DE60001139T2

DE60001139T2 - Wellenlängenmesser mit grober und feiner Messanlage

Info

Publication number: DE60001139T2
Application number: DE60001139T
Authority: DE
Inventors: Emmerich Mueller; Clemens Rueck
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: JP2002116089A; DE60001139D1; EP1099943A1; US20020030818A1; US6795188B2; EP1099943B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wellenlängenmesser zum Ermitteln der Wellenlänge eines optischen Strahls.
Wellenlängenmesser, d. h. Vorrichtungen zum Ermitteln der Wellenlänge eines optischen Strahls, sind in der Technik wohlbekannt. Während der Hauptanwendungsbereich der Wellenlängenmesser im Ermitteln der Wellenlänge per se liegt, können sie auch eingesetzt werden zum Abstimmen einer variablen (oder abstimmbaren) Laserquelle. Im letzteren Fall kann der optische Strahl als im wesentlichen monochromatisch betrachtet werden, so dass der Wellenlängenmesser die Aufgabe erfüllt, die exakte Wellenlänge der variablen Laserquelle zu ermitteln. Wenn die gemessene Wellenlänge nicht mit der erwarteten Wellenlänge übereinstimmt, die von der variablen Laserquelle ausgegeben werden soll, können entsprechende Korrekturmittel geliefert werden zum Abstimmen der variablen Laserquelle auf die erwartete oder vorgegebene Wellenlänge.
Ein erstes generelles Prinzip zum Ermitteln der optischen Wellenlänge verwendet die Änderungen in den charakteristischen Eigenschaften einiger Materialien in Abhängigkeit von der Wellenlänge. DE-A-39 29 845 beschreibt einen dualen Detektor mit mindestens zwei Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Sensitiviät und einen Computer zum Ermitteln der einfallenden Lichtwellenlänge von dem Photo-Strom-Unterschied oder -Verhältnis. Ein vergleichbarer dualer Detektor ist beschrieben in DE-A-30 30 210.
Variable Wellenlängenfilter sind beschrieben z. B. in JP-A-9089674 oder GB- A-2288013. In JP-A-9089674 umfaßt ein Wellenlängendetektor einen wellenlängenunabhängigen abzweigenden Teil, in welchen der Lichtstrahl einfällt. Der abgezweigte Ausgang wird geführt zu einem wellenlängenabhängigen abzweigenden Teil, von dem ein paar Ausgänge erhalten werden. Die Ausgänge des wellenlängenabhängigen abzweigenden Teils werden alternierend geführt zu einem Photo-Detektor durch einen optischen Schalter. Der Photo-Detektor detektiert die Wellenänge des gemessenen Lichts von dem Verhältnis der beiden Ausgaben. Nach GB-A- 2288013 enthält ein optischer faserbasierter Wellenlängenmesser zwei seriell verbundene optische Faser-Koppler, deren Ausgänge verbunden sind mit einem Photo-Detektor mit wellenlängensensiblen Gradienten von Kopplungsverhältnissen von Ausgängen mit unterschiedlichen Zeichen und Ausgängen verbunden mit einem Signal-Prozessor.
Die oben genannten Verfahren zum Ermitteln der Wellenlänge basierend auf den Veränderungen in den charakteristischen Eigenschaften abhängig von den Wellenlängen sind im allgemeinen nur anwendbar zum Ermitteln der Wellenlänge von monochromatischen Signalen und zeigen im allgemeinen wenig Genauigkeit.
Eine zweite Möglichkeit zum Ermitteln der Wellenlänge wendet die Grundzüge der Beugung oder Reflektion in optischen Gittern an. Im erstgenannten Fall wird Licht ausgegeben an ein Gitter und der Winkel des gebeugten Strahls gibt die Wellenlänge an. Obwohl es diese Lösung im allgemeinen ermöglicht, auch die Wellenlänge von polychromatischen optischen Signalen zu ermitteln, sind typische Nachteile die geringe Genauigkeit und die Beschränkung auf Wellenlänge von typischen anwendbaren Detektoren wie CCD-Reihen.
Eine dritte Möglichkeit zur Ermittlung der Wellenlänge wendet die Grundzüge der Interferenz an unter Verwendung von Interferometern wie dem Fabry- Perot- oder Fizeau-Interferometer. Diese Lösungen sind im allgemeinen schwierig zu kalibrieren und anwendbar nur in einem engen Wellenlängenbereich.
Eine weitere interferometrische Lösung verwendet die interferometrischen Eigenschaften der Etalons, d. h. von parallelen ebenen Platten aus Glas oder geschmolzenem Quartz mit reflektierenden Oberflächen. Aufgrund der Interferenz an den Oberflächen innerhalb des Etalons, zeigt der Lichtstrahl, der durch das Etalon übertragen wird, eine wellenlängenabhängige Übertragungseigenschaft, die generell eine Sinus- oder Kosinus-Form aufweist. Wie in EP-A-875743 beschrieben kann die Wellenlängenauflösung entscheidend verbessert werden durch die Kombination zweier Etalons mit unterschiedlichen Phasenabhängigkeiten der Wellenlänge. Durch Liefern einer Phasenverschiebung (im besonderen von n/2) zwischen den beiden Kurven kann das Problem von zweideutigen Wendepunkten in den sinus- oder kosinusähnlichen Formen vermieden werden und ein Tangenten- Verhältnis der Wellenlänge erreicht. werden. Anstatt zwei getrennte Etalon- Elemente zu verwenden, kann ein doppelbrechendes Element geliefert werden in Kombination mit entsprechenden polarisierenden Elementen. Da die resultierende Übertragung-über-Wellenlänge-Eigenschaft nicht eindeutig ist aufgrund der Periodizität der Kurven, sind die Hauptanwendungsgebiete das Feinabstimmen von variablen Laserquellen, wobei die Wellenlängenlage bereits ungefähr bekannt ist und daher der entsprechenden Periode der Kurve zugeordnet werden kann.
DE-A-41 14 407 beschreibt eine Anordnung zum Ermitteln der Luft-Pfad- Wellenlänge einer Laserquelle. Unter Verwendung eines bereits bekannten Ausgangswertes einer Luft-Pfad-Wellenlänge wird ein aktueller Wellenlängenwert ermittelt basierend auf thermodynamischen Parametern der Umgebungsluft.
