CN1580727A - 利用扩展局部振荡器信号的并行干涉测量 - Google Patents

利用扩展局部振荡器信号的并行干涉测量 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于表征被测试器件(DUT)(116；216；516)的光学性质的系统，该系统利用扩展局部振荡器信号来进行多个并行干涉测量。在一个系统中，扩展局部振荡器信号被光学连接到透镜阵列(106)。该透镜阵列将扩展扫频局部振荡器信号聚焦成多条光束。然后这多条光束用在多个并行干涉测量中。根据应用，这多条光束可用作参考光束，或应用到DUT并用作测试光束。测试光束和参考光束被组合来进行干涉测量。在另一个系统中，扩展局部振荡器信号的一部分(209；509)可作为测试光束直接应用到DUT，而扩展局部振荡器信号的另一部分(207；507)用作参考光束。

Description

利用扩展局部振荡器信号的并行干涉测量
技术领域
本发明一般地涉及光学测量和测量系统的领域，更具体地涉及用于利用光外差检测的光网络分析的方法和系统。
背景技术
外差光网络分析(HONA，Heterodyne optical network analysis)是一种在所期望光谱范围上表征被测试器件(DUT)的线性光学性质的干涉测量技术。商业上可用的HONA仪器用来表征与电信有关的元件，例如光纤布拉格光栅和阵列波导光栅。
通常，这些光学元件有不止一个需要被表征的端口。在传统的HONA仪器中，仅有一个测量通道可用来表征DUT，因此必须逐次地表征DUT的各个端口，而这是很耗时的过程。虽然可以利用将HONA的局部振荡器信号分布到多个接收器的多级联分光器(multiple cascaded optical splitter)来建立并行HONA系统，但是利用级联分光器将局部振荡器信号分布到各个接收器却是复杂、昂贵且有损耗的。
发明内容
用于表征被测试器件(DUT)的光学性质的系统，使用扩展局部振荡器信号来进行多个并行干涉测量。例如，局部振荡器信号通过扩束器，并且在多个干涉测量中使用扩展局部振荡器信号。将局部振荡器信号扩展以用在多个干涉测量中的优点，在于避免了与级联分光器相关联的问题。
根据本发明，扩展局部振荡器信号被光学连接到透镜阵列。所述透镜阵列将扩展局部振荡器信号聚焦成多条光束。然后这多条光束用在多个并行干涉测量中。根据应用，这多条光束可用作参考光束，或应用到DUT并用作测试光束。测试光束和参考光束被组合来进行干涉测量。
或者，根据本发明，扩展局部振荡器信号的一部分可作为测试光束直接应用到DUT，而扩展局部振荡器信号的另一部分用作参考光束。测试光束和参考光束被组合来进行干涉测量。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于表征DUT的系统，其利用扩展光束来进行多个并行干涉测量。
图2示出了根据本发明的用于表征DUT的另一个系统，其利用扩展扫频局部振荡器信号来完成多个并行干涉测量。
图3示出了检测器阵列和透镜阵列的实例，其中检测器阵列的检测器元件与透镜阵列的透镜元件被光学对准。
图4示出了根据本发明与多条测试光束重叠的参考光束。
图5示出了根据本发明的另一个系统，其可用来利用扩展扫频局部振荡器信号表征DUT，以实现多个自由空间的并行干涉测量。
图6示出了用在图2和5的系统中的偏振分光器和检测器阵列。
图7示出了根据本发明光学表征DUT的过程流程图的实施例。
在整个说明书中，类似的标号可用来标识类似的元件。
具体实施方式
用于表征测试器件(DUT)的光学性质的系统，利用扩展局部振荡器信号来进行多个并行干涉测量。例如，使扫频局部振荡器信号通过扩束器，并在多干涉测量中使用扩展的扫频局部振荡器信号。
图1示出了用于表征DUT的系统的实施例，其利用扩展的光束来进行多个并行干涉测量。所述系统包括局部振荡器源102、扩束器104、透镜阵列106、耦合系统108、多个光耦合器110、检测系统112和处理器114。将DUT 116连接到系统使得可以表征DUT的光学性质。
