DE60203362T2

DE60203362T2 - Mittelwertbildung durch Polarisationseffekte

Info

Publication number: DE60203362T2
Application number: DE60203362T
Authority: DE
Inventors: Eckart Witzel; Hansjörg Haisch
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: US20040036889A1; EP1329702A1; EP1329702B1; DE60203362D1; US7180599B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Ermittlung einer optischen Eigenschaft eines Lichtstrahls, der z. B. von einer zu testenden Einheit empfangen wird.
Wegen der großen Übertragungsbandbreite von Lichtwellenleiterkomponenten nimmt die Bedeutung solcher Komponenten bei der Realisierung von Hauptleitungen (Backbones) für Netze wie beispielsweise das Internet zu. Bei diesen Anwendungen werden genaue Messverfahren zur Ermittlung solcher optischer Eigenschaften wie der polarisationsabhängigen Transmission, der differenziellen Gruppenverzögerung (Differential Group Delay) usw. benötigt. Es müssen mehrere optische Eigenschaften als Funktion der Wellenlänge gemessen werden. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, müssen sowohl die Wellenlänge selbst als auch die jeweilige optische Eigenschaft mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
In der Britischen Patentschrift GB 2 350 184 wird ein Verfahren zur Messung der Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls beschrieben.
In der US-Patentschrift US 2002/0 093 644 wird ein System mit einem durchstimmbaren Laser zum Testen von optischen Komponenten beschrieben. Mittels einer Polarisationssteuerungseinheit werden vier verschiedene Polarisationszustände erzeugt, die zur Berechnung der mittleren Dämpfung über alle Polarisationszustände verwendet werden kann.
In der US-Patentschrift US 3 927 945 wird ein System zur Messung des komplexen Kohärenzgrades und der mittleren Wellenlänge eines Lichtstrahls beschrieben, wobei dieses System Mittel zum Polarisieren der Strahlung, zum Messen der Intensität verschiedener Polarisationszustände und zum Berechnen des Kohärenzgrades und der mittleren Wellenlänge aus den Messwerten umfasst.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Ermittlung einer optischen Eigenschaft eines Lichtstrahls bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten werden durch die Unteransprüche dargestellt.
Gemäß einer ersten Ausführungsart der Erfindung wird der Polarisationszustand eines Einfallslichts oder eines Teils davon durch eine erste Polarisationssteuerungseinheit erzeugt. Aus dieser Polarisationssteuerungseinheit tritt ein erstes Austrittslicht mit mindestens zwei verschiedenen Polarisationszuständen aus. Das polarisierte Licht wird zu einer ersten Ermittlungseinheit weitergeleitet, welche für jeden der beiden mindestens zwei Polarisationszustände eine erste optische Eigenschaft ermittelt. Durch eine Verarbeitungseinheit wird ein Mittelwert der optischen Eigenschaftswerte für die mindestens zwei verschiedenen Polarisationszustände bzw. einer davon abgeleiteten Eigenschaft ermittelt, um alle polarisationsabhängigen Messfehler auszuschließen. Die Vorrichtung umfasst eine zweite Ermittlungseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals von einer zu testenden Einheit, wobei das Antwortsignal als Reaktion auf ein vom Einfallslicht abgeleitetes Signal empfangen wird. Aus diesem Antwortsignal wird eine erste DUT-Eigenschaft der zu testenden Einheit (Device Under Test, DUT) ermittelt. Die erste DUT-Eigenschaft stellt eine optische Eigenschaft des DUT dar. Sowohl die erste optische Eigenschaft als auch die erste DUT-Eigenschaft werden zu einer Verarbeitungseinheit weitergeleitet, die zur Ermittlung einer gemittelten DUT-Eigenschaft aus der ersten DUT-Eigenschaft und der ersten optischen Eigenschaft dient. Zu diesem Zweck ermittelt die Verarbeitungseinheit einen Mittelwert mindestens eines der folgenden Werte: der für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelten optischen Eigenschaft oder einer aus der ersten optischen Eigenschaft sowie der ersten DUT-Eigenschaft für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände abgeleiteten Eigenschaft.
Viele unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung optischer Eigenschaften zeigen eine gewisse Polarisationsabhängigkeit, sodass der Polarisationszustand des Einfallslichts das Messergebnis beeinflusst. Insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, kommt es bei interferometrischen Messgeräten, welche durch Aufspalten des Ein fallslichts in mehrere optische Pfade ein Interferenzmuster erzeugen, zu polarisationsabhängigen Messfehlern. Die Erfindung ist jedoch nicht ausschließlich auf interferometrische Geräte beschränkt. Während der Ermittlung der optischen Eigenschaft werden im optischen Pfad bewusst verschiedene Polarisationszustände erzeugt und diese dann einer Mittelwertbildung unterzogen. Diese einfache Lösung führt zu einer starken Verringerung der Messfehler. Dieses Konzept kann sowohl auf Einzelmessungen als auch auf Mehrfachmessungen dieser ersten optischen Eigenschaft angewendet werden.