US-A-4,864,578 (Proffitt) beschreibt einen scannbaren Laser mit integriertem Wellenlängenmesser. Der Wellenlängenmesser weist eine Fein- Wellenlängen-Leseeinheit auf, basierend auf einer zweideutigen interferometrischen Wellenlängenermittlung und eine Grob-Wellenlängen- Leseeinheit, wobei optisch aktive Quarzkristalle verwendet werden. Der Wert an Polarisationsrotation wird gemessen, wenn ein Musterlichtstrahl entlang seiner Achse passiert und dies in Wechselbeziehung zur Wellenlänge des optischen Strahls gesetzt wird. Beide Wellenlängenleseeinheiten werden dann verwendet zur Ermittlung der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wellenlängenmesser zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungen werden in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Ein Wellenlängenmesser gemäß der Erfindung zum Ermitteln der Wellenlänge eines einfallenden optischen Strahls weist eine Grobmesseinheit und eine Feinmesseinheit auf. Die Grobmesseinheit erlaubt ein eindeutiges Ermitteln der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls über einen ersten Wellenlängenbereich. Die Feinmesseinheit liefert eine nicht eindeutige Wellenlängenbestimmung für den einfallenden optischen Strahl, jedoch mit einer höheren Genauigkeit als die Genauigkeit der Grobmesseinheit. Obwohl die Wellenlängenermittlung der Feinmesseinheit nicht eindeutig ist innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs (z. B. da sie eine periodische Wellenlängenabhängigkeit liefert), ist sie eindeutig in jedem von einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen, wobei jeder der Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen kleiner ist als der erste Wellenlängenbereich.
Eine Evaluierungseinheit verwendet die Ergebnisse der Grobmesseinheit zum Identifizieren eines Bereichs aus der Vielzahl von Wellenlängenbereichen als zweiten Wellenlängenbereich, welcher die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls abdeckt. Das Ergebnis der Feinmesseinheit wird dann von der Evaluierungseinheit angewendet zum Ermitteln der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls innerhalb dieses identifizierten zweiten Wellenlängenbereichs.
Mit anderen Worten: das Ergebnis der Grobmesseinheit stellt einen ersten Wellenlängenwert mit einer ersten Genauigkeit dar. Da jedoch der gemessene Wert der Feinmesseinheit generell nicht eindeutig ist (d. h. mehrere Wellenlängenwerte entsprechen dem gemessenen Wert der Feinmesseinheit), sondern nur eindeutig ist innerhalb jedem von einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen (d. h. innerhalb jedem von einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen entspricht nur ein Wellenlängenwert dem gemessenen Wert der Feinmesseinheit), wählt die Evaluierungseinheit - als zweiten Wellenlängenbereich - denjenigen aus einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen (der Feinmesseinheit) aus, der sich mit dem ersten Wellenlängenwert deckt, welcher von der Grobmesseinheit geliefert wird. Mit der Information des zweiten Wellenlängenbereichs kann die Evaluierungseinheit dann einen zweiten Wellenlängenwert ermitteln, als denjenigen Wellenlängenwert, welcher dem gemessenen Wert der Feinmesseinheit innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs entspricht. Der zweite Wellenlängenwert stellt dann das Messergebnis des Wellenlängenmessers für die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls dar.
Somit erlaubt der Wellenlängenmesser gemäß der Erfindung das Ermitteln der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs und mit der Genauigkeit der Feinmesseinheit.
Sollte die Feinmesseinheit eine periodische Wellenlängenabhängigkeit liefern, so ist klar, dass zum Liefern vernünftiger Messergebnisse für die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls die Periodizität (z. B. der Wellenlängenbereich, in welchem die Feinmesseinheit nicht eindeutig ist) der Wellenlängenabhängigkeit der Feinmesseinheit größer sein muß als die Messfehler oder -ungenauigkeit der Grobmesseinheit.
In einer vorteilhaften Ausführung verwendet die Grobmesseinheit ein oder mehrere Materialien mit einer Wellenlängenabhängigkeit von optischen Eigenschaften, so wie Reflektion und/oder Übertragung. Der anwendbare Wellenlängenbereich kann kontrolliert werden durch Auswahl der jeweiligen Materialien so wie in der Technik bekannt. Passendes Material, z. B. zum Liefern einer Wellenlängenabhängigkeit einer Beschichtung kann z. B. MgF&sub2;, SiO oder CeF&sub3; sein. Vorteilhafte Ausführungen der Grobmesseinheit sind dielektrische Filter, wobei sich die Reflektivitäts- oder Übertragungseigenschaften eindeutig ändern innerhalb des Wellenlängenbereichs, der von Interesse ist. Duale Detektoren, wobei der einfallende Strahl geteilt wird und geliefert an Detektoren mit unterschiedlichen Antworteigenschaften über die Wellenlängen, können entsprechend angewendet werden.
In einer Ausführung verwendet die Grobmesseinheit eine dielektrische Beschichtung bestehend aus einer oder mehreren Materialschichten (z. B. MgF&sub2;, SiO oder CeF&sub3;) mit unterschiedllichen refraktiven Indices und Dicken. Die Beschichtungsstruktur muss entworfen werden, so wie in der Technik bekannt, um eine eindeutige Reflektivitäts- und/oder Übertragungseigenschaft zu erreichen innerhalb des interessanten Wellenlängenbereichs.
