，这就可以测量在传感器上引起的频率偏移。值得注意的是，P-OSA的光谱分析和偏振分析可以获得很高的光谱分辨率和很快的处理速度，这样就可以快速测量出光波长上的变化(大于100KHz)，从而就可以提供动态的传感机制并实现实时处理或接近实时处理的性能。

图14所示是一个上述光传感系统的实例，该传感器1400由P-OSA模块1410和波长传感器1420组成。1410和1420单元可以相邻放置，也可以相互分离(主要在遥感系统中)。传感器1420在被测物上，或放置在目标位置用来传感。P-OSA模块产生并传导探测光1402到传感器1420，探测光1402与传感器1420相互作用，产生一束返回光1422，该光根据传感器的发生了频率偏移。返回光1422回到基于偏振分析的P-OSA模块1410中测量。由于传感器1420的特殊设计，可以使探测光1402和从传感器1420返回的光1422直接进入如光纤链路的一般光路中，或不同的光路中(如两不同的光纤链路)。

P-OSA模块1410中含有一个探测光源1401用来产生探测光1402，及传感器控制与处理单元1412。P-OSA可以通过图1A或B中的设计实现，它包括一个DGD装置110和一个偏光计120。返回光1422进入DGD装置110，从DGD装置110出来的变化光进入偏光计120中。传感控制与处理单元1412处理偏光计120的输出，得出传感器的测量信息。传感控制与处理单元1412包括传感器1420的校正数据，这些数据可以绘制出返回光1422的波长偏移与传感器中被测参数值的关系。在校正数据的基础上，传感控制与处理单元1412可以将返回光1422的频率偏移转换成被测参数的值(如温度或压力)。当P-OSA是由可变DGD装置、偏光计120和探测光源1401组成时，传感控制与处理单元1412还以包含DGD装置110的机械控制部分。

图15A所示的传感答问系统，它是为图14中光传感系统1400的一个应用实例。系统1500中传感器阵列1530是有多个放置于不同位置的光传感器1531、1532、1533、1534组成。光纤链路1520提供了P-OSA模块1410到传感器阵列1530之间的光路，探测光1502进入光传感阵列1530产生从1530输出的反射光1503。光传感器1531、1532、1533、1534分别工作在不同的设计波长λ1、λ2，、λ3、λ4上。每一个光传感器只在它自己的设计波长操作带宽上，根据变化参数产生频率的偏移，不与其它波长的传感器相互作用。因此，不同设计波长λ1、λ2，、λ3、λ4与不同光传感器1531、1532、1533、1534的映射关系一一对应。因此，一个设计波长上的光只携带与其相对应传感器的信息。P-OSA模块1410可以测量返回光上不同设计波长上的频率偏移，这些频率偏移是从各自的光传感器上提取的。这种波长编码装置可以用一个P-OSA测量多个光传感器系统。

在上述实施例中，一个光纤链路提供光传感阵列的连接，它既可以传导探测光1502，也可以传导从传感器1531、1532、1533、1534中返回的光1503。在其它实现方式中，可以用两条或多条光纤链路连接光传感器实现负责的拓扑结构，如二维光传感器网络，其中探测光1502进入不同传感器及从不同传感器中返回光的路由，可以通过复杂的路由设计实现。

图15A中的P-OSA模块1410包括一个探测光光源1501，该光源产生一个宽带光1502，其带宽范围包括设计波长λ1、λ2，、λ3、λ4。例如，放大自辐射(ASE)宽带光源或者超发光二极管(SLED)就可以作为探测光光源1501。P-OSA1540可以测量光谱范围包括λ1、λ2，、λ3、λ4的返回光。由于一个光纤链路1520即提供了探测光1502进入传感器阵列1530的光路，又从传感器阵列1530返回光1503的光路，所以需要一个三端口的光环形器1510。光环形器可以使探测光从1端口进2端口出，2端口与光纤链路1520相连；返回光传输到在环形器的2端口中，从3端口输出，3端口与P-OSA1540相连。因此返回光会直接进入P-OSA1540，而不会进入光源。

