DE60218250T2

DE60218250T2 - Interferometrische Analyse eines optischen Bauteils mittels orthogonalem Filter

Info

Publication number: DE60218250T2
Application number: DE60218250T
Authority: DE
Inventors: Bogdan Sunnyvale Szafraniec; Gregory D. Los Gatos Vanwiggeren; Ali Los Altos Motamedi
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-07-23
Also published as: EP1286150A3; US20030053068A1; US20030053069A1; EP1286150A2; DE60218250D1; US6914681B2; JP2003106944A; EP1286150B1; US6900896B2

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
Erfindungsgebiet
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung betreffen im allgemeinen das Gebiet der optischen Netzwerkanalyse und insbesondere ein System und Verfahren zum Ermitteln der optischen Charakteristika einer zu testenden optischen Komponente.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein optischer Netzwerkanalysator ist ein essentielles Werkzeug zum Ermitteln von optischen Charakteristika von optischen Komponenten, wie etwa Bragg-Gittern. Die optischen Charakteristika, welche von einem optischen Netzwerkanalysator ermittelt werden, können den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad einer bestimmten zu testenden optischen Komponente mit zwei oder mehreren Eingängen umfassen. Die optischen Charakteristika (z. B. die Reflektion oder Transmission) einer zu testenden optischen Komponente werden durch eine Transferfunktion beschrieben und werden üblicherweise durch die Messung der Amplitude und Phase von optischen Signalen ermittelt, die von der Komponente reflektiert oder durch die Komponente durchgelassen werden. Die Charakteristika der Phasenantwort einer zu testenden optischen Komponente werden oft durch Gruppenverzögerung oder Dispersion beschrieben.
Die meisten herkömmlichen Meßtechniken für Gruppenverzögerung wurden für optische Netzwerkanalysatoren entwickelt, die nicht-durchgehend stimmbare Laserquellen verwenden. Eine nicht-durchgehend stimmbare Laserquelle ist eine Laserquelle, die über einen vorbestimmten Bereich von Frequenzen in diskreten Frequenzschritten gestimmt werden kann. Eine übliche Technik zum Messen der Amplitude, Phase und Gruppenverzögerung besteht darin, einen elektrischen Stimulus in Form von Leistungs- oder Phasenmodulation an ein optisches Signal anzulegen und dann die elektrische Antwort des übertragenen oder reflektier ten optischen Signals mittels einer bekannten phasenempfindlichen elektrischen Detektionsvorrichtung, z. B. eines Lock-in-Verstärkers oder eines elektrischen Netzwerkanalysators, zu messen. Ein Problem bei dieser Technik liegt darin, daß die Messung der Gruppenverzögerung indirekt ist und die Genauigkeit der Messung einschränkt. Zusätzlich benötigt die Technik eine lange Meßzeit, um ein genaues Ergebnis zu erhalten. Daher ist eine langfristige Stabilität der Testanordnung nötig, um die Technik effektiv zu nutzen.
Durchgehend bzw. kontinuierlich stimmbare Laserquellen sind jedoch kürzlich verfügbar geworden. Eine durchgehend stimmbare Laserquelle kann durchgehend einen vorbestimmten Bereich von Frequenzen ohne Frequenzsprünge oder Modenwechsel durchlaufen. Die Verfügbarkeit von durchgehend stimmbaren Laserquellen hat es ermöglicht, interferometrische Verfahren zur Messung der optischen Charakteristika von optischen Komponenten zu entwickeln. Die interferometrischen Verfahren basieren auf direkten Messungen der Phasenunterschiede zwischen interferierenden optischen Signalen. Üblicherweise wird eine Fourieranalyse einer Heterodyn-Schwebungsfrequenz verwendet, welche direkt mit der durchlaufenden optischen Frequenz einer durchgehend stimmbaren Laserquelle verknüpft ist, um die optischen Charakteristika einschließlich der Gruppenverzögerung zu messen. Ein Problem bei den interferometrischen Verfahren mittels Fourieranalyse liegt darin, daß der Frequenzdurchlauf einer durchgehend stimmbaren Laserquelle nicht gleichförmig ist. Die Nicht-Gleichförmigkeit des Frequenzdurchlaufs führt zu einer ähnlichen Nicht-Gleichförmigkeit der resultierenden Schwebungsfrequenz, welche eine Ungewißheit bei der Berechnung der optischen Charakteristika auf dem Weg der Fourieranalyse einführt. Was benötigt wird, ist eine Technik zur Ermittlung der optischen Charakteristika des durchgehend stimmbaren Lasers mit minimaler Ungewißheit.
ERFINDUNGSABRISS
Die Prinzipien der Erfindung ermitteln optische Charakteristika einer optischen Komponente. Um das Problem der Verwendung von stimmbaren Laserquellen mit nicht gleichförmigen Frequenzdurchläufen zur Messung von optischen Charakteristika von optischen Komponenten zu lösen, kann ein optischer Netzwerkanalysator oder optisches Testsystem verwendet werden, der oder das Komponenten zur Amplituden- und Phasenberechnung, wie etwa orthogonale Filter, verwendet, um die optischen Charakteristika einer zu testenden optischen Vorrichtung („device under test" = DUT) zu berechnen. Die optischen Charakteri stika können Amplitude, Phase und Gruppenverzögerung umfassen. Der optische Netzwerkanalysator kann ein Interferometer umfassen, um das optische DUT zu messen, und einen Prozessor umfassen, der die gemessenen optischen Signale mittels der orthogonalen Filter verarbeitet. Die orthogonalen Filter umfassen einen konphasischen (sog. „in -phase") und einen Quadratur-Filter. Ein Referenz-Interferometer kann weiter vorgesehen sein, um die optische Frequenz und/oder Amplitude des stimmbaren Lasers zu messen. Amplitude und Phase werden aus den Heterodyn-Schwebungssignalen berechnet, welche von den Interferometern erzeugt werden, und eine Gruppenverzögerung wird basierend auf der berechneten Phase berechnet.