In einer spezifischeren Ausführung weist die Grobmesseinheit eine Glasplatte auf mit einer dielektrischen Beschichtung auf der einen Seite und einer Antireflektionsbeschichtung auf der anderen Seite und stellt so einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler dar. Vorzugsweise liefert die dielektrische Beschichtug eine hoch wellenlängenabhängige Reflektions- und/oder Übertragungseigenschaft und die Antireflektionsbeschichtung ist optimiert zum Liefern minimaler Reflektion zum Vermeiden von Lichtstörungen von der zweiten Oberfläche, welche die Übertragungs- und Reflektionseigenschaft der dielektrischen Beschichtung verfälschen könnten. Die Strahlen, welche durch den wellenlängenabhängigen Strahlteiler geteilt werden, werden vorzugsweise an Photodioden geleitet zum Messen der charakteristischen Eigenschaften wie Reflektions- und/oder Übertragungseigenschaft der dielektrischen Beschichtung. Der anwendbare Wellenlängenbereich kann kontrolliert werden durch Auswahl der jeweiligen Materialien.
Eine vorteilhafte Ausführung der Feinmesseinheit verwendet das interferometrische Prinzip wie das Fizeau Interferometer oderverwendet eine Kombination verschiedener Etalons (was auch realisiert werden kann basierend auf Polarisationseffekten) wie detailliert beschrieben in der oben genannten EP-A-875743. Diese interferometrischen Einheiten liefern generell eine periodische Abhängigkeit über die Wellenlänge, aber weisen eine höhere Auflösung auf als die Einheiten, welche wellenlängenabhängige Materialeigenschaften verwenden. Aufgrund der Periodizität der Wellenlängenabhängigkeit von der interferometrischen Messung sollte die Periodizität der Wellenlängenabhängikeit der Feinmesseinheit jedoch größer sein als die Messfehler oder -ungenauigkeiten der Grobmesseinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist der Wellenlängenmesser gemäß der Erfindung eine absolute Messeinheit auf, welche eindeutige Wellenlängeneigenschaften verwendet, z. B. absolut bekannte Übertragungseigenschaften wie z. B. durch Gasabsorptionszellen geliefert werden. In solchen Gasabsorptionszellen wird das einfallende Licht durch eine Gaszelle geführt, welche als optischer Filter agiert und absolute bekannte Übertragungseigenschaften hat, vorzugsweise bekannte Absorptionslinien des Gases. Solche Filter werden beschrieben z. B. in US-A-5,780,843 zum Kontrollieren hochgenauer abstimmarer Laserquellen.
Jede Messeinheit (d. h. die Grobmesseinheit, die Feinmesseinheit und gegebenenfalls die absolute Messeinheit) des Wellenlängenmessers ist gekoppelt an die Evaluierungseinheit, welche die Messergebnisse empfängt (z. B. optische Energiewerte) von jeder der Messeinheiten und daraus die Wellenlänge des einfallenden optischen Signals ermittelt. Dies kann vorzugsweise erfolgen unter Verwendung kalibrierter Nachschlage-Tabellen für die Grob-und Feinmesseinheit. Ein oder mehrere Korrektur-(Offset)Werte von der absoluten Messeinheit können zusätzlich angewendet werden wie später beschrieben wird.
Da die absolute Messeinheit im allgemeinen nur ermöglicht, eindeutig diskrete Wellenlängen zu ermitteln, aber nicht für ein kontinuierliches Spektrum, ist die absolute Messeinheit vorzugsweise für Referenzmessung(en) vorgesehen.
Der Wellenlängenmesser liefert daher eine korrigierte Ausgabe (welche die Wellenlänge(n) des(r) einfallenden Stahls(en) darstellt) unter Verwendung der eindeutigen Wellenlängeneigenschaften der absoluten Messeinheit zum Kalibrieren des Wellenlängenmessers. Die Referenzmessung wird vorzugsweise angewandt zum Kalibrieren des Wellenlängenmessers vor einer tatsächlichen Messung. Vorzugsweise wird für (absolutes) Kalibrieren des Wellenlängenmessers wird ein Input-Signal über einen Wellenlängenbereich geschwenkt, wobei die absolute Messeinheit mindestens eine der bekannten absoluten Wellenlängencharakteristika aufweist. Beim Analysieren der gemessenen übertragenen Energie der absoluten Messeinheit zusammen mit den Wellenlängenergebnissen abgeleitet von der Grobmessseinheit und/oder Feinmesseinheit, kann eine Beziehung hergestellt werden zwischen den absoluten bekannten Übertragungseigenschaften und den abgeleiteten Wellenlängenergebnissen. Dies kann resultieren in einem oder mehreren (Offset)-Korrekturwerten, die sich auf eine Kalibrierung des Wellenlängenmessers z. B. vor Ort beziehen.
Da eine Referenzmessung unter Verwendung der absoluten Messeinheit im allgemeinen einen Wellenlängenschwenk erfordert, ist klar, dass eine kontinuierliche Kalibrierung nur anwendbar ist, solange ein Wellenlängenschwenk erfolgt und solange der Wellenlängenschwenk mindestens eine der eindeutigen Wellenlängeneigenschaften der absoluten Messeinheit abdeckt.
Die Notwendigkeit der Kalibrierung hängt im allgemeinen von der Wellenlängenstabilität und/oder Wellenlängencharakteristika der Grobmesseinheit und/oder der Feinmesseinheit ab, welche durch Temperatur, mechanischen Stoß oder Alterung beeinflusst werden können.
Daher liefert die Erfindung einen Wellenlängenmesser, welcher es ermöglicht, eine Wellenlänge einem einfallenden Lichtstrahl mit höherer Präzision und Genauigkeit zuzuordnen. Der anwendbare Wellenlängenbereich des Wellenlängenmessers kann eingestellt werden durch Auswahl oder Entwerfen der Wellenlängenabhängigkeiten der Grobmesseinheit und/oder Feinmesseinheit.
Der Terminus 'monochromatisches Licht' im Zusammenhang mit dieser Erfindung bezeichnet Schmalbandweite-Licht mit im wesentlichen einer dominanten charakteristischem Wellenlänge.
Es ist klar, dass die Erfindung teilweise oder komplett ausgeführt werden kann durch ein oder mehrere passende Softwareprogramme, welche gespeichert sein können oder anderweitig zur Verfügung gestellt durch jede Art von Datenträger, und ausgeführt werden kann in oder durch jede passende Datenverarbeitungseinheit. Im besonderen können Softwareprogramme angewendet werden durch die Evaluierungseinheit und zum Kontrollieren eines Wellenlängenschwenks einer Lichtquelle.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN

