CN108871594A - 基于光偏振分析的光频解码器及其光传感系统 - Google Patents

基于光偏振分析的光频解码器及其光传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于光偏振分析测量原理进行光频率解码的装置，包括将被测光起偏后，通过DGD单元，再采用偏振分析的方法进行光频解码，从而实现高速、宽带和高精度光频测量。本发明还提出几种利用基于光偏振分析测量原理进行光频解码的装置进行光纤传感和光学测量的系统方案。

Description

基于光偏振分析的光频解码器及其光传感系统
技术领域
本专利申请属于光纤信息技术领域，尤其涉及通过偏振技术测量光频率信息的光学装置。
背景技术
许多光学技术领域应用中，需要确定光的频率信息，而精确测量、获得具有高分辨率和快速获得光频信息往往非常重要。这种应用的实例包括激光频率控制，激光频率分析，光纤布拉格光栅探测，用于光学相干断层扫描信号的频率触发，光学频域反射测量和用于无人驾驶车辆的碰撞预防的啁啾激光雷达系统等。
目前常用的测量光的光频一般是通过光谱分析的方法进行，光谱分析方法也有各种方式，主要包括：1)使用诸如衍射光栅的空间色散元件；2)使用可调窄带滤光器(例如FP谐振器或可调谐光纤布拉格光栅)；3)采用Michaelson或Mach-Zehnder干涉仪，当两个干涉臂之间的路径差异变化时，对其输出执行FFT(傅里叶变换)；等等。对于这些方法来说，其分辨率、光谱范围和测量速度通常相互制约，不能同时实现所有三个参数的性能都良好。例如，基于F-P滤波器的频谱分析仪的分辨率和测量范围彼此成反比。如果要实现良好分辨率，这种频谱分析技术就要损害设备的自由光谱范围(FSR)。
对于以扫描范围为160nm、扫描重复频率为几十kHz快速扫描的可调谐激光源，期望扫描激光器的波长时，如果测量作为时间的函数的波长，通过使用上述技术是很难实现的。
发明内容
定义：
DGD——光学差分群延迟。DGD单元可以用器件、元件，也可以用器件组成的系统来实现。
PBS——偏振分束器。
CWDM——一种波分复用器。
OCT——光学断层扫描。
LIDAR——光学测距。
本发明提出一种装置和方法，可以实现同时保证分辨率、光谱范围和测量速度进行光频率测量；并提出了基于以上光频率测量装置的应用系统。
本发明的其中一个测量光频率解码装置方案包括：
一个光学起偏器接收被测光束，并输出一个线偏振光；
一个光学差分群延迟(DGD)单元通过耦合用来接收来自起偏器的光束，所述DGD单元将所接收到的线偏振光，分成两束正交光学偏振光束，并使这两束光束产生相对光延迟；
一个第二光学起偏器通过耦合以接收来自光学DGD器件的输出光，并产生一束光学输出光束；
一个光学探测器接收来自第二光学起偏器的输出光束并产生探测器信号；
一个处理器用来接收探测器信号，并且根据第二光学起偏器输出的光输出光束的功率来确定光频率。
本发明的另一个测量光频率解码装置方案包括：
一个第一起偏器接收被测输入光束，并输出一个线偏振光；
一个第一偏振分束器用来接收来自起偏器的光束，并产生一束透射线偏振光和一束反射线偏振光；
一个第一90度法拉第旋转镜，用来接收来自偏振分束器的反射光，并将其反射回偏振分束器，穿过偏振分束器形成透射输出光；
一个可沿着光路移动的第二90度法拉第旋转镜，用来接收来自偏振分束器的透射光，并将其反射回偏振分束器，在偏振分束器形成反射输出光；
一个非偏振分束器接收来自偏振分束器的透射输出光和反射输出光，合束后再分束成非偏振分束器透射输出光和反射输出光；
一个第二起偏器用来接收来自非偏振分束器的反射光束，形成一束线偏振光；一个第一光探测器接收来自第二起偏器的线偏振光，产生一个探测电信号；
一个第三起偏器用来接收来自非偏振分束器的透射光束，形成一束线偏振光；一个第二光探测器接收来自第三起偏器的线偏振光，产生一个探测电信号；
在第三起偏器和非偏振分束器之间，或者第二起偏器和非偏振分束器之间加入一个四分之一波片；
一个处理器接收来自所述两个探测器的电信号进行处理，来确定光频率；
一种用于测量光频率的光频解码器装置，包括：
一个由双折射晶体制成的偏振光束置换器，用来接收被测光，并输出两束偏振态相互垂直的线偏振光，且两束光传播方向平行，彼此分开；
一个90度偏振旋转镜放置在偏振光束置换器的一个输出光束后，用来接收所述偏振光束置换器的一束输出光，并进行90度偏振旋转，使之偏振方向与偏振光束置换器的另一束输出光偏振方向一致；
一个差分群延迟(DGD)器用来接收偏振光束置换器的两束输出光，并产生一个DGD输出光；
一个第一起偏器放置在差分群延迟器和偏振光束置换器之间，用来消除90度偏振旋转镜可能产生的偏振误差；
一个聚焦透镜用来接收来自差分群延迟器的输出光，并产生一个透镜输出光；
一个非偏振分束器用来接收来自聚焦透镜的透镜输出光，并产生一个透射输出光和一个反射输出光；
一个第二起偏器接收来自非偏振分束器的透射输出光，并产生一个第二起偏器输出光；
一个第一光探测器接收来自第二起偏器的输出光，并产生一个探测电信号；
一个第三起偏器接收来自非偏振分束器的反射输出光，并产生一个第三起偏器输出光；
一个第二光探测器接收来自第三起偏器的输出光，并产生一个探测电信号；
一个四分之一波片放置在第三起偏器和非偏振分束器之间，或第二起偏器和分偏振分束器之间，用来对通过的来自非偏振分束器的反射输出光进行旋光；
一个处理器接收来自所述两个探测器的电信号进行处理，来确定光频率；
本发明还提出了一套利用本发明光频率解码器的光纤传感系统，包括：
一个激光器，用来产生处于探测频率的探测光，并且可操作以将探测激光频率调谐到不同的激光频率；
一个如权利要求1或权利要求5或权利要求8所述的光频解码器装置，通过耦合以接收来自所述激光器的所述探测激光的一部分，以测量所述探测激光的光频信息；
一个光耦合器通过耦合以接收来自激光器的探测激光，并将接收到的探测激光分束为参考探测激光束和采样探测激光束；
一个参考光路，被耦合以接收参考探测激光束；还包括一个参考反射器，将参考探测激光束反射回到光耦合器；
一个采样光路，包括一个光学探测头，其被耦合以接收采样探测激光束，其将采样探测激光束引导到要探测的样品上，并且接收携带目标的信息的反射采样探测激光束，并且引导所述反射的采样探测激光束经由所述采样光路到所述光耦合器，其中所述光耦合器将来自所述目标的所述反射的采样探测激光束与所述反射的参考探测激光束组合以产生组合干涉的激光束；
一个光学探测器，用来接收来自光耦合器的组合干涉的激光束并产生探测器信号；
一个处理器模块，接收所述探测器信号，并使用基于来自所述光频解码器装置的探测激光的光频率信息的频率时钟信号对所述探测器信号执行快速傅立叶变换，以提取所述目标的信息。
附图说明
图1是第一实施例的示意图。第一起偏器的起偏轴为Y方向，且与DGD元件的慢轴或快轴成45度。第二起偏器与起偏器1起偏方向相同(沿y方向)或正交(沿x方向)。
