專(zhuān)利名稱(chēng)：使用信號(hào)調(diào)制的外差光網(wǎng)絡(luò)分析方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及表征被測(cè)器件(Device Under Test，DUT)的光學(xué)性能，更具體地說(shuō)，涉及用于測(cè)量DUT的幅度、相位和群時(shí)延(groupdelay)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
對(duì)于光通信網(wǎng)絡(luò)的成功設(shè)計(jì)和操作來(lái)說(shuō)，確定光學(xué)元件和網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)特性是很關(guān)鍵的因素。光學(xué)元件或網(wǎng)絡(luò)的重要特性是在透射或反射中測(cè)得的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)。光學(xué)元件或網(wǎng)絡(luò)的偏振依賴(lài)特性包括偏振依賴(lài)損耗(PDL)和微分群時(shí)延(DGD)。群時(shí)延特性尤受關(guān)注，因?yàn)橄鄬?duì)來(lái)說(shuō)難以使用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。群時(shí)延被定義為元件或網(wǎng)絡(luò)的相位響應(yīng)(即元件傳遞函數(shù)H(ω)＝a(ω)exp(j(ω))的相位項(xiàng)(ω)，其中a(ω)指幅度響應(yīng))的導(dǎo)數(shù)(變化率)的相反數(shù)。即，群時(shí)延是相位線性的量度，并由下面的等式定義 其中，ω是光角頻率(以弧度每秒表示)。
傳統(tǒng)上使用公知的調(diào)制相移法來(lái)測(cè)量群時(shí)延。調(diào)制相移法是基本上不會(huì)被例如溫度變化和振動(dòng)的環(huán)境不穩(wěn)定性和物理不穩(wěn)定性所影響的相對(duì)測(cè)量技術(shù)。調(diào)制相移法的缺點(diǎn)是，由于其依賴(lài)于直接檢測(cè)，所以它的動(dòng)態(tài)范圍有限。
也已經(jīng)使用各種基于干涉測(cè)量法的方法來(lái)測(cè)量群時(shí)延。與調(diào)制相移法相比，基于干涉測(cè)量法的方法提供更好的動(dòng)態(tài)范圍。但是，公知的基于干涉測(cè)量法的方法對(duì)例如溫度變化和振動(dòng)的環(huán)境和物理的不穩(wěn)定極度敏感。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，如下地測(cè)量DUT的群時(shí)延在不同頻率下對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，將本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分提供給DUT，然后光學(xué)混合這兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)。光學(xué)混合這兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)將光頻向下轉(zhuǎn)變到電頻。由DUT引起的相位變化通過(guò)測(cè)量本地振蕩器信號(hào)測(cè)試部分的調(diào)制邊帶之間的相位差來(lái)確定。因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)量調(diào)制邊帶之間的相位差來(lái)獲得相位變化，所以對(duì)于實(shí)用目的，群時(shí)延表征對(duì)環(huán)境和物理不穩(wěn)定性不敏感。此外，因?yàn)檫@種表征基于本地振蕩器信號(hào)的兩個(gè)部分的干涉，所以該過(guò)程涉及光學(xué)外差，從而具有寬的動(dòng)態(tài)范圍。可以不通過(guò)光學(xué)混合而通過(guò)電混合來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)變。例如，本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分在第一頻率下被調(diào)制以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，被提供給DUT，然后與本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分光學(xué)混合以生成電信號(hào)。然后，從本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分的光學(xué)混合產(chǎn)生的電信號(hào)與另一個(gè)電信號(hào)電混合，以完成頻率轉(zhuǎn)變。


圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量DUT的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)的系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)包括具有測(cè)試信號(hào)調(diào)制器的測(cè)試臂和具有基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器的基準(zhǔn)臂。