Andere Aufgaben und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden gewürdigt und besser verständlich durch Hinzuziehen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Merkmale, die im wesentlichen oder funktional gleich oder ähnlich sind, werden durch dieselben Referenzzeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung eines Wellenlängenmessers 50 gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Wellenlängenabhängigkeit des dritten Strahlteilers 140, und
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Wellenlängenabhängigkeit der Feinmesseinheit 200.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung eines Wellenlängenmessers 50 gemäß der Erfindung. Ein einfallender Lichtstrahl 100 wird geteilt durch einen ersten Strahlteiler 110 in die Strahlen 100A und 100B. Der Strahl 100A wird dann nochmals geteilt durch einen zweiten Strahlteiler 120 in die Strahlen 120A und 120B. Der Strahl 120A wird geleitet in Richtung einer Grobmesseinheit 130, welche aus einem dritten Strahlteiler 140 und zwei Detektoren 150A und 150B besteht. Der dritte Strahlteiler 140 teilt den Strahl 120A in einen Strahl 140A in Richtung des Detektors 150A und einen Strahl 140B, der in Richtung des Detektors 150B geleitet wird. Entweder der dritte Strahlteiler 140 oder die zwei Detektoren 150A und 150B weisen Materialien mit einen Wellenlängenabhängigkeit der Charakteristika auf. Vorzugsweise liefert der dritte Strahlteiler 140 ein Kopplungsverhältnis zwischen den Strahlen 140A und 140B, welches von den Wellenlängen abhängt.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Grobmesseinheit 130 eine Glasplatte mit einer dielektrischen Beschichtung (PRC) auf einer Seite und einer Antireflektionsbeschichtung (ARC) auf der anderen Seite auf, und liefert damit einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler (WDBS). Die PRC hat ein hoch wellenlängenabhängiges Reflektions-/Übertragungs-Merkmal und die ARC ist optimiert für minimale Reflektion, um Lichtstörungen von der zweiten Oberfläche zu verhindern, welche das PRC Übertragungs- und Reflektions- Merkmal verfälschen würden. Die Strahlen 140A und 140B, welche durch den WDBS geteilt werden, werden an die beiden Detektoren 150A und 150B (z. B. Photodioden) geschickt zum Messen der charakteristischen Eigenschaften wie Reflektion und/oder Übertragung der PRC.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Wellenlängenabhängigkeit des Kopplungsverhältnisses zwischen den Strahlen 140A und 140B des dritten Strahlteilers 140. Der dritte Strahlteiler 140 zeigt ein Übertragungsmerkmal T, welches zunimmt von ungefähr 5% bei 1500 nm auf 98% bei 1600 nm, sowie ein Reflektionsmerkmal R, welches abnimmt von ungefähr 95% bei 1500 nm bis 2% bei 1600 nm. Es ist klar, dass T + R = 1 im Idealfall erreicht werden muss. In diesem Beispiel wird der (anwendbare) Bereich der Wellenlänge λ ausgewählt zum Abdecken von ungefähr 1500-1600 nm als das aktuell angewendete 'Telekommunikations-Fenster'.
Der Strahl 120B des zweiten Strahlteilers 120 wird in Richtung einer Feinmesseinheit 200 geleitet. Die Feinmesseinheit 200 wendet das Prinzip der Interferometrie an zum Bestimmen der Wellenlängen des Strahls 120B. Die Feinmesseinheit 200 kann einen einzelnen Etalon aufweisen oder zwei Etalon-Element in Kombination, beide wie beschrieben in der zuvor erwähnten EP-A-875743. Alternativ und wie gezeigt im Beispiel der Fig. 1 kann ein einzelnes doppelbrechendes Element 210, z. B eine λ/8 Retardationsplatte, in Kombination mit einem entsprechenden Polarisations-Strahlteüler 220 angewendet werden, wie ebenfalls in der zuvor genannten EP-A-875743 beschrieben. In diesem Fall erfüllt eine doppelbrechende Quarzplatte 210 die Aufgabe von zwei Etalons, wobei die entsprechenden Übertragungssignale räumlich getrennt werden. Diese optische Komponente hat zwei hauptsächliche optische Achsen, welche sich unterscheiden in optischer Dicke, und die Signaltrennung erfolgt basierend auf orthogonalen Polarisationsstati. Licht von dem Polarisationsstrahlteiler 220 wird geteilt in einen Strahl 220A, der an einen Detektor 230A geschickt wird und in einen Strahl 220B, der an einen Detektor 230B geschickt wird.