Eine Ausführung umfaßt ein System und Verfahren zur Messung von optischen Charakteristika einer zu testenden optischen Vorrichtung (DUT). Das System umfaßt eine Lichtquelle zum Erzeugen eines optischen Signals, welches an das optische DUT angelegt wird. Ein Referenz-Interferometer und ein Test-Interferometer sind optisch an die Lichtquelle gekoppelt. Eine Recheneinheit wird an die Interferometer gekoppelt und verwendet die orthogonalen Filter bei der Ermittlung der optischen Charakteristika des optischen DUT. Die optischen Charakteristika können eine Reflexions-Transferfunktion, eine Transmissions-Transferfunktion und Gruppenverzögerung umfassen. Durch die Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann die Ungewißheit bei der Berechnung der optischen Charakteristika des optischen DUT minimiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines optischen Netzwerkanalysators, der konfiguriert ist, Reflexionsgrad-Messungen durchzuführen, in Ubereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
2 stellt den Frequenzdurchlauf einer idealen, bezüglich der Zeit durchgehend stimmbaren Laserquelle dar;
3 stellt das AC-gekoppelte Heterodyn-Schwebungssignal dar, wenn eine ideale, durchgehend stimmbare Laserquelle verwendet wird;
4 stellt eine Phasenfunktion des Heterodyn-Schwebungssignals von 3 dar;
5 stellt das AC-gekoppelte Heterodyn-Schwebungssignal dar, wenn eine durchgehend stimmbare Laserquelle verwendet wird, welche Frequenzen bezüglich der Zeit nicht gleichförmig durchläuft;
6 stellt eine Phasenfunktion des Heterodyn-Schwebungssignals von 5 dar;
7 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm zur Verarbeitung der optischen Signale, welche von den optischen Detektoren gemäß 1 gemessen werden;
8 stellt ein Heterodyn-Schwebungssignal dar, wie es vom optischen Netzwerkanalysator von 1 ausgebildet wird;
9 stellt eine Filterfunktion zur konphasischen Detektion von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 dar;
10 stellt eine Filterfunktion zur Quadratur-Detektion der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 dar;
11 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm zur Anwendung der Filterfunktionen zum Ermitteln von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 in dem Zeitbereich;
12A–12D stellen orthogonale Filter in den Zeit- und Frequenzbereichen dar, wie sie in 11 angewandt werden;
13 ist ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 in dem Frequenzbereich;
14 stellt eine Transferfunktion eines positiven Frequenz-Bandpaßfilters dar, welcher bei einer Kreisfrequenz zentriert ist, um Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 zu berechnen;
15 ist ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 in dem Frequenzbereich mittels der Transferfunktion von 14;
16A und 16B stellen Graphen von konphasischen bzw. Quadratur-Filtern dar, welche zur Berechnung von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 verwendet werden, wobei 16B eine Hilbert-Transformation darstellt;
17 ist ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 mittels der Hilbert-Transformation von 16B;
18 stellt eine All-Pass-Filter-Transferfunktion mit positiver Frequenz dar, welche verwendet wird, um Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von 8 zu berechnen;
19 stellt eine Zeit-Frequenz-Umwandlungsfunktion dar;
20 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm, welches eine einfache Umwandlung vom Zeit- zum Frequenzbereich darstellt;
21 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung einer Transferfunktion und Gruppenverzögerung des optischen DUT mittels eines Phasen-Subtraktionsverfahrens;
22 ist ein anderes beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung einer Transferfunktion des optischen DUT mittels eines Ableitungsverhältnis-Verfahrens, welches zudem Gruppenverzögerung aufweist; und
23 ist ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung einer Transferfunktion und Gruppenverzögerung des optischen DUT, welches ein Taktungsverfahren verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGEN DER ERFINDUNG
Stimmbare Laserquellen, wie sie gegenwärtig verfügbar sind, durchlaufen Frequenzen in einer nicht gleichförmigen Weise. Ein Heterodyn-Schwebungssignal mit einer Schwebungsfrequenz, das von einem Interferometer zur Messung optischer Komponenten erzeugt wird, wird durch die Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle beeinflußt. Übliche Abweichungen des Heterodyn-Schwebungssignals aufgrund der Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs sind wesentlich größer als diejenigen, die durch die gemessene Dispersion der optischen Komponente hervorgerufen werden. Bei der Charakterisierung von optischen Komponenten umfassen typische optische Meßsysteme oder optische Netzwerkanalysatoren zwei Interferometer, ein nicht-dispersives Referenz-Interferometer und ein Test-Interferometer, welches die optische Komponente, oder zu testende Vorrichtung (DUT), die gemessen wird, umfaßt. Das Referenz-Interferometer wird zur Messung des nicht gleichförmigen Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle verwendet, wobei die Messung des nicht gleichförmigen Durchlaufs zu Kompensation der Messung von dem Test-Interferometer verwendet wird. Heterodyn-Schwebungssignale von den beiden Interferometern können sich in der Frequenz, Phase und Amplitude unterscheiden. Die Präzision der Amplituden- und Phasendetektion des Schwebungssignals von den Interferometern bestimmt die Genauigkeit der Charakterisierung der optischen Komponente.
Bei der Berechnung von optischen Charakteristika der optischen Komponente werden die Heterodyn-Schwebungssignale aus den Interferometern verwendet, um die optische Frequenz der stimmbaren Laserquelle und eine Reflexions- oder Transmissions-Transferfunktion, einschließlich der Amplitude und Phase, des optischen DUT zu berechnen. Bei der Ermittlung der Amplituden- und Phasencharakteristika des Heterodyn-Schwebungssignals können orthogonale Filter verwendet werden. Die orthogonalen Filter werden durch konphasische und Quadratur-Filter oder andere verwendbare orthogonale Filter in dem Zeit- und/oder Frequenzbereich ausgebildet. Die Reflekions- oder Transmissions-Transferfunktionen und die Gruppenverzögerung der optischen Komponente können aus der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals ermittelt werden. Die Reflektions- oder Transmissions-Charakteristika können mittels verschiedener rechnerischer Verfahren, einschließlich Subtraktion, Division und Taktung, ermittelt werden.
Mit Bezug auf 1 wird ein optischer Netzwerkanalysator 102 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Analysator mißt die optischen Charakteristika der zu testenden optischen Vorrichtung 104. Insbesondere ermittelt der Analysator die Amplitude der Reflexions-Transferfunktion und die Gruppenverzögerung des optischen DUT 104. Als ein Beispiel kann das optische DUT ein Bragg-Fasergitter sein, obwohl das optische DUT irgendeine optische Komponente sein kann. Der optische Netzwerkanalysator berechnet die Amplitude und Phase der Transferfunktion des optischen DUT in einer effizienten Weise mittels eines interferometrischen Verfahrens, welches auf orthogonalen Filtern von AC-gekoppelten Heterodyn-Schwebungssignalen basiert. Die Gruppenverzögerung wird aus der Phasenantwort ermittelt.
Der optische Netzwerkanalysator 102 umfaßt ein Referenz-Interferometer 106, ein Test-Interferometer 108 und eine Verarbeitungseinheit 110. Wie in 1 darstellt ist, sind das Referenz- und das Test-Interferometer 106 und 108 als Michelson-Interferometer konfiguriert, um die Reflexions-Charakteristika des optischen DUT 104 zu messen. Andere Arten von Interferometern könnten jedoch statt dessen verwendet werden. Die Interferometer 106 und 108 können beispielsweise als Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert werden, um die Transmissions-Charakteristika des optischen DUT 104 zu messen. Alternativ kann, anstatt ein Referenz-Interferometer zu verwenden, ein optischer oder elektronischer Zähler, wie er im Stand der Technik bekannt ist, verwendet werden, um die Phase der durchgehend stimmbaren Laserquelle zu detektieren. Das Referenz- und das Test-Interferometer 106 und 108 verwen den beide eine durchgehend stimmbare Laserquelle 112. Die durchgehend stimmbare Laserquelle 112 ist konfiguriert, um ein optisches Signal mit einer Frequenz zu erzeugen, die durchgehend einen vorbestimmten Bereich von Frequenzen in einer nicht gleichförmigen Weise durchläuft. Das heißt, daß die Änderungsrate der Frequenz des optischen Signals, welches von der stimmbaren Laserquelle erzeugt wird, sich mit der Zeit ändert, während der vorbestimmte Bereich von Frequenzen durchlaufen wird.
