DE60101551T2

DE60101551T2 - Optischer spektralanalysator

Info

Publication number: DE60101551T2
Application number: DE60101551T
Authority: DE
Inventors: Gang He; Daniel Gariepy; Walter Gregory SCHINN
Original assignee: Exfo Electro Optical Engineering Inc
Current assignee: Exfo Electro Optical Engineering Inc
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: ATE256859T1; CA2293980A1; AU2496501A; WO2001050100A3; EP1252489B1; CN1394275A; WO2001050100A2; EP1252489A2; CN1221785C; DE60101551D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf optische Spektralanalysatoren und Monochromatoren, die ein Beugungsgitter verwenden. Die Erfindung ist insbesondere auf optische Spektralanalysatoren, bei denen das Beugungsgitter mehr als einmal mit dem zu analysierenden Lichtstrahl beaufschlagt wird, um eine verbesserte Auflösung zu erhalten, und auf Monochromatoren zur Verwendung in diesen anwendbar.
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen optischen Spektralanalysator der Art, die in dem US-Patent Nr. 5,886,785, das im März 1999 erteilt wurde und in dem H. Lefevre et al. als Erfinder genannt sind, beschrieben ist. Lefevre et al. beschrieben einen optischen Spektralanalysator, der ein Beugungsgitter und einen zweiflächigen Reflektor umfaßt. Der Eingangslichtstrahl für die Analyse wird über eine Einlaß-/Austrittsöffnung empfangen, kollimiert und durch einen Polarisationsstrahlteiler geführt, der den Lichtstrahl in zwei linear polarisierte Komponenten zerlegt, deren jeweilige Richtungen der linearen Polarisation senkrecht zueinander verlaufen. Der transmittierte Strahl wird durch eine Wellenplatte geführt, die seine Polarisationsrichtung um 90° dreht, so daß die beiden Strahlkomponenten, die aus dem Strahlteiler austreten, so auf das Beugungsgitter gerichtet werden, daß ihre Polarisationsrichtungen parallel zueinander und senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen des Beugungsgitters verlaufen.
Nach der Beugung werden die Lichtstrahlkomponenten auf den zweiflächigen Reflektor gerichtet, der sie auf das Beugungsgitter zurückreflektiert. Nach einer zweiten Beugung werden die Lichtstrahlkomponenten zum Polarisationsstrahlteiler zurückgeführt, der sie wieder zusammenführt und den wieder zusammengeführten Lichtstrahl in der entgegengesetzten Richtung durch den Kollimator leitet, um ihn zu fokussieren und ihn auf die Einlaß-/Austrittsöffnung zu richten. Wenn sie durch das Beugungsgitter und den zweiflächigen Reflektor geleitet werden, folgen die Lichtstrahlkomponenten genau dem gleichen Pfad, aber in entgegengesetzten Richtungen.
Ein Nachteil ihrer Gestaltung ergibt sich daraus, daß die Lichtstrahlkomponenten zusammengeführt werden und über dieselbe Austrittsöffnung austreten. Gemäß den Spezifikationen für optische Spektralanalysatoren ist es erforderlich, daß die durch den Analysator verursachte Rückreflexion unter bestimmten Werten liegt, um die zu testenden Geräte nicht zu beeinträchtigen. Folglich kann bei dem Ansatz von Lefevre et al. ein optischer Zirkularpolarisator verwendet werden, um den Eingangslichtstrahl von dem Ausgangslichtstrahl zu trennen und Rückreflexionen zu vermeiden. Der Einfügungsverlust und die Isolation des Zirkularpolarisators ändern sich mit der Wellenlänge, und Unvollkommenheiten des Zirkularpolarisators führen zu einem Übersprechen, d. h. zu einer Kopplung von Energie aus dem Eingangslichtstrahl direkt an den Ausgangslichtstrahl innerhalb des Zirkularpolarisators.
Statt eines Zirkularpolarisators könnten Lefevre et al. einen Koppler zum Trennen des Eingangs- und des Ausgangslichtstrahls und einen Isolator zum merklichen Verringern optischer Rückreflexionen verwenden. Sowohl der Einfügungsverlust als auch das Isolationsvermögen eines solchen Isolators sind üblicherweise wellenlängenabhängig. Darüber hinaus würde der Koppler einen Einfügungsverlust von mindestens 6 dB, z. B. 3 dB, in jeder Richtung für einen idealen 3 dB(50/50)-Koppler einführen. Zudem führt die Richtwirkung des Kopplers zu einem Übersprechen zwischen ungefilterten Einlaß- und Austrittsenden.
Im allgemeinen geht die Verwendung von Bauteilen wie Kopplem, Zirkularpolarisatoren und Isolatoren mit einem unvermeidbaren, inhärenten Verlust einher, der wellenlängen- und polarisationsabhängig ist, und nicht ohne weiteres ausgeglichen oder berücksichtigt werden kann.