参照图1，局部振荡器源102产生局部振荡器信号。在一个实施例中，局部振荡器源是高度相干的可调谐激光器，其在1纳米或更大的波长范围内连续可调谐。在光网络分析过程中，为了在一定频率或波长范围内表征DUT的光学性质，局部振荡器源产生可连续地扫过所述频率或波长范围的高度相干的局部振荡器信号。在一个实施例中，局部振荡器信号在1,550纳米处的扫频速率约为40nm/s或6.15MHz/μs，扫频范围约100nm，但是扫频速率和扫频范围可以更高或更低。
扩束器104被光学连接到局部振荡器源102以接收扫频局部振荡器信号。扩束器产生扩展扫频局部振荡器信号105。例如，扩展扫频局部振荡器信号是空间扩展并且准直的自由空间光束。例如，扩束器可用一个透镜、多个透镜或开普勒望远镜来实现。
透镜阵列106被光学连接到扩束器以接收扩展扫频局部振荡器信号105。透镜阵列将扩展扫频局部振荡器信号聚焦成多条光束，例如多条不同的光束。在一个实施例中，透镜阵列将扩展扫频局部振荡器信号聚焦成多条光束，光束数量与将要进行的并行干涉测量的数量一致。被聚焦的光束随后耦合至不同的波导，例如光纤或平面波导。透镜阵列可包括透镜元件120的阵列，透镜元件120例如是在熔凝石英衬底上例如利用光刻和化学蚀刻工艺而形成的衍射透镜。在一个实施例中，调整透镜元件以对齐耦合系统中的光纤间距。透镜阵列可称之为“微透镜阵列”。在一个实施例中，透镜阵列被制造成可产生具有特定性质的光束。
耦合系统108的作用是将来自透镜阵列106的扩展的扫频局部振荡器信号光束耦合到不同的波导(例如光纤)中。在一个实施例中，耦合系统包括使二维阵列光纤122与来自透镜阵列的光束保持对准的结构。在另一个实施例中，耦合系统包括用来固定二维行阵列光纤(经常被称之为“带状连接器”)的结构。带状连接器经常用来将光耦合到光纤带状光缆内。带状光缆通常由多条单独光纤的线性阵列组成，这些光纤例如通过被连接的塑料护套而绑在一起。对光纤在光纤带状连接器内的位置的小的容许偏差(tight tolerance)，使得光纤带状连接器非常适于可重复地且低损耗地与透镜阵列耦合。耦合系统的另一个实施例包括与来自透镜阵列的光束对齐的集成光波导阵列。利用连接光纤和波导的公知技术，将每个波导在其输出处耦合到单模光纤。虽然描述了耦合系统的两个实例，但也可用其他耦合系统来将来自透镜阵列的光与被连接到耦合器的光缆相连接。
多个耦合器110将来自DUT 116的光纤124与来自耦合系统108的光纤122相连接。耦合器使得来自DUT的光和来自透镜阵列106的光组合成多个组合光信号，所述光信号可用于多个并行干涉测量。光耦合器可以是光学定向的3dB光纤耦合器，尽管也可使用其他光耦合器。在一个实施例中，光耦合器与来自DUT和透镜阵列的光的波长和偏振基本上无关。在一个实施例中，光耦合器是单模光耦合器。
多个耦合器由多条光纤126(称之为“输出光纤”)连接到检测系统112。输出光纤可以是单模光纤，其将来自光耦合器110的组合光信号输送到检测系统。
在图1的实施例中，检测系统112包括多个光接收器130，其以一对一的方式光学连接到多个耦合器110。多个光接收器接收来自多个光耦合器的组合光信号。多个光接收器响应组合光信号而产生电输出信号。在一个实施例中，光接收器利用平方律检测，这使得来自DUT和透镜阵列的组合光信号混合起来。由于局部振荡器信号是扫频的，并且由于参考路径和测试路径之间路径长度的不同，所以这两种光信号的混合会产生某一频率的外差跳动信号(heterodyne beat signal)，所述频率等于这两种光信号之间的频率差。在一个实施例中，经由电连接132将来自多个光接收器的外差跳动信号提供给信号处理器114。虽然图1示出了一种实现并行测量的布置，但其他布置也是可能的。例如，来自DUT的多条光纤124可耦合到来自耦合系统108的单条光纤122，并且例如可以在处理器上通过数字数据处理来单个地识别所得到的外差跳动信号。
虽然在图1的实施例中，耦合器110将单个组合光信号提供给光接收器130，但其他实施例可以将组合光信号的多个部分提供给对应的接收器。例如，组合光信号的两个部分可提供给两个接收器以实现偏振分集，组合光信号的四个部分可提供给四个接收器以实现噪声平衡以及偏振分集。
处理器114包括多功能处理器，其接收来自光接收器130的输出信号，并产生表示DUT 116的光学性质的输出。处理器可包括信号处理领域公知的模拟信号处理电路、数字信号处理电路、或软件或其任意组合。在图1的实施例中，处理器接收来自光接收器的数字外差跳动信号数据，并且处理器执行数字处理。在其他实施例中，处理器接收来自光接收器的模拟外差跳动信号，并且由处理器将模拟信号转换为数字数据。随后处理数字数据以产生表示DUT的一种或多种光学性质的输出。