对图15A中的实施例更具体叙述为，光传感器1531、1532、1533、1534为布拉格光栅(FBGs)，其反射波长分别设计为λ1、λ2，、λ3、λ4。这样，每一个FBG传感器都会与光相互作用，产生一束在其设计波长带宽范围内的反射光，同时传输其它波长的光。比如，FBG光传感器1531会对探测光1502产生在设计波长λ1上的反射光，同时传输波长为λ2，、λ3、λ4的光。当温度或位移发生变化时，FBG光传感器1531在原设计波长λ1上产生一个偏移，因此从FBG光传感器1531反射回的光就会携带该偏移信息。不同的FBG光传感器会分别在它们的响应波长上产生反射光，因此从传感阵列中返回的光1503具有不同FBG光传感器1531、1532、1533、1534的反射信号。反射光1503的光谱如图15B所示，图中光谱的峰值分别在或靠近于FBG光传感器1531、1532、1533、1534的设计波长λ1、λ2，、λ3、λ4。测得的反射光峰值与FBG光传感器设计波长的偏差，是由FBG光传感器随温度或应力的变化引起的。

上述所使用的宽带光源1501可以发出覆盖所有传感器设计波长的探测光1502，这样探测光1502就可以与顺次询问FBG光传感器1531、1532、1533、1534上并其相互作用。这种设计就实现了传感系统1500测量不同位置的传感器输出变化，进而获得空间上的测量结果。

在另外一种实现方式中，探测光源1501可以是可调单波长激光器，它产生的单一波长可以为传感阵列1530中FBG光传感器1531、1532、1533、1534设计波长的任意一个。在这种实现方式中，单一波长探测光1502每次只询问一个FBG光传感器并与其作用，然后探测光调节到另外一个波长与下一个FBG光传感器作用，重复这个步骤且每次只针对一个传感器。

本发明说明书中包含有很多细节，这里由于发明范围与声明的限制不必详细解释，但本发明中只对一些特殊实施方案中特定特征有所描述。此详细说明中，一些分离的实施方案中描述的特性，可以结合在一起应用于一个单一的实施方案中。相应的，在一个单一的实施方案中所描述的各种特征也可以应用于多个分离的实施方案或任何变形的实施方案中。此外，尽管上述的特征是体现在一些结合声明或最初声明中，但结合声明中的特性能够从结合声明中分离出来，结合声明也可以变形为其它形式。

以上仅包括了几种应用，所述应用的变化及强化与其它应用都可基于本文中的阐述和说明加以实施。

Claims (56)

1、一种基于偏振分析的光谱特性测量方法，其特征在于，该方法包括：

使被测光通过差分群时延(DGD)装置，产生在相互垂直的偏振模式有不同群时延的输出光；

测量输出光与DGD值相对应的光偏振态和偏振度；

对测得的输出光偏振态和偏振度处理，生成被测光的光谱。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

控制DGD装置来增加DGD值，以减小光谱的最小频率间隔值。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

控制减小DGD装置的DGD值，来增加光谱的测量范围。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

处理测量到的光偏振和被测光在固有光频率的相对应的DGD值，以确定一个固有光频率。

5.如权利要求1所述测量方法，其特征在于，该DGD装置包括：

一个偏振分束器，用于将所测光的分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，沿第二路径传输；

一个延时结构，用于改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生差分群时延值；

一个偏振合束器，用于将在第一路径中以第一种偏振态传输的光与在第二路径中以第二种偏振态传输的光合成一束，从而产生一束输出光。

6.如权利要求1所述测量方法，其特征在于，该DGD装置包括：

一个偏振分束器，用于将所测光的分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，沿第二路径传输；

第一法拉第旋转镜，它位于第一光路中，用于将其中的光反射回偏振分束器；

第二法拉第旋转镜，它位于第二光路中，用于将其中的光反射回偏振分束器；

一个延时结构，用于改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生差分群时延值；

所述偏振分束器还用于将在第一路径中以第一种偏振态传输回来的反射光与在第二路径中以第二种偏振态传输回来的反射光合成一束，从而产生一束输出光。

7.如权利要求1所述测量方法，其特征在于，该DGD装置包括：

一系列级联而成的可调差分群时延单元，所测光通过级联的可调差分群时延单元形成的光路输出；

所述每一个可调差分群时延单元都含有：

a.一个偏振旋转装置，用于根据控制信号来控制接收光的偏振；

b.一个由双折射材料构成的双折射部件，用于接收并传输偏振旋转装置中的光；

c.所述每个偏振旋转装置分别与一个控制元件相连接并提供控制信号，用于控制双折射部件接收到的光，使双折射部件对第一种偏振模式产生第一种时延的同时，也对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而利用双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。