Mit zunehmender Verwendung von dichtem Wellenlängen-Multiplexen (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing ) können optische Spektralanalysatoren zum Abtasten von bis zu 128 Wellenlängen verwendet werden. Angesichts dieses Niveaus des direkten Übersprechens steigt das optische „Grundrauschen", das beim Detektor/Empfänger vorliegt, proportional zur Anzahl der Kanäle, während die Signalstärke jedes einzelnen Kanals festgelegt ist. Dies verschlechtert das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) des Instrumentes.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die Auftrennung des Eingangsstrahls in konstituierende, senkrechte Polarisationszustände innerhalb des Monochromator-Abschnittes ihres Aufbaus erfolgt, in dem sich die Lichtstrahlen im freien Raum ausbreiten. Dies führt zu einer Komplikation bei der optischen Gestaltung und bei der Wahl der Bauteile, da die Strahlgröße durch die freie Öffnung des Polarisationsstrahlteilers begrenzt ist, die aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen so klein wie möglich gehalten werden sollte. Andererseits wird die maximale spektrale Auflösung dann erhalten, wenn die größtmögliche Anzahl von Gitterfurchen beleuchtet wird. Das Hinzufügen eines Strahlaufweiters (z. B. mit anamorphen Prismen), um dieses Problem zu vermeiden, wäre unbefriedigend, da dieser teuer und unhandlich wäre.
Es ist festzustellen, daß Lefevre et al. anscheinend erkannten, daß das Erfordernis eines optischen Zirkularpolarisators oder eines 3-dB-Kopplers vermieden werden könnte, wenn eine separate Ausgangsfaser unmittelbar benachbart der Eingangsfaser angeordnet wird. Diese Modifikation würde des Problem einer merklichen Rückreflexion in die Eingangsfaser jedoch nicht lösen und auch nicht die durch Rückstreuung verursachte OSNR-Verschlechterung vermindern, wodurch Licht, das von Bauteilen innerhalb des Monochromators gestreut wird, von der Ausgangsfaser empfangen wird.
Es ist wünschenswert, jeden unangemessenen, wellenlängen- und polarisationsabhängigen Verlust in diesem Meßinstrument zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Gemäß Lefevre et al. ist deren optischer Spektralanalysator polarisationsunempfindlich. In der Praxis liegt jedoch ein wellenlängenabhängiger Verlust vor, der aus der Polarisationsabhängigkeit von Bauteilen resultiert, die bei deren Bauweise verwendet werden, insbesondere die Wellenplatte. Diese Wellenplatte zeigt eine λ/2-Verzögerung, die zu einer 90°-Drehung der linearen Polarisation bei einer bestimmten Wellenlänge führt. Wird die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls von dieser Wellenlänge weg eingestellt, ändert sich der von der Wellenplatte gelieferte Drehwinkel. Folglich unterliegt die Strahlkomponente, deren linearer Polarisationszustand (SOP) nicht senkrecht zu den Furchen des Gitters verläuft, einer zunehmenden Abschwächung im Vergleich zu der Komponente, deren linearer SOP senkrecht zu den Furchen verläuft.
Wenngleich dieser wellenlängenabhängige Verlust in der Firmware des Analysators ausgeglichen werden kann, führt er doch zu einer Begrenzung der letztlich erreichbaren Instrumentenempfindlichkeit.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optischer Spektralanalysator ein Eingabemittel, ein Polarisationssteuermittel, einen Abtast-Monochromator mit einer ersten und einer zweiten Einlaßöffnung und einer entsprechenden ersten und zweiten Austrittsöffnung, einem ersten und einem zweiten Detektionsmittel, die jeweils mit der entsprechenden Austrittsöffnung gekoppelt sind, wobei das Polarisationssteuermittel dazu eingerichtet ist, einen Eingangslichtstrahl zu zerlegen, der über das Eingabemittel empfangen wird, um einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl bereitzustellen, deren jeder einen linearen Polarisationszustand aufweist, der einem entsprechenden Polarisationszustand zweier senkrecht zueinander verlaufender, linearer Polarisationszustände des Eingangslichtstrahls entspricht, und um den ersten und zweiten Lichtstrahl der ersten bzw. zweiten Einlaßöffnung zuzuführen, um die Lichtstrahlen auf das Beugungsgitter zu richten, wobei die linearen Polarisationszustände eine vorgegebene Ausrichtung zur Beugungsebene des Beugungsgitters aufweisen, die Einlaßöffnungen in einem Abstand voneinander und die Austrittsöffnungen in einem entsprechenden Abstand voneinander angeordnet sind, so daß jede der Austrittsöffnungen im wesentlichen ausschließlich den entsprechenden ersten bzw. zweiten gebeugten Lichtstrahl zur Übertragung an den entsprechenden ersten bzw. zweiten Detektor empfängt, wobei die Anordnung dergestalt ist, daß bei einer bestimmten Wellenlänge innerhalb eines Betriebsbandes des Analysators der Polarisationszustand des ersten bzw. zweiten Lichtstrahls jeweils im wesentlichen zeitlich unverändert bleibt.