圖2A描繪了本地振蕩器信號(hào)的已相位調(diào)制測(cè)試部分的譜峰。
圖2B描繪了本地振蕩器信號(hào)的已相位調(diào)制基準(zhǔn)部分的譜峰。
圖3A描繪了在光域中本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分的譜峰和相關(guān)電場(chǎng)。
圖3B描繪了在光域中本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分的譜峰和相關(guān)電場(chǎng)。
圖3C描繪了響應(yīng)于本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分混合后的電場(chǎng)而產(chǎn)生的光檢測(cè)器電流在電域(electrical domain)中的譜峰。
圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量DUT偏振特性的系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)在測(cè)試臂中使用偏振調(diào)制。
圖5A描繪了本地振蕩器信號(hào)的偏振調(diào)制測(cè)試部分的譜峰。
圖5B描繪了本地振蕩器信號(hào)的已相位或偏振調(diào)制基準(zhǔn)部分的譜峰。
圖6是對(duì)偏振調(diào)制的本地振蕩器信號(hào)的三維描繪。
圖7以三維形式描繪了在傳播通過(guò)DUT之前和之后偏振調(diào)制的本地振蕩器信號(hào)的偏振狀態(tài)。
圖8以三維形式描繪了根據(jù)本地振蕩器信號(hào)的偏振調(diào)制測(cè)試部分與本地振蕩器信號(hào)的相位調(diào)制基準(zhǔn)部分的混合的Jones矩陣元素的恢復(fù)。
圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量DUT光學(xué)特性的系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)使用兩個(gè)串聯(lián)的調(diào)制器。
圖10描繪了用于測(cè)量DUT的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用電混合。
圖11描繪了用于測(cè)量DUT的偏振依賴(lài)特性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用電混合。
圖12A描繪了可以與圖1和圖4的系統(tǒng)一起使用的集成光學(xué)元件，其包括兩個(gè)調(diào)制器。
圖12B描繪了可以與圖1和圖4的系統(tǒng)一起使用的集成光學(xué)元件，其包括兩個(gè)調(diào)制器、一個(gè)分離器和一個(gè)耦合器。
圖12C描繪了可以與圖1和圖4的系統(tǒng)一起使用的兩個(gè)集成光學(xué)元件，其包括分離器、耦合器和調(diào)制器。
圖13描繪了用于分析DUT的光學(xué)性能的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量DUT的幅度、相位和群時(shí)延性能的系統(tǒng)100的實(shí)施例。該系統(tǒng)包括本地振蕩器源102、分光器104、測(cè)試臂106、基準(zhǔn)臂108、調(diào)制控制器110、DUT接口112、光組合單元114、光接收器116以及處理單元118。為了描述的目的，該系統(tǒng)被連接到DUT120，但是DUT不必是系統(tǒng)的一部分。應(yīng)該注意，通篇說(shuō)明書(shū)中，可以使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)相同的單元。
參照?qǐng)D1，本地振蕩器源102產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)122。在一個(gè)實(shí)施例中，本地振蕩器源是掃描范圍大于等于20GHz的高度相干可調(diào)激光器。該掃描激光器可以連續(xù)掃描。在DUT表征過(guò)程中，一般對(duì)本地振蕩器信號(hào)進(jìn)行一定波長(zhǎng)或頻率范圍的掃描，以在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)表征DUT。在一個(gè)實(shí)施例中，在1,550納米的本地振蕩器信號(hào)的掃描速度大約為100nm/s或12.5MHz/μs，掃描范圍大約為100nm。但是，掃描速度和掃描范圍可以更高或更低。在一個(gè)實(shí)施例中，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描本地振蕩器信號(hào)包括在多個(gè)步驟中通過(guò)突然的相位變化將本地振蕩器信號(hào)遞增地調(diào)節(jié)到不同的波長(zhǎng)。在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描本地振蕩器信號(hào)包括通過(guò)平緩的“摺狀”相變?cè)诓ㄩL(zhǎng)之間進(jìn)行平緩的轉(zhuǎn)變。
本地振蕩器源102與分光器104進(jìn)行光通信。在圖1的實(shí)施例中，本地振蕩器光纖126將本地振蕩器源光學(xué)連接到分光器。分光器還與系統(tǒng)100的測(cè)試臂106和基準(zhǔn)臂108進(jìn)行光通信。分光器將本地振蕩器信號(hào)分成分別提供給測(cè)試臂和基準(zhǔn)臂的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分。分光器可以是將本地振蕩器信號(hào)輸出到至少兩個(gè)光路中的光耦合器。例如，分光器可以是光學(xué)定向的3dB光纖耦合器，但是可以使用其他分光器。