Wie unten detailliert erläutert ist, wird die Transferfunktion des optischen DUT 104 berechnet, indem die Amplituden- und Phasenänderungen eines AC-gekoppelten Heterodyn-Schwebungssignals aus dem Test-Interferometer 108, die vom optischen DUT 104 hervorgerufen werden, gemessen werden. Das Heterodyn-Schwebungssignal wird aus einem optischen Eingangssignal hergestellt, welches von der durchgehend stimmbaren Laserquelle 112 erzeugt wird. Wegen der Nicht-Gleichförmigkeit des Frequenzdurchlaufs der Laserquelle sind jedoch die Änderungen der optischen Frequenz des optischen Eingangssignals nicht gleichförmig. Die Nicht-Gleichförmigkeit führt unerwünschte Frequenz-/Phasenänderungen in das Heterodyn-Schwebungssignal ein. Das Referenz-Interferometer 106 und die Verarbeitungseinheit 110 bilden einen optischen Frequenzzähler, der die unerwünschten Phasenänderungen mißt, die durch den nicht gleichförmigen optischen Frequenzdurchlauf des optischen Eingangssignals hervorgerufen werden. Alternative optische Frequenzzähler, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden. Das Referenz-Interferometer 106 erzeugt ein Referenz-Heterodyn-Schwebungssignal, welches die Phasenänderungen umfaßt, die durch die Nicht-Gleichförmigkeit des Frequenzdurchlaufs der stimmbaren Laserquelle hervorgerufen werden. Zusätzlich kann das Referenz-Heterodyn-Schwebungssignal eine Amplitude aufweisen, welche von der stimmbaren Laserquelle hervorgerufen wird. Das Referenz-Heterodyn-Schwebungssignal wird dann detektiert, um die unerwünschten Phasenänderungen zu messen. Da die gemessenen Phasenänderungen beiden Interferometern 106 und 108 gemein sind, können die Verzerrungen aufgrund des nicht gleichförmigen Frequenzdurchlaufs von dem Heterodyn-Schwebungssignal, das vom Test-Interferometer 108 erzeugt wird, mittels des Referenz-Heterodyn-Schwebungssignals von dem Referenz-Interferometer 106 entfernt werden.
Das Referenz-Interferometer 106 des optischen Netzwerkanalysators 102 umfaßt die durchgehend stimmbare Laserquelle 112, einen optischen Koppler 114, Faraday-Spiegel 116 und 118 und einen Referenz-Detektor 120. Diese Komponenten des Referenz-Interferometers 106 sind miteinander durch optische Fasern 122, 124, 126 und 128 verbunden. Die optische Faser 122 verbindet die stimmbare Laserquelle mit dem optischen Koppler 114, während die optische Faser 126 den Referenz-Detektor 120 mit dem optischen Koppler 114 verbindet. Auf ähnliche Weise verbindet die optische Faser 124 den optischen Koppler 114 mit dem Faraday-Spiegel 118, während die optische Faser 128 den optischen Koppler 114 mit dem Faraday-Spiegel 116 verbindet. Der optische Koppler 114 und die optischen Fasern 122, 124, 126 und 128 sind Einmoden(SM)-Komponenten. Die Länge der optischen Faser 128 unterscheidet sich von der Länge der optischen Faser 124 um den Abstand ΔL_R, der eine Verzögerung in das Referenz-Interferometer 106 einführt, und definiert seinen freien Spektralbereich (FSR = „free spectral range").
Im Betrieb erzeugt die stimmbare Laserquelle 112 durchgehend ein optisches Signal in einem Durchlaufbereich von Frequenzen. Als ein Beispiel kann die stimmbare Laserquelle 112 Frequenzen in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 140 nm, beginnend bei einer Wellenlänge von 1470 nm oder einer Wellenlänge von 1510 nm, durchlaufen. Das optische Signal, welches von der stimmbaren Laserquelle 112 erzeugt wird, wird zu dem optischen Koppler 114 durch die optische Faser 122 übertragen. Der optische Koppler 114 teilt dann das optische Signal in zwei optische Signale, so daß die geteilten optischen Signale zu den Faraday-Spiegeln 116 und 118 durch die optischen Fasern 128 bzw. 124 übertragen werden. Das optische Signal, welches durch die optische Faser 128 übertragen wird, wird durch den Faraday-Spiegel 116 am Ende der optischen Faser 128 zurück zu dem optischen Koppler 114 reflektiert. Ähnlich wird das optische Signal, welches durch die optische Faser 124 übertragen wird, durch den Faraday-Spiegel 118 am Ende der optischen Faser 124 zurück zu dem optischen Koppler 114 reflektiert. Die Faraday-Spiegel 116 und 118 reflektieren das Licht in jeweils im wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, was sicherstellt, daß die zurückkehrenden optischen Signale nahezu denselben Polarisationszustand aufweisen.
Wegen des zusätzlichen Abstands, der von dem optischen Signal in der optischen Faser 128 zurückgelegt wird, unterscheidet sich zu einem gegebenen Zeitpunkt die Frequenz des zurückkehrenden optischen Signals in der optischen Faser 128 von der Frequenz des zurückkehrenden optischen Signals in der optischen Faser 124. Wie in 1 dargestellt ist, wird die Frequenz des zurückkehrenden optischen Signals in der optischen Faser 124 mit ν₁ bezeichnet und die Frequenz des zurückkehrenden optischen Signals in der optischen Faser 128 mit ν₁ bezeichnet. Angenommen, die stimmbare Laserquelle 112 durchläuft den vorbestimmten Frequenzbereich mit einer Rate von γ so können die optischen Frequenzen ν₁ und ν₂ ausgedrückt werden als: ν1 = γt + ν0 ν2 = γt – γτ + ν0, wobei ν₀ die anfängliche optische Frequenz der einstellbaren Laserquelle ist, und τ die Umlauf-Verzögerung in der Länge ΔL_R der optischen Faser 128 ist. Die Umlauf-Verzögerung τ ist definiert als:
wobei n der Brechungsindex der optischen Faser 128 ist und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Nimmt man an, daß die Durchlaufrate γ konstant ist, so ist die Frequenzdifferenz zwischen den zurückkehrenden optischen Signalen in den optischen Fasern 124 und 128: Δν = γτ.
Es wird angenommen, daß das Referenz-Interferometer 106 nicht-dispersiv ist, d. h., daß τ nicht von der optischen Frequenz der optischen Signale abhängt. Alternativ kann das Referenz-Interferometer 106 dispersionskompensiert sein. Die Phasendifferenz zwischen den beiden reflektierten Signalen kann ausgedrückt werden als: θ = 2πΔνt + θ0 = 2πγτt + θ0,wobei 2πΔν die Kreisfrequenzdifferenz ist.
Die zurückkehrenden optischen Signale in den optischen Fasern 124 und 128 werden an dem optischen Koppler 114 kombiniert und durch die optische Faser 126 zu dem Referenz-Detektor 120 übertragen. Wenn es kombiniert wird, interferiert das optische Signal, das von der optischen Faser 124 zurückkehrt, mit dem optischen Signal, das von der optischen Faser 128 zurückkehrt. Die Intensität des interferierenden optischen Signals, welche an dem Referenz-Detektor beobachtet wird, kann ausgedrückt werden als: I = I0 + I0cos(2πγτt + θ0)unter der Annahme, daß der Polarisationszustand der zurückkehrenden optischen Signale der gleiche ist. Der Ausdruck I₀cos(2πγτt + θ₀) definiert das Heterodyn-Schwebungssignal, das von den zurückkehrenden optischen Signalen erzeugt wird. An dem Referenz-Detektor 120 wird das Heterodyn-Schwebungssignal AC-gekoppelt, indem die DC-Komponente des Signals entfernt wird. Das AC-gekoppelte Heterodyn-Schwebungssignal wird zu der Verarbeitungseinheit 110 zur Signalverarbeitung (d. h. zur Ermittlung der Gruppenverzögerung des optischen DUT 104) übertragen.