Sowohl der erste als auch der zweite Lichtstrahl können so auf das Gitter treffen, daß ihr linearer Polarisationszustand jeden vorgegebenen Winkel relativ zu einer entsprechenden Beugungsebene aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen ferner ein Mittel zum Durchführen einer wellenlängenunabhängigen Drehung eines oder beider der linearen Polarisationszustände des ersten und zweiten Lichtstrahls, so daß die beiden linearen Polarisationszustände parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei das Mittel zum Richten des ersten und des zweiten Lichtstrahls auf das Beugungsgitter dies mit dem linearen Polarisationszustand des ersten bzw. des zweiten Lichtstrahls senkrecht zu Furchen des Beugungsgitters durchführt.
Das Polarisationszerlegungsmittel kann einen Polarisationsstrahlteiler umfassen, der über ein Paar die Polarisation beibehaltender Fasern an den Monochromator-Abschnitt gekoppelt ist. Eine oder beide die Polarisation beibehaltende(n) Faser(n) kann/können verdrillt sein, um eine erforderliche Drehung des Polarisationszustandes des durch diese hindurchgeleiteten Lichtstrahls zu ergeben.
Vorzugsweise trifft jeder der beiden linear polarisierten Lichtstrahlen so auf das Beugungsgitter, daß sein linearer Polarisationszustand parallel zu einer Beugungsebene des Beugungsgitters (d. h. senkrecht zur Furchenrichtung) verläuft.
Der Monochromator kann ferner ein Reflektormittel zum Reflektieren der Lichtstrahlen umfassen, die das Beugungsgitter nach einer erstmaligen Beugung verlassen, um sie mit demselben Polarisationszustand und an einer Position zum Beugungsgitter zurückzuführen, die gegenüber der Position, an der die Lichtstrahlen zuerst auf dieses einfielen, seitlich versetzt ist, wobei die beiden Austrittsöffnungen die jeweiligen linear polarisierten Lichtstrahlen nach einer zweiten Beugung empfangen.
In dieser Beschreibung umfaßt der Begriff "Furche" sowohl die physisch vorhandenen Furchen in einem geritzten Beugungsgitter als auch deren funktionales Äquivalent, z. B. in einem holographischen Gitter.
Verschiedene Merkmale, Vorteile und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die lediglich beispielhalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vereinfachte schematische Perspektivdarstellung eines optischen Spektralanalysators (OSA) gemäß der Erfindung, der eine Polarisationsausrichtungseinheit, einen Monochromator-Abschnitt und ein Paar Austrittsöffnungen umfaßt;
2 ist eine vereinfachte Seitenansicht des Monochromator-Abschnittes des OSA;
3 ist eine schematische Darstellung, welche die Polarisationsausrichtungseinheit des OSA detaillierter zeigt;
4 ist eine Detailansicht, die eine erste Modifikation des Monochromator-Abschnittes veranschaulicht, und
5 ist eine Detailansicht, die eine zweite Modifikation des Monochromator-Abschnittes veranschaulicht.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE(N) DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme zunächst auf die 1 und 2 umfaßt ein optischer Spektralanalysator eine wellenlängenunabhängige Polarisations-Demultiplexereinheit PDM (nicht in 2 gezeigt) und einen Monochromator-Abschnitt MR. Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt der wellenlängenunabhängige Polarisations-Demuttiplexer PDM eine Einlaßöffnung, welcher der Eingangslichtstrahl zur Analyse über eine optische Faser F zugeführt wird, und zwei Austrittsöffnungen OP1 und OP2 für einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl LR bzw. LT, die jeweils senkrecht zueinander verlaufende, lineare Polarsationszustände aufweisen. Die Austrittsöffnungen OP1 und OP2 sind über die Polarisation beibehaltende (PM)-Fasern PMF1 bzw. PMF2 an den Monochromator-Abschnitt MR gekoppelt, um den ersten und den zweiten Lichtstrahl LR und LT an den Monochromator-Abschnitt MR zu übertragen. Die beiden PM-Fasern PMF1 und PMF2 können bei den Betriebswellenlängen Einmoden- oder Mehrmodenfasern sein. Die Doppelbrechungsachse der zweiten die Polarisation beibehaltenden Faser PMF2 ist relativ zu der der ersten die Polarisation beibehaltenden Faser PMF1 um 90° gedreht, so daß beim Eintreffen der beiden linear polarisierten Lichtstrahlen LT und LR an den Einlässen des Monochromator-Abschnittes MR deren lineare Polarisationszustände (SOP) parallel zueinander sind. Die Einlaßöffnungen I1 und I2 des Monochromator-Abschnitts MR umfassen entsprechende Enden der ersten und der zweiten die Polarisation beibehaltenden Fasern PMF1 und PMF2, die in ersten und zweiten Faserarray-Abschlüssen FP1/1 und FP1/2 enden, die ein sogenanntes Faserarray FP1 bilden. Somit sind proximale Enden der die Polarisation beibehaltenden Fasern PMF1 und PMF2 an die Austrittsöffnungen OP1 bzw. OP2 des wellenlängenunabhängigen Polarisations-Demultiplexers PDM angeschlossen, und ihre distalen Enden sind an den ersten und zweiten Faserarray-Abschluß FP1/1 bzw. FP1/2 angeschlossen. Der erste und zweite Faserarray-Abschluß FP1/1 und FP1/2 können von einer bekannten Art sein, z. B. mit zwei V-Nuten oder Kapillaren, mit welchen die Enden der Fasern PMF1 und PMF2 so verbunden sind, daß der Abstand zwischen ihren Kernen genau bestimmt ist und sie so ausgerichtet sind, daß sie die Lichtstrahlen LR und LT auf eine Kollimatorlinse L1 in dem Monochromator-Abschnitt MR richten.
