CN116256062B - 一种光谱分析装置、方法以及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱分析装置、方法以及校准方法，装置包括第一级滤波器、第二级滤波器、输入端口和输出端口，第一级滤波器与第二级滤波器连接，至少一个输入端口与第一级滤波器连接，至少一个输出端口与第二级滤波器连接，第二级滤波器连接探测器阵列；第一级滤波器为相位可调的梳状滤波器，包括光相移器，光相移器用于滤波曲线的平移调整；第二级滤波器为输出通道固定的多输出滤波器，第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。本方案基于可调+固定两级交织滤波器架构，减少光电探测器数量。

Description

一种光谱分析装置、方法以及校准方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种光谱分析装置。

背景技术

OSA（Optical Spectrum Analysis，光谱分析仪）是用于测量光谱的精密仪器，通常可以根据光谱进行进一步分析。广泛应用于光学测量领域，例如激光和发光二极管等光源的表征；光学系统测试，例如光纤通信网络中的波分复用系统；测量光学系统或设备的波长相关透射率或反射率等。

现有的光谱分析仪主要是片外的台式光谱仪，例如基于光栅的光谱分析仪，将输入的多色光通过衍射光栅在空间上分散，然后发送到多通道光电探测器阵列上，例如以光电二极管阵列或一维CCD传感器，探测后得到分析结果；基于光栅的光谱分析仪普遍体积较大，同时此类方案中使用阵列光电转换器，成本较高；

又如傅里叶光谱仪，这类光谱仪基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。傅里叶光谱分析仪所需要光电转换器少，但是需要活动部件，稳定性相较光栅型差，不容易集成；集成方案中，片上可调滤波器结构不容易实现大的波长扫描范围，同时校准也比较难。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种光谱分析装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种光谱分析装置，包括第一级滤波器、第二级滤波器、输入端口和输出端口，第一级滤波器与第二级滤波器连接，至少一个输入端口与第一级滤波器连接，至少一个输出端口与第二级滤波器连接，第二级滤波器连接探测器阵列；其中

所述第一级滤波器为相位可调的梳状滤波器，包括光相移器，光相移器用于滤波曲线的平移调整；所述第二级滤波器为输出通道固定的多输出滤波器，其中，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

作为可选方案，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

本发明创造基于第一级可调滤波器和第二级固定滤波器两级交织滤波器架构，减少光电探测器数量。

作为优选方案，所述第一级滤波器实施为可调谐微环谐振器。其中，所述微环谐振器包括第一直波导、第二直波导和环形波导，第一直波导包括第一端口和第二端口，第二直波导包括第三端口和第四端口，第一端口输入待测光信号，第四端口输出满足谐振条件的光信号，其中，所述第四端口连接第二级滤波器。该优选方案使用可调谐微环谐振器，结构简单，稳定性好。

作为优选方案，所述第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR。该优选方案实现稀疏交织滤波功能。两级滤波器稀疏交织设计，第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR，以避免色散FSR失配缺陷，以提高波长范围。

一种光谱分析方法，采用光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器的光相移器配置相位，通过波长平移过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

调整光相移器，重复上述步骤实现不同的光信号的处理。

作为一种优选方案，第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR。

一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描光相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行对比，完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行对比，完成校准。

一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的实时校准方法，包括以下步骤：

硬件配置：第二端口连接光电探测器，用于监控，第一端口配置分光器和连接分光器的光电探测器；

光探测器扫描：通过分析第一端口分光探测功率和第二端口探测功率与探测器阵列整体探测功率之和的关系是否稳定，判断第一级滤波器是否损耗或者耦合改变；

缓变信号探测：多次调制光移相器进行相移扫描，在扫描过程中，通过分析第二端口探测功率和探测器阵列各个探测功率的关系是否稳定，判断光移相器是否正常工作。

一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的实时校准方法，包括以下步骤：

硬件配置：第二端口接入宽谱光源，第三端口接入光电探测器；第一端口和第二端口配置隔离器；

开机测试：光谱分析装置开机时，启动宽谱光源输入，按照预设值扫描光移相器，从第三端口和探测器阵列探测功率，并与预设值对比，确定是否为正常工作状态；

装置运行：以第一端口输入，探测器阵列输出为工作路，第二端口和第三端口为监控路，用于监测第一滤波器的工作状态。

本发明提出的以上三种校准方法是基于可调谐微环谐振器和固定通道的多输出滤波器（如AWG）级联结构实现，保证片上器件的稳定工作所需要的校准功能，同时保证光学大带宽情况下的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种光谱分析装置；