8.如权利要求1所述测量方法，其特征在于，该DGD装置包括：

一系列级联而成的可调差分群时延单元，所测光通过级联的可调差分群时延单元形成的光路输出。

所述每一个可调差分群时延单元都含有：

a.一个偏振旋转装置，用于根据控制信号来控制接收光的偏振态；

b.一个由双折射材料构成的双折射部件，它接收并传输偏振旋转装置中的光；

该装置中还包括，一个控制单元，该控制单元与各个偏振旋转装置相连接并为每个旋转装置提供控制信号，以控制双折射部件接收到的光，使双折射部件对第一种偏振模式产生时延的同时也对与其正交的第二种偏振模式产生不同的时延，从而利用双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。

9.如权利要求7或8所述方法，其特征在于，所述双折射材料包括双折射晶体。

10.如权利要求7或8所述方法，其特征在于，所述双折射材料包括保偏(PM)光纤。

11.如权利要求7或8所述方法，其特征在于，所述不同的可调DGD单元的不同双折射部件，在光路中形成了不同的光程。

12.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述相邻的不同双折射部件的长度比为一个常数。

13.如权利要求12所述方法，其特征在于，所述常数为2。

14.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述不同双折射部件的长度沿着光路从第一个接收测量光的可变DGD单元到产生输出光的最后一个可变DGD单元连续增加或减小。

15.如权利要求11所述方法，其特征在于，第一个DGD单元包含一个可变的DGD光延迟单元，其双折射部件是由双折射材料组成；第二个DGD单元包含另外一个可变的DGD光延迟单元，构成它的双折射部件的双折射材料与第一块双折射材料的双折射率不同。

16.如权利要求11所述方法，其特征在于，在一个可变时延单元中至少含有一个有双折射材料组成的双折射元件的折射率随控制信号而变，以使相关的光时延在可调范围内具有很好的调制性能。

17.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

放置在目标位置的光学传感器，用来产生光与光学传感器的响应波长的相互作用，并产生光学传感器的响应波长变化；

入射到光学传感器的探测光与光学传感器相互作用后，在光学传感器参数控制的响应波长上产生一束返回探测光；

返回的探测光作为被测光进入DGD装置；

从经过处理得出的返回光光谱，；提取出光学传感器的参数信息。

18.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

放置在不同目标位置的光学传感器，该光学传感器分别在不同的响应波长上与光相互作用；响应参数分别改变光学传感器的响应波长；

入射到光学传感器的探测光与光学传感器相互作用后，在光学传感器参数控制的响应波长上产生一束返回探测光；

返回光作为被测光进入DGD装置；

提取在每一个光传感器中返回光中的参量信息，对该参量信息处理生成返回光的光谱

19.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括：

测量输出光的偏振变化；

处理测得的光偏振变化，来确定光频率变化方向。

20.如权利要求1所述方法，其特征在于，该输出光偏振变化是相应的偏振矢量在邦伽球上的角度变化。

21.一种基于偏振分析的测量光谱的光学装置，其特征在于，该装置包括：

一个差分群时延(DGD)装置，其作用是通过改变DGD值，接收被测光并在该光两个相互正交偏振模式产生不同的群时延；

一个光探测器，它可以接收经过DGD装置的光信号，同时去测量输出光的偏振态和偏振度；

一个数据处理装置，通过处理来自探测器的光偏振态和偏振度信息，获得被测光的光谱。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DGD装置包括：

一个偏振分束器，用于将所测光分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，沿第二路径传输；

一个延时结构，用来改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生DGD值；

一个偏振合束器放置在第一光路和第二光路中，将在第一路径中以第一种偏振态传输的光与在第二路径中以第二种偏振态传输的光合成一束，从而产生一束输出光。

23.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DGD装置包括：

一个偏振分束器，用于将所测光分成两束，第一束光是第一种偏振模式将沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，沿第二路径传输，