Zusätzlich zu den Faserarray-Abschlüssen FP1/1 und FP1/2 sowie der Eintrittskollimatorlinse L1 umfaßt der Monochromator-Abschnitt MR eine Austritts-Fokussierungslinse L2, einen planaren „Falt"-Spiegel M (um die Bauweise kompakter zu gestalten), einen rechtwinkligen zweiflächigen Reflektor RAM, wie z. B. einen Winkelspiegel oder ein Porro-Prisma, ein Reflexions-Beugungsgitter DG und ein Austrittsfaser-Array FP2, das durch Faserarray-Abschlüsse FP2/1 und FP2/2 gebildet ist, die den Array-Abschlüssen FP1/1 und FP1/2 gleichen, sowie Austrittsfasern OF1 und OF2. Der Planspiegel M ist optional. Es versteht sich, daß die Enden jeder der Eingangsfasern PMF1 und PMF2 und der Ausgangsfasern OF1 und OF2 die Äquivalente der Einlaßschlitze bzw. Austrittschlitze bei einem herkömmlichen Monochromator-Aufbau sind.
Die Wahl der Wellenlänge erfolgt durch Drehen des zweiflächigen Reflektors RAM oder des Beugungsgitters DG oder der beiden zusammen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der zweiflächige Reflektor RAM auf einer Abstimmeinrichtung in Form einer Drehscheibenvorrichtung TT montiert, durch die er relativ zum Beugungsgitter DG zum Abtasten über den erforderlichen Wellenlängenbereich gedreht werden kann. Es ist festzustellen, daß die Lichtstrahlen aus den Fasern FP1/1 und FP1/2 auf die Fasern FP2/1 bzw. FP2/2 fokussiert werden. Der Monochromator-Abschnitt MR gibt die abgetasteten Lichtstrahlen über das zweite Paar Fasern FP2/1 bzw. FP2/2 aus, deren jeweilige Enden ein Paar Austrittsöffnungen 01 und 02 des Monochromator-Abschnittes MR umfassen und die beiden Ausgangslichtstrahlen LR und LT an eine Ausgangsstufe übertragen, die ein Paar Detektoren D1 bzw. D2 umfaßt, bei denen es sich z. B. um Photodioden handeln kann. Die Detektoren D1 und D2 können mit einem (nicht gezeigten) Mikroprozessor gekoppelt sein, der die entsprechenden elektrischen Signale aus den Detektoren verarbeitet. Ebenso ist festzustellen, daß die Ausgangsfasern FP2/1 und FP2/2 durch Schlitze vor den Detektoren oder durch eine entsprechende Anordnung aus Linse/Detektor ersetzt werden könnten.
Bei beiden Faserpaaren oder „Arrays" FP1 und FP2 übersteigt der Abstand zwischen den Fasern die „Spot-Größe" in der nicht-dispersiven Dimension (d. h. in 1 in vertikaler Richtung) eines Signals in der Brennebene um einen solchen Betrag, daß ein Übersprechen im wesentlichen vermieden wird. Andererseits sind die Fasern nahe genug beieinander, daß die beiden Strahlen nahezu parallelen Pfaden folgen, um Aberrationen im wesentlichen zu vermeiden. In der Praxis beträgt der Abstand zwischen den Mittelpunkten etwa 0,25 mm.