图2是第一级滤波器和第二级滤波器的滤波曲线示意图；

图3是FSR1改变之后的滤波曲线图；

图4是调谐后第一级滤波器的滤波曲线图；

图5是第二级滤波以及稀疏扫描的数值模拟图；

图6是校准方法的硬件配置示意图；

图7是微环谐振器不同耦合系数后的滤波曲线图；

图8是图7虚线处不同的耦合系数对应的不同探测功率折线图；

图9是一种片上实时校准方法的硬件配置图；

图10是另一种片上实时校准方法的硬件配置图；

图11是开机测试中预设值和实际输出值的比对曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

名词解释：

FSR: 自由光谱程，此处表示滤波器频谱上两个透过的峰之间的波长距离；

Coupling coefficient：耦合系数；

Phase：相位。

实施例1

参考附图1，一种光谱分析装置，包括第一级滤波器、第二级滤波器、输入端口和输出端口，第一级滤波器与第二级滤波器连接，至少一个输入端口与第一级滤波器连接，至少一个输出端口与第二级滤波器连接，第二级滤波器连接探测器阵列；其中

所述第一级滤波器为相位可调的梳状滤波器，包括光相移器，光相移器用于滤波曲线的平移调整；所述第二级滤波器为输出通道固定的多输出滤波器, 其中，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

其中第一级滤波器需要满足相位可调以及梳状滤波两个条件，本实施例中采用一种可调谐微环谐振器，基于相位可调配置第一层滤过的光信号，通过第二级滤波器输出通道固定的多输出滤波器实现两级交织的滤波器架构，减少光探测器的数量。

作为一种可选的实施方式，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR。

优选采用第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR的技术方案，本方案提出选择FSR1>FSR2，该方式可以实现稀疏扫描，适合波长扫描范围大，具有高色散的情况，可以提高光谱仪的波长范围。

作为一种可选的实施方式，所述第一级滤波器实施为微环谐振器。通过该结构，解释两级交织滤波的原理。

如图2和图3所示，图2的a是微环谐振器的滤波曲线，FSR1如图所示；图2的b是通过控制微环谐振器上的光相移器进行调谐后的滤波曲线，其中不同的调制相位用不同的数字代替分别是1，2，…，N。

光信号经过第一级滤波器滤波后进入第二级滤波器，其中FSR1>=FSR2，滤波曲线如图2的c，不同的峰对应不同的输出通道，第二级滤波器是输出通道固定的多输出滤波器。由此输入光信号经过两级滤波，波长信号会被第一级滤波器的相移器配置和第二级滤波器的输出通道唯一确定，实现光谱分析。

第二级滤波器为多输出滤波器，可选择阵列波导光栅（AWG）或者锯齿光栅（EDG）或者其他具有同类功能的滤波器。

作为一种优选的方案，所述第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR，FSR1>FSR2。上文公开的方案中提到FSR1>=FSR2，在FSR1=FSR2情况下，由于色散的原因，FSR1并不是一个常量，它会随着波长而变化，特别是对于波长扫描范围大的情况下，FSR1会有较明显的变化，记为FSR1’。如图3中，FSR1’<FSR1=FSR2，这种情况下，第一级滤波器中的两个标号为1的不同波长的信号在第一级滤波器的同一配置下会进入第二级滤波器的同一个通道，造成混叠，使得光谱分析出错，无法正常工作。当FSR1>FSR2，则避免了FSR色散问题，以提高波长范围。

图4是第一级滤波器的输出结果展示，其中，实线phase1是初始相位情况下微环谐振器的滤波曲线，虚线phase2是控制光相移器调整相位，改变了谐振波长后的滤波曲线。

图5为第二级滤波以及稀疏扫描的数值模拟图，图中宽的虚线展示的是第二级滤波器的滤波曲线，该滤波曲线的FSR小于第一级微环谐振器的FSR。结合第一级滤波器平移调整之后的滤波曲线，直观展现了两级滤波稀疏交织的关系。

作为一种可选的实施方式，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

实施例2

基于实施例1的装置的基础上，以可调谐微环谐振器作为具体的第一级滤波器，AWG作为第二级滤波器的工作方案作为举例，进一步公开若干种光谱分析装置的校准方法。

（一）一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描光相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行比对，完成校准。

（二）一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的实时校准方法，在进行长时间连续测试时，可以利用片上光电探测器和片上宽带光源来实现实时校准，包括以下步骤：

硬件配置：第二端口连接光电探测器，用于监控，第一端口配置分光器和连接分光器的光电探测器；

光探测器扫描：通过分析第一端口分光探测功率和第二端口探测功率与探测器阵列整体探测功率之和的关系是否稳定，判断第一级滤波器是否损耗或者耦合改变；如果关系不稳定，说明第一级滤波器损耗或者耦合改变。

如图7是微环谐振器不同耦合系数后的滤波曲线图。分别为耦合系数0.1,0.15,0.2,0.25情况下的第一级滤波器的滤波曲线展示，在实时测量过程中，如果因为温度等因素导致耦合系数改变，则在探测中通过实时校准方法，探测器测量的强度会发生改变。如图8为图7虚线处不同的耦合系数对应的不同探测功率，可以看到耦合效率变化后探测到的功率发生改变，此时第一端口的分光探测功率和第二端口探测功率与探测器阵列整体探测功率之和关系不再稳定。

缓变信号探测：多次调制光移相器进行相移扫描，在扫描过程中，通过分析第二端口探测功率和探测器阵列各个探测功率的关系是否稳定，判断光移相器是否正常工作。如果关系稳定，代表光移相器工作正常，如果关系不稳定则需要微调相移器使得信号恢复稳定。