測(cè)試臂106包括測(cè)試光纖128、130和132、測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134以及DUT接口112。測(cè)試臂將分光器104光學(xué)連接到光組合單元114，使得本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分從分光器經(jīng)過(guò)測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134和DUT 120傳播到光組合單元。測(cè)試信號(hào)調(diào)制器調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分，以生成本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分。測(cè)試信號(hào)調(diào)制器可以是相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器或強(qiáng)度調(diào)制器。在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)制器是Ti不擴(kuò)散的LiNbO3調(diào)制器。下面更詳細(xì)地描述信號(hào)調(diào)制。
DUT接口112將DUT 120光學(xué)連接到系統(tǒng)100。在圖1的配置中，DUT接口包括兩個(gè)連接點(diǎn)，它們將DUT光學(xué)連接在測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134和光組合單元114之間。特別地，這兩個(gè)連接點(diǎn)包括能使光纖130和132被耦合到DUT的端口的兩個(gè)光纖連接器?；蛘?，DUT接口可以是能使DUT被光學(xué)連接在測(cè)試信號(hào)調(diào)制器和光組合單元之間的任何光學(xué)系統(tǒng)或機(jī)件。如這里所描述的，DUT接口意于包括能使DUT被光學(xué)連接在測(cè)試信號(hào)調(diào)制器和光組合單元之間的任何光學(xué)系統(tǒng)或機(jī)件。
DUT 120可以是例如光纖、濾波器、多路復(fù)用器、多路分離器、循環(huán)器等待表征的光學(xué)元件。DUT還可以是由多個(gè)光學(xué)元件組成的光網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)DUT接口可以將不同的DUT連接到系統(tǒng)。根據(jù)DUT的具體情況，DUT可以在透射或反射中被表征。
系統(tǒng)100的基準(zhǔn)臂108包括基準(zhǔn)光纖136和138以及基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器140?；鶞?zhǔn)臂將分光器104光學(xué)連接到光組合單元114，使得本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分可以從分光器經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器傳播到光組合單元?；鶞?zhǔn)信號(hào)調(diào)制器調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分，以生成本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分?；鶞?zhǔn)信號(hào)調(diào)制器可以是相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器或強(qiáng)度調(diào)制器。在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)制器是Ti不擴(kuò)散的LiNbO3調(diào)制器。下面更詳細(xì)地描述信號(hào)調(diào)制。
調(diào)制控制器110與測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134和基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器140都進(jìn)行信號(hào)通信。調(diào)制控制器向調(diào)制器提供調(diào)制信號(hào)，這控制著光信號(hào)調(diào)制。例如，調(diào)制控制器向測(cè)試信號(hào)調(diào)制器提供頻率為f1的調(diào)制信號(hào)，并向基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器提供頻率為f2的調(diào)制信號(hào)，其中調(diào)制頻率f1和f2互不相同。在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)制頻率被選擇成使得兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)之間的頻率差在光接收器的帶寬內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)試系統(tǒng)用戶(hù)接口(未示出)對(duì)調(diào)制控制器進(jìn)行輸入。調(diào)制控制器還可以通過(guò)連接117向處理單元118提供(例如為頻率差f1-f2的)基準(zhǔn)電信號(hào)。