图2a是第二实施例示意图。起偏器1起偏方向沿着y方向起偏，用于将输入偏振保持与DGD元件的慢轴或快轴成45度。PBS的取向使得透射轴与起偏器1相同(沿着y方向)，反射轴与起偏器1正交(沿着x方向)。
图2b采用渥拉斯顿棱镜替代了图2a中的PBS，双芯片探测器替代了图2a中的探测器PD1和探测器PD2。
图3是本发明偏振光学频率解码器的第三个实施例。起偏器1起偏方向沿着y起偏，用于将输入偏振保持与DGD元件的慢或快轴成45度。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。所有其它起偏器可以定向为与起偏器1相同或正交。
图4本发明偏振光频解码器第四个实施例示意图。沿着y定向的起偏器1用于将输入偏振保持与DGD元件的慢或快轴成45度。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。PBS1和PBS2的透射轴的方向与起偏器1相同或与起偏器1正交。
图5是本发明偏振光频解码器第5实施例。起偏器1用于保持输入偏振与DGD元件的慢轴或快轴成45度。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。渥拉斯顿棱镜用于将两个正交偏振分量分离成不同的方向。双芯片光电探测器用于检测两个偏振分量。沃拉斯顿棱镜的轴线与起偏器1平行或垂直于起偏器1。wp1和wp2是两个沃拉斯顿棱镜的单位方向。
图6是偏振光频解码器第六实施例。起偏器1用于将输入偏振保持与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。所有其它的起偏器都与起偏器1相同或与起偏器1正交。
图7是偏振光频解码器的第七实施例。起偏器1用于将输入偏振保持与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。所有其它PBS定向为与起偏器1相同或垂直于起偏器1。
图8是偏振光学频率解码器的第八个实施例。起偏器1用于将输入偏振保持与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。渥拉斯顿棱镜用于将两个偏振分量分离到双芯片PD的PD芯片上。
图9是偏振光频解码器的第九实施例。起偏器1用于将输入偏振保持与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。所有其他起偏器的方向与起偏器1相同。由光纤构成的延迟线用于增加差分群延迟以获得更好的频率测量灵敏度。它可以是任何以下延迟线一种：固定光纤延迟，可变延迟，电动可变延迟，切换式可变延迟。
图10是偏振光频解码器的第十实施例。起偏器1用于将输入偏振保持与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。PBS1和PBS2与起偏器1起偏方向相同。
图11是偏振光频解码器的第十一实施例的示意图。起偏器1用于将输入偏振保持在与PBS成45度。四分之一波片与PBS平行或反平行取向。渥拉斯顿棱镜用于将两个偏振分量分离到双芯片PD的PD芯片上。由光纤构成的延迟线用于增加差分组延迟以获得更好的频率测量灵敏度。它可以是任何以下延迟线：固定光纤延迟，可变延迟，电动可变延迟，切换式可变延迟。
图12是一款偏振不敏感的偏振光学频率解码器的第一实施例。任意偏振的输入光束首先进入由具有正交偏振分量的两个光束1和2的双折射晶体制成的偏振分束器，分成两束偏振态正交的两束光。然后将90度偏振旋转器放置在一个光束中，以使两个光束具有相同的偏振状态。与DGD元件的慢轴方向成45度的起偏器1用于清除由半波片或法拉第旋转镜制成的偏振旋转器产生的偏振偏差造成的缺陷。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。所有其它起偏器的方向与起偏器1相同。选择适当焦距的透镜用于将两个光束聚焦到光电探测芯片上(PD1和PD2)。
图13偏振不敏感的偏振光学频率解码器的第二个实施例。任意偏振的输入光束首先进入由具有正交偏振分量的两个光束1和2位移的双折射晶体制成的偏振分束器，分成两束偏振态正交的两束光。将90度偏振旋转器放置在一个光束中，以使两个光束具有相同的偏振状态。与DGD元件的慢轴方向成45度的起偏器1用于清除由半波片或法拉第旋转器制成的偏振旋转器的缺陷产生的偏振偏差。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。PBS1和PBS2的取向与起偏器1相同，并用于替代图12中的起偏器2和起偏器3。选择适当的焦距的透镜用于将光束聚焦到光电探测器芯片上。
图14是偏振不敏感的偏振光学频率解码器的第三实施例。任意偏振的输入光束首先进入由具有正交偏振分量的两个光束1和2位移的双折射晶体制成的偏振分束器，分成两束偏振态正交的两束光。然后将90度偏振旋转器放置在一个光束中，以使两个光束具有相同的偏振状态。与DGD元件的慢轴方向成45度的起偏器1用于清除由半波片或法拉第旋转器制成的偏振旋转器的缺陷产生的偏振偏差。四分之一波片与DGD元件取向平行或反平行。渥拉斯顿棱镜(wp1和wp2)用于将两个正交偏振分量分离成不同的传输方向。双芯片光电探测器用于检测两个偏振分量的光。沃拉斯顿棱镜的轴线与偏振片1平行，wp1和wp2是两个沃拉斯顿棱镜的设置方向。
图15是本发明中使用的温度不敏感的DGD的示意图(图1-5和12-14)。由具有相反温度双折射系数的两种不同的双折射晶体制成。例如，YVO4和LiNOb3。当选择两种不同晶体的长度时，可以实现差分群延迟的零温度系数。
图16用于计算光信号瞬时相位或频率的模拟电路图。
图17用于获得光信号瞬时相位或频率的数字电路图。图17a中的比较器是为了获得用于周期计数的零交叉位置，如图17b中所示的顶部和中间。图17a中的ADC是数字化其数据，DSP用来使用q＝tan-1(sinY1/cosY2)来计算瞬时相位，如图17b的底部曲线图所示。
图18a为使用图1～14所示的小DGD的光频解码器(OFE)，和图1～14所示的大DGD的OFE的组合，进行绝对频率解码器的图示。图18b所示，小DGD的值的选择应在感兴趣的频率(或波长)范围内，检测到的光功率变化有限，被限制在余弦函数的第一个四分之一周期中，对绝对光频率测量相对粗糙。在这个四分之一的周期中，大型DGD的OFE产生了很多周期。只要OFE的频率分辨率足够精细地解决大DGD的OFE的周期，就可以明确地获得光源的绝对频率。
图19是光频解码器(OFE)用于检验光纤布拉格光栅(FBG)的示意图。诸如ASE或SLED的宽带光源被注入到光纤中，并且4个FBG将朝向WDM(CWDM)反射不同的波长，将它们分离成4个OFE。可以通过OFE精确地检测由FBG中的温度或应变引起的反射光的波长偏移。