Die Vorrichtung umfasst außer dem optischen Pfad zur Ermittlung der optischen Eigenschaft einen optischen Pfad für eine zu testende Einheit. Mittels einer zweiten Ermittlungseinheit wird eine erste DUT-Eigenschaft ermittelt. Der optische Pfad zur Ermittlung der optischen Eigenschaft dient als Bezugsgröße bei der Ermittlung der ersten DUT-Eigenschaft. Die Werte der optischen Eigenschaft werden jedoch durch einen polarisationsabhängigen Fehler verschlechtert, und dieser Fehler äußert sich dann als Messfehler der DUT-Eigenschaft. Dieser Messfehler des DUT-Parameters kann durch Mittelung mindestens einer der folgenden Größen ausgeschlossen oder zumindest verringert werden: der für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände ermittelten ersten optischen Eigenschaft oder einer aus der ersten optischen Eigenschaft sowie aus der ersten DUT-Eigenschaft für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelten Eigenschaft. Durch Aufzeichnen der Messwerte für mindestens zwei verschiedene Polarisationszustände und durch Mittelung über die mindestens zwei Polarisationszustände kann der polarisationsabhängige Fehler verringert oder sogar ausgeschlossen werden.
Die Messanordnung gemäß der zweiten Ausführungsart der Erfindung ist sehr vielseitig und kann zur Ermittlung einer beliebigen Eigenschaft der zu testenden Einheit verwendet werden, zum Beispiel zur Ermittlung des Transmissions- oder Reflexionsgrades oder zur Ermittlung der Jones-Matrix der zu testenden Einheit. Die Messungen für die verschiedenen Polarisationszustände brauchen nicht nacheinander durchgeführt zu werden. Mittels eines Strahlteilers können die Messungen für die verschiedenen Polarisationszustände parallel erfolgen, sodass die Messzeit kurz gehalten werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird durch die erste Ermittlungseinheit als erste optische Eigenschaft die Wellenlänge des Einfallslichts ermittelt. Durch Verwendung von zwei optischen Pfaden, einem optischen Pfad zur Ermittlung der ersten DUT-Eigenschaft und eines optischen Pfades zur Ermittlung der Wellenlänge, kann die erste DUT-Eigenschaft als Funktion der Wellenlänge ermittelt werden. Diese Wellenlänge oder eine davon abgeleitete Eigenschaft wird für mindestens zwei verschiedene Polarisationszustände ermittelt, und der polarisationsabhängige Fehler wird durch eine Mittelungsoperation verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart wird das Einfallslicht durch eine durchstimmbare Lichtquelle erzeugt, wobei die Lichtquelle vorzugsweise einen ganzen Wellenlängenbereich überstreicht. Auf diese Weise können die Eigenschaften der Einheit in Abhängigkeit von der Wellenlänge untersucht werden. Vorzugsweise wird die Polarisation während des ersten Wellenlängendurchlaufs in einen ersten Polarisationszustand und während des zweiten Wellenlängendurchlaufs in einen zweiten Polarisationszustand versetzt usw. Am Ende eines Wellenlängendurchlaufs wechselt der Polarisationszustand der Polarisationssteuerungseinheit zum nächsten Polarisationszustand. Während eines Wellenlängendurchlaufs ändert sich der Polarisationszustand nicht, wodurch sich die Messungen vereinfachen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ändert sich die Wellenlänge während eines Wellenlängendurchlaufs, und die erste optische Eigenschaft wird zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Zu diesem Zweck kann die Messvorrichtung über einen internen Takt verfügen, der die Wellenlängenmessung auslöst.
Vorzugsweise werden die Werte der ersten DUT-Eigenschaft, welche in dem optischen Pfad mit der zu testenden Einheit (DUT) ermittelt werden, entsprechenden Werten der ersten optischen Eigenschaft zugeordnet. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessener Wert der DUT-Eigenschaft wird einem Wert der ersten optischen Eigenschaft zugeordnet, der zu demselben Zeitpunkt für einen bestimmten Polarisationszustand ermittelt wurde. Der als Funktion der Zeit aufgezeichnete erste DUT-Parameter der zu testenden Einheit ist nun als Funktion der ersten optischen Eigenschaft bekannt, z. B. als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz des Einfallslichts oder einer anderen optischen Eigenschaft, die als Bezugsgröße für die Messungen des DUT-Parameters dienen kann.
Für den ersten Polarisationszustand ergibt sich eine erste Abhängigkeit der ersten DUT-Eigenschaft von der jeweiligen optischen Eigenschaft, für den zweiten Polarisationszustand eine zweite Abhängigkeit der DUT-Eigenschaft von der optischen Eigenschaft usw. Die Mittelung erfolgt durch Bestimmung des Mittelwertes aus den Werten der DUT-Eigenschaft, welche demselben Wert der ersten optischen Eigenschaft entsprechen. Die Mittelung erfolgt in Bezug auf die erste optische Eigenschaft, nicht jedoch über die Zeit. Zur Durchführung der Mittelungsprozedur und zur Bestimmung des Mittelwertes der DUT-Eigenschaft kann es von Vorteil sein, zwischen aufeinanderfolgenden Werten der DUT-Eigenschaft zu interpolieren. Mittels einer solchen Interpolation können Werte der DUT-Eigenschaft erhalten werden, welche demselben Wert der optischen Eigenschaft entsprechen.