光組合單元114通過(guò)系統(tǒng)100的測(cè)試臂106和基準(zhǔn)臂108與本地振蕩器源102進(jìn)行光通信。在圖1的實(shí)施例中，光組合單元通過(guò)光纖132和138被分別連接到測(cè)試臂和基準(zhǔn)臂。光組合單元將本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分和本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分光學(xué)上組合成組合光信號(hào)，并通過(guò)輸出光纖142將該組合光信號(hào)的至少一部分輸出到光接收器116。光組合單元可以是將組合光信號(hào)輸出到至少一個(gè)光路中的光耦合器。例如，光耦合器可以是光學(xué)定向的3dB光纖耦合器，但是可以使用其他光耦合器。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，光信號(hào)的耦合基本上不依賴(lài)于光信號(hào)的偏振。在一個(gè)實(shí)施例中，(例如使用偏振控制器)將光信號(hào)的偏振狀態(tài)控制為幾乎相同，以最大化外差拍頻(beat)信號(hào)。雖然在下面將光組合單元描述為將一束組合光信號(hào)輸出到光接收器116，但是應(yīng)該理解，輸出多于一束組合光信號(hào)(例如平衡接收器)的光組合單元的實(shí)施例也是可以的。
光接收器116包括至少一個(gè)光檢測(cè)器，其被調(diào)整來(lái)檢測(cè)和混合從光組合單元輸出的組合光信號(hào)。光接收器響應(yīng)于所接收的光信號(hào)而產(chǎn)生電信號(hào)。由光接收器產(chǎn)生的電信號(hào)被提供給處理單元118以在表征DUT中使用。在圖1中用線148來(lái)描繪光接收器和處理單元之間的連接。雖然沒(méi)有示出，但是光接收器可以包括附加的信號(hào)處理電路，例如本領(lǐng)域中公知的信號(hào)放大器、濾波器和信號(hào)組合器。光接收器還可以包括偏振選擇性光學(xué)器件，以允許對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行偏振分集接收(polarization diversereception)和/或偏振分析。
處理單元118從光接收器116接收電信號(hào)，并處理電信號(hào)以確定DUT120的至少一個(gè)光學(xué)特性。具體而言，處理單元可以確定DUT的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)。處理單元可以包括在電信號(hào)處理領(lǐng)域中公知的模擬信號(hào)處理電路和/或數(shù)字信號(hào)處理電路。在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自光接收器的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)變成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，隨后該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被處理。處理單元還可以包括任意基于硬件和軟件的處理組合。
在圖1的系統(tǒng)100中，光學(xué)連接各種光學(xué)元件的光纖是本領(lǐng)域中公知的單模光纖，但是可以使用其他波導(dǎo)來(lái)光學(xué)連接各種光學(xué)元件。此外，雖然描述了波導(dǎo)，但是光信號(hào)可以在自由空間中被輸入到系統(tǒng)中，或者在系統(tǒng)內(nèi)傳輸。
參照?qǐng)D1描述的系統(tǒng)100的操作包括產(chǎn)生在一定波長(zhǎng)范圍中掃描的本地振蕩器信號(hào)，以及將所述本地振蕩器信號(hào)分成測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分。本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分被測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134調(diào)制，然后被提供給DUT120，而本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分被基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器140調(diào)制。如下面詳細(xì)描述的，給予本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分的調(diào)制頻率互不相同。本地振蕩器信號(hào)的這兩個(gè)已調(diào)制部分在光組合單元114被組合，以生成組合光信號(hào)。組合光信號(hào)被光接收器116檢測(cè)和混合。由光接收器產(chǎn)生的電信號(hào)被處理器118接收并被處理以確定DUT的至少一個(gè)光學(xué)特性。具體而言，根據(jù)所接收的光信號(hào)確定DUT的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)。分光器、測(cè)試信號(hào)調(diào)制器、基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器、光組合單元和光接收器的組合，由于其外差本質(zhì)而建立了具有寬動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)(其中光檢測(cè)器電流與較強(qiáng)的本地振蕩器基準(zhǔn)信號(hào)電場(chǎng)和測(cè)試信號(hào)電場(chǎng)的乘積成比例)。群時(shí)延的測(cè)量使用調(diào)制邊帶進(jìn)行，并且為了實(shí)用的目的，所述測(cè)量對(duì)環(huán)境和物理的不穩(wěn)定不敏感。