图20是光频解码器(OFE)用于检验光纤布拉格光栅(FBG)的示意图。诸如ASE或SLED的宽带光源被注入到光纤中，并且4个FBG将朝向WDM(CWDM)反射不同的波长，并将它们分离成分支。使用4x1光开关将各个分支连接到OFE，用于测量由FBG中的温度或应变引起的波长变化。这种方案只需要一个OFE来检测多个FGB。
图21使用光学频率解码器(OFE)用于产生用于触发数据采集的频率时钟信号的图示。精确的频率时钟信号对于确定OCT图像的深度信息至关重要。
图22在OFDR传感器系统中使用光频解码器(OFE)的图示。激光频率是线性调谐，沿着光纤的每个点的背散射光干扰参考光，不同位置的散射光对应于不同的拍频。在执行FFT之后，获得作为距离的函数的散射/反射。因为可调激光器可能不是线性的，所以需要用光学解码器用于获得即时频率以触发数据请求。
图23在啁啾激光雷达系统中使用光学频率解码器(OFE)的图示，用于触发数据采集。在这样的系统中，精确地知道的频率对于获得物体的准确的距离信息是至关重要的。
图24使用光学频率解码器(OFE)进行激光频率的监视和控制图示。在系统中使用这样的OFE，可以为先进的应用产生光频率的任意波形。
具体实施方式
本专利文献提供了一种用于测量光的频率信息的光学装置。该技术基于通过差分延迟(DGD)元件对光信号进行偏振分析，使用一系列装置来获得光谱信息。这种方法可以克服传统光谱分析仪的缺点，同时实现高光谱分辨率、宽光谱范围和高速度。
本发明包括能够实现低成本构造和易于信号处理的P-OSA装置的示例。特别地，最终频率信息可以被简化成一对正弦和余弦函数，类似于用于获得运动控制应用中的角度或位置信息的常用正弦/余弦解码器。由于正弦/余弦解码器在工业中已经被广泛使用，并且信号的算法和应用是公知的，所以可以通过使用所公开的技术来构建这样的光学频率解码器，以实现低成本和紧凑尺寸，更有利于广泛应用，例如，应用在激光频率测量和控制、FBG检测和扫频或啁啾频率传感器系统等。
图1示出了偏振光频解码器的第一实施例。输入光101通过输入端口102进入起偏器103，保持输入光的偏振与DGD元件104的慢轴成45度角。起偏器105接收来自DGD元件104的输出光，且在y方向上与起偏器103相同或与起偏器103正交，光电探测器106用来探测起偏器105的输出光。
令DGD器件104的DGD值为τ，DGD104中两个正交偏振分量之间的延迟量θ与光频率f和DGD值有关，如下式所示：
θ＝2πfτ (1)
DGD元件104后的光束的电场的复振幅可以表示为：
Es和Ef是沿着DGD104的慢轴和快轴的电场的振幅，和是是沿着慢和快速方向的单位向量，并且是公共相位。在以y＝1/√2(s+f)的单位向量通过起偏器2之后，
因为输入偏振与DGD的慢轴定向成45度，所以：
光学延迟值θ可以从等式(5)获得。根据等式(1)，可以确定光频率f。在图1的这种设计中，光功率需要始终保持相同的功率水平。
图2a示出了不需要保持光功率恒定的光频解码器的第二实施例。与图1相比，沿着y定向的起偏器103用于将输入偏振保持与DGD元件104的慢或快轴成45度。偏振分束器(PBS)205的透射轴与起偏器103相同(沿着y)，并且反射轴与起偏器103正交(沿着x)，偏振分束器(PBS)205将来自DGD104的延迟光分成偏振态相互垂直的透射光和反射光，光探测器(PD)206接收来自PBS205的透射偏振光，光探测器207接收来自PBS205的反射偏振光。图2b中Wollaston棱镜205b替代了图2a中的PBS205，双芯片探测器209b将两个光探测器芯片206b和207b集成化，大大减小了探测器的体积和成本，以代替图2a中的PD206和PD207。为了增加双芯片光探测器的接收光强，可在渥拉斯顿棱镜前增加一个聚光透镜208b。两个探测器中检测到的光电流是：
Ix＝axI0(1-cosθ) (6)
Iy＝ayI0(1+cosθ) (7)
θ＝cos-1[(axIy-ayIx)/(axIy+ayIx)] (8)
对于图1和图2的实施例，θ的范围被限制为π/2或频率范围限于等式(1)中的1/4τ。τ越大频率分辨率越高，但是测量范围越小。为了打破这个限制，引入了第三实施例。
图3示出了偏振光频率解码器的第三实施例。沿着y定向的起偏器103用于将输入偏振保持与DGD元件104的慢或快轴成45度。四分之一波片309与DGD元件104取向平行或反平行。起偏器305和308可以定向为与起偏器103相同或正交。
光束将被NPBS(非偏振分束器)301分成两束光束。其中一个光束通过四分之一波片309，其光轴定向为与DGD相同，以在通过偏振片308之前获得额外的与Y方向成90度的相位。这两个光束可以表示为：
其中系数a和b代表了由NPBS301分开的两个光束之间，因为NPBS301制造工艺误差产生的不同损耗。由于输入偏振与DGD104的慢轴定向成45度，所以所以两个光束的电场可以重写为：
在光束通过y方向的偏振片之后，
光探测器306和307中的对应的光电流I1和I2是：
I1＝α1[1+cosθ] (12a)
I2＝α2[1-sinθ]， (12b)
其中α1andα2分别是光探测器306和307的响应率，包括NPBS301和波片309等光学部件中的信号损耗。
对于在快速可调激光器的应用，θ＝2πfτ是快速变化的，我们可以使用高通滤波器来消除等式(12a)和(12b)中的DC成分。光电压可以表示为：
V1＝V10cosθ (13a)
V2＝-V20sinθ (13b)
通过使用众所周知的正弦/余弦插值算法，即使θ改变2π的倍数，也可以获得θ变化的方向和幅度。频率变化可以容易地获得：
即使对于高通滤波器不可行的极慢变化频率的情况，也可以使用具有恒定功率的参考可调谐激光器来获得振幅V10和V20。定义新的变量Y1和Y2
Y1＝(V1-V10)/V10 (15a)
Y2＝(V2-V20)/V20 (15b)
Y1＝cosθ (16a)
Y2＝-sinθ (16b)
也可以获得慢的频率变化。然而，这种方法需要在不同温度下仔细地校准或测量V10。
图4是第四实施例，与图三相比，其中使用两个偏振分束器405和408来替代NPBS301之后的两个起偏器305和308。四个光电探测器406、407、410和411中的相应光电流可以表示为：
I1x＝α1x[1+cosθ] (17a)
I1y＝α1y[1-cosθ] (17b)
I2x＝α2x[1-sinθ] (18a)
I2y＝α2y[1+sinθ]， (18b)
其中I1x，I1y，I2x和I2y分别是四个光电探测器406、407、410和411检测到的光电流，α1x，α1y，α2x和α2y分别是四个光探测器的响应率。注意，在诸如NPBS301，PBS405，PBS408和四分之一波片409之类的光学部件中的不同信号损耗也包括在四个α系数中。
