具有多个光电探测器的扫描光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种具有探测器阵列的扫描光学光谱仪，其中利用微机电（ＭＥＭＳ）可倾斜微镜扫描在诸如具有平板波导输入的阵列波导光栅（ＡＷＧ）的色散元件的输入端的光的聚焦光斑的位置，以便在耦合到ＡＷＧ的探测器阵列上扫描光的色散光谱。用处理器单元连接单个探测器记录的亚光谱以获得输入光的光谱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱仪，更特别地，涉及光纤网络中的光学性能监测器。
技术介绍
光谱仪是测量诸如光的电磁辐射的光语的仪器。光谱仪作为有效的分析和测量工 具被广泛地应用于科学和工业领域。例如，它们可以被用来遥感温度，确定化学成分和 化合物浓度，以及识别物质。用于测量作为波长函数的光功率的光谱仪称为光语分析仪(OSA)。大多数现有 的OSA利用诸如法布里-珀罗干涉仪或衍射光栅的波长可调滤光器来分辨各个光语成 分。在后一种情况中，光线以与波长相关的角度反射离开衍射光栅。然后基于光线被衍 射的角度利用探测器阵列分析该光线的光谱。可替换地，使衍射光线移动到狭缝上然后 利用光电探测器探测。传统的OSA被作为在实验室环境条件下运行的实验室装置制造。时常需要复杂 的波长和光功率校准以确保装置的波长和功率精良j^卜，它们通常体积巨大且价格昂贵。 使用波分复用(WDM)技术的光通信系统通过尽可能的间隔光信道(通常小于 纳米(nm)间隔)以实现大的传输容量。随着信道间隔的减少，监测信道的光语特性在 检验系统功能性，识别特性漂移，以及隔离系统故障方面将变得更关键。例如，这种监 测在探测波长漂移方面是关键，该波长漂移能够容易地使一个光学信道中的信号越过一 个信道而进入另一个信道。同样，网络元件的实时反馈对于确保通常应用于网络中的光 放大器的稳定运行是关键的。光通信系统需要功能类似于传统的OSA并且同时满足严格的工业要求的工业级 光性能监测器(OPM)。它们必须相对较便宜，尺寸紧凑，具有与实验室级OSA接近的 报告功率和波长精度，但是在装置的使用期限中不需要额外的校准，并且能够在密集间 隔的频率点以高光语分辨率和高动态范围监测光。OPM通常输出作为光频率而不是波 长的函数的光语，因为光学信道的标准光谱栅格，所谓的ITU栅格，是在频率上而不是 在波长单元上是等距的。具有能够监测光通信链路的一光波段中的所有信道的OPM是有利的。具有监测 每个信道的光信噪比(OSNR)的额外功能也是有利的，这不仅需要监测各个信道，也需要监测信道间的光以估计光噪声级，从而进一步增加OPM的光谱分辨要求。现在的 WDM网络在一个大约5000GHz的光通信波段中可以使用信道间隔为25GHz的信道多 至200个；这些网络将受益于能够监测至少200个具有25GHz间隔的频率信道的OPM。 通过提供OSNR监测能力，这种OPM同样可以有利地用在具有200GHz、 100GHz和 50GHz间隔的信道的通信系统中。 —种类型的工业级OPM通过角度调谐诸如衍射光栅的色散元件获取光谱。例如， Bouevitch等人的转让给JDSU公司的美国专利6,118,530教授了 一种具有磁性致动的弯 曲支承的衍射光栅和在每个扫描中用于精确波长参考的专用分离信道的扫描无摩擦光 谱仪，该文献通过参考结合于此。Bouevitch等人的扫描方法的优点是基于横跨整个光 谱区连续扫描波长的能力，其极大地提高了所获得光谱的保真度以及OSNR和峰值波长 确定的精确度。不利地，扫描光谱仪经常慢于其基于对应物的探测器阵列。较慢的测量 速度是由下面的事实导致的在传统的扫描光镨仪中，大部分入射光被放弃，并且在任 意给定的时间只有有限的光频率成分被允许照射到光电探测器上。此外，必须旋转诸如 衍射光栅的相对大的光学元件减小了现有扫描OPM的整体可靠性和预期寿命。 另一种工业级的OPM通过在空间分散输入光并且利用例如光电二极管阵列(PDA)的多个光电探测器获得平行输入信号的光谱的所有监测光谱点，以同时在多个 监测的频率处同时获取光谱信息；体(bulk)光栅、闪耀光纤布拉格光栅、波导阶梯(echelle)光栅或阵列波导光栅(AWG)可被用作色散元件。不利地，PDA中的光电二极管的数量按适合的比例对应于波长分辨率，因而增 加了装置的尺寸和成本，并降低了其可靠性。如果测量每个信道的OSNR,就必须在单 个信道的色散光线内提供几个光电探测器。因此，四信道光监测器通常需要至少12个 光电二极管。由于现有的光电二极管阵列通常被提供在多至128个光电二极管的条带中， 所以这允许稍微超过30个信道的监测。于1997年4月1日授权给Koga等人的美国专利5,617，234公开了能够精确辨别 WDM信号的波长并适于光集成电路的多波长同时监测电路,该文献通过参考结合于此。 