在图1的实施例中，DUT 116是将单条输入光束分成多条输出光束的阵列波导光栅(AWG)。DUT通过耦合器101和光纤115而被光学连接到局部振荡器源102。虽然在图1的实例中，DUT是AWG，但DUT可以是任何具有将利用并行干涉测量而被表征的多个端口的光学器件，例如基于光纤布拉格光栅(FBG)或薄膜滤光器技术的多路复用器或多路分配器。
图1所示系统的操作是对AWG来描述的，该AWG响应单条输入光束而输出多条输出光束。操作开始于由局部振荡器源102产生扫频局部振荡器信号。然后各种光路元件沿着两条光路引导所述扫频局部振荡器信号。参照包括DUT 116的光路，所产生的扫频局部振荡器信号通过光纤115被提供给DUT。响应于所接收的扫频局部振荡器信号，DUT将多条光束输出到与DUT连接的光纤124中。从DUT输出的光束(这里称为“测试光束”或“测试信号”)传输到多个光耦合器110中相关联的光耦合器。参照包括透镜阵列的光路，扫频局部振荡器信号首先通过光纤103而被提供给扩束器104。响应所接收的扫频局部振荡器信号，扩束器输出扩展扫频局部振荡器信号105。然后将扩展扫频局部振荡器信号提供给透镜阵列。透镜阵列将扩展扫频局部振荡器信号聚焦成多条光束。然后将扩展扫频局部振荡器信号的多条光束(这里称为“参考光束”或“参考信号”)提供给耦合系统108。耦合系统将参考光束耦合至多条光纤122中。
参考光束通过多条光纤122传输到多个耦合器110，在这里参考光束与来自DUT 116的测试光束组合。例如，在图1的实施例中，参考光束在相关联的耦合器处以一对一的方式与测试光束相组合。组合光信号被输出到输出光纤126上，并传输到多个光接收器。光接收器检测并混合组合光信号，并且响应组合光信号而产生外差跳动信号。将外差跳动信号输出至处理器。处理器利用外差跳动信号来产生表示DUT光学性质的输出。如上所述，扩束器和透镜阵列使扫频局部振荡器信号能有效地分成多条光束，利用这多条光束来实现并行干涉测量。
在一个实施例中，可以在不同的时间触发检测系统112的接收器130来进行检测。例如，可以在接收器范围内一次触发一个接收器地来进行检测。在其他实施例中，可同时触发一些或所有接收器来进行检测。无论是一次一个接收器进行检测还是同时进行检测，这里都认为所述多个干涉测量是“并行”执行的，因为可以在不改变系统物理设置的情况下就表征DUT的所有端口。
图2示出了用于表征DUT的系统的另一个实施例，其利用扩展扫频局部振荡器信号来实现多个并行干涉测量。所述系统包括局部振荡器源202、扩束器204、分光器236、镜子238、透镜阵列206、耦合系统208、检测系统212和处理器214。DUT 216被光学连接至该系统，使得可以表征该DUT的光学性质。
在图2的实施例中，局部振荡器源202、扩束器204、透镜阵列206和耦合系统208类似于参照图1所说明的相似元件。分光器236是部分反射分光器，其通过扩展的扫频局部振荡器信号的第一部分，并反射扩展的扫频局部振荡器信号的第二部分。
检测系统212检测从DUT 216和镜子238反射的光信号。在图2的实施例中，检测系统212包括二维检测器阵列240和可选的偏振分光器242。检测器阵列设计为具有与透镜阵列光学对准的不同的检测器元件。例如，4×4透镜阵列将具有对应的4×4检测器阵列，所述检测器阵列具有被光学对准以接收来自透镜阵列206的聚焦光束的检测器元件。图3示出了检测器阵列340和4×4透镜阵列306的实例，其中检测器阵列的检测器元件344与透镜阵列的透镜元件320被光学对准，以使穿过透镜元件的聚焦光束346入射到对应的检测器元件上。另外，可调整透镜阵列和检测器阵列以符合耦合系统的光纤间距。在一个实施例中，可通过增强蚀刻将检测器元件分开，以减小检测器元件之间的电阻和电容串扰。在另一个实施例中，单个检测器元件可分开制造并安装到衬底上，以减小检测器元件之间的电阻和电容串扰。再回头参照图2，可选的偏振分光器用来实现偏振分集，以下将作更详细的说明。