四个光电流可以通过跨阻放大器转换为电压
V1x＝V10[1+cosθ] (19a)
V1y＝V10[1-cosθ] (19b)
V2x＝V20[1-sinθ] (20a)
V2y＝V20[1+sinθ]， (20b)
其中每对探测器(406/410)和(407/411)中的电压幅度V10，通过适当地调节跨阻放大器中的增益使之相等，或在四个信号进一步处理被数字化时使之相等。
Y1＝(V1x-V1y)/(V1x+V1y)＝cosθ (21a)
Y2＝(V2x-V2y)/(V2x+V2y)＝sinθ (21b)
再次，通过使用正弦/余弦插值算法，可以获得θ，从而获得光频率变化(θ＝2πfτ)。使用图4中的实施例与图3相比的优点，是不需要事先进行校准。此外，也可以消除光源的共模噪声。
图5示出了第五实施例，与图4相比，其中偏振分束器405和408被两个Wollaston棱镜505和508代替，并且单芯片光电探测器对406/410和407/411被两个双芯片光电探测器506和507替代，并增加了聚光透镜512和513以提高双芯片光探测器的接收光强。与图4方案相比，该配置的优点是紧凑的尺寸和低成本。
图6示出了所公开技术的第六实施例。在该配置中，图1～5中的DGD元件由自由空间光学器件制成，而不是如图1～5的实施例中的双折射晶体。自由空间DGD由偏振分束器(PBS)603和两个偏光旋转反射器604和605制成，以将光束反射回PBS603。偏光旋转反射器604和605用于在光反射时使偏振态(SOP)旋转90度。这样的偏光旋转反射器可以将45度法拉第旋转器或放置半波片放入普通反射器光路中来制成。起偏器602用于将输入端口601的输入光偏振保持与PBS603成45度。四分之一波片609与PBS603平行或反平行取向。非偏振分束器606接收来自PBS603的光束，并分束输出给起偏器607和608，起偏器607和608的方向与起偏器602相同。光探测器610和611分别接收起偏器607和608的输出光。90度偏光旋转反射器605可以移动，以改变相对于90度偏光旋转反射器604之间的光程差，形成光延迟。
图7示出了所公开技术的第七实施例，与图6相比，图7中使用两个偏振分束器707和708来替代图6中的NPBS606之后的两个起偏器607和608。使用另外两个图4中的光电探测器。该配置与图4中的配置几乎相同，只是图4中的DGD元件104由基于自由空间的光学器件组代替，包括一个PBS603，两个90度偏振旋转器和两个反射镜构成的偏光旋转反射器604和605。
整个光路运行如下：被测光通过输入端口601进入到起偏器602，穿过起偏器602后进入到偏振分束器PBS603，分成两束偏振态相互垂直的透射偏振光和反射偏振光；透射偏振光和反射偏振光分别经过90度偏光旋转反射器604和605反射回PBS603，在PBS合束后进入非偏振分束器NPBS606，并分束成一束非偏振透射分束光和一束非偏振反射分束光；偏振分束器707和708分别接收所述非偏振透射分束光和非偏振反射分束光，分别分成两束偏振态相互垂直的偏振分束光；四个光探测器710、712和711、713分别接收偏振分束器707和708输出的四束输出光，产生对应的电信号。
图8示出了所公开的技术的第八实施例，其中图7中两个偏振分束器707和708被两个Wollaston棱镜807和808替代，并且单芯片光电探测器710、712和711、713被双芯片光电探测器810和811代替。与图7相比，该配置的优点是紧凑的尺寸和低成本。
图9示出了偏振光频率解码器的第九实施例。起偏器602用于将输入偏振保持在与PBS603成45度。四分之一波片609与PBS603平行或反平行取向。起偏器607和608都与起偏器603相同。该结构几乎与图6相同，只是在PBS603之后将基于光纤的延迟线917添加到光路上。基于光纤的延迟线917用于增加差分群延迟以获得更好的频率测量灵敏度。它可以是任何以下延迟线：固定光纤延迟，可变延迟，电动可变延迟，可切换可变延迟。
图10示出了所公开的技术的第十实施例，其中使用两个偏振分束器707和708来代替图9中的NPBS603之后的两个起偏器607和608。与图9相比，使用了两对的光电探测器710/712和711/713。
图11示出了偏振光频解码器的第十一实施例。该配置与图10中的配置几乎相同。只是使用Wollaston棱镜807和808来代替图10中的PBS707和708，还使用双芯片光电探测器810和811代替图10中的单芯片探测器对710/712和711/713。
图12示出了偏振不敏感的偏振光频解码器的第一实施例。任意偏振的输入光束首先进入由双折射晶体制成的偏振平行分束器1201，其中具有正交偏振分量的两个光束1和2被分束平行传输。然后将90度偏振旋转器1202放置在其中一个光束中，以使两个光束具有相同的偏振状态。与DGD元件1204的慢轴成45度的起偏器1203用于清除由半波片或法拉第旋转器制成的偏振旋转器1202的缺陷产生的偏振偏差。分偏振分束器NPBS1206将来自DGD元件1204的光分束成两束；四分之一波片1209与DGD元件1204取向平行或反平行。起偏器1207和1208的方向与起偏器1203相同。具有适当的焦距的透镜1205用于将两个光束聚焦到光电探测器1210和1211的芯片上。
图13示出了偏振不敏感的偏振光频解码器的第二实施例。该配置几乎与图12的配置相同。除了使用PBS1307和PBS1308来代替图12中的起偏器1207和1208，并且使用两对共四个光电探测器1310/1312和1311和1313来检测来自PBS1307和PBS1308的四个光束的光功率。
图14示出了偏振不敏感的偏振光频解码器的第三实施例。该配置几乎与图13相同，除了使用两个Wollaston棱镜(1407和1408)来代替图13中两个偏振分束器PBS1307和PBS1308，以将两个正交偏振分量的光分离成不同的传输方向。两个双芯片光电探测器1410和1411用于检测两个Wollaston棱镜(1407和1408)偏振分量的光的光功率。沃拉斯顿棱镜1407和1408的轴线与起偏器1203平行，wp1和wp2是两个沃拉斯顿棱镜的方向。
图15示出了图1～5和图12～14中使用的温度不敏感的DGD结构1500，其由具有相反温度双折射系数的两种不同的双折射晶体1501和1502制成。例如，YVO4和LiNOb3。适当选择两种不同晶体的长度匹配，可以实现差分群延迟的零温度系数。
在实施中，图1～5和图12～14中的DGD，可以使用多片双折射材料和偏振开关来制造，形成可编程群延迟模块组，使用二进制偏振转换改变DGD延迟量。