Wie in 3 gezeigt, umfaßt der wellenlängenunabhängige Polarisations-Demultiplexer PDM drei Faserkollimatoren FC1, FC2 und FC3 und einen Polarisationsstrahlteiler PBS. Der Faserkollimator FC3 empfängt den über eine Eingangsfaser geleiteten Lichtstrahl und wandelt ihn in einen kollimierten, im freien Raum verlaufenden Strahl um, den er auf den Polarisationsstrahlteiler PBS richtet. Dieser zerlegt den Eingangslichtstrahl in zwei Lichtstrahlen LT und LR, die senkrecht zueinander verlaufende lineare Polarisationszustände (SOP) aufweisen, welche den ursprünglich senkrecht zueinander verlaufenden Polarisationszuständen des Eingangslichtstrahls entsprechen. Der Polarisationsstrahlteiler PBS richtet den linear polarisierten Lichtstrahl LR auf den Faserkollimator FC1 und den komplementären, dazu orthogonal linear polarisierten Lichtstrahl LT auf den Faserkollimator FC2. Die Faserkollimatoren FC1 und FC2 fokussieren die beiden Lichtstrahlen LR bzw. LT in proximate Enden der die Polarisation beibehaltenden Fasern PMF1 und PMF2, wobei der lineare Polarisationszustand (SOP) des ausgesendeten Lichtes jeweils zu einer der Doppelbrechungsachsen (langsam" oder schnell") der jeweils zugeordneten PMF-Fasern PMF1 und PMF2 ausgerichtet wird. Bei dieser besonderen Ausführungsform überträgt z. B. die Faser PMF1 den Anteil der anfänglichen Strahlenergie, welcher der vertikalen linearen Polarisation entspricht, während die Faser PMF2 den Anteil überträgt, welcher der horizontalen linearen Polarisation entspricht, wie dies in 3 gezeigt ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2 laufen die distalen Enden der die Polarisation beibehaltenden Fasern PMF1 und PMF2 in dem Eingangsfaserarray PF1 des Monochromator-Abschnittes MR aus und sind in diesem befestigt. Vor dem Befestigen wird/werden eine oder beide der die Polarisation beibehaltenden Fasern PMF1 und PMF2 nacheinander gehandhabt, um sicherzustellen, daß der lineare Polarisationszustand (SOP) der Lichtstrahlen LT und LR, die aus den Enden dieser beiden Fasern austreten, dieselbe vorbestimmte räumliche Ausrichtung aufweist – in diesem Fall parallel zueinander. Ein Beispiel für eine solche Handhabung könnte das Verdrillen einer der beiden Fasern relativ zur anderen sein.
Die Fasern FP1/1 und FP1/2 am Eingang des Monochromator-Abschnittes MR richten die beiden polarisierten Lichtstrahlen LR bzw. LT auf eine Eingangs-Kollimatorlinse L1 des Monochromator-Abschnittes MR und sind so ausgerichtet, daß die SOP der Lichtstrahlen parallel zur Beugungsebene verlaufen, d. h. senkrecht zu den Furchen, wenn sie auf das Beugungsgitter DG treffen. Wenn sie durch die anderen Komponenten des Monochromator-Abschnitts MR geführt werden, folgen die beiden polarisierten Lichtstrahlen LR und LT ähnlichen, aber nicht genau parallelen Pfaden. In den 1 und 2 ist jedoch der klareren Darstellung wegen nur der Pfad eines der polarisierten Lichtstrahlen, nämlich LR, gezeigt. Somit wird der kollimierte Lichtstrahl LR beim Verlassen der Linse L1 durch den Planspiegel M auf das Beugungsgitter DG reflektiert, so daß der Polarisationszustand des Lichtstrahls LR senkrecht zu den Furchen des Gitters DG verläuft. Nach der Reflexion und Beugung durch das Beugungsgitter DG wird der Lichtstrahl LR auf den rechtwinkligen, zweiflächigen Reflektor RAM gerichtet. Die Anordnung ist dergestalt, daß der Lichtstrahl LR unter einem ersten Winkel in der Größenordnung von 45° auf eine der Flächen des zweiflächigen Reflektors RAM trifft und auf die andere Fläche reflektiert wird, die ihn wiederum unter dem 90°-Komplement des ersten Winkels reflektiert, so daß er den zweiflächigen Reflektor RAM in der seinem Auftreffen entgegengesetzten Richtung verläßt und wieder auf das Beugungsgitter DG trifft, allerdings an einer Stelle, die relativ zur Beugungsebene, in der er zuerst auftraf, senkrecht verschoben ist. Das Beugungsgitter DG reflektiert und beugt den Lichtstrahl LR erneut und richtet ihn über den Planspiegel M auf die Ausgangslinse L2, die ihn wieder in das Ende der Faser FP2/1 des zweiten Faserpaares FP2 fokussiert. Der Lichtstrahl LT folgt einem ähnlichen Pfad, nachdem er durch die Faser FP1/2 auf die Kollimatorlinse L1 gerichtet wurde; er wird jedoch von der Linse L2 wieder in das Ende der Faser FP2/2 des Faserpaares FP2 fokussiert.
Nach dem Verlassen der anderen (Ausgangs-)Enden der Fasern FP2/1 bzw. FP2/2 treffen die Lichtstrahlen LR und LT auf Detektoren D1 bzw. D2. Optische Fasern OF1 und OF2 koppeln die Array-Fasern FP2/1 und FP2/2 mit Detektoren D1 bzw. D2, so daß die Detektoren D1 bzw.