Das Test-Interferometer 108 des optischen Netzwerkanalysators 102 umfaßt die durchgehend stimmbare Laserquelle 112, einen optischen Koppler 130, einen Spiegel 132, das optische DUT 104 und einen DUT-Detektor 134. Ähnlich zu dem Referenz-Interferometer 106 sind die Komponenten des Test-Interferometers 108 miteinander durch optische Fasern 136, 138, 140 und 142 verbunden. Die optische Faser 140 verbindet die stimmbare Laserquelle 112 mit dem optischen Koppler 130, während die optische Faser 136 den DUT-Detektor 134 mit dem optischen Koppler 130 verbindet. Ähnlich verbindet die optische Faser 142 den optischen Koppler 130 mit dem Spiegel 132, der ein Goldspiegel sein kann, während die optische Faser 138 den optischen Koppler mit dem optischen DUT 104 verbindet. Eine zusätzliche Polarisationssteuerung kann in einem der Äste verwendet werden, um die Polarisationszustände der zurückkehrenden optischen Signale abzugleichen. Der optische Koppler 130 und die optischen Fasern 136, 138, 140 und 142 sind ebenfalls Einmoden(SM)-Komponenten. Die Länge der optischen Faser 138 unterscheidet sich von der Länge der optischen Faser 142 um den Abstand ΔL_D, der eine Verzögerung in das Test-Interferometer einführt und seinen freien Spektralbereich definiert.
Die Arbeit des Test-Interferometers 108 ähnelt der Arbeit des Referenz-Interferometers 106. Die Umlaufverzögerung τ_T bei dem Test-Interferometer 108 ist jedoch aufgrund der Dispersion innerhalb des optischen DUT 104 von der Frequenz des optischen Signals von der stimmbaren Laserquelle 112 abhängig, oder, mathematisch ausgedrückt, τ_T = τ_T(ν). Zusätzlich hängt die Amplitude des Heterodyn-Schwebungssignals von Transmissions- oder Reflexionseigenschaften des DUT ab. Die Amplituden- und die Phasenantwort des optischen DUT 104 können abgeleitet werden, indem Änderungen der Phase und Amplitude des Heterodyn-Schwebungssignals, die an dem DUT-Detektor 134 beobachtet werden, gemessen werden.
Die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals des Test-Interferometers 108 wird durch Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle 112 modifiziert. Das heißt, daß die Tatsache, daß die einstellbare Laserquelle Frequenzen in einer nicht-gleichförmigen Weise bezüglich der Zeit durchläuft, eine zusätzliche Phasenverschiebung in die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals, welches an dem DUT-Detektor 134 des Test-Interferometers 108 detektiert wird, einführt. Dasselbe Phänomen existiert bei dem Referenz-Interferometer 106. Daher enthalten beide Interferometer Information über den nicht-gleichförmigen Frequenzdurchlauf der einstellbaren Laserquelle 112. Der Effekt des nicht-gleichförmigen Frequenzdurchlaufs der stimmbaren Laserquelle wird unten mit Bezug auf die 2–6 beschrieben.
Angenommen, daß die einstellbare Laserquelle 112 eine ideale einstellbare Laserquelle ist, die durchgehend den vorbestimmten Frequenzbereich (d. h., optische C- und L-Bänder) gleichförmig bezüglich der Zeit durchläuft, so ist die Änderung der Frequenz bezüglich der Zeit des optischen Signals, welches von der Laserquelle erzeugt wird, linear, wie in 2 dargestellt ist. Im Ergebnis ist, wenn die zu testende Vorrichtung keine Dispersion aufweist, das resultierende AC-gekoppelte Heterodyn-Schwebungssignal dann eine reine Sinuskurve mit konstanter Frequenz, wie sie in 3 gezeigt ist. Die Phase ϕ(t) des Heterodyn-Schwebungssignals ist linear, wie in 4 dargestellt ist.
Bei der stimmbaren Laserquelle 112 jedoch, welche Frequenzen nicht-gleichförmig durchläuft, schwankt die Frequenz der Frequenz der Heterodyn-Schwebungsfrequenz, wie in 5 dargestellt ist. Im Ergebnis ist die Phase ϕ(t) nicht-linear, wie in 6 dargestellt ist. Daher sind Änderungen der Phase des Heterodyn-Schwebungssignals an dem DUT-Detektor 134 und an dem Referenz-Detektor 120 stark durch die Nicht-Gleichförmigkeit der einstellbaren Laserquelle beeinflußt. Die Phasenänderungen aufgrund der dispersiven Charakteristika des optischen DUT 104, welche an dem DUT-Detektor 134 beobachtet werden, sind ununterscheidbar von Phasenänderungen, welche von der Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle 112 hervorgerufen werden, und werden von diesen dominiert.
Der optische Netzwerkanalysator 102 löst das Problem, daß Phasenänderungen durch den nicht-gleichförmigen Frequenzdurchlauf der stimmbaren Laserquelle 112 erzeugt werden, indem er die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Referenz-Interferometer 106 ermittelt, um die Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle 112 effektiv zu „kompensieren". Diese Kompensation führt zur Wiederherstellung der wahren linearen optischen Frequenzskala, wie sie in klassischen Netzwerkanalysatoren ausgeführt wird. Die Qualität des optischen Netzwerkanalysators hängt von der Präzision der wiederhergestellten Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) ab.
Vier beispielhafte Ausführungen von orthogonalen Filtern werden angegeben, um die Amplitude und die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) aus dem Referenz- und dem Test-Interferometer 106 und 108 zu berechnen. Die vier Ausführungen der orthogonalen Filter umfassen: (i) konphasische und Quadratur-Filterung in dem Zeitbereich unter Verwendung von Konvolution, (ii) konphasische und Quadratur-Filterung in dem Frequenzbereich, (iii) einseitige Filterung und (iv) All-Pass-Filterung unter Verwendung von Hilbert-Transformationen.
Die 7 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm 700 zur Messung und Verarbeitung der Heterodyn-Schwebungssignale s(t), welche von dem Referenz- und dem Test-Interferometer 106 und 108 von 1 erzeugt werden. Die optischen Fasern 126 und 136 sind optisch mit dem Referenz-Detektor 120 bzw. dem DUT-Detektor 134 gekoppelt. Der Referenz-Detektor 120 und der DUT-Detektor 134 sind mit Vorverstärkern 705a und 705b gekoppelt. Die Vorverstärker sind weiter mit Analog-Digital(A/D)-Wandlern 710a und 710b gekoppelt, die ebenfalls mit der Verarbeitungseinheit 110 gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit 110 kann einen Referenz-Prozessor 715a, um Daten von dem Referenz-Detektor 120 zu verarbeiten, und einen Test-Prozessor 715b, um Daten von dem DUT-Detektor 134 zu verarbeitet, umfassen. Jeder der Prozessoren 715a und 715b ist mit einem gemeinsamen Prozessor 715c gekoppelt. Die Prozessoren 715a, 715b und 715c können mit internem Speicher 720a, 720b bzw. 720c (gemeinsam 720) gekoppelt sein. Alternativ kann der Speicher 720 extern zu den Prozessoren 715a–715c sein.