图16是用于从来自图3～14中描述的频率解码器的正弦和余弦信号计算光信号的瞬时相位或频率的模拟电路模块示意图。对于两个或两对光探测器输出的偏振分析模块，这里将公式中G12I'10和G34I30分别由V1和V2表示，Δθ由θ(t)表示。其中第一光探测器1600(或探测器对)在1601模块产生的电信号输出为时间的正弦函数V1Sin(θ(t))，模块1601产生两个分路输出，其中一路输出进入模块1603进行微分运算，获得V1(dθ/dt)cos(θ(t))，并输出到模块1606；其中第二光探测器1610(或光探测器对)在1602模块产生的电信号输出为时间的余弦函数V2cos(θ(t))，模块1602产生两个分路输出，其中一路输出进入模块1604进行微分运算，获得V2(dθ/dt)cos(θ(t))，并输出到模块1605；其中模块1605除了接收来自模块1604的输出，还接收来自模块1601的另一路输出，并对接收到的这两路信号进行乘法运算，获得V1V2(dθ/dt)sin2(θ(t))输出；其中模块1606除了接收来自模块1603的输出，还接收来自模块1602的另一路输出，并对接收到的这两路信号进行乘法运算，获得V1V2(dθ/dt)cos2(θ(t))输出；模块1607接收来自模块1606和1605的输出，并进行减法运算，获得V1V2(dθ/dt)输出；模块1608接收来自1607的输出，并进行积分运算，获得输出V1V2(θ(t)+θ0)。这样的电路即可以通过具有固件的FPGA来实现，也可以通过数字电路的程序运算。使用这种电路，可以获得非常大的旋转范围而不会遇到非线性。
在该模拟电路模块中描述的程序或算法也可以在正弦和余弦信号被数字化之后整体以数字方式通过程序运算实现。
图17示出了用于加入由图3～图14中描述的频率解码器获得的正弦和余弦信号的数字方法。相位的正弦1701和余弦1702信号在分路器1703被分成两对信号，其中一对信号进入比较器1704求和后形成方波进入计数器1706，再进入数字运算单元1708获得方波的周期数；另外一对经过放大器1705放大后，进入数模转换器1707相除，获得正切相位，进入数字运算单元1708后，算出相位θ。图17a中的比较器1704是为了获得用于周期计数的零交叉位置，如图17b中的顶部和中间图所示。图17a中的模数转换器(ADC)1707是数字化数据，然后数字信号处理单元(DSP)1708用于使用θ＝tan-1(sinY1/cosY2)来计算即时相位，如图17b中的底图。
图1至14中描述的光学频率解码器是所谓的增量式解码器，它仅测量光频率的变化量。对于某些应用，需要测量绝对光频率。可以使用具有多个光谱吸收谱线的分子气体单元，例如一氧化碳，乙炔和氰化氢，以获得在吸收峰处的绝对光学频率读数。吸收线之间的频率下降可以被线性内插。
图18为采用小DGD的如图1～14所示的光频解码器(OFE)，与采用大DGD的图1～14所示的OFE进行组合，进行绝对频率解码器的图示。如图所示，小DGD的光频解码器(OFE)的DGD值的选择应在感兴趣的频率(或波长)范围内，其检测到的光功率变化有限，被限制在余弦函数的第一个四分之一周期中，对绝对光频率测量相对粗糙。在这个四分之一的周期中，大型DGD的OFE产生了很多周期。只要OFE的频率分辨率足够精细地解决大DGD的OFE的周期，就可以明确地获得光源的绝对频率。图18a为这种组合测量装置图，输入被测光1801进入分束装置(例如耦合器)1802分成两束光，一束进入小DGD的光频解码器1803，另一束进入大DGD的光频解码器1804，一个信号处理模块1805同时接收两个光频解码器的输出信号，并进行综合处理，从而细致检测出被测光的光频信息。图18b为小DGD光频解码器A(红色曲线)和大DGD光频解码器B(蓝色曲线)分别检测的光频分布示意图；
图19是本发明一系列光频解码器(OFE)方案用于检验光纤布拉格光栅(FBG)的示意图。诸如ASE或SLED的宽带光源1901被注入到光纤中，并且4个FBG1902、1903、1904和1905将朝向波分复用器WDM(CWDM)1906反射不同的波长的光，波分复用器WDM(CWDM)1906将它们分离成4个不同波长的光束分别进入4个光频解码器OFE1907、1908、1909和1910，信号处理电路模块1911对接收到的4个光频解码器OFE1907、1908、1909和1910信号进行处理，在1912产生综合信号输出。可以通过OFE精确地检测由FBG中的温度或应变引起的反射光的波长偏移。基于FBG的正弦/余弦光学解码器询问器具有比各种常规FBG询问器频谱分析仪更高的速度和更好的频谱分辨率的优点。通过增加系统中OFE的数量，可以将更多的FBG包含在系统中。从而在实际应用中，可实现在一根光纤上多点测量温度或应变。
图20示出了又一种用于光纤布拉格光栅(FBG)检测的光学频率解码器(OFE)。诸如ASE或SLED的宽带光源1901的光被注入到光纤中，4个FBG1902、1903、1904和1905将朝向波分复用器WDM(CWDM)1906反射不同的波长，将它们按不同波长分离成分束光分支。使用4x1光开关2013依次将一个个分束光分支连接到一个光频解码器OFE1907上，再由处理电路1911对光频解码器2007的信号输出进行处理，产生整体信号输出1912，从而测量由FBG中的温度或应变引起的波长变化。这里只需要一个OFE来查询多个FGB，以降低测量速度降低成本。通过增加光开关中的端口数，可以将更多的FBG包含在系统中。
图21示出了使用光学频率解码器(OFE)来产生用于在OCT系统中触发数据采集的频率时钟信号。一个扫频激光器2101产生的输出光分成两束，一束扫频激光器输出光进入一个耦合器2104，再分成一束参考臂输出光2105和一束样品臂输出光2108，参考臂输出光2105由反射镜2106反射回耦合器2104，样品臂输出光2108由样品2109反射回耦合器2104；耦合器将接收到的两束反射光输出到光探测器2107，并产生检测信号输出到DAQ&FFT运算模块2111；扫频激光器2101输出光的另外一束分束光进入一个本发明光频解码器2102，并产生一个频率信号输出2103，该输出作为频率时钟信号2110反馈给DAQ&FFT运算模块2111，DAQ&FFT运算模块2111将探测器2107输出信号和频率时钟信号2110结合运算，获得精准的OCTOBER图像。精确的频率时钟信号对于确定OCT图像的深度信息至关重要。