Wenn die durchstimmbare Lichtquelle die Wellenlängendurchläufe durchführt, spielt es keine Rolle, ob die Wellenlängendurchläufe für den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand übereinstimmen. Die Genauigkeit der Wellenlängendurchläufe ist nicht mehr wichtig, da die erste DUT-Eigenschaft der zu testenden Einheit in Beziehung zur ersten optischen Eigenschaft gesetzt wird, z. B. zur Wellenlänge, zur Frequenz oder einer anderen optischen Eigenschaft. Das bedeutet, dass die Anforderungen an die Genauigkeit der durch Wellenlängendurchläufe der durchstimmbaren Lichtquelle gemindert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung werden die Werte der ersten DUT-Eigenschaft und die Werte der ersten optischen Eigenschaft regelmäßig zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt. Zum Beispiel können die Messungen im optischen Pfad mit der DUT und im optischen Pfad zur Ermittlung der ersten optischen Eigenschaft durch eine gemeinsame Taktschaltung ausgelöst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfasst die Messanordnung zwei Polarisationssteuerungseinheiten, und zwar eine für den optischen Pfad zur Ermittlung der optischen Eigenschaft und eine für den optischen Pfad, welcher die DUT umfasst. Mit einer solchen Anordnung können die Polarisationszustän de in den beiden optischen Pfaden unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch kann der Polarisationszustand im optischen Pfad zur Ermittlung der optischen Eigenschaft geändert werden, während der Polarisationszustand im optischen Pfad mit der zu testenden Einheit unverändert bleibt. Somit kann der polarisationsabhängige Fehler verringert und die Messgenauigkeit der optischen Eigenschaft verbessert werden, ohne den Polarisationszustand im optischen Pfad der zu testenden Einheit zu ändern. Die erste DUT-Eigenschaft kann daher bei einem im Wesentlichen konstanten Polarisationszustand im optischen Pfad der DUT gemessen werden.
Wenn die Messanordnung nur eine gemeinsame Polarisationssteuerungseinheit für den optischen Pfad zur Ermittlung der optischen Eigenschaft und für den optischen Pfad der DUT umfasst, ist das Licht in beiden optischen Pfaden in gleicher Weise polarisiert. Zur Ermittlung der Jones-Matrix beispielsweise, welche die Transmissionseigenschaften der zu testenden Einheit beschreibt, reicht eine solche einfache Messanordnung aus. Aus den Eigenwerten der Jones-Matrix kann die differenzielle Gruppenverzögerung (DGD) einer zu testenden Einheit ermittelt werden. Die differenzielle Gruppenverzögerung ist ein Maß für die polarisationsabhängige Dispersion der zu testenden Einheit.
Das Konzept nach einer der obigen Ausführungsarten kann teilweise oder vollständig durch ein oder mehrere geeignete Softwareprogramme realisiert oder unterstützt werden, die durch einen beliebigen Datenträger gespeichert oder auf andere Weise bereitgestellt und in einer oder durch eine geeignete Datenverarbeitungseinheit verarbeitet werden können. Softwareprogramme oder -routinen werden vorzugsweise zur Apparatesteuerung und zur Berechnung der Geräteeigenschaften und der Wellenlänge eingesetzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und viele der damit verbundenen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlicher. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionsmäßig gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet.
1 zeigt eine Messanordnung zur Ermittlung der Wellenlänge von einfallendem Licht;
2A bis 2B stellen die Abhängigkeiten der Wellenlängenfunktionen vom Polarisationszustand dar;
3 zeigt eine Messanordnung, die einen optischen Pfad zur Ermittlung der Wellenlänge und einen optischen Pfad zur Ermittlung eines optischen Parameters umfasst;
4A stellt die gemessene Wellenlänge als Funktion der Zeit für einen Polarisationszustand SOP_WRU dar;
4B stellt den gemessenen optischen Parameter ϕ ^ als Funktion der Wellenlänge λ ^ dar;
5 zeigt eine vereinfachte Messanordnung, die nur eine Polarisationssteuerungseinheit umfasst;
6A bis C zeigen die differenzielle Gruppenverzögerung als Funktion der Wellenlänge.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
1 zeigt den Aufbau einer Einheit zur Ermittlung der Wellenlänge gemäß einer ersten Ausführungsart der Erfindung. Die Messanordnung umfasst eine durchstimmbare Laserquelle 1, die monochromatisches Licht 2 einer Wellenlänge λ_wahr erzeugt. Die durchstimmbare Laserquelle 1 kann einen Wellenlängendurchlauf mit der Zeit durchführen, wobei die Wellenlänge λ_wahr als nahezu lineare Funktion der Zeit erhöht werden kann: λwahr(t) ∝ t
Das monochromatische Licht 2 wird zu einer Polarisationssteuerungseinheit 3 geleitet, welche die Polarisation des monochromatischen Lichts 2 in einen genau definierten Polarisationszustand (SOP) versetzt. Am Ausgang der Polarisationssteuerungseinheit 3 liegt monochromatisches Licht 4 mit einem genau definierten Polarisationszustand vor. Die Wellenlänge dieses Lichts wird mittels einer Wellenlängenbestimmungseinheit 5 gemessen, welche eine interferometrische Vorrichtung wie beispielsweise ein Michelson-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer umfassen kann. Die Wellenlänge wird durch Analysieren des Interferenzmusters ermittelt, zum Beispiel durch Zählen der Interferenzstreifen. Die gemessene Wellenlänge λ ^(kT) liegt dann zu bestimmten Zeitpunkten k·T vor, wobei k eine natürliche Zahl ist.
In 2A ist die gemessene Wellenlänge λ ^(λ_wahr, SOP1) als Funktion der wahren Wellenlänge λ_wahr für den ersten Polarisationszustand SOP1 dargestellt. In 2B ist die gemessene Wellenlänge λ ^(λ_wahr, SOP2) als Funktion von λ_wahr für einen zweiten Polarisationszustand SOP2 dargestellt. Aus 2A und 2B ist zu erkennen, dass eine interferometrische Messanordnung zur Wellenlängenbestimmung einen der wahren Wellenlänge überlagerten periodischen Fehler verursacht, der sowohl vom Polarisationszustand (SOP) als auch von der Wellenlänge selbst abhängt. Die gemessene Wellenlänge lässt sich wie folgt darstellen: λ ^ = λwahr + λFehler (λwahr, SOP)
Der Fehler λ_Fehler ist sowohl bezüglicher Polarisation als auch der Wellenlänge periodisch; sein Mittelwert ist gleich null.