D2 mit den gebeugten und wieder fokussierten Lichtstrahlen LR und LT beaufschlagt werden. Die Detektoren D1 und D2 liefern ihre entsprechenden elektrischen Signale an einen Mikroprozessor MP zur Verarbeitung in der üblichen Weise, was beinhalten könnte, sie elektrisch zu kombinieren. Natürlich könnten die Detektoren auch weggelassen werden und könnten die optischen Fasern OF1 und OF2 die Lichtstrahlen LR und LT an eine andere Stelle zur anschließenden Detektion, Verarbeitung oder Analyse übertragen. Alternativ dazu könnte auf die Fasern OF1 und OF2 verzichtet werden, und die Arrayfasern FP2/1 und FP2/2 könnten die Lichtstrahlen LR und LT direkt den Detektoren zuführen.
Es ist festzustellen, daß die polarisierten Lichtstrahlen LR und LT durch die entsprechenden Fasern FP1/1 und FP1/2 und durch die Linse L1 zum Beugungsgitter DG geleitet werden und, wenn sie das Gitter DG verlassen, über die Linse L2 zur entsprechenden Faser FP2/1 bzw. FP2/2 geleitet werden.
Da die Zerlegung des SOP der Eingangslichtstrahlen außerhalb der im freien Raum angeordneten Optik des Monochromator-Abschnitts MR erfolgt, liegt keine Beschränkung durch solche praktischen Probleme wie die freie Öffnung des Polarisationsstrahlteilers PBS vor, wenn die Arbeitsdurchmesser der Linsen L1 und L2 bestimmt werden. Somit kann ein relativ großer Strahldurchmesser verwendet werden, was die Beleuchtung einer großen Anzahl von Gitterfurchen erleichtert, ohne daß das Gitter unter einem äußerst schrägen und schwer einzustellenden Winkels des streifenden Einfalls relativ zu den einfallenden Strahlen gehalten werden muß.
Unter Berücksichtigung praktischer Grenzen der physikalischen Größe des Gerätes können die Linsen und das Beugungsgitter relativ groß sein, um eine bessere Auflösung zu erhalten.
Es ist vorgesehen, daß eine oder beide der Linsen L1 und L2 durch einen konkaven Spiegel ersetzt werden könnten und die zuvor genannten Vorteile noch immer verwirklicht würden. So zeigt 4 einen außeraxialen Parabolspiegel PM1 zum Empfangen und Kollimieren der Lichtstrahlen aus dem Faser-Array FP1, bevor sie dem Beugungsgitter DG/Planspiegel M (in 4 nicht gezeigt) zugeführt werden. 5 zeigt einen außeraxialen Parabolspiegel PM2 zum Empfangen kollimierter Lichtstrahlen von dem Beugungsgitter DG/Planspiegel M (in 5 nicht gezeigt) und deren Fokussieren auf das Ausgangsfaser-Array FP2. Wenn ein oder mehrere solcher außeraxialen Parabolspiegel PM1, PM2 verwendet werden, wäre es auch möglich, auf den Planspiegel M zu verzichten und noch immer eine kompakte Bauweise zu erreichen.
Es ist festzustellen, daß, da die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Wellenplatte vermeidet, deren polarisationsumwandelnde Eigenschaften inhärent wellenlängenabhängig sind, die linearen Polarisationszustände der die beiden Fasern FP1/1 bzw. FP1/2 verlassenden Lichtstrahlen LR und LT so ausgerichtet werden können, daß sie in der Beugungsebene liegen, um die Verluste in dem Monochromator-Abschnitt MR zu minimieren und die Gesamtleistung des optischen Spektralanalysators über einen sehr großen Wellenlängenbereich zu maximieren. Ebenso ermöglicht das Fehlen anderer inhärent wellenlängenabhängiger Elemente, wie z. B. Isolatoren, Zirkularpolarisatoren oder 3 dB-Koppler, daß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ihre Leistung über einen großen Spektralbereich beibehalten.
Ebenso ist festzustellen, daß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die zwei separate Detektoren D1 und D2 verwenden, welche unabhängig voneinander über einen Mikroprozessor kalibriert werden können, eine erhöhte Flexibilität der optischen Bauweise und Ausrichtung gestatten. Obwohl die Gesamtleistung von Ausführungsformen dieser Erfindung, insbesondere ihre optische Empfindlichkeit und die Abhängigkeit dieser optischen Empfindlichkeit vom Polarisationszustand des zu messenden Signals, optimiert ist, wenn die Polarisationszustände der zwei Lichtstrahlen, die bei FP1/1 und FP1/2 austreten, parallel zueinander und parallel zur Beugungsebene des Gitters verlaufen, können Ausführungsformen dieser Erfindung z. B. auch mit verschlechterten Empfindlichkeitsspezifikationen funktionieren, wenn diese beiden Lichtstrahlen unterschiedliche, beliebige und sogar wellenlängenabhängige Polarisationszustände aufweisen, unter der Vorraussetzung, daß, wenn die Lichtstrahlen am Ausgangsarray FP2 ankommen, deren Polarisationszustände sich bei einer beliebigen vorgegebenen Wellenlänge im Laufe der Zeit nicht ändern. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß bei einem vorgegebenen Polarisationszustand und einer vorgegebenen Wellenlänge eines Strahls, der durch den Monochromator-Abschnitt MR geführt wird, die Polarisations- und Wellenlängenabhängigkeiten der Detektion in dem Mikroprozessor kalibriert werden können.