图22示出光频解码器(OFE)在光频域反射计(OFDR)传感器系统中的应用。图22a是装置示意图；一个可调谐光纤激光器2201产生的输出光，通过一个分束装置2202分成两束光，其中一束测量光束进入一个50:50耦合器2204，再分成两束耦合器输出光，一束耦合器输出光进入到参考光路2205，并通过反射镜2206反射回耦合器2204；另外一束耦合器输出光进入到探测光路2208，并进入被测光纤2207，被测光纤2207中产生的背向散射光将会反射回到耦合器2204；耦合器2204将接收到的两束反射光汇合输出给光探测器2209，一个数据处理器DAQ2210接收来自光探测器的电信号输出；可调谐光纤激光器2201通过分束装置2202产生的另外一束分束光进入到一个本发明的光频解码器2203，并产生一个光频测量信号输出给数据处理器DAQ2210；数据处理器DAQ2210将接收到的来自光探测器2209和光频解码器2204的信号进行数模转换并进行数据处理，产生一个对被测光纤2207的测试信号输出给测试终端2211，进行数据应用或结果显示。理想地，激光频率被线性调谐，并且沿着光纤的每个点处产生的背散射光干扰参考光。不同位置的散射光对应于不同的拍频。在执行FFT之后，获得作为距离的函数的散射/反射。因为可调激光器可能不是线性的，所以需要用光学解码器对获得即时频率触发数据请求。图22b是光纤背向散射模型示意图。
图23示出了在啁啾激光雷达系统中使用光频解码器(OFE)来触发数据采集。系统包括一个调频激光器2301产生一束输出光，该输出光被一个分数装置分成两束，一束进入本发明的光频解码器2302；另一束进入一个耦合器2307；进入耦合器2307的光被耦合器2307分束成两束光，一束进入参考臂2304，并通过反射镜2305反射回耦合器2307；耦合器2307分束的另外一束光进入到扫描臂2306，并透射到被测物体2311上(例如一辆轿车)；扫描臂2306的输出光对被测物体2311进行测距扫描，并将被测物体的反射光输送回到耦合器2307；耦合器2307将两束反射光汇合后输出到光探测器2308，光探测器2308产生一个测试电信号输出到DAQ&FFT(数模转换和傅里叶运算)信号处理模块2309进行运算；光频解码器2302对接收到的光进行光频检测，产生一个频率测试输出2303，该输出作为频率时钟进入到信号处理模块2309；信号处理模块2309对两组信息进行综合运算，从而获得物体的准确距离信息。在这样的系统中，对于获得物体的准确的距离信息，精确地知道的频率是至关重要的。
图24示出了使用光频解码器(OFE)来监视和控制激光频率。一个调频激光器2401产生的激光输出2405，其中通过一个耦合器2402分出一部分光进入到本发明光频解码器2404中，光频解码器2404的频率检测信号输出给一个光频控制器2403，光频控制器2403再产生一个反馈信号控制调频激光器2401的输出频率，使得其激光输出2405频率准确实现；在系统中使用这样的OFE，可以为要求严格的先进的应用产生光频率的任意波形。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当被认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (27)

1.一种用于测量光频率的光频解码器装置，其特征在于，包括：
一个光学起偏器接收被测光束，并输出一个线偏振光；
一个DGD单元通过耦合用来接收来自光学起偏器的光束，所述DGD单元将所接收到的线偏振光，分成两束正交光学偏振光束，并使其中一束光束相对另一束光束产生光延迟；
一个第二光学起偏器通过耦合以接收来自DGD单元的输出光，并产生一束光学输出光束；
一个光学探测器接收来自第二光学起偏器的输出光束并产生探测器信号；
一个处理器用来接收探测器信号，并且根据第二光学起偏器输出光束的功率来确定被测光束光频率。
2.如权利要求1所述的光频解码器装置，其特征在于，所述第二起偏器更换为一个偏振分束器，用来将来自所述DGD单元的光分成偏振态相互垂直的两束线偏振光；
两个光探测器，用来分别接收来自偏振分束器的两束线偏振光，并产生电信号；
所述处理器接收来自所述两个光探测器的电信号并进行处理，来确定光频率。
3.如权利要求1所述的光频解码器装置，其特征在于，包括所述第二起偏器更换为一个渥拉斯顿棱镜，用来将来自所述DGD单元的光分成偏振态相互垂直的两束线偏振光；
一个双芯片集成探测器，用来分别接收来自渥拉斯顿棱镜的两束线偏振光，并产生电信号；
所述处理器接收来自所述双芯片光探测器的电信号并进行处理，来确定光频率。
4.如权利要求1所述的光频解码器装置，其特征在于，包括，所述第二起偏器前放置一个非偏振分束器，用来将来自DGD单元的光分成两束光；
所述第二起偏器接收来自所述非偏振起偏器的透射光进行起偏，输出一束线偏振光；所述第一光探测器接收来自第二起偏器的光，并产生探测电信号；
一个第三起偏器接收来自所述非偏振分束器的反射光，输出一束线偏振光；一个第二光探测器接收来自第三起偏器的光，并产生探测电信号；
在第三起偏器和非偏振分束器之间，或者第二起偏器和非偏振分束器之间加入一个四分之一波片；
所述处理器接收来自所述第一和第二光探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
5.如权利要求4所述的光频解码器装置，其特征在于，包括，
所述第二起偏器更换为一个第二偏振分束器，用来将来自非偏振分束器的透射光并分束成两束偏振态相互垂直的线偏振光，两个光探测器用来分别接收来自第二偏振分束器的两束输出光；
所述第三起偏器更换为一个第三偏振分束器，用来将来自非偏振分束器的反射光并分束成两束偏振态相互垂直的线偏振光，另外两个光探测器用来分别接收来自第三偏振分束器的两束输出光；
所述处理器接收来自所述四个探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
6.如权利要求4所述的光频解码器装置，其特征在于，包括，
所述第二起偏器更换为一个第二渥拉斯顿棱镜，用来将来自非偏振分束器的透射光并分束成两束偏振态相互垂直的线偏振光，一个双芯片光探测器用来分别接收来自第二渥拉斯顿棱镜的两束输出光；
所述第三起偏器更换为一个第三渥拉斯顿棱镜，用来将来自非偏振分束器的反射光并分束成两束偏振态相互垂直的线偏振光，另外一个双芯片探测器用来分别接收来自第三渥拉斯顿棱镜的两束输出光；
所述处理器接收来自所述两个双芯片探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
7.一种用于测量光频率的光频解码器装置，包括：
一个第一起偏器接收被测输入光束，并输出一个线偏振光；
一个偏振分束器用来接收来自所述第一起偏器的光束，并产生一束透射线偏振光和一束反射线偏振光；
一个第一90度法拉第旋转镜，用来接收来自所述偏振分束器的反射线偏振光，并将其反射回偏振分束器，穿过偏振分束器形成透射输出光；
一个可沿着光路移动的第二90度法拉第旋转镜，用来接收来自偏振分束器的透射线偏振光，并将其反射回偏振分束器，在偏振分束器形成反射输出光；
一个非偏振分束器接收来自偏振分束器的透射输出光和反射输出光，合束后再分束成所述非偏振分束器的透射输出光和反射输出光；
一个第二起偏器用来接收来自非偏振分束器的反射输出光，形成一束线偏振光；一个第一光探测器接收来自第二起偏器的线偏振光，产生一个探测电信号；