一个第一法拉第旋转镜，它位于第一光路中，将其中的光反射回偏振分束器；

一个第二法拉第旋转镜，它位于第二光路中，将其中的光反射回偏振分束器，

一个延时结构，用来改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生DGD值，

所述偏振分束器将在第一路径中以第一种偏振态传输回来的反射光与在第二路径中以第二种偏振态传输回来的反射光合成一束，从而产生一束输出光。

24.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DGD装置包括：

一系列级联而成的可调DGD单元，所测光通过该级联的可调DGD单元形成的光路输出；

所述每一个可调DGD单元都含有：

一个偏振旋转装置，用于根据控制信号来控制接收光的偏振态；

一个由双折射材料构成的双折射部件，用于接收并传输偏振旋转装置中的光；

一个控制元件，它与偏振旋转装置相连接并提供控制信号，用于控制各个双折射部件接收到的光，使双折射部件对第一种偏振模式产生第一种时延的同时也对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而利用双折射部件对输出光产生不同的时延。

25.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DGD装置包括：

一系列级联而成的可调DGD单元，所测光通过级联的可调DGD单元形成的光路输出。

所述每一个可调DGD单元都含有：

一个偏振旋转装置，用于根据控制信号来控制接收光的偏振态；

一个由双折射材料构成的双折射部件，用于接收并传输偏振旋转装置中的光；

所述每个偏振旋转装置均连接一个控制单元，为每个旋转装置提供控制信号，用来控制双折射部件接收到的光，使双折射部件对第一种偏振模式产生第一种时延的同时，也对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而利用双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。

26.如权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述双折射材料包括双折射晶体。

27.如权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述双折射材料包括保偏(PM)光纤。

28.如权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述不同的可变DGD单元的不同双折射部件，沿着光路具有不同的长度。

29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述两个相邻的双折射部件的长度比为一个常数因子。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述常数因子为2。

31.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述不同双折射部件的长度可以沿着光路从接受被测量的输入光的第一个DGD单元到输出光的最后一个DGD单元连续增加。

32.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述不同双折射部件的长度可以沿着光路从接受被测量的输入光的第一个DGD单元到输出光的最后一个DGD单元连续减少。

33.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述可变DGD单元包括一个由第一种双折射材料制成的双折射部件构成的第一可变光延迟单元，和一个由第二种双折射率不同于所述第一种双折射材料的双折射材料制成的双折射部件构成的第二可变光延迟单元。

34.如权利要求28所述的装置，其特征在于，在一个可变时延单元至少含有一个有双折射材料组成的双折射部件，通过控制信号改变折射率，因此可以获得与之相关的整体可变光时延性能。

35.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DGD装置包括：

一个偏振分束器(PBS)，包含有三个端口，分别为1端口、2端口、3端口。当处于第一偏振模式下的输入光从PBS的1端口输入，将在PBS的1端口和2端口间的光路穿过，与第一偏振模式正交的第二偏振模式光从2、3端口之一输入，将被反射到另外一个端口；

第一光路一端与PBS的2端口相连，用于接收PBS的1端口接收的并从2端口输出的光；

第一光路另一端与偏振反射镜耦合，用于反射来自第一光路的光，反射回第一光路的光的偏振态与从PBS的2端口输入第一光路中光偏振态相互垂直。

第二光路一端与PBS的3端口相连，用于接收来自PBS的2端口并被传导到3端口的光；

一个反射镜连接到第二光路的第二端，用来将从第二光路接收到的光反射回第二光路，其偏振态与从PBS的3端口输入第二光路中光偏振态相同。

36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述DGD装置中，

偏振反射镜是一个法拉第反射镜，它与第一光路的末端耦合，从第一光路发出的光经该反射镜反射，再次进入第一光路，该反射光的偏振态在第一光路中处于与从PBS输出但为未被反射的光偏振态垂直。

37.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述DGD装置中：

偏振反射镜由一个反射镜和一个1/4波片组成，波片的两个偏振主轴之一与从PBS的2端口输出光的偏振方向成45度角，所述1/4玻片位于PBS与反射镜之间。

38.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

一个产生探测光的探测光光源：

一个放置在目标位置的光学传感器，它接收探测光并与光学传感器的响应波长相互作用，响应参数用于改变光学传感器产生的响应波长，入射到光学传感器的探测光与光学传感器相互作用后，在光学传感器参数控制的响应波长上产生一束返回探测光，返回的探测光作为被测光进入DGD装置；