在操作中，图2中的局部振荡器源202产生扫频局部振荡器信号，扩束器204响应扫频局部振荡器信号而产生扩展扫频局部振荡器信号205。然后各种光路元件沿着两条光路引导部分所述扩展扫频局部振荡器信号。首先，将扩展的扫频局部振荡器信号提供给分光器236。分光器将扩展扫频局部振荡器信号分成两部分。在图2的实施例中，扩展扫频局部振荡器信号的第一部分207(这里称为“参考光束”或“参考信号”)穿过分光器，并入射到镜子238上。参考光束随后被反射回分光器，在这里其被重定向到检测系统212。扩展扫频局部振荡器信号的第二部分209(这里称为“测试光束”或“测试信号”)首先被分光器重定向到透镜阵列206。透镜阵列将测试光束(即扩展扫频局部振荡器信号)聚焦成多条测试光束。然后将多条测试光束提供给耦合系统208。耦合系统将多条测试光束耦合至多条光纤248内。然后通过光纤248将多条测试光束应用于DUT216。在一个实施例中，将多条测试光束应用于多端口DUT的多个端口。这个系统可用来并行地表征DUT的多个端口的反射性质。
部分多条测试光束从DUT 216反射，并再通过耦合系统208和透镜阵列206。多条测试光束中被反射回的部分，随后在分光器236处与参考光束组合。例如，多条测试光束与参考光束“共同传播”或重叠。测试光束与参考光束共同传播，是因为参考光束包括整个区域上的准直光，该区域包括所有的测试光束。例如，图4示出了与多条测试光束472重叠的参考光束470。再回头参照图2，组合光束211包括多条测试光束以及如图4所示的参考光束的重叠部分。然后将组合光束提供给检测系统212。检测器阵列240的光学对准检测器并行地独立检测组合光束(例如，测试光束被反射回的部分与扩展参考光束的组合)，以实现多个并行干涉测量。在一个实施例中，所述系统可包括偏振控制器以使光信号的偏振态对准，从而保证在接收器处的高效干涉。
可以使用类似于图2的系统，来利用扩展扫频局部振荡器信号表征DUT，以实现多个自由空间的并行干涉测量。图5示出了这样一个系统的实施例，所述系统可用来利用扩展扫频局部振荡器信号表征DUT，以实现多个自由空间的并行干涉测量。所述系统包括局部振荡器源502、扩束器504、分光器536、镜子538和检测系统512。DUT 516被光学连接至该系统，以使该DUT的光学性质可以被表征。这个系统可用于光学表征DUT的特定点或区。例如，可并行地光学表征诸如生物或化学样品阵列之类的DUT。
在一个实施例中，检测系统512包括检测器阵列240，其具有与要被表征的DUT的点或区相对准的检测器元件的阵列。例如，如果DUT包括生物或化学样品的阵列，则检测器元件与样品阵列将对准以彼此对应。在一个实施例中，通过使DUT成像来实现检测器阵列与DUT之间的对准。另外，该系统可包括诸如透镜之类的光学元件，其防止所不期望的光(即来自DUT其他区域的反射光)到达错误的检测器。
在操作中，局部振荡器源502产生扫频局部振荡器信号，扩束器504响应扫频局部振荡器信号而产生扩展扫频局部振荡器信号505。然后将扩展扫频局部振荡器信号提供给分光器536。分光器将扩展扫频局部振荡器信号分成两部分。在图5的实施例中，扩展扫频局部振荡器信号的第一部分507(这里称为“参考光束”或“参考信号”)穿过分光器，并入射到镜子538上。参考光束随后被反射回分光器，在这里其被重定向到检测系统512。扩展扫频局部振荡器信号的第二部分509(这里称为“测试光束”或“测试信号”)首先被分光器重定向到DUT 516。部分测试光束从DUT反射回分光器。然后测试光束中被反射回的部分与参考光束在分光器处组合。例如，测试光束中被反射回的部分与参考光束组合，是因为参考光束是扩展扫频局部振荡器信号中的一部分，其包括整个区域上的准直光，该区域包括测试光束中被反射回的部分。在图5的实施例中，组合光束511包括测试光束中被反射回的部分和参考光束。组合光束随后入射到检测系统。检测系统的对准检测器并行地独立检测各条组合光束(例如，测试光束中被反射回的部分与扩展参考光束的组合)，以实现多个并行干涉测量。
在图1和2的实施例中，扩展扫频局部振荡器信号的大小(即扩展扫频局部振荡器信号的横截面积)和透镜阵列的规格，决定了扩展扫频局部振荡器信号所产生光束的数量。扩展扫频局部振荡器信号所产生光束的数量，与在DUT上可进行的并行干涉测量的数量相对应。类似地，在图5的实施例中，扩展扫频局部振荡器信号的大小决定了DUT可被表征的面积。暴露到扩展扫频局部振荡器信号下的DUT面积，可与在DUT上可进行的不同并行干涉测量的数量相关。