一个第三起偏器用来接收来自非偏振分束器的透射输出光，形成一束线偏振光；一个第二光探测器接收来自第三起偏器的线偏振光，产生一个探测电信号；
在第三起偏器和非偏振分束器之间，或者第二起偏器和非偏振分束器之间加入一个四分之一波片；
一个处理器接收来自所述两个探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
8.如权利要求7所述的光频解码器装置，其特征在于，包括：
所述第二起偏器更换成一个第二偏振分束器，并产生两束偏振态相互垂直的分束光；所述第一光探测器用来接收来自第二偏振分束器的一束分束光，并产生一个探测电信号；一个第三光探测器用来接收来自第二偏振分束器的另一束分束光，并产生一个探测信号；
所述第三起偏器更换成一个第三偏振分束器，并产生两束偏振态相互垂直的分束光；所述第二光探测器用来接收来自第三偏振分束器的一束分束光，并产生一个探测电信号；一个第四光探测器用来接收来自第三偏振分束器的另一束分束光，并产生一个探测信号；
所述处理器接收来自所述四个探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
9.如权利要求7所述的光频解码器装置，其特征在于，包括：
所述第二起偏器更换成一个第一渥拉斯顿棱镜，并产生两束偏振态相互垂直的分束光；一个第一双芯片光探测器用来接收来自第一渥拉斯顿棱镜的两束分束光，并产生两个探测电信号；
所述第三起偏器更换成一个第二渥拉斯顿棱镜，并产生两束偏振态相互垂直的分束光；一个第二双芯片光探测器用来接收来自第二渥拉斯顿棱镜的两束分束光，并产生两个探测电信号；
所述处理器接收来自所述两个双芯片探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
10.如权利要求7所述的光频解码器装置，其特征在于，包括：
在第二法拉第旋转镜和第一偏振分束器之间，加入一个延迟线，以改变第二法拉第旋转镜和第一偏振分束器之间的光程；
所述延迟线是固定光纤延迟线，或可变光纤延迟线，或电动可变延迟线，或切换式可变延迟线。
11.一种用于测量光频率的光频解码器装置，其特征在于，包括：
一个由双折射晶体制成的偏振平行分束器，用来接收被测光，并输出两束偏振态相互垂直的线偏振光，且两束光传播方向平行，彼此分开；
一个90度偏振旋转镜放置在偏振光束置换器的一个输出光束后，用来接收所述偏振光束置换器的一束输出光，并进行90度偏振旋转，使之偏振方向与偏振光束置换器的另一束输出光偏振方向一致；
一个DGD单元用来接收偏振光束置换器的两束输出光，并产生一个DGD输出光；
一个第一起偏器放置在所述DGD单元和偏振光束置换器之间，用来消除90度偏振旋转镜可能产生的偏振误差；
一个聚焦透镜用来接收来自DGD单元的输出光，并产生一个透镜输出光；
一个非偏振分束器用来接收来自聚焦透镜的透镜输出光，并产生一个透射输出光和一个反射输出光；
一个第二起偏器接收来自非偏振分束器的透射输出光，并产生一个第二起偏器输出光；
一个第一光探测器接收来自第二起偏器的输出光，并产生一个探测电信号；
一个第三起偏器接收来自非偏振分束器的反射输出光，并产生一个第三起偏器输出光；
一个第二光探测器接收来自第三起偏器的输出光，并产生一个探测电信号；
一个四分之一波片放置在第三起偏器和非偏振分束器之间，或第二起偏器和分偏振分束器之间；
一个处理器接收来自所述两个探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
12.如权利要求11所述的光频解码器装置，其特征在于，包括：
一个第一偏振分束器代替所述第二起偏器，用来接收来自非偏振分束器的透射输出光，并产生一束第一偏振分束器透射输出光和一束第一偏振分束器反射输出光；所述第一光探测器用来接收来自第一偏振分束器的第一偏振分束器透射输出光，产生一个探测电信号；一个第三光探测器用来接收来自第一偏振分束器的第一偏振分束器反射输出光，产生一个探测电信号；
一个第二偏振分束器代替所述第三起偏器，用来接收来自非偏振分束器的反射输出光，并产生一束第二偏振分束器透射输出光和一束第二偏振分束器反射输出光；所述第二光探测器用来接收来自第二偏振分束器的第二偏振分束器透射输出光，产生一个探测电信号；一个第四光探测器用来接收来自第二偏振分束器的第二偏振分束器反射输出光，产生一个探测电信号；
所述处理器接收来自所述四个探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
13.如权利要求11所述的光频解码器装置，其特征在于，包括：
一个第一渥拉斯顿棱镜代替所述第二起偏器，用来接收来自非偏振分束器的透射输出光，并产生两束偏振态相互垂直的偏振光；一个第一双芯片光探测器替代所述第一光探测器，用来接收来自第一渥拉斯顿棱镜的两束输出光，并产生两个探测电信号；
一个第二渥拉斯顿棱镜代替所述第三起偏器，用来接收来自非偏振分束器的反射输出光，并产生两束偏振态相互垂直的偏振光；一个第二双芯片光探测器替代所述第二光探测器，用来接收来自第二渥拉斯顿棱镜的两束输出光，并产生两个探测电信号；
所述处理器接收来自所述两个双芯片光探测器的电信号进行处理，来确定光频率。
14.如权利要求1或权利要求11所述的光频解码器装置，其特征在于，包括所述DGD单元为双折射晶体，其光轴与第一起偏器和第二起偏器起偏方向成45度角。
15.如权利要求14所述的光频解码器装置，所述DGD单元为两段双折射晶体，两段双折射晶体的温度双折射系数相反，以消除温度变化对差分群延迟的影响。
16.如权利要求4、5、6、7、8、9、10、11、12、13中任一项所述的光频解码器装置，其特征在于，所述处理器包括：
直接或间接接收非偏振分束器透射光的探测器在一个电路第一分路模块产生的电信号输出为时间的正弦函数V1Sin(θ(t))，第一电路分路模块产生两个分路输出，其中一路输出进入一个第一微分运算模块进行微分运算，获得V1(dθ/dt)cos(θ(t))，并输出到一个第一乘法运算模块；
直接或间接接收非偏振分束器反射光的光探测器在一个电路第二分路模块产生的电信号输出为时间的余弦函数V2cos(θ(t))，第二电路分路模块产生两个分路输出，其中一路输出进入第二微分运算模块进行微分运算，获得V2(dθ/dt)cos(θ(t))，并输出到一个第二乘法运算模块；
其中第一乘法运算模块除了接收来自第一微分运算模块的输出，还接收来自第二电路分路模块的另一路输出，并对接收到的这两路信号进行乘法运算，获得V1V2(dθ/dt)sin2(θ(t))输出；
其中第二乘法运算模块除了接收来自第二微分运算模块的输出，还接收来自第一电路分路模块的另一路输出，并对接收到的这两路信号进行乘法运算，获得V1V2(dθ/dt)cos2(θ(t))输出；