Der polarisationsabhängige Wellenlängenfehler λ_Fehler kann durch Mittelung über mindestens zwei Wellenlängendurchläufe verringert werden, wobei während jedes der mindestens zwei Wellenlängendurchläufe ein anderer Polarisationszustand verwendet wird. Aus λ ^(λ_wahr, SOP1) in 2A und λ ^(λ_wahr, SOP2) in 2B kann die gemittelte Wellenlänge durch Berechnung der arithmetischen Mittelwerte λ ^(λ_wahr, SOP1) und λ ^(λ_wahr, SOP2) ermittelt werden:
In 2C ist die gemittelte Wellenlänge als Funktion der wahren Wellenlänge λ_wahr dargestellt. Wenn der periodische Wellenlängenfehler in 2A gegenüber dem schwankenden Wellenlängenfehler in 2B ausreichend phasenverschoben ist, geht der Wellenlängenfehler der gemittelten Wellenlänge deutlich zurück. Aus diesem Grund ist λ ^_MITTEL ≈ λ_wahr.
Das Konzept der Erfindung zur Verringerung der Messungenauigkeit durch Mittelung über mehrere Messungen mit unterschiedlichem Polarisationszustand lässt sich nicht nur auf Wellenlängendurchläufe, sondern auch auf eine einzelne Wellenlänge anwenden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsart der Erfindung. Bei dieser Ausführungsart wird ein optischer Parameter ϕ einer zu testenden Einheit (DUT) als Funktion der Wellenlänge gemessen. Die in 3 gezeigte Messanordnung umfasst einen optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge und einen optischen Pfad 7 für die zu testende Einheit. Monochromatisches Licht 9 von einer durchstimmbaren Laserquelle 8 wird gleichzeitig in eine Polarisationssteuerungseinheit 10 für den optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge und eine Polarisationssteuerungseinheit 11 für den optischen Pfad zum geleitet. Die durchstimmbare Laserquelle 8 führt die Wellenlängendurchläufe durch; die Wellenlänge des Laserlichts wird über einen Wellenlängenbereich als Funktion der Zeit gleichmäßig vergrößert oder verkleinert.
Die Polarisationssteuerungseinheit 10 legt den Polarisationszustand SOP_WRU für den optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge fest und erzeugt polarisiertes Licht 12. In der Wellenlängenbezugseinheit (Wavelength Reference Unit, WRU) 13 wird die Wellenlänge des polarisierten Lichts 12 ermittelt. Das kann mittels eines interferometrischen Geräts erfolgen, zum Beispiel mittels eines Michelson-Interferometers oder eines Mach-Zehnder-Interferometers. Die Wellenlänge wird in regelmäßigen Zeitabständen zu bestimmten Zeitpunkten k·T ermittelt. Dadurch erhält man die gemessene Wellenlänge λ ^(kT, SOP_WRU). Die gemessene Wellenlänge λ ^(kT, SOP_WRU) hängt sowohl vom Messzeitpunkt k·T als auch vom Polarisationszustand SPO_WRU ab. Die gemessene Wellenlänge λ ^(kT, SOP_WRU) wird zur Verarbeitungseinheit 14 gesendet.
Die Polarisationssteuerungseinheit 11 legt den Polarisationszustand SOP_DUT für den optischen Pfad 7 fest. Bei der Messanordnung von 3 werden für den optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge und für den optischen Pfad 7 zwei getrennte Polarisationssteuerungseinheiten 10 und 11 verwendet, sodass der Polarisationszustand SOP_WRU im optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge unabhängig vom Polarisationszustand SOP_DUT im optischen Pfad 7 geändert werden kann. Am Ausgang der Polarisationssteuerungseinheit 11 liegt dann polarisiertes Licht 15 mit einem Polarisationszustand SOP_DUT vor, das zu einer Sensoreinheit in Kasten 16 gesendet wird. Die Sensoreinheit in Kasten 16 enthält die zu testende Einheit 17 und ermittelt den optischen Parameter ϕ ^ der zu testenden Einheit 17. Der optische Parameter ϕ ^ wird synchron zur Wellenlänge
(kT, SOP_WRU) zu denselben diskreten Zeitpunkten k·T gemessen. Die erhaltenen Messwerte ϕ ^(kT, SOP_WRU) werden zur Verarbeitungseinheit 14 gesendet, wo sie einem Wellenlängenwert λ ^(kT, SOP_WRU) zugeordnet werden, der demselben Zeitpunkt k·T entspricht. Dadurch wird die Zeitabhängigkeit von ϕ ^ beseitigt, und die optische Eigenschaft ϕ ^(ϕ ^, SOP_DUT) ergibt sich als Funktion der gemessenen Wellenlänge λ ^ und von SOP_DUT.