Im Betrieb empfangen der Referenz- und der DUT-Detektor 120 und 134 optische Signale von dem Referenz- und dem Test-Interferometer 106 und 108 (nicht gezeigt) und wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Die elektrischen Signale können Heterodyn-Schwebungssignale repräsentieren, welche von den Interferometern 106 und 108 erzeugt wurden. Die elektrischen Signale werden zu der Verarbeitungseinheit 110 übertragen, um die Heterodyn-Schwebungssignale zu verarbeiten und die Transferfunktion und Gruppenverzögerung des optischen DUT 104 zu berechnen.
Die Vorverstärker 705a und 705b empfangen die elektrischen Signale von dem Referenz- und dem DUT-Detektor 120 bzw. 134. Die Vorverstärker 705a und 705b können verwendet werden, um die elektrischen Signale zu filtern und/oder zu skalieren. Die A/D-Wandler 710a und 710b wandeln die analogen Signale, die von den Vorverstärkern 705a und 705b empfangen werden, in digitale Signale um. Die digitalen Signale werden von den A/D-Wandlern 710a und 710b durch die Prozessoren 715a bzw. 715b empfangen, um die Amplitude und Phase der Heterodyn-Schwebungssignale, die von dem Referenz- und dem Test-Interferometer 106 und 108 erzeugt werden, zu berechnen. Das Amplituden- und das Phasensignal können mittels orthogonaler Filter berechnet werden und werden von dem gemeinsamen Prozessor 715c empfangen, der die Transferfunktion und die Gruppenverzögerung des optischen DUT 104 berechnet. Es versteht sich, daß die Verarbeitungseinheit 110 alternativ ein einzelner Prozessor zur Durchführung der Berechnungen sein kann. Die Prozessoren 715a–715c können Allzweckprozessoren oder spezialisierte Prozessoren sein, wie etwa digitale Signalprozessoren (DSP). Alternativ können andere digitale Vorrichtungen als Prozessoren, wie etwa programmierbare Logikgatter-Arrays, in der Verarbeitungseinheit 110 verwendet werden, um die Berechnungen durchzuführen. In einer anderen Ausführung kann die Verarbeitungseinheit 110, anstatt die analogen Signale in digitale Signale umzuwandeln, die Transferfunktion mittels analoger Komponenten ermitteln.
Um die Heterodyn-Schwebungssignale s(t) besser zu verstehen, welche von den Interferometern 106 und 108 empfangen werden, und besser zu verstehen, wie die Heterodyn- Schwebungssignale in der Verarbeitung der Transferfunktion des optischen DUT 104 verwendet werden, wird die folgende Beschreibung angegeben. Eine Frequenzdifferenz zwischen den interferierenden optischen Wellen, welche das Heterodyn-Schwebungssignal entstehen läßt, beträgt Δν = f_B = γτ_T, wobei γ die optische Frequenz-Durchlaufrate ist und τ_T die Umlauf-Verzögerung des Test-Interferometers 108 ist. Bei dem Referenz-Interferometer 106 ist τ_R unabhängig von der optischen Frequenz (d. h. τ_T(ν) = τ_T = konstant). Bei dem Test-Interferometer 108 kann sich τ_T mit der optischen Frequenz, welche von der stimmbaren Laserquelle 112 erzeugt wird, ändern, um Information über dispersive Eigenschaften des optischen DUT 104 bereitzustellen. Im allgemeinen ist die Durchlaufrate γ nicht konstant (d. h. γ = γ(t)). Daher ändert sich die Heterodyn-Schwebungsfrequenz mit der Zeit und der optischen Frequenz. Die Heterodyn-Schwebungsfrequenz kann berechnet werden durch:
Das Referenz- und das Test-Interferometer 106 und 108 können verwendet werden, um zwischen den Phasenänderungen der Heterodyn-Schwebungsfrequenz aufgrund des nicht-gleichförmigen Durchlaufs der stimmbaren Laserquelle 112 und aufgrund der Dispersion des optischen DUT 104 zu unterscheiden. Das Heterodyn-Schwebungssignal, welches von dem Test-Interferometer 108 gemessen wird, ändert sich nicht nur in der Frequenz sondern auch in der Amplitude, wenn sich Reflexionsgrad oder Transmissionsgrad eines optischen DUT 104 mit der optischen Frequenz ändern. Daher weisen die gemessenen Signale einen Oszillationscharakter mit einer modulierten Amplitude und Frequenz (Phase) auf. Die Präzision, mit der die Amplitude und die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals detektiert werden, bestimmt die Leistungsfähigkeit des optischen Komponentenanalysators.
Die 8 stellt ein beispielhaftes Heterodyn-Schwebungssignal s(t) 800 von dem DUT-Interferometer mit einer veränderlichen Amplitude und Frequenz dar. Die veränderliche Amplitude, angezeigt durch die Hülle 805, weist eine minimale Amplitude a₁ und eine maximale Amplitude a₂ auf, wobei a₁ < a₂. Die veränderliche Frequenz des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) weist eine maximale Frequenz f₁ und eine minimale Frequenz f₂ auf wobei f₁ > f₂.
Orthogonale Filter können verwendet werden, um das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) der 8 zu messen. Insbesondere können orthogonale Filter verwendet werden, um die Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) wiederherzustellen. Eine spektrale Komponente eines Signals bei einer Frequenz f₀ kann ermittelt werden, indem eine Korrelation des Signals bei der Frequenz f₀ mit einem Signal, welches sich periodisch mit der Frequenz f₀ variiert (d. h. mit cos(2πf₀t)), berechnet wird. Die spektrale Komponente kann berechnet werden als:
Das breitere Spektrum von Frequenzen kann detektiert werden, indem eine periodisch variierende Funktion gewählt wird, die sich nicht von –∞ bis +∞ erstreckt, sondern die durch eine Hülle h(t) begrenzt ist, welche für spätere Zeitwerte nach Null abfällt.
Die erste beispielhafte Ausführung des orthogonalen Filters umfaßt konphasische und Quadratur-Filter in dem Zeitbereich, wie sie in 9 und 10 angegeben sind. Die 9 stellt einen konphasischen Filter zum Detektieren eines Frequenzbandes, welches um f₀ zentriert ist, dar. Die Funktion in 9 wird durch p(t) = h(t)cos(2πf₀t) beschrieben. Die Hülle 905 wird durch eine Funktion h(t) beschrieben. Da die Korrelation des Heterodyn-Schwebungssignals mit der Funktion p(t) das ursprüngliche Heterodyn-Schwebungssignal s(t) wiederherstellt, ohne seine Phase zu verändern, beschreibt die Filterfunktion p(t) den konphasischen Filter. Die konphasische Komponente des Heterodyn-Schwebungssignals kann daher berechnet werden durch:
Die 10 stellt einen Quadratur-Filter dar, der zur Detektion eines Frequenzbandes, welches um f₀ zentriert ist, verwendet werden kann. Der Quadratur-Filter wird in einer ähnlichen Weise wie der konphasische Filter definiert. Die Phasenverschiebung von π/2 wird erreicht, indem die Kosinusfunktion des konphasischen Filters durch eine Sinusfunktion ersetzt wird. Die Hülle h(t) ist dieselbe wie die Hülle 905 des konphasischen Filters, wodurch dieselbe spektrale Antwort des konphasischen Filters 900 beibehalten wird. Die Gleichung q(t) = h(t)sin(2πf₀t) beschreibt den Quadratur-Filter. Die Korrelation des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) mit der Funktion q(t) verschiebt die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) um π/2:
wobei y(t) die Quadratur-Komponente des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) ist. Sobald die konphasische und die Quadratur-Komponente bekannt sind, so können die Amplitude und Phase des eingehenden Signals berechnet werden als:
und φ(t) = arctan(y(t)/x(t))(Phase).