图6示出了可选的偏振分光器642是如何可用来表征组合光信号的分量的相对幅度和相位。在图6的实施例中，两个不同的组合光信号646和647(例如，来自DUT的两个不同端口)入射到偏振分光器上。偏振分光器的光轴被定向成使得光束被分成两个正交偏振分量，称为寻常分量和非常分量。然后检测器阵列640的检测器元件644检测正交的偏振分量，所述检测器元件被光学对准以接收偏振分量。这两个被检测的信号可用来产生偏振分解(polarization-resolved)或偏振分集(polarization diverse)的测量。为实现偏振分集测量，应将参考光束分成使得大约一半的光信号以一种状态偏振，而另一半与第一半正交地偏振。通过将偏振分光器的光轴定向为与输入光信号成45度可实现这一点。
图7示出了用于光学表征DUT的方法的过程流程图的实施例。在框702，产生扩展扫频局部振荡器信号。在框704，将扩展扫频局部振荡器信号与来自DUT的光组合，以用于多个并行干涉测量。
虽然已说明和图示了根据本发明的具体实施例，但本发明不限于如所说明和图示的部件的具体形式和布置。本发明仅由权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于光学表征被测试器件(116；216；516)的系统，包括：
产生局部振荡器信号的局部振荡器源(102；202；502)；
与所述局部振荡器源光连通的扩束器(104；204；504)，所述扩束器扩展所述局部振荡器信号的至少一部分；以及
与所述局部振荡器源和所述扩束器光连通的检测系统(112；212；512)，所述检测系统使用所述局部振荡器信号的所述扩展部分来进行与被测试器件相关的多个并行干涉测量。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述局部振荡器源(102；202)可光学连接至所述被测试器件(116；216)以向所述被测试器件提供所述局部振荡器信号中的一部分，并且其中所述扩束器与透镜阵列(106；206)光连通以向所述透镜阵列提供扩展局部振荡器信号，所述透镜阵列响应所述扩展局部振荡器信号而输出所述扩展局部振荡器信号的多条光束。
3.如权利要求2所述的系统，还包括光耦合器(110)，所述光耦合器将所述局部振荡器信号中从所述被测试器件输出的部分，与从所述透镜阵列输出的所述扩展局部振荡器信号的所述多条光束组合起来。
4.如权利要求3所述的系统，还包括用于并行地检测所述组合光束的多个检测器(130)。
5.如权利要求1所述的系统，还包括：
分光器(236；536)，用于分离所述扩展局部振荡器信号；以及
镜子(238；538)，与所述分光器光连通以接收所述扩展局部振荡器信号的第一部分；
所述分光器被定向以使得所述扩展局部振荡器信号的第二部分可被应用于所述被测试器件，并且使得所述扩展局部振荡器信号的所述第一部分与所述扩展局部振荡器信号中从所述被测试器件接收的部分相组合。
6.如权利要求5所述的系统，还包括透镜阵列(206)，所述透镜阵列被定向来接收所述扩展局部振荡器信号的所述第二部分，所述透镜阵列输出所述扩展局部振荡器信号的所述第二部分的多条光束。
7.如权利要求6所述的系统，还包括与所述透镜阵列光连通的耦合系统(208)，所述耦合系统将从所述透镜阵列输出的所述多条光束耦合到所述被测试器件。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述检测系统包括并行地检测组合光信号的检测器阵列(240；540)，所述组合光信号由所述扩展局部振荡器信号的所述第一和第二部分形成。
9.一种用于光学表征被测试器件的方法，包括：
产生(702)扩展局部振荡器信号；以及
组合(704)所述扩展局部振荡器信号和来自被测试器件的光，以用于多个并行干涉测量。
10.如权利要求9所述的方法，还包括将所述扩展局部振荡器信号(105；205；505)的至少一部分聚焦成多条光束。
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