ϕ ^(λ ^, SOP_DUT) wird für mindestens zwei verschiedene Wellenlängendurchläufe aufgezeichnet, wobei die Polarisation SOP_WRU im optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge für jeden Wellenlängendurchlauf auf einen anderen Polarisationszustand eingestellt wird. Der Polarisationszustand SOP_DUT im optischen Pfad 7 bleibt während all diesen Wellenlängendurchläufen konstant. Für jede Einstellung von SOP_WRU ergibt sich eine andere Abhängigkeit von ϕ ^(λ ^, SOP_DUT) von λ ^. Um den Messfehler ϕ_Fehler des DUT-Parameters zu verringern oder sogar zu beseitigen, wird der Mittel wert ϕ ^_MITTEL(λ ^, SOP_DUT) der verschiedenen für unterschiedliche SOP_WRU aufgenommenen Funktionen ϕ ^(λ ^, SOP_DUT) berechnet. Die Messungenauigkeit wird durch die Mittelung des optischen Parameters ϕ ^ über unterschiedliche Polarisationszustände SOP_WRU deutlich verringert.
4A und 4B zeigen, wie diese Prozedur der Mittelwertbildung erfolgt. In 4A stellt λ ^(kT, SOP_WRU) eine Funktion zum Zeitpunkt k·T für unterschiedliche Polarisationszustände SOP_WRU1 und SOP_WRU2 dar. Während des ersten Wellenlängendurchlaufs ist der Polarisationszustand im optischen Pfad 6 zur Ermittlung der Wellenlänge auf SOP_WRU1 und während des zweiten Wellenlängendurchlaufs auf SOP_WRU2 eingestellt. Es ist zu erkennen, dass den gemessenen Wellenlängen ein Wellenlängenfehler überlagert ist, der sich mit der Wellenlänge periodisch ändert und der vom Polarisationszustand SOP_WRU im optischen Pfad zur Ermittlung der Wellenlänge abhängt.
Um die Polarisationszustände SOP_WRU1 und SOP_WRU2 geeignet wählen zu können, sollten die gemessenen Wellenlängen λ ^(kT, SOP_WRU1) und λ ^(kT, SOP_WRU2) phasenverschoben sein. Zum Beispiel ist die zum Zeitpunkt 3 T am Messpunkt 18 für λ ^(kT, SOP_WRU1) gemessene Wellenlänge kleiner als λ_wahr, was einem negativen Wellenlängenfehler entspricht. Am Messpunkt 19 ist die für λ(kT, SOP_WRU2) gemessene Wellenlänge größer als die wahre Wellenlänge λ_wahr, was einem positiven Wellenlängenfehler entspricht.
Für jeden Zeitpunkt k·T wird der optische Parameter ϕ ^ in der Sensoreinheit in Kasten 16 gemessen und ein Messwert ϕ ^(kT, SOP_DUT) ermittelt. Normalerweise ist man nicht an der Zeitabhängigkeit, sondern an der Wellenlängenabhängigkeit von ϕ ^ interessiert, weil die Zeitabhängigkeit von ϕ ^ davon abhängt, wie der jeweilige Wellenlängendurchlauf durchgeführt wird. Es mag zwar durchstimmbare Laserquellen geben, die immer wieder dieselben Wellenlängendurchläufe liefern können, aber normalerweise gibt es gewisse Schwankungen, und die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Zeit ist nicht vollkommen linear. Manche Wellenlängendurchläufe können schneller ablaufen als andere. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die zeitliche Abhängigkeit von ϕ ^(kT, SOP_DUT) auszuschließen und ϕ ^ als Funktion der Wellenlänge auszudrücken.
Für einen bestimmten Zeitpunkt, zum Beispiel für den Zeitpunkt 3 T, wird der Parametermesswert ϕ ^(3 T, SOP_DUT) zu dem Wert der zu diesem Zeitpunkt gemessenen Wellenlänge in Beziehung gesetzt, im vorliegenden Beispiel also zu λ ^(3 T, SOP_WRU). In 4B sind die auf diese Weise ermittelten Abhängigkeiten der Funktion ϕ ^ von λ ^ für zwei unterschiedliche Polarisationszustände SOP_WRU1 und SOP_WRU2 dargestellt. Wenn der Parameter ϕ ^ zum Zeitpunkt 3 T für den Polarisationszustand SOP_WRU1 der Wellenlänge λ ^ zugeordnet wird, ergibt sich der Messpunkt 18. Wenn der Parameter ϕ ^ zum selben Zeitpunkt 3 T für den Polarisationszustand SOP_WRU2 der Wellenlänge λ ^ zugeordnet wird, ergibt sich der Messpunkt 19. Durch die Zuordnung jedes Wertes des Parameters ϕ ^ zu den entsprechenden Wellenlängenwerten λ ^ für mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände SOP_WRU1 und SOP_WRU2 ergeben sich die Kurven ϕ ^(λ ^(SOP_WRU1), SOP_DUT) und ϕ ^(λ ^(SOP_WRU2), SOP_DUT). Die Schwankungen dieser Kurven von ϕ ^ als Funktion der Wellenlänge λ ^ stammen von dem in 4A gezeigten polarisationsabhängigen Wellenlängenfehler. Dieser Wellenlängenfehler äußert sich als entsprechender Messfehler ϕ ^_Fehler des DUT-Parameters.