Man sollte beachten, daß für den gewählten konphasischen Filter p(t) und den Quadratur-Filter q(t) Korrelation dasselbe ist wie Konvolution, mit Ausnahme des Vorzeichens von q(t). Da das Vorzeichen in dem instantanen Vorgang des Ermittelns der optischen Charakteristika unwichtig ist, kann entweder Korrelation oder Konvolution verwendet werden.
Die 11 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm zum Berechnen von Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) in dem Zeitbereich. Der konphasische Filter p(t) wird mit dem Heterodyn-Schwebungssignal s(t) bei 1105a konvoluiert, um ein Zeitbereich-Signal x(t) zu erzeugen, wobei das Zeitbereich-Signal die konphasische Komponente des Heterodyn-Schwebungssignals ist. Der Quadratur-Filter q(t) wird mit dem Heterodyn-Schwebungssignal s(t) 1105b konvoluiert, um ein Zeitbereich-Signal y(t) zu erzeugen, wobei y(t) die Quadratur-Komponente des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) ist. Die Quadratur-Signale x(t) und y(t) werden von der Funktion 1110 verwendet, um die Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) zu erzeugen.
In dem Zeitbereich wird der konphasische Filter p(t) mathematisch als ein Produkt der Hüllenfunktion h(t) und cos(2πf₀t) dargestellt. p(t) = h(t)cos(2πf0t) = h(t)cos(ω0t),wobei ω₀ die Kreisfrequenz ist. Die obige Gleichung kann umgeschrieben werden als:
Die zweite beispielhafte Ausführung des orthogonalen Filters umfaßt konphasische und Quadratur-Filter in dem Frequenzbereich. Angenommen, daß die Fourier-Transformierte von h(t) durch H(ω) dargestellt wird, d. h. F[h(t)] = H(ω), so gilt
Die Funktion H(ω – ω₀) stellt einen Bandpaßfilter dar, welcher bei der Kreisfrequenz ω₀ zentriert ist. Die Form des Bandpaßfilters wird eindeutig durch die Hüllenfunktion h(t) in der Zeitbereich-Darstellung des Filters definiert. Es sollte klar sein, daß je schmaler die Hülle h(t) in dem Zeitbereich ist, desto breiter ist der Filter H(ω) in dem Frequenzbereich. Wegen dieser Zeit-Frequenz-Beziehung führt die Wahl der schnell abfallenden Hülle h(t) in den 9–10 zu dem breiten Durchlaßband in dem Frequenzbereich.
Ein analoger Vorgang wird verwendet, um den Quadratur-Filter Q(ω) abzuleiten, bei dem: Q(ω) = –½jH(ω + ω0) + ½jH(ω – ω0).
Der Quadratur-Filter Q(ω) stellt dieselbe Frequenzantwort H(ω – ω₀) bereit, die Phase ist jedoch um π/2 verschoben. Da der konphasische Filter p(t) reell und gerade ist, ist die Fourier-Transformierte P(ω) auch reell und gerade. Der Quadratur-Filter q(t) ist reell und ungerade, weshalb die Fourier-Transformierte Q(ω) ungerade und imaginär ist.
Die 12A und 12B sind die Zeit- und Frequenzbereich-Darstellungen des konphasischen Filters jeweils in dem Zeit- bzw. in dem Frequenzbereich. Die 12C und 12D stellen den Quadratur-Filter in dem Zeit- bzw. in dem Frequenzbereich dar.
Bei der Implementierung der orthogonalen Filter in dem Frequenzbereich wird das Heterodyn-Schwebungssignal: (i) in den Frequenzbereich transformiert, (ii) mittels P(ω) und Q(ω) gefiltert und (iii) in den Zeitbereich zurücktransformiert. Ein Grund zur Implementierung der orthogonalen Filter in dem Frequenzbereich liegt darin, daß die Berechnungen in dem Frequenzbereich, welche Addition und Multiplikation umfassen, rechnerisch schneller und effizienter als Berechnungen in dem Zeitbereich sind, welche Konvolution umfassen. Die Zeit-Frequenz- und die Frequenz-Zeit-Umwandlung werden durchgeführt, weil Konvolution in dem Frequenzbereich als Multiplikation durchgeführt werden kann. Dieser Vorgang wird in 13 in Form eines Blockdiagramms 1300 dargestellt und bildet eine weitere beispielhafte Ausführung zur Berechnung der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t). Das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) wird durch die Fourier-Transformation 1305 in den Frequenzbereich S(ω) transformiert. Das Heterodyn-Schwebungssignal S(ω) in dem Frequenzbereich wird durch einen konphasischen Filter P(ω) 1310a und einen Quadraturphasen-Filter Q(ω) 1310b gefiltert, um Signale X(ω) bzw. Y(ω) zu erzeugen. Die Signale X(ω) und Y(ω) werden von dem Frequenzbereich zurück in den Zeitbereich über eine inverse Fourier-Transformation 1315a und 1315b transformiert. Die Zeitbereich-Signale x(t) und y(t), welche aus den inversen Fourier-Transformationvorgängen resultieren, werden von der Funktion 1110 empfangen. Die Funktion 1110 berechnet die Zeitbereich-Amplitude r(t) und -Phase ϕ(t) des Heterodyn-Schwebungssignals s(t).
Die dritte beispielhafte Ausführung der orthogonalen Filter umfaßt einseitige Filterung. Die orthogonalen Filter können durch eine Transferfunktion T(ω) dargestellt werden, welche reelle und imaginäre Teile aufweist, die durch P(ω) bzw. Q(ω) definiert sind. Mathematisch kann die Transferfunktion T(w) beschrieben werden als T(ω) = P(ω) – jQ(ω).
Der Ausgang z(t) des einseitigen Filters ist, in Antwort auf das Heterodyn-Schwebungssignal s(t), imaginär. Das Signal x(t) ist der reelle Anteil des Ausgangs z(t), während das Signal y(t) der imaginäre Anteil von z(t) ist, wobei z(t) als z(t) = x(t) – jy(t) dargestellt werden kann. Die Signale x(t) und y(t) liegen in Quadratur (d. h. 90 Grad aus der Phase).