一个减法运算模块接收来自第一乘法运算模块和和第二乘法运算模块的输出，并进行减法运算，获得V1V2(dθ/dt)输出；
一个积分运算模块接收来自减法运算模块的输出，并进行积分运算，获得带有被测频率信息的输出V1V2(θ(t)+θ0)。
17.如权利要求4、5、6、7、8、9、10、11、12、13中任一项所述的光频解码器装置，其特征在于，所述处理器包括：
直接或间接接收非偏振分束器透射光的探测器在一个电路第一分路模块产生的电信号输出为时间的正弦函数V1Sin(θ(t))，经过一个第一分路器分成一个第一正弦信号和一个第二正弦信号；直接或间接接收非偏振分束器反射光的光探测器在一个电路第二分路模块产生的电信号输出为时间的余弦函数V2cos(θ(t))，经过一个第二分路器分成一个第一余弦信号和一个第二余弦信号；
一个比较器接收所述第一正弦信号和所述第一余弦信号并进行求和，产生一个矩形波输出；
一个计数器接收所述矩形波，并进行矩形波的周期计数，产生一个周期计数输出；
一个数模转换器接收所述第二正弦信号和所述第二余弦信号并进行相除，产生一个相位θ(t)的正切输出；
一个数字运算模块接收所述周期计数输出和所述正切输出，计算出相位θ(t)和周期。
18.如权利要求16所述的光频解码器装置，所述电路模块运算设计，还可以是通过芯片或者电脑程序，实现各个模块的整体运算。
19.如权利要求3、6、9所述，在所述渥拉斯顿棱镜前的光路中设置一个用来将光束聚焦在渥拉斯顿棱镜上，以提高渥拉斯顿棱镜受光强度的聚光透镜。
20.一种用于测量光频率的光频解码器系统，其特征在于，包括：
一个分光模块，将被测光分成第一分束光和第二分束光；
一个如权利要求1或权利要求7或权利要求11所述光频解码器装置，作为第一光频解码器接收所述第一分束光；
一个如权利要求1或权利要求7或权利要求11所述光频解码器装置，作为第二光频解码器接收所述第二分束光；
所述第一光频解码器经过标定，可在与光频有关的延迟量π/2变化周期内获得光频的绝对值；
所述第二光频解码器装置中的DGD模块的DGD值大于所述第一光频解码器装置中的DGD模块的DGD值，可获得延迟量大于π/2变化周期的光频相对值；
一个数据处理模块，用来接收来自第一光频解码器和第二光频解码器的数据输出，并对两个解码器的输出进行数据比较运算，获得整个输入光的光频信息。
21.一种利用布拉格光栅进行光纤传感的系统，其特征在于，包括：
一个宽带光源发出一束探测光耦合进入一段光纤，所述光纤的探测端串行接入若干个用作传感的布拉格光栅；
在所述布拉格光栅和宽带光源之间的光纤的一端接入一个光环行器或光纤耦合器，使得布拉格光栅返回的光信号在所述光环行器或光纤耦合器产生一个分束光；
一个波分复用器接收来自光环行器或光纤耦合器的带有布拉格光栅的光信号的分束光，并按波长进行波分分束；
一组如权利要求1或权利要求7或权利要求11或权利要求19所述光频解码器装置，每个光频解码器装置对应接收一路来自波分复用器的对应一个布拉格光栅的光束，并产生频率测量信号；
一个处理电路接收所述一组光频解码装置的频率测量信号，经过解析获得来自各个布拉格光栅处的温度或者压力等传感信息。
22.如权利要求21所述光纤传感系统，其特征在于，包括：
在所述光频解码器装置和波分复用器之间，加入一个光开关，用于依次将来自波分复用器的不同分束光对接到一个光频解码器装置上，以实现一个光频解码器装置对应多个布拉格光栅的功效。
23.一种光学传感系统，其特征在于，包括：
一个激光器，用来产生处于探测频率的探测光，并且可操作以将探测激光频率调谐到不同的激光频率；
一个如权利要求1或权利要求7或权利要求11或权利要求20所述的光频解码器装置，通过耦合以接收来自所述激光器的所述探测激光的一部分，以测量所述探测激光的光频信息；
一个光耦合器通过耦合以接收来自激光器的探测激光的另一部分，并将接收到的探测激光分束为参考探测激光束和采样探测激光束；
一个参考光路，被耦合以接收参考探测激光束；还包括一个参考反射器，将参考探测激光束反射回到光耦合器；
一个采样光路，包括一个光学探测头，其被耦合以接收采样探测激光束，其将采样探测激光束引导到要探测的样品上，并且接收携带目标的信息的反射采样探测激光束，并且引导所述反射的采样探测激光束经由所述采样光路到所述光耦合器，其中所述光耦合器将来自所述目标的所述反射的采样探测激光束与所述反射的参考探测激光束组合以产生组合干涉的激光束；
一个光学探测器，用来接收来自光耦合器的组合干涉的激光束并产生探测器信号；
一个处理器模块，接收所述探测器信号，并使用基于来自所述光频解码器装置的探测激光的光频率信息的频率时钟信号对所述探测器信号执行快速傅立叶变换，以提取所述目标的信息。
24.如权利要求23所述传感系统，其特征在于，包括：
所述系统是一个光学断层扫描系统；
所述要探测的样品是需要进行光学断层扫描的样品，所述携带目标的信息的反射采样探测激光束是被测样品不同层面的反射光束；
所述处理器模块所提取的目标信息是进行光学断层扫描样品的不同层面结构信息。
25.如权利要求23所述传感系统，其特征在于，包括：
所述系统是一个光纤结构检测系统；
所述要探测的样品是需要进行检测的光纤样品，所述携带目标的信息的反射采样探测激光束是被测光纤不同位置背向散射的反射光束；
所述处理器模块所提取的目标信息是被测光纤样品的不同位置结构信息。
26.如权利要求23所述传感系统，其特征在于，包括：
所述系统是一个光学测距系统；
所述要探测的样品是需要进行测距的物体，所述携带目标的信息的反射采样探测激光束是被测光纤不同位置背向散射的反射光束；
所述采样光路包括一个光学扫描器，其被耦合以接收采样探测激光束，并将采样探测激光束扫描到设定的区域中，以检测扫描的采样探测激光束的光路中的物体并接收反射取样探测激光束携带反射光的物体的信息，并经由采样光路将反射的采样探测激光束引导到光耦合器，其中光耦合器将来自目标的反射采样探测激光束和反射的参考探测激光光束合并以产生组合的激光束；
所述处理器模块，其被耦合以接收所述探测器信号，并且可使用基于来自所述光频解码器装置的探测激光的光频率信息的频率时钟信号对所述探测器信号执行快速傅里叶变换，以提取所述样品的距离信息。
27.一种可进行光频控制的激光光源，其特征在于，包括：
一个调频激光器产生一输出光；
一个分束器，将一部分激光产生的输出光分束作为光束监测光；
一个如权利要求1、或权利要求7、或权利要求11、或权利要求20所述光频解码器装置，用来接收所述光束监测光，并产生一个光频监测输出信号；
一个光频控制模块，接收来自所述光频解码器的光频监测输出信号，并根据预设的光频要求产生一个光频控制信号，反馈给所述调频激光器；
所述调频激光器接收光频控制信号，对输出光进行调制，以保证输出光的光频的稳定，或按照预设的光频需求进行调频。
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