Um den Messfehler ϕ ^_Fehler des DUT-Parameters auszuschließen oder zumindest zu verringern, berechnet die Verarbeitungseinheit 14 die arithmetischen Mittelwerte von ϕ ^(λ ^(SOP_WRU1), SOP_DUT) und ϕ ^(λ ^(SOP_WRU2), SOP_DUT). Daraus ergibt sich der gemittelte DUT-Parameter gemäß der Formel
welche dieAbhängigkeit des gemittelten DUT-Parameters ϕ ^_MITTEL von λ ^ und SOP_DUT ausdrückt. Die Prozedur der Mittelwertbildung erfolgt nicht mehr bezüglich der Zeit, sondern bezüglich der Wellenlänge. Zum Beispiel entsprechend die Messpunkte 20 und 21 der selben Wellenlänge λ ^. Der gemittelte Messpunkt 22 ergibt sich durch Mittelung der Werte ϕ ^ der Punkte 20 und 21. Die Messpunkte 20 und 21 sind allerdings nicht zum selben Zeitpunkt aufgenommen worden. Der Messpunkt 20 ist zu einem Zeitpunkt t > 3 T und der Messpunkt 21 zu einem Zeitpunkt t < 3 T aufgenommen worden. Deshalb erfolgt die Prozedur der Mittelwertbildung nicht mehr für die demselben Zeitpunkt t entsprechenden Werte von ϕ ^, sondern für die derselben Wellenlänge entsprechenden Werte von ϕ ^. Die Zeitabhängigkeit der Wellenlängendurchläufe spielt bei dieser Art der Mittelwertbildung keine Rolle mehr, sodass die Anforderungen an die Genauigkeit der Wellenlängendurchläufe deutlich verringert werden können.
Wenn die Polarisationszustände SOP_WRU1 und SOP_WRU2 in geeigneter Weise gewählt werden, sind ϕ ^(λ ^(SOP_WRU1), SOP_DUT) und ϕ ^(λ ^(SOP_WRU2), SOP_DUT) stark genug phasenverschoben und der der Kurve ϕ ^_MITTEL(λ ^, SOP_DUT) überlagerte periodische Fehler ϕ ^_Fehler stark verringert. In 4B ist der gemittelte DUT-Parameter ϕ ^_MITTEL(λ ^, SOP_DUT) als Funktion von λ ^ dargestellt.
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsart der Erfindung beschrieben, die in 5 gezeigt ist. Eine durchstimmbare Laserquelle 23 emittiert monochromatisches Licht und führt Wellenlängendurchläufe durch, wobei der Polarisationszustand (SOP) des monochromatischen Lichts 24 durch die Polarisationssteuerungseinheit 25 eingestellt wird. Die in 5 dargestellte Anordnung umfasst nur eine einzige Polarisationssteuerungseinheit 25, welche den Polarisationszustand sowohl für den optischen Pfad 26 zur Ermittlung der Wellenlänge als auch für den optischen Pfad 27 zur Ermittlung des optischen Parameters einstellt. Dies stellt den Hauptunterschied zwischen der in 5 gezeigten dritten Ausführungsart und der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsart dar. Während bei der zweiten Ausführungsart der Erfindung die Polarisationszustände SOP_WRU und SOP_DUT unabhängig voneinander eingestellt werden können, gibt es bei der dritten Ausführungsart sowohl für den optischen Pfad 26 zur Ermittlung der Wellenlänge und den optischen Pfad 27 zur Ermittlung des optischen Parameters nur einen Polarisationszustand SOP. Für bestimmte optische Messungen, beispielsweise für die Ermittlung der Jones-Matrix und der differenziellen Gruppenverzögerung (DGD), ist dies ausreichend.
Licht 28 mit einem genau definierten Polarisationszustand wird zur Wellenlängenvergleichseinheit 29 geleitet, um in regelmäßigen Zeitabständen die Wellenlänge zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die Wellenlängenvergleichseinheit 29 interferometrische Geräte der oben beschriebenen Art umfassen. Die gemessene Wellenlänge λ ^(kT, SOP), die vom Polarisationszustand abhängt, wird zur Verarbeitungseinheit 30 gesendet.
Der optische Pfad 27 zur Ermittlung des optischen Parameters umfasst eine Sensoreinheit in Kasten 31, welche eine zu testenden Einheit (DUT) 32 enthält. Die Sensoreinheit in Kasten 31 kann zum Beispiel die horizontale Komponente I_tx sowie die vertikale Komponente I_ty der durch die zu testende Einheit 32 geschickten Lichtintensität bestimmen. In diesem Fall werden sowohl die horizontale Komponente 33 als auch die vertikale Komponente 34 der Intensität zur Verarbeitungseinheit gesendet.
Im Folgenden wird beschrieben, wird die in 5 gezeigte Messanordnung zur Ermittlung der Jones-Matrix als Funktion der Wellenlänge für eine zu testende Einheit verwendet werden kann. Die Jones-Matrix
beschreibt, wie die zu testende Einheit eine einfallende Lichtwelle E ω / i in eine durchgelassene Lichtwelle E ω / t umwandelt:
Die Parameter a₁₁(λ), a₁₂(λ), a₂₁(λ) und a₂₂(λ) sind komplex und ändern sich als Funktion von λ.
Zur Ermittlung der Jones-Matrix werden zwei Wellenlängendurchläufe durchgeführt, welche den Wellenlängenbereich je zweimal abfahren. Beim ersten Wellenlängendurchlauf „Scan1" wird der Wellenlängenbereich einmal bei einem Polarisationszustand SOP1 und einmal bei einem Polarisationszustand SOP2 abgefahren, wobei der Polarisationszustand SOP2 senkrecht zum SOP1 ist. Bei jedem Abfahren des Wellenlängenbereichs wird sowohl die horizontale Komponente 33 als auch die vertikale Komponente 34 der durchgelassenen Intensität ermittelt. Aus den während Scan1 erhaltenen Daten können die komplexen Matrixelemente a₁₁(λ), a₁₂(λ), a₂₁(λ) und a₂₂(λ) der Jones-Matrix J als Funktion der Wellenlänge λ berechnet werden. Als Nächstes wird eine Eigenwertanalyse der Jones-Matrix (Jones Matrix Eigenvalue, JME) durchgeführt, die als Ergebnis die beiden Eigenwerte EV1(λ, Scan1), EV2(λ, Scan1) von J'J^–1 als Funktion der Wellenlänge λ liefert, wobei J' die Ableitung nach der Wellenlänge bedeutet.