Der Ausgang z(t) ist ein analytisches Signal bezogen auf x(t) und kann ausgedrückt werden als z(t) = r(t)exp(jϕ(t)),wobei die Amplitude
und die Phase φ(t) = arctan( y(t) / x(t)). Üblicherweise ist das Vorzeichen der Phase ϕ(t) unwichtig. Die Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) kann als der Betrag von z(t) und das Argument von z(t) erhalten werden, was als r(t) = |z(t)| und ϕ(t) = arg(z(t)) ausgedrückt wird. Durch die Verwendung von Ausdrücken für P(ω) und Q(ω) kann die Transferfunktion T(ω) mittels der Funktion H(ω) ausgedrückt werden. Daher wird die Transferfunktion T(ω) eindeutig durch H(ω – ω₀) beschrieben und, wie zuvor, als ein Bandpaßfilter dargestellt, welcher bei der Kreisfrequenz ω₀ zentriert ist. Die Transferfunktion, oder der Filter, F(ω) arbeitet jedoch nur auf den positiven Frequenzen, während die negativen Frequenzen unterdrückt werden (d. h. einseitige Filterung). In dem Zeitbereich ist die Funktion t(t) komplex, wobei ihr reeller und ihr imaginärer Anteil durch den konphasischen Filter p(t) und den Quadratur-Filter q(t) beschrieben werden. Die Transferfunktion T(ω) ist in 14 dargestellt.
Die 15 ist ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm zum Berechnen der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t). Das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) wird durch die Fourier-Transformation 1305 in den Frequenzbereich S(ω) transformiert. Das Heterodyn-Schwebungssignal S(ω) wird von einer Transferfunktion T(ω) 1505 empfangen und gefiltert, um das Signal Z(ω) zu erzeugen. Das Signal Z(ω) wird über die inverse Fourier-Transformation 1315 zu dem Zeitbereich transformiert. Die Funktion 1110 erzeugt die Amplitude r(t) und die Phase ϕ(t) des Heterodyn-Schwebungssignals s(t).
Die vierte beispielhafte Ausführung des orthogonalen Filters umfaßt die Durchführung von All-Pass-Filterung. Die All-Pass-Filter sind Spezialfälle von orthogonalen Filtern. Die Durchlaufrate des stimmbaren Lasers schwankt üblicherweise um irgendeine nominale Durchlaufrate γ, was dazu führt, daß die Heterodyn-Schwebungsfrequenz um γτ_T schwankt, wobei τ_T eine Umlauf-Verzögerung des Test-Interferometers 108 ist. Daher ist die natürliche Wahl für die Filterart ein Bandpaßfilter. Ein All-Pass-Filter kann jedoch auch berücksichtigt werden. Beim Implementieren eines All-Pass-Filters kann der Quadratur-Filter q(t) durch eine Hilbert-Transformation implementiert werden. In den 16A und 16B sind orthogonale All-Pass-Filter in dem Frequenzbereich gezeigt, wobei der konphasische und der Quadratur-Filter dargestellt werden. Wie gezeigt wird, ist der konphasische Filter P(ω) reell und gerade. Es wird gezeigt, daß der Quadratur-Filter Q(ω) imaginär und ungerade ist. Das beispielhafte Blockdiagramm für die orthogonalen All-Pass-Filter in dem Frequenzbereich ist dasselbe wie das von 13. Wie zuvor bleibt das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) unverändert, nachdem es durch den konphasischen Filter verarbeitet wurde. Die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) wird durch den Quadratur-Filter Q(ω) für alle Frequenzen um π/2 verschoben. Das resultierende Signal y(t) kann in dem Zeitbereich mittels der Hilbert-Transformation erhalten werden:
Die 17 ist ein anderes beispielhaftes Blockdiagramm zur Berechnung der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) mittels der Hilbert-Transformation. Wie gezeigt ist, wird das Heterodyn-Schwebungssignal direkt durch die Funktion 1110 und über die Hilbert-Transformation 1405 empfangen. Die Hilbert-Transformation 1405 führt die Quadratur-Filterung an dem Heterodyn-Schwebungssignal s(t) durch, so daß die Funktion 1110 die Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) berechnen kann.
Die Transferfunktion des All-Pass-Filters T(ω) nimmt eine einfache Form an. Der All-Pass-Filter unterdrückt die negativen Frequenzen, während er die positiven Frequenzen unverändert läßt. Dies kann aus 18 ersehen werden, indem die Transferfunktion so gezeigt wird, daß sie Null für die negativen Frequenzen und Eins für die positiven Frequenzen annimmt.
An diesem Punkt wurden verschiedene Verfahren zur Berechnung (d. h. Wiederherstellung) der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals s(t) mittels der vier beispielhaften Ausführungen der orthogonalen Filter gezeigt, umfassend (i) konphasische und Quadratur-Filterung in dem Zeitbereich mittels Konvolution, (ii) konphasische und Quadratur-Filterung in dem Frequenzbereich, (iii) einseitige Filterung und (iv) All-Pass-Filterung mittels Hilbert-Transformation. Sobald die Amplituden- und Phaseninformation des Heterodyn-Schwebungssignals mittels orthogonaler Filter (einer beliebigen Art) von den beiden Interferometern 106 und 108 berechnet sind, können die optischen Charakteristika der zu testenden Vorrichtung berechnet werden. Wie in 1 gezeigt ist, kann sowohl das Referenz- Interferometer 106 wie das Test-Interferometer 108 verwendet werden, um Amplituden- und Phaseninformation zu erzeugen. Die erzeugten Amplituden- und Phasensignale sind: r_R(t) (Amplitude des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Referenz-Interferometer 106), ϕ_R(t) (Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Referenz-Interferometer 106), r_T(t) (Amplitude des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 108) und ϕ_T(t) (Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 108).
Da das Referenz-Interferometer 106 nicht-dispersiv oder für Dispersion kompensiert ist, ist die wiederhergestellte Phase proportional zu der optischen Frequenz. Alle 2π Radiant an Phasenänderung entsprechen der Änderung an optischen Frequenz, die gleich dem freien Spektralbereich (FSR) des Interferometers ist. Daher gibt die Funktion ϕ_R(t) eine eindeutige Umwandlung zwischen Zeit und optischer Frequenz an.
wobei ν die optische Frequenz ist, und τ_R ist die Verzögerung in dem Referenz-Interferometer 106.
Die 19 ist eine beispielhafte Umwandlungskurve oder -funktion 1900 zur Umwandlung zwischen der Zeit und der optischen Frequenz. Die Umwandlungskurve 1900 ist nicht gleichförmig und beschreibt die Nicht-Gleichförmigkeit der stimmbaren Laserquelle. Die 20 stellt ein einfaches Blockdiagramm eines Verfahrens 2000 für eine Umwandlung von dem Zeitbereich zu dem optischen Frequenzbereich dar.
Die Umwandlung von dem Zeitbereich zum optischen Frequenzbereich kann durch eine Wellenlängen-Zählvorrichtung durchgeführt werden. Insbesondere kann die Umwandlung durch das Referenz-Interferometer durchgeführt werden. Das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) von dem Referenz-Interferometer 106 kann auch für die Taktung der Akquisition des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 108 verwendet werden. In dieser Ausführung wird das Heterodyn-Schwebungssignal von dem Test-Interferometer in gleichen optischen Frequenz-Zuwächsen abgetastet. Daher hängen die von den orthogonalen Filtern wiederhergestellten Signale von der optischen Frequenz ν ab. Die wiederhergestellten Signale r(ν) und ϕ(ν) sind die Amplitude bzw. die Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 106.