Koga提出的装置是具有单个输入端口和多个输出端口并具有耦合到AWG的输出端口 的光电探测器的阵列波导光栅(AWG )。 Koga的装置需要等于具有比信道间的间隔更好 的频率分辨率的监测信道的数量的大量输出端口以及等于将被监测的信道的数量的大 量昂贵的光电探测器，而不提供OSNR测量能力的AWG。近来，已经进行了一些尝试来通过结合上述的顺序的和平行的获取方法来提供定标问题的解决方案，其中监测器的尺寸，设计复杂性，例如，光敏元件的数量，以及控 制的复杂性亚线性地依比例决定于监测的波长范围内的多个监测波长。 例如，以Berolo等人名义的美国专利6,753,958公开了 一种利用相对小数量的光 电二极管监测大量的波长而不动态调谐可能需要复杂的实时监测和控制的波长选择元 件的方法，该文献通过参考结合于此。Berolo等人教授了一种具有通过开关耦合到多个 输入波导的光输入端口的OPM,该多个输入波导被顺序地开关以通过该多个输入波导 中的一个提供从输入端口接收的光到将光色散向多个光电探测器的波导阶梯光栅。阶梯 光栅根据输入波导的位置色散从输入波导接收的光，因此光电探测器获得的光具有取决 于经过输入波导进入光栅的光的不同的中心波长。通过布置输入波导以使得当光被在邻 近输入波导之间开关时由光电二极管取样的中心波长偏移WDM信号的信道间隔的一 小部分，光携带的WDM信号被以等于信道的该小部分的频率周期取样。不利地，当光 信道密度增加时，输入波导之间的串扰有效地限制了可获得的数据点的数量。 进一步，Shen等人的转让给JDSU公司的美国专利7,035,505和US7，130,505公 开了一种基于具有设置在光开关和耦合到AWG的输出波导的光电二极管阵列之间的多 个游标输入波导的多路分配阵列波导光栅(AWG )的光性能监测器，上述文献通过参 考结合于此。在某种意义上类似于熟知的游标刻度，例如，游标卡尺中的刻度的具有不 同于N个输出波导的频率间隔的频率间隔的M个输入波导的特定位置图案足以提供在 多至MxN个频率点测量光语的能力。不利地，Shen等人的方法由于游标几何结构产生 了一组折叠的光语并因此需要密集光谱的展开处理计算。进一步，对于Berolo等人和 Shen等人的两种方法，需要耦合到光开关的外部波导，这使得设计变得复杂并且增加了 光损耗。本专利技术的目的是提供一种结合了基于扫描和探测器阵列两种方法的优点的光谱 仪。本专利技术的光语仪利用不受限于仪器的几何结构的多个测量点提供高保真度的扫描光 谱。进一步，有利地，本专利技术的光谱^C利用平行探测，为了光谱选择性而放弃的光远少 于上述现有技术的扫描方法中所放弃的。更进一步，有利地，本专利技术的光语仪实现了多 个可选择的输入端口而不增加相应的复杂性，例如，不需要在输入端结合附加的开关， 这将显著地节约了需要多端口光谱测量的系统的成本。发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量具有频率范围Δｆ的光的光谱的光谱仪，所述光谱仪包括：　Ｍ个输入端口Ｐ↓［ｍ］，其用于接收所述光并将所述光中继到Ｍ个源点Ｓ↓［ｍ］，其中Ｍ≥１；并且ｍ是满足条件１≤ｍ≤Ｍ的整数；　输入扫描装置，其被耦合到所述Ｍ个输入端口Ｐ↓［ｍ］，并且所述输入扫描装置用于将来自所述Ｍ个源点Ｓ↓［ｍ］中的任一个的光中继到中间点，其中在操作中，所述中间点的位置ｘ被所述扫描装置在δｘ＝｜ｘ↓［２］－ｘ↓［１］｜的扫描范围内从值ｘ↓［１］连续扫描到值ｘ↓［２］；　色散装置，其被耦合到所述输入扫描装置，所述色散装置用于根据所述光的所述中间点的所述位置ｘ在空间上分开所述光的频率成分；　Ｎ个探测器Ｄ↓［ｎ］，其被耦合到所述色散装置，所述Ｎ个探测器Ｄ↓［ｎ］用于根据所述光的光频率探测所述光，其中Ｎ≥２；ｎ是满足条件２≤ｎ≤Ｎ的整数；并且每个探测器Ｄ↓［ｎ］被设置来接收中心频率ｆ↓［ｎ］（ｘ）处的光频率成分，使得当ｘ被在值ｘ↓［２］和ｘ↓［１］间扫描时，所述中心频率ｆ↓［ｎ］（ｘ）被在δｆ＝｜ｆ↓［ｎ］（ｘ↓［２］）－ｆ↓［ｎ］（ｘ↓［１］）｜的范围内扫描；　其中，对于所述光频率范围Δｆ内的任何中心频率ｆ↓［０］，至少有一个ｎ＝ｎ↓［０］和至少一个ｘ＝ｘ↓［０］满足ｆ↓［ｎ０］（ｘ↓［０］）＝ｆ↓［０］。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：道格拉斯E克拉夫茨，沈锦熙，飞利浦达根，詹姆士F法雷尔，巴特勒米方达，埃里塞欧兰奈利，
申请(专利权)人：JDS尤尼弗思公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]