Beim zweiten Wellenlängendurchlauf „Scan2" wird der Wellenlängenbereich ebenfalls zweimal abgefahren. Im Gegensatz zu Scan1 werden hier die Polarisationszustände um einen Parameter Δ verschoben. Der Polarisationszustand ist demnach beim ersten Abfahren des Wellenlängenbereichs von Scan2 SOP1 + Δ. Beim zweiten Abfahren des Wellenlängenbereichs von Scan2 Δ ist der Polarisationszustand SOP2 + Δ. Auch in diesem Fall können aus den während des zweimaligen Abfahrens des Wellenlängenbereichs von Scan2 aufgenommenen Daten alle komplexen Matrixelemente der Jones-Matrix als Funktion von λ ermittelt werden. Aus der Eigenwertanalyse der Jonex-Matrix (JME) für die Daten von Scan2 erhält man die beiden Eigenwerte EV1(λ, Scan2), EV2(λ, Scan2).
Die Eigenwerte EV1 und EV2 von J'J^–1 können zur Berechnung der differenziellen Gruppenverzögerung (DGD) herangezogen werden, die als Differenz der Imaginärteile der beiden Eigenwerte definiert ist. Beim Scan1 ist die differenzielle Gruppenverzögerung DGD(λ, Scan1) gleich Im(EV1(λ, Scan1) – EV2(λ, Scan1)). Entsprechend ist die differenzielle Gruppenverzögerung DGD(λ, Scan2) beim Scan2 gleich Im(EV1(λ, Scan2) – EV2(λ, Scan2)).
6A zeigt die aus Scan1 ermittelte differenzielle Gruppenverzögerung DGD(λ, Scan1) als Funktion von λ. Entsprechend zeigt 6B die aus Scan2 ermittelte differenzielle Gruppenverzögerung DGD(λ, Scan2) als Funktion von λ. Es ist zu erkennen, dass den beiden differenziellen Gruppenverzögerungen DGD(λ, Scan1) und DGD(λ, Scan2) ein periodischer Fehler überlagert ist, der von den Polarisationszu ständen während jedes einzelnen Abfahrens des Wellenlängenbereichs von Scan1 und Scan2 abhängt. Da die Perioden phasenverschoben sind, kann der Fehler durch eine Prozedur zur Mittelwertbildung verringert werden. DGD_MITTEL(λ) ergibt sich als arithmetischer Mittelwert von DGD(λ, Scan1) und DGD(λ, Scan2):
6C zeigt die gemittelte differenzielle Gruppenverzögerung DGD_MITTEL(λ) als Funktion der Wellenlänge. Mit einer Messanordnung, wie sie in 5 gezeigt ist, kann der polarisationsabhängige Fehler deutlich verringert werden.
Entsprechend kann die Jones-Matrix zur Berechnung der polarisationsabhängigen Einfügungsdämpfung (mittlere Dämpfung und polarisationsabhängige Dämpfung, PDL) und der Gruppenverzögerung (GD) der DUT verwendet werden.

Claims

Vorrichtung, welche Folgendes umfasst: – eine erste Polarisationssteuerungseinheit (3, 10, 25) zum Einstellen eines Polarisationszustandes eines einfallenden Lichts (2, 9, 24) oder eines Teils davon, um ein erstes polarisiertes Austrittslicht (4, 12, 28) mit mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen zu erzeugen; – eine erste Ermittlungseinheit (5, 13, 29) zum Ermitteln eines ersten optischen Eigenschaftswertes für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände des ersten polarisierten Austrittslichts (4, 12, 28), dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Folgendes umfasst: – eine zweite Ermittlungseinheit (16, 31) zum Empfangen eines Antwortsignals von einer zu testenden Einheit (Device Under Test, DUT) (17, 32) als Reaktion auf ein vom Eintrittslicht (9, 24) abgeleitetes Signal und zum Ermitteln einer ersten DUT-Eigenschaft aus dem Antwortsignal, wobei die erste DUT-Eigenschaft eine optische Eigenschaft der DUT darstellt, und – eine Verarbeitungseinheit (14, 30) zum Ableiten eines DUT-Eigenschaftsmittelwertes aus der ersten optischen Eigenschaft und der ersten DUT-Eigenschaft durch Ermitteln eines Mittelwertes mindestens einer der folgenden Eigenschaften: der für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelten ersten optischen Eigenschaft oder einer aus der ersten optischen Eigenschaft sowie der ersten DUT-Eigenschaft abgeleiteten Eigenschaft, wobei der Mittelwert eine Mittelung über alle mindestens zwei Polarisationszustände darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welcher die erste optische Eigenschaft die Wellenlänge des Einfallslichtes (2, 9, 24) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welcher die erste Ermittlungseinheit (5, 13, 29) ein Interferometergerät umfasst, vorzugsweise ein Interferometergerät vom Typ Michelson oder vom Typ Mach-Zehnder.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welcher das Einfallslicht (2, 9, 24) mittels einer durchstimmbaren Lichtquelle (1, 8, 23) erzeugt wird, vorzugsweise mittels einer durchstimmbaren Laserlichtquelle, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, durch kontinuierliches Erhöhen oder Verringern der Wellenlänge des Einfallslichts über einen Wellenlängenbereich einen Wellenlängendurchlauf durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welcher für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände ein getrennter Wellenlängendurchlauf durchgeführt wird, wobei während eines Wellenlängendurchlaufs der Polarisationszustand im Wesentlichen konstant bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welcher die erste optische Eigenschaft während eines Wellenlängendurchlaufs zu diskreten Zeitpunkten wiederholt ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei welcher die Verarbeitungseinheit (14, 30) Werte der ersten DUT-Eigenschaft zu entsprechenden Werten der ersten optischen Eigenschaft in Beziehung setzt und die erste DUT-Eigenschaft als Funktion der ersten optischen Eigenschaft für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelt, bevor der DUT-Eigenschaftmittelwert abgeleitet wird.