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Wellenlängenabhängigkeit der Feinmesseinheit 200, welche im wesentlichen eine Tangenten-Beziehung für einen bestimmten Wert δ über der Wellenlänge darstellt (cf. auch Fig. 6 und 7 und die begleitende Beschreibung der zuvor genannten EP-A-875743, auf welche hier Bezug genommen wird). Der Einfachheit halber wird nur ein Teil der Wellenlängenabhängigkeit in Fig. 3 gezeigt. Es ist klar, dass die Genauigkeit der Tangenten-Beziehung über der Wellenlänge von der spezifischen Anordnung abhängt und den Wellenlängeneigenschaften der Komponenten der Feinmesseinheit 200.
Der Wellenlängenmesser 50 kann darüber hinaus eine absolute Messeinheit 300 aufweisen mit einer Gasabsorptionszelle 310. Der einfallende Lichtstrahl 11 OB passiert eine Gasabsorptionszelle 310, welche als optischer Filter agiert mit absoluten bekannten Übertragungseigenschaften, nämlich bekannten Absorptionslinien des Gases. Solche Filter werden detailliert beschrieben z. B. in der zuvor genannten US-A-5,780,843. Licht, welches durch die Gasabsorptionszelle 310 übertragen wird, wird dann durch einen Detektor 320 detektiert.
Die Detektoren 150A, 150B, 230A, 230B und, wenn verfügbar, 320 werden gekoppelt an eine Evaluierungseinheit 350 mit Ausgang 360.
Im Betrieb empfängt die Evaluierungseinheit 350 zum Ermitteln der Wellenlänge des einfallenden Strahls 100 Messsignale von den beiden Detektoren 150A und 150B der Grobmesseinheit 130 und bestimmt davon entweder einen Reflektionswert oder einen Übertragungswert. Es ist klar und auch ersichtlich aus Fig. 2, dass der Reflektionswert und der Übertragungswert einander entsprechen und beide einen ersten Wellenlängenwert darstellen. In einem Beispiel in Verbindung mit Fig. 2 ermittelt die Evaluierungseinheit 350 einen Reflektionswert R von 40% (entsprechend einem Übertragungswert von 60%), welcher einer Wellenlänge von 1560 nm als dem ersten Wellenlängenwert entspricht.
Entsprechend empfängt die Evaluierungseinheit 350 Messsignale von den beiden Detektoren 230A und 230B der Feinmesseinheit 200 und ermittelt daraus den entsprechenden δ-Wert. Aufgrund der Mehrdeutigkeit der Wellenlängenabhängigkeit wird der ermittelte δ-Wert im allgemeinen einer Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten entsprechen.
Um einen aus der Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten als von der Feinmesseinheit ermittelt auszusuchen, ermittelt die Evaluierungseinheit 350 einen Zielwellenlängenbereich um den ersten Wellenlängenwert wie ermittelt von der Grobmesseinheit 130. Der Zielwellenlängenbereich wird vorzugsweise ermittelt durch den ersten Wellenlängenbreich plus/minus die Hälfte der Periode (entsprechend dem freien Spektralbereich - FSR; siehe dazu auch die zuvor genannte EP-A-875743 für weitere Details) der Wellenlängenabhängigkeit der Feinmesseinheit 200. Derjenige aus der Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten, wie von der Feinmesseinheit 200 ermittelt, der in den Zielwellenlängenbereich fällt, wird dann ermittelt als ein zweiter Wellenlängenwert. Der zweite Wellenlängenwert stellt dann das Messergebnis des Wellenlängenmessers 50 für die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls 100 dar und kann z. B. beim Ausgang 360 ausgegeben werden.
Es ist klar, dass der Zielwellenlängenbereich auch anderweitig ermittelt werden kann, z. B. als derjenige aus einer Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängenbereichen, der den ersten Wellenlängenwert abdeckt. Sollte also die Periode der Wellenlängenabhängigkeit der Feinmesseinheit 200 nicht konstant sein, wird die zu addierende/subtrahierende Periode vorzugsweise angepasst an die tatsächliche Abhängigkeit oder abgeleitet davon.
In einem Beispiel in Verbindung mit der Fig. 3, ermittelt die Evaluierungseinheit 350 einen δ-Wert von π/2, welcher Wellenlängenwerten von 1552,5 nm, 1562,5 nm und 1572,5 nm entspricht (oder im allgemeinen 1552,5 plus/minus multiple FSR). Der erste Wellenlängenwert wie ermittelt durch die Grobmesseinheit 130 soll in diesem Beispiel 1559 nm sein.