第三种，一种光谱分析装置校准方法，采用光谱分析装置的实时校准方法，包括以下步骤：

硬件配置1：第二端口接入宽谱光源，第三端口接入光电探测器；

硬件配置2：第一端口和第二端口配置隔离器；隔离器具体可实施为环形器。

开机测试：光谱分析装置开机时，启动宽谱光源输入，按照预设值扫描光移相器，从第三端口和探测器阵列探测功率，并与预设值对比，确定是否为正常工作状态；

具体情况见图11，如果与预设值一致，则为正常工作状态，如果为图11的a所示，第三端口探测结果与预设值相关性较好，可以平移谱线得到，则需要调整微环共振器相移器进行校准；如果为图11的b所示，相关性差，则判定为无法正常工作。

装置运行：以第一端口输入，探测器阵列输出为工作路，第二端口和第三端口为监控路，用于监测第一滤波器的工作状态。此时由于第二端口的宽谱光源宽谱特性由预设值和开机测试步骤已知，可以作为一个标记信号监测第一级滤波器的工作状态，如监测第一级滤波的响应、损耗等。如果功率数值改变，则第一级滤波器响应及插入损耗改变。

其中，运行中的实时校准可以时分复用：使用硬件配置1，工作路信号和监控路信号时间上分开输入保证不干扰。

或者空分复用：采用硬件配置2，利用隔离器解决干扰问题。

实施例3

一种光谱分析方法，采用光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器的光相移器配置相位，通过波长平移过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

调整光相移器，重复上述步骤实现不同的光信号的处理。

作为一种优选方案，第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光谱分析装置，其特征在于，包括第一级滤波器、第二级滤波器、输入端口和输出端口，第一级滤波器与第二级滤波器连接，至少一个输入端口与第一级滤波器连接，至少一个输出端口与第二级滤波器连接，第二级滤波器连接探测器阵列；其中

所述第一级滤波器为相位可调的梳状滤波器，包括光相移器，光相移器用于滤波曲线的平移调整；所述第二级滤波器为输出通道固定的多输出滤波器，其中，所述第一级滤波器的FSR大于等于第二级滤波器的FSR；

其中，所述第一级滤波器实施为可调谐微环谐振器，所述可调谐微环谐振器包括第一直波导、第二直波导和环形波导，第一直波导包括第一端口和第二端口，第二直波导包括第三端口和第四端口，第一端口输入待测光信号，第四端口输出满足谐振条件的光信号，其中，所述第四端口连接第二级滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述第一级滤波器的FSR大于第二级滤波器的FSR。

3.根据权利要求1所述的一种光谱分析装置，其特征在于，所述第二级滤波器包括阵列波导光栅或者锯齿光栅。

4.一种光谱分析方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的光谱分析装置，包括以下步骤：

输入端口接收待测光信号，经过第一级滤波器后进入第二级滤波器，待测光信号通过第一级滤波器的光相移器配置相位，通过波长平移过滤出满足条件的光信号，然后将第一级滤波器输出的光信号输入至输出通道固定的多输出滤波器；

调整光相移器，重复上述步骤实现不同的光信号的处理。

5.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的一种光谱分析装置的外部预校准方法，包括第一级滤波器校准和第二级滤波器校准，

第一级滤波器校准包括：第二端口输入特性已知的宽谱光源，第一端口和第三端口连接至标准光谱仪，扫描光相移器，根据对应功率分配得到包括第一级滤波的响应、损耗、移相器对应的滤波波长信息，结合标准光谱仪获取的信息完成校准；

第二级滤波器的校准包括：

第一端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行对比，完成校准；或，

第三端口输入特性已知的宽谱光源，第二端口输出至标准光谱仪，扫描光移相器，并结合探测器阵列输出获取第二级滤波器响应信息，和标准光谱仪获取的信息进行对比完成校准。

6.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的一种光谱分析装置的实时校准方法，包括以下步骤：

硬件配置：第二端口连接光电探测器，用于监控，第一端口配置分光器和连接分光器的光电探测器；

光探测器扫描：通过分析第一端口分光探测功率和第二端口探测功率与探测器阵列整体探测功率之和的关系是否稳定，判断第一级滤波器是否损耗或者耦合改变；

缓变信号探测：多次调制光移相器进行相移扫描，在扫描过程中，通过分析第二端口探测功率和探测器阵列各个探测功率的关系是否稳定，判断光移相器是否正常工作。

7.一种光谱分析装置校准方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的一种光谱分析装置的实时校准方法，包括以下步骤：

硬件配置：第二端口接入宽谱光源，第三端口接入光电探测器；

开机测试：光谱分析装置开机时，启动宽谱光源输入，按照预设值扫描光移相器，从第三端口和探测器阵列探测功率，并与预设值对比，确定是否为正常工作状态；

装置运行：以第一端口输入，探测器阵列输出为工作路，第二端口和第三端口为监控路，用于监测第一滤波器的工作状态。

8.根据权利要求7所述的光谱分析装置校准方法，其特征在于，还包括硬件配置：第一端口和第二端口配置隔离器。