Obwohl es bevorzugt ist, eine verdriltte, die Polarisation beibehaltende Faser zu verwenden, um den Polarisationszustand eines oder jedes der Lichtstrahlen zu drehen, wäre es möglich, stattdessen eine wellenlängenabhängige Drehvorrichtung, wie z. B. eine Wellenplatte, zu verwenden und den optischen Spektralanalysator (insbesondere den Mikroprozessor) über den normalen Wellenlängenbereich zu kalibrieren, um bei einer bestimmten Wellenlänge reproduzierbare Messungen sicherzustellen. Dies ist dadurch möglich, daß der erste und der zweite Lichtstrahl nach dem Verlassen des Beugungsgitters und vor der Detektion nicht zusammengeführt werden. Wie zuvor erwrähnt, könnte die Verwendung einer Wellenplatte die letztlich erreichbare Empfindlichkeit begrenzen.
Bei dem Strahlteiler PBS kann es sich um einen herkömmlichen Polarisationsstrahlteiler handeln, der ungefähr einen Bereich von 400 nm bis 2.000 nm verarbeiten kann. Solche Strahlteiler sind ohne weiteres verfügbar.
Es ist auch festzustellen, daß das Beugungsgitter DG z. B. ein holographisches Gitter oder jede andere Art eines geeigneten Gitters sein könnte. Ebenso ist vorgesehen, daß die Abstimmeinrichtung das Beugungsgitter DG statt oder zusätzlich zu dem zweiflächigen Prisma RAM drehen kann.
Es versteht sich, daß die Erfindung einen Monochromator umfaßt, der durch Verzicht auf die Detektoren D1 und D2, den Mikroprozessor MP und möglicherweise die Drehvorrichtung TT sowie durch Hinzufügen von Mitteln zum Zusammenführen der gebeugten Lichtstrahlen LR und LT gebildet ist. Dabei könnten dann zwei Lichtstrahlen LR und LT optisch vereint werden, indem z. B. ein Polarisations-Multiplexer oder der zuvor beschriebene Polarisationsstrahlteiler PBS in entgegengesetzter Richtung verwendet wird.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ändern sich die Polarisationszustände des ersten und des zweiten Lichtstrahls vorteilhafterweise im Laufe der Zeit nicht wesentlich, und zwar unabhängig von typischen Umweltveränderungen, wie z. B. normalen Temperatur- und Vibrationsschwankungen.
Zudem ist ein Vorteil von Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Einlaßöffnungen und die Austrittsöffnungen vollständig voneinander getrennt sind, daß die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit einer Rückreflexion entlang dem optischen Eingangspfad und ein direktes Übersprechen zwischen Eingang und Ausgang im wesentlichen vollständig vermieden werden, was für Anwendungen beim hochdichten Wellenlängen-Multiplexing (HDWDM, High Density Wavelength Division Multiplexing) sehr wichtig ist.

Claims

Optischer Spektralanalysator mit: (i) einem Eingabemittel (F), (ii) einem Polarisationssteuermittel (PDM, PMF1, PMF2); (iii) einem Abtast-Monochromator (MR) mit einem Beugungsgitter, erster und zweiter Einlaßöffnung (I1, I2) und entsprechender erster und zweiter Austrittsöffnungen (O1, O2), und (iv) erstem und zweitem Detektionsmittel (D1, D2), die jeweils mit der entsprechenden Austrittsöffnung (O1, O2) gekoppelt sind, wobei das Polarisationssteuermittel (PDM, PMF1, PMF2) dazu eingerichtet ist, einen Eingangslichtstrahl zu zerlegen, der über das Eingabemittel (F) empfangen wird, um einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl (LR, LT) bereitzustellen, deren jeder einen linearen Polarisationszustand aufweist, der einem entsprechenden Polarisationszustand zweier senkrecht zueinander verlaufender, linearer Polarisationszustände des Eingangslichtstrahls entspricht, und um den ersten und den zweiten Lichtstrahl (LR, LT) der ersten beziehungsweise zweiten Einlaßöffnung (I1, I2) zuzuführen, um ihn auf das Beugungsgitter (DG) zu richten, wobei die linearen Polarisationszustände eine vorgegebene Ausrichtung zur Beugungsebene des Beugungsgitters aufweisen, wobei die Einlaßöffnungen (I1, I2) in einem Abstand voneinander angeordnet sind und die Austrittsöffnungen (O1, O2) in einem entsprechenden Abstand voneinander angeordnet sind, so daß jede der Austritsöffnungen (O1, O2) im wesentlichen ausschließlich den entsprechenden ersten beziehungsweise zweiten gebeugten Lichtstrahl zur Übertragung an den entsprechenden ersten beziehungsweise zweiten Detektor empfängt, wobei die Anordnung dergestalt ist, daß bei einer bestimmten Wellenlänge innerhalb eines Betriebsbandes des Analysators der Polarisationszustand des ersten beziehungsweise zweiten Lichtstrahls jeweils im wesentlichen zeitlich unverändert bleibt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 1, bei dem das Polarisationssteuermitel (PDM, PMF1, PMF2) und die Einlaßöffnungen (I1, I2) so angeordnet sind, daß sowohl der erste als auch der zweite Lichtstrahl auf das Beugungsgitter (DG) treffen, wobei deren linearer Polarisationszustand parallel zu einer entsprechenden Beugungsebene des Beugungsgitters verläuft.