Die Evaluierungseinheit 350 ermittelt den Zielwellenlängenbereich durch Addieren/Subtrahieren der Hälfte der Periode (die Periode im Beispiel der Fig. 3 soll 10 nm sein) um den ersten Wellenlängenbereich 1559 nm. Dies führt zu dem Zielwellenlängenbereich von 1554-1564 nm (bezeichnet durch den Bogen in Fig. 3). Da der Wellenlängenwert von 1662,5 nm wie ermittelt durch die Feinmesseinheit 200 in diesen Zielwellenlängenbereich fällt, wird die Evaluierungseinheit 350 als den zweiten Wellenlängenberich 1662,5 nm ermitteln und 1662,5 nm ausgeben als das Messergebnis des Wellenlängenmessers 50 für die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls 100.
Im oben genannten Beispiel führt jeder ermittelte Wellenlängenwert der Grobmesseinheit 130 zwischen 1557,5 nm und 1567,5 nm zu 1562,5 nm als die wahre Wellenlänge des Input-Signals 100. Entsprechend wird jede Wellenlänge unter 1557,5 den Wert 1552,5 nm auswählen, jede Wellenlänge über 1567,5 nm den Wert 1572,5.
Der Wellenlängenmesser 50 kann kalibriert werden durch Senden von Licht mit verschiedenen Wellenlängen an ihn. Bei jedem Wellenlängenschritt wird die optische Energie an den Detektoren 150A, 150B, 230A, 230B and 320 gemessen und generiert einen Energiewert Pλ für jeden Wellenlängenwert λ, und die Evaluierungseinheit 350 empfängt diesen Energiewert Pλ. Gleichzeitig wird ein hochgenauer Referenzwellenlängenmesser (nicht gezeigt) auch verbunden mit dem Wellenlängenmesser 50 und ermittelt die tatsächliche Wellenlänge λ. Die gemessenen Werte Pλ and λ können resultieren in einer oder mehreren Nachschlagetabellen, welche später verwendet werden durch die Evaluierungseinheit 350 zum Ermitteln einer unbekannten Wellenlänge, welche auf den gemessenen Energiewerten Pλ basiert. Die Wellenlängen bei denen die Kalibrierung erfolgt, müssen ausgewählt werden in Übereinstimmung mit dem interessanten Wellenlängenbereich sowie dem Grad an gewünschter Akkuratheit.
Der Wellenlängenmesser 50 kann kalibriert werden wie oben beschrieben, und die Grobmesseinheit 130 kann auch so oft wie nötig kalibriert werden mit der absoluten Messeinheit 300 in Übereinstimmung mit der Stabilität der Grobmesseinheit 300. Wenn ein unbekanntes Signal (Input-Straht 100) an den Wellenlängenmesser 50 geschickt wird, werden die entsprechenden Energiewerte Pλ mit den Photodioden 150A, 150B, 230A und 230B der Grob- und Feinmesseinheit 130 und 200 gemessen und von der Evaluierungseinheit 350 empfangen. Der einfachste Weg ist die Verwendung dieser Energiewerte Pλ durch die Evaluierungseinheit 350 unter Anwendung eines Such- Algorithmus zum Finden des entsprechenden λ-Wertes in vordefinierten Nachschlagetabellen. Zwischen den kalibrierten Werten kann die unbekannte Wellenlänge ermittelt werden durch Interpolations-Algorithmus. Diese beschriebene Kontrollmechanismussoftware kann auch auf einer externen PC -Software laufen. Der λ-Wert kann dann am Ausgang 360 ausgegeben werden.
In einem anderen Operationsmodus wird das Input-Signal des Strahls 100 über einen breiteren Wellenlängenbereich geschwenkt, und z. B. ein Teil davon wird getrennt zum Charakterisieren der Übertragungsparameter (z. B. Einführungsverlust) einer optischen Komponente (nicht gezeigt). Die Energiewerte Pλ, die mit dem Wellenlängenmesser 50 gemessen werden, werden zur gleichen Zeit gemessen wie die Parameter der optischen Komponente unter Verwendung einer (nicht gezeigen) Triggereinheit. Der entsprechende λ-Wert kann berechnet werden durch die Evaluierundseinheit während oder nach dem Schwenk. In Abhängigkeit von der Trigger-Einheit ist eine absolute hochgenaue Wellenlängenmessung des zu testenden Parameters möglich. Wenn die absoluten bekannten Übertragungseigenschaften der absoluten Messeinheit 300 innerhalb des Wellenlängenbereichs des Wellenlängenschwenks liegen, kann die Grobmesseinheit 130 auch anschließend rekalibriert werden.