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei welcher die Verarbeitungseinheit (14, 30) den Mittelwert von Werten der ersten DUT-Eigenschaft ermittelt, welche demselben Wert der ersten optischen Eigenschaft entsprechen.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei welcher sowohl die erste DUT-Eigenschaft als auch die erste optische Eigenschaft während eines Wellenlängendurchlaufs zu diskreten Zeitpunkten wiederholt ermittelt werden.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei welcher das durch die erste Polarisationssteuereinheit (25) erzeugte erste polarisierte Austrittslicht (28) sowohl zur ersten Ermittlungseinheit (29) als auch zur DUT (32) geleitet wird, um sowohl die erste optische Eigenschaft als auch das erste DUT-Signal für die mindestens zwei Polarisationszustände des ersten polarisierten Austrittslichts (28) zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die erste DUT-Eigenschaft die Jones-Matrix des DUT ist, die als Funktion der Wellenlänge ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher aus der Jones-Matrix mindestens einer der Werte Einfügungsdämpfung, polarisationsabhängige Dämpfung, Gruppenverzögerung oder differenzielle Gruppenverzögerung des DUT erhalten werden.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei welcher: – die erste Polarisationssteuerungseinheit (10) dazu eingerichtet ist, den Polarisationszustand eines ersten Teils des Einfallslichts (9) einzustellen, um das erste polarisierte Austrittslicht (12) zu erzeugen, das zur ersten Ermittlungseinheit (13) geleitet wird. – die Vorrichtung eine zweite Polarisationssteuerungseinheit (11) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den Polarisationszustand eines zweiten Teils des Einfallslichts (9) einzustellen, wobei der Polarisationszustand des zweiten polarisierten Austrittslichts (15) unabhängig vom Polarisationszustand des ersten polarisierten Austrittslichts (12) eingestellt und das zweite polarisierte Austrittslicht (15) zum DUT (17) geleitet wird, um das Antwortsignal vom DUT (17) zu erhalten.
Verfahren zum Ermitteln einer optischen Eigenschaft, welches die folgenden Schritte umfasst: – Einstellen des Polarisationszustandes eines Einfallslichts (2, 9, 24) oder eines Teils davon auf mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände, um ein erstes polarisiertes Austrittslicht (4, 12, 28) zu erhalten; – Ermitteln einer ersten optischen Eigenschaft für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände des ersten polarisierten Austrittslichts (4, 12, 28); gekennzeichnet durch – Empfangen eines Antwortsignals von einer zu testenden Einheit DUT (17, 32) als Reaktion auf ein vom dem Einfallslicht (9, 24) abgeleiteten Signal; – Ermitteln einer ersten DUT-Eigenschaft aus dem Antwortsignal, wobei die erste DUT-Eigenschaft eine optische Eigenschaft der DUT darstellt; – Ableiten eines DUT-Eigenschaftsmittelwertes aus der ersten DUT-Eigenschaft und der ersten optischen Eigenschaft für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände durch Ermitteln eines Mittelwertes mindestens einer der folgenden Eigenschaften: der für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelten ersten optischen Eigenschaft oder einer aus der ersten optischen Eigenschaft sowie der ersten DUT-Eigenschaft abgeleiteten Eigenschaft, wobei der Mittelwert eine Mittelung über alle mindestens zwei Polarisationszustände darstellt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der obigen Ansprüche des Verfahrens, bei welchem die erste optische Eigenschaft die Wellenlänge des Einfallslichts (2, 9, 24) ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der obigen Ansprüche des Verfahrens, bei welchem Wellenlängendurchläufe durch Erhöhen oder Verringern der Wellenlänge des Einfallslichts (2, 9, 24) über einen Wellenlängenbereich durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der obigen Ansprüche des Verfahrens, bei welchem für jeden der mindestens zwei Polarisationszustände getrennte Wellenlängendurchläufe durchgeführt werden, wobei der Polarisationszustand während eines Wellenlängendurchlaufs im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der obigen Ansprüche des Verfahrens, bei welchem die erste optische Eigenschaft während eines Wellenlängendurchlaufs zu diskreten Zeitpunkten wiederholt ermittelt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 14 bis 18, bei welchem Werte der ersten DUT-Eigenschaft zu entsprechenden Werten der ersten optischen Eigenschaft in Beziehung gesetzt werden und die erste DUT-Eigenschaft als Funktion der ersten optischen Eigenschaft für die mindestens zwei Polarisationszustände ermittelt wird, bevor der DUT-Eigenschaftsmittelwert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 14 bis 19, bei welchem der Mittelwert von Werten der ersten DUT-Eigenschaft ermittelt wird, die demselben Wert der ersten optischen Eigenschaft entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei welchem während eines Wellenlängendurchlaufs sowohl die erste DUT-Eigenschaft als auch die erste optische Eigenschaft zu diskreten Zeitpunkten wiederholt ermittelt werden.