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Polarisationssteuermittel (PMF1, PMF2) ein Mittel zum Durchführen einer wellenlängenunabhängigen Drehung eines der linearen oder beider linearer Polarisationszustände des ersten und zweiten Lichtstrahls umfaßt, so daß die beiden linearen Polarisationszustände parallel zueinander ausgerichtet sind, und das Mittel (FP1/1, FP1/2, I1, I2) zum Richten des ersten und des zweiten Lichtstrahls auf das Beugungsgitter (DG) dies mit dem linearen Polarisationszustand des ersten beziehungsweise des zweiten Lichtstrahls parallel zueinander und parallel zu einer entsprechenden Beugungsebene des Beugungsgitters durchführt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 3, bei dem das eine Drehung durchführende Mittel (PMF1, PMF2) mindestens eine verdrillte, die Polarisation beibehaltende Faser (PMF2) umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach einem vorhergehenden Anspruch, der ferner ein Reflektormittel (RAM) zum Reflektieren des ersten und des zweiten Lichtstrahls (LR, LT), die das Beugungsgitter nach einer erstmaligen Beugung verlassen, umfaßt, um den ersten und zweiten Lichtstrahl mit einer Verschiebung senkrecht zur Beugungsebene, in der die erste Beugung erfolgte, zum Beugungsgitter zurückzuführen, so daß die Lichtstrahlen ein zweites Mal gebeugt und nach der zweiten Beugung auf die Austrittsöffnung (O1, O2) gerichtet werden.
Optischer Spektralanalysator nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Beugungsgitter im wesentlichen planar ausgebildet ist und das Eingabemittel ferner ein Kollimationsmittel (L1; PM1) umfaßt, das den ersten und zweiten Lichtstrahl, die aus den Einlaßöffnungen (I1, I2) stammen, im wesentlichen kollimiert und das Beugungsgitter (DG) mit dem kollimierten ersten und zweiten Lichtstrahl beaufschlagt, wobei der Monochromator ferner ein Fokussierungsmittel (L2; PM2) zum Fokussieren der gebeugten, kollimierten Lichtstrahlen auf die entsprechende Austrittsöffnung (O1, O2) umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 6, bei dem das Kollimationsmittel eine Linse (L1) umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Fokussierungsmittel eine Linse (L2) umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 6, bei dem das Kollimationsmittel einen außeraxialen Parabolspiegel (PM1) umfaßt, der zwischen den Einlaßöffnungen (I1, I2) und dem Beugungsgitter angeordnet ist, um den ersten und zweiten Lichtstrahl, die vom Richtungsmittel kommen, zu kollimieren und das Beugungsgitter (DG) mit den kollimierten Strahlen zu beaufschlagen.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 6, bei dem das Fokussierungsmittel einen außeraxialen Parabolspiegel (PM2) umfaßt, der zwischen dem Beugungsgitter und den Austrittsöffnungen (O1, O2) angeordnet ist, zum Sammeln der im wesentlichen kollimierten Strahlen, die vom Beugungsgitter (DG) kommen, und zum Fokussieren der Strahlen auf die Austrittsöffnungen (O1, O2).
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 6, bei dem das Kollimationsmittel einen außeraxialen Parabolspiegel (PM1) umfaßt, der zwischen den Einlaßöffnungen (01, 02) und dem Beugungsgitter angeordnet ist, zum Kollimieren des ersten und zweiten Lichtstrahls, die vom Richtungsmittel kommen, und zum Beaufschlagen des Beugungsgitters (DG) mit den kollimierten Strahlen, wobei das Fokussierungsmittel einen zweiten außeraxialen Parabolspiegel (PM2) umfaßt, der zwischen dem Beugungsgitter und den Austrittsöffnungen angeordnet ist, zum Empfangen der im wesentlichen kollimierten Strahlen, die vom Beugungsgitter (DG) kommen, und zum Fokussieren der Strahlen auf die Austrittsöffnungen (O1, O2).
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 5, bei dem das Reflektormittel (RAM) ein Porro-Prisma umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 5, bei dem das Reflektormittel (RAM) einen Winkelspiegel umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 6 bis 12, der ferner einen Planspiegel (M) im Strahlengang beider kollimierter Lichtstrahlen umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Polarisationssteuermittel (PDM) einen wellenlängenunabhängigen Polarisations-Demulitplexer umfaßt.
Optischer Spektralanalysator nach Anspruch 15, bei dem der wellenlängenunabhängige Polarisations-Demultiplexer einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) umfaßt.