Claims

1. Ein Wellenlängenmesser (50) zum Ermitteln einer Wellenlänge eines einfallenden optischen Strahls (100) mit:

einer Grobmesseinheit (130) zum Ermitteln in einem ersten Wellenlängenbereich und mit einer ersten Genauigkeit einen ersten Wellenlängenwert als Darstellung der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls (100),

einer Feinmesseinheit (200) zum Liefern einer Wellenlängenermittlung mit einer zweiten Genauigkeit für den einfallenden optischen Strahl (100), wobei die Wellenlängenermittlung nicht eindeutig ist innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs aber eindeutig in jedem von einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen, so dass eine Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten einem Messwert entspricht, wie von der Feinmesseinheit (200) ermittelt für den einfallenden optischen Strahl (100), und wobei die zweite Genauigkeit höher ist als die erste Genauigkeit,

eine Evaluierungseinheit (350) zum Ermitteln eines zweiten Wellenlängenbereichs, der den ersten Wellenlängenwert abdeckt, und zum Ermitteln eines zweiten Wellenlängenwerts als derjenige aus einer Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten, der dem Messwert im zweiten Wellenlängenbereich entspricht, und

Ausgabe-Mittel (360) zum Liefern des zweiten Wellenlängenwertes als Messergebnis des Wellenlängenmessers (50) als Darstellung der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Grobmesseinheit (130) einen Strahlteiler (140) aufweist, angepasst zum Aufteilen eines empfangenen Strahls (120A) abgeleitet vom einfallenden Strahl (100) in einen ersten Strahl (140A) in Richtung eines ersten Detektors (150A) und einen zweiten Strahl (140B) in Richtung eines zweiten Detektors (150B), und wobei der Strahlteiler (140) ein Kopplungsverhältnis liefert zwischen dem ersten (140A) und zweiten (140B) Strahl, welches abhängt von der Wellenlänge des empfangenen optischen Strahls (120A).