Drei beispielhafte Verfahren zur Ermittlung der optischen Charakteristika der zu testenden Vorrichtung, einschließlich: (i) Amplitude r(ν), (ii) Phase θ(ν) und (iii) Gruppenverzögerung τ_g(ν), werden gezeigt, welche die Heterodyn-Schwebungssignale s(t), die von dem Referenz- und dem Test-Interferometer 106 und 108 erzeugt werden, verwenden. Diese Ver fahren umfassen (i) Phasen-Subtraktion (ii) Ableitungsverhältnis (d. h. Division) und (iii) Taktung.
Die 21 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm 2100, welches das Phasen-Subtraktionsverfahren zur Berechnung der Gruppenverzögerung des optischen DUT 104 verwendet. Wie gezeigt ist, wird die Phase ϕ_R(t), die von dem Referenz-Interferometer 106 erzeugt wird, mit α = τ_T/τ_R gewichtet und von der Test-Phase ϕ_T, die von dem Test-Interferometer 108 erzeugt wird, subtrahiert. Die Subtraktion entfernt alle Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs, die mit Phasen-Störungen der stimmbaren Laserquelle verknüpft ist. Im Ergebnis weist die Phase θ(t) wesentliche Information über die Dispersion auf. Die Phase θ(t) wird in eine optische Frequenzfunktion θ(ν) umgewandelt und wird dann abgeleitet, um die Gruppenverzögerung τ_g(ν) zu erhalten. Die Amplitude r_T(t) wird auch in eine Funktion r_T(ν) in dem optischen Frequenzbereich umgewandelt.
Die 22 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm 2200, welches das Ableitungsverhältnis-Verfahren zur Berechnung der Gruppenverzögerung des optischen DUT 104 verwendet. Die Phasenfunktionen ϕ_T(t) und ϕ_R(t) werden durch Differenzierer 2205a bzw. 2205b abgeleitet und durch einen Dividierer 2210 dividiert. Das Verfahren der Division entfernt Nicht-Gleichförmigkeit des Durchlaufs, die mit Störungen verknüpft sind. Die resultierende Funktion ist gleich der Gruppenverzögerung τ_g(t) nach der Multiplikation mit τ_R. Die Gruppenverzögerung τ_g(t) und die Amplitude r_T(t) werden durch die Umwandlungsfunktion 2000 von den Zeitfunktionen in die optischen Frequenzfunktionen umgewandelt.
Die 23 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm 2300, welches das Taktungsverfahren zur Berechnung der Gruppenverzögerung τ_g(ν) des optischen DUT 104 verwendet. Das Heterodyn-Schwebungssignal s(t) des Referenz-Interferometers kann verwendet werden, um die Akquisition des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 108 zu takten. Eine solche Implementierung führt dazu, daß das Signal gleichförmig in dem optischen Frequenzbereich ν abgetastet wird. Die orthogonalen Filter werden verwendet, um die optischen Frequenzfunktionen ϕ_T(ν) und r_T(ν) wiederherzustellen. Die Gruppenverzögerung τ_g(ν) wird erhalten, indem die Ableitung 2015,
der Phase des Heterodyn-Schwebungssignals von dem Test-Interferometer 108 berechnet wird.
Die vorangegangene Beschreibung ist diejenige von beispielhaften Ausführungen zur Implementierung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung, und der Schutzumfang der Erfindung sollte nicht notwendigerweise durch diese Beschreibung beschränkt sein. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird statt dessen durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

System zum Messen optischer Charakteristika einer zu testenden optischen Vorrichtung (DUT) (104), das folgendes umfaßt: eine Lichtquelle (112) zum Erzeugen eines optischen Eingangssignals mit einer in der Zeit variierenden Frequenz, wobei Änderungen in der Frequenz des optischen Eingangssignals nicht gleichförmig sind; ein Test-Interferometer (108), welches optisch mit der Lichtquelle (112) gekoppelt ist, um das optische Eingangssignal zu empfangen, wobei das Test-Interferometer (108) das optische DUT (104) enthält und ein Heterodyn-Schwebungssignal in Antwort darauf erzeugt, daß das optische DUT (104) durch das optische Eingangssignal beleuchtet wird; ein Referenz-Interferometer (106), welches eine Referenzphase des optischen Eingangssignals ermittelt; orthogonale Filter zum Berechnen der Amplitude und der Phase des Heterodyn-Schwebungssignals; und Mittel zum Berechnen der optischen Charakteristika des DUT (104) basierend auf der Amplitude und der Phase des Heterodyn-Schwebungssignals und der Referenzphase des optischen Eingangssignals.
System nach Anspruch 1, bei dem die optischen Charakteristika mindestens eines der folgenden Charakteristika umfassen: eine Reflexions-Transferfunktion, eine Transmissions-Transferfunktion, und Gruppenverzögerung.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtquelle (112) eine stimmbare Laserquelle ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Referenz-Interferometer (106) nicht-dispersiv oder dispersionskompensiert ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die orthogonalen Filter in mindestens einer der folgenden Weisen ausgeführt sind: konphasischer und Quadratur-Filter im Zeitbereich, konphasischer und Quadratur-Filter im Frequenzbereich, ein einseitiger Filter, und ein All-Pass-Filter unter Verwendung einer Hilbert-Transformation.
Verfahren zum Messen optischer Charakteristika einer zu messenden optischen Vorrichtung (DUT) (104), das folgendes umfaßt: Erzeugen eines optischen Eingangssignals mit einer in der Zeit variierenden Frequenz, wobei die Änderungen in der Frequenz des optischen Eingangssignals nicht gleichförmig sind; Beleuchten des optischen DUT mit dem optischen Eingangssignal; Messen eines Heterodyn-Schwebungssignals, welches in Antwort darauf, daß das optische DUT (104) durch das optische Eingangssignal beleuchtet wird, erzeugt wird; Berechnen der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals unter Verwendung orthogonaler Filter; Ermitteln einer Referenzphase des optischen Eingangssignals; und Berechnen der optischen Charakteristika basierend auf der Amplitude und Phase des Heterodyn-Schwebungssignals und der Referenzphase des optischen Eingangssignals.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Antwort von dem optischen DUT (104) auf das optische Eingangssignal mindestens eine Reflexionsantwort oder eine Transmissionsantwort ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Referenzphase des optischen Eingangssignals verwendet wird, um eine optische Frequenz des optischen Eingangssignals zu berechnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die optische Frequenz verwendet wird, um eine wahre optische Frequenzskala zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Anzeigen der optischen Charakteristika des optischen DUT (104) auf der wahren optischen Frequenzskala umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die orthogonalen Filter in mindestens einer der folgenden Weisen ausgeführt sind: konphasischer und Quadratur-Filter im Zeitbereich, konphasischer und Quadratur-Filter im Frequenzbereich, ein einseitiger Filter, und ein All-Pass-Filter unter Verwendung einer Hilbert-Transformation.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die optischen Charakteristika mindestens eines der folgenden Charakteristika umfassen: eine Reflexions-Transferfunktion, eine Transmissions-Transferfunktion, und Gruppenverzögerung.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Berechnung der Gruppenverzögerung mindestens einen der folgenden Vorgänge umfaßt: Subtraktion der Referenzphase von der Phase des Heterodyn-Schwebungssignals, und Division der Phase des Heterodynsignals durch die Referenzphase.