一个处理单元，处理返回光光谱提取出光学传感器的参数信息。

39.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

一个产生探测光的探测光光源：

放置在不同目标位置的多个光学传感器，光学传感器分别在不同的响应波长上与光相互作用；响应参数分别改变每一个光学传感器的响应波长，入射到多个光学传感器的探测光分别与每个光学传感器相互作用后，在光学传感器相应参数控制的不同响应波长上产生不同波长的返回探测的光，返回光作为被测光直接进入DGD装置；

一个处理单元，处理返回光光谱提取出每一个光学传感器的参数信息。

40.如权利要求39所述的装置，其特征在于，所述每一个光传感器都包括一个布拉格光纤光栅传感器。

41.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

用来测量输出光偏振变化的器件；

处理光偏振态变化获得光频率变化方向的器件。

42.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述处理装置包括基于输出光偏振态变化来测量光频率增加或减小的结构。

43.权利要求21中的装置中：输出光偏振态的变化就是相应偏振态矢量在邦伽球上的角度变化。

44.一种基于偏振分析的光谱特性测量方法，其特征在于，该方法包括：

引导被测光通过差分群时延(DGD)装置，并在相互正交的两偏振主态上形成时延，产生输出光；

测量输出光的偏振态；

处理测得的输出光偏振态，根据测得的光偏振态变化，判断被测光频率的增加或减小。

45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

测量相应偏振矢量在邦伽球上的变化角度；

根据测得的相应光偏振矢量在邦伽球上的变化角度，确定光频率的增加或减小。

46.如权利要求44所述的方法，其特征在于，该方法还还包括：

测量输出光的偏振度；

处理测得的输出光偏振度，获得被测光的光谱特性。

47.如权利要求44所述的方法，其特征在于，该方法还还包括：

测量输出光偏振态在邦伽球上的若干转圈数，以拓宽被测光的光谱测量范围。

48.如权利要求44所述方法，其特征在于，该方法还包括：

利用波长扫描光源产生被测光；

控制DGD装置，使其对输出光产生不同的DGD值；

在每一个DGD值上，使波长扫描光源在其光谱范围和扫描周期内对波长进行扫描，同时测量输出光在扫描周期内的不同时刻的偏振态(SOP)和偏振度(DOP)；

处理不同DGD值上每一瞬时时刻的SOP和DOP，获得波长扫描光源在每一瞬时时刻的中心频率或波长；

获得每一时刻下与光波长成函数关系的光源光谱功率；

得出光功率随瞬时时刻和光波长变化的三维图。

49.如权利要求48所述方法，其特征在于，该方法还包括：

将所述的三维图转换为光功率随中心频率和光波长变化的三维图，其中中心频率是通过处理每一瞬时时刻测得的SOP和DOP得出的。

50.一种基于偏振分析的测量光谱特性的装置，其特征在于，该装置包括：

一个输入端口，接受被测光；

一个差分群时延(DGD)装置，它接收从输入端口输入的光，使其在DGD装置两相互正交的偏振主轴方向上形成时延，同时产生输出光；

一个偏振探测器，放置用来接收从DGD装置输出的光，并测量输出光的偏振态和偏振度，或测量输出光的偏振态和偏振度其中之一；

一个处理装置，用于接收并处理光偏振探测器的测量结果，从而提取被测光的光谱信息。

51.如权利要求50所述装置，其特征在于，该装置还包括：

一个放置于输入端口与DGD装置之间的线起偏器，其偏振方向与DGD装置的偏振主轴方向成45度角。

52.如权利要求50所述装置，其特征在于，该处理装置，它能够通过对测得偏振态变化的处理，判断被测光频率的增减。

53.如权利要求50所述装置，其特征在于，该处理装置，它能够通过对测得偏振度的处理，获得被测光的光谱特性。

54.如权利要求50所述装置，其特征在于，该处理装置，它可以拓展被测光的测量光谱范围，这是由输出光偏振态在邦伽球上的单一转数和若干转数决定的。

55.如权利要求50所述装置，其特征在于，该装置还包括：

一个置于输入端口与DGD装置之间的稳偏器，以使输出光为稳定的线偏光，且保证其偏振方向与DGD偏振主轴方向成45度角。

56.如权利要求50所述装置，其特征在于，该稳偏器包括有源控制单元，用于控制输出光的偏振态为稳定的线偏光，消除输入端口接收光的偏振态变化。

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