2. Der Wellenlängenmesser (50) nach Anspruch 1, wobei die Feinmesseinheit (200) Mittel aufweist zum Liefern einer periodischen Wellenlängenabhängigkeit, vorzugsweise eine interferometrische Einheit, wobei die Periodizität der Wellenlängenabhängigkeit größer ist als ein Messfehler oder -ungenauigkeit der Grobmesseinheit (130).

3. Der Wellenlängenmesser (50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlteiler (140) eine Glasplatte aufweist mit einer dielektrischen Beschichtung auf der einen Seite und auf der anderen Seite eine Antireflektionsbeschichtung, und somit einen wellenlängenabrrängigen Strahlteiler darstellt.

4. Der Wellenlängenmesser (50) nach Anspruch 3, wobei die dielektrische Beschichtung eine oder mehrere Materialschichten aufweist, vorzugsweise MgF&sub2;, SiO, oder CeF&sub3;, mit unterschiedlichen refraktiven Indices und Dicken.

5. Der Wellenlängenmesser (50) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2-4 mit zusätzlich einer absoluten Messeinheit (300) mit eindeutigen Wellenlängeneigenschaften, vorzugsweise absolute bekannte Übertragunseigenschaften, vorzugsweise geliefert von einer Gasabsorptionszelle.

6. Ein Verfahren zum Ermitteln einer Wellenlänge eines einfallenden optischen Strahls (100) mit folgenden Schritten:

(a) Teilen eines empfangenen Strahls (120A) - abgeleitet von dem einfallenden optischen Strahl (100) - in einen ersten Strahl (140A) und einen zweiten Strahl (140B), wobei das Kopplungsverhalten zwischen dem ersten (140A) und dem zweiten (140B) Strahl abhängig ist von der Wellenlänge des empfangenen optischen Strahls (120A),

(b) Ermitteln in einem ersten Wellenlängenbereich und mit einer ersten Genauigkeit einen ersten Wellenlängenwert von dem ersten (140A) und zweiten (140B) Strahl als Darstellung der Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls (100),

(c) Liefern einer Wellenlängenermittlung mit einer zweiten Genauigkeit für den einfallenden optischen Strahl (100), wobei die Wellenlängenermittlung nicht eindeutig ist innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs, aber eindeutig in jedem einer Vielzahl von eindeutigen Wellenlängenbereichen, so dass eine Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerten einem Messwert entsprechen, wie für den einfallenden optischen Strahl (100) gemessen, und wobei die zweite Genauigkeit höher ist als die erste Genauigkeit.

(d) Ermitteln eines zweiten Wellenlängenbereichs, der den ersten Wellenlängenwert abdeckt,

(e) Ermitteln eines zweiten Wellenlängenwerts als den einer Vielzahl von verschiedenen Wellenlängenwerts, der dem Messwert in dem zweiten Wellenängenbereich entspricht,

(f) Liefern des zweiten Wellenlängenwertes als Messergebnis, das die Wellenlänge des einfallenden optischen Strahls (100) darstellt, und

(g) Liefern einer Referenzmessung unter Verwendung einer absoluten Messeinheit (300) mit eindeutigen und absoluten bekannten Wellenlängeneigenschaften, vorzugsweise absolute bekannte Übertragungseigenschaften, vorzugsweise geliefert durch eine Gasabsorptionszelle, wobei Schritt (g) vor Schritt (a) durchgeführt wird zur Kalibrierung vor einer tatsächlichen Messung, und/oder gleichzeitig mit Schritt (b) und/oder Schritt (c) zum Liefern einer kontinuierlichen Kalibrierung vorzugsweise während der tatsächlichen Messung.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei Schritt (g) folgende Schritte aufweist:

(g1) Schwenken eines Input-Signals über einen Wellenlängenbereich wobei die absolute Messeinheit (300) zumindest eine der eindeutigen und absoluten bekannten Wellenlängeneigenschaften aufweist,

(g2) Analysieren eines Messergebnisses abgeleitet von Schritt (g1) zusammen mit einem Messergebnis abgeleitet von Schritt (b) und /oder Schritt (c) zum Ermitteln einer Relation zwischen den eindeutigen und absoluten bekannten Wellenlängeneigenschaften und dem(n) abgeleiteten Messergebnis(sen).

8. Das Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 wobei Schritt (g) ausgeführt wird zum Kalibrieren eines Wellenlängenmessers (50) nach einem der Ansprüche 1-5, und/oder zum Anpassen der Messergebnisse, wie von dem Wellenlängenmesser (50) geliefert.

9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, wobei Schritt (d) den Schritt zum Ermitteln des zweiten Wellenlängenbereichs als Wellenlängenbereich um den ersten Wellenlängenwert umfaßt.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Wellenlängenbereich ermittelt wird durch Addieren und Subtrahieren eines Wertes, vorzugsweise entsprechend der halben Periode des eindeutigen Wellenlängenbereichs, welcher den ersten Wellenlängenwert abdeckt, zu dem oder von dem ersten Wellenlängenwert.