通過(guò)相位調(diào)制的群時(shí)延測(cè)量在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)在不同頻率下對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分進(jìn)行相位調(diào)制來(lái)測(cè)量DUT的群時(shí)延。具體而言，由光測(cè)試信號(hào)的調(diào)制邊帶之間的相位差來(lái)確定群時(shí)延。通過(guò)將本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分與本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分混合，將在光頻的相位差向下轉(zhuǎn)變成電頻。因此，在電頻f1-f2下測(cè)量相位差。在圖1的系統(tǒng)100中，測(cè)試信號(hào)調(diào)制器134和基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)制器140都是相位調(diào)制器，例如Ti不擴(kuò)散的LiNbO3相位調(diào)制器。如圖2A所描繪的，在調(diào)制頻率f1下對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生在載波頻率處有中間頻譜峰203以及以間距f1隔開(kāi)的多個(gè)邊帶頻譜峰205(這里稱(chēng)為邊帶)的光信號(hào)。同樣，如圖2B所描繪的，在調(diào)制頻率f2下對(duì)本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生在載波頻率處有中間頻譜峰207以及以間距f2隔開(kāi)的多個(gè)邊帶的光信號(hào)。轉(zhuǎn)回參照?qǐng)D1，本地振蕩器信號(hào)的已被相位調(diào)制測(cè)試部分通過(guò)DUT接口112被提供給DUT 120。然后，本地振蕩器信號(hào)的已被相位調(diào)制測(cè)試部分和本地振蕩器信號(hào)的已被相位調(diào)制基準(zhǔn)部分在光組合單元114被組合，以形成組合光信號(hào)。在光接收器116，該組合光信號(hào)被檢測(cè)和混合。
在一個(gè)實(shí)施例中，限制接收器的帶寬，使得僅僅混合測(cè)試和基準(zhǔn)信號(hào)的相應(yīng)邊帶。具體而言，圖2A中描繪的J-1邊帶205與圖2B中描繪的J-1邊帶209被混合，產(chǎn)生電信號(hào)。類(lèi)似地，圖2A中描繪的J1邊帶205與圖2B中描繪的J1邊帶209被混合，也產(chǎn)生電信號(hào)?；旌虾托纬呻娦盘?hào)的過(guò)程發(fā)生在光接收器116中。此外，這兩個(gè)電信號(hào)在光接收器內(nèi)生成拍頻信號(hào)。眾所周知，不同頻率的兩個(gè)聲波在與這兩個(gè)聲波的頻率差相等的頻率下將脈動(dòng)或“拍動(dòng)”。例如，30赫茲(Hz)和34Hz的兩個(gè)聲波將產(chǎn)生4Hz的拍頻。拍頻的相位包含關(guān)于這兩個(gè)聲波相位差的信息。在接收器處生成的電信號(hào)也發(fā)生這種拍動(dòng)現(xiàn)象，因此，電信號(hào)的拍頻包含與這兩個(gè)光信號(hào)相關(guān)的相位信息。因?yàn)橄辔恍畔⒈４嬖谕ㄟ^(guò)組合和混合本地振蕩器信號(hào)的這兩個(gè)已調(diào)制部分的各個(gè)邊帶而產(chǎn)生的外差信號(hào)中，所以電拍頻的相位包含通過(guò)DUT傳播的光邊帶的相位差信息。這樣，包含在外差信號(hào)的拍頻中的相位信息可以被取出，用于測(cè)量本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分的兩個(gè)邊帶之間的相位差。群時(shí)延由通過(guò)調(diào)制邊帶分離而分開(kāi)的相位差直接確定，其等于Δω＝4πf1。群時(shí)延以等式的形式表示為 其中，Δ指所測(cè)量的相位差。
群時(shí)延測(cè)量原理下面是對(duì)使用基于干涉測(cè)量法的系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)制的組合來(lái)測(cè)量群時(shí)延中所涉及的原理的描述。下面給出的描述涉及參照?qǐng)D1描述的系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)符號(hào)，假設(shè)本地振蕩器信號(hào)的光頻恒定，由υ0表示。本地振蕩器信號(hào)的電場(chǎng)幅度被歸一化為1，并由e0(t)＝exp(j2πυ0t+j0)表示，其中，相位項(xiàng)0表示相位噪聲。相位項(xiàng)0還可以包含由于本地振蕩器信號(hào)掃描引起的光相位變化。在測(cè)試臂中，本地振蕩器信號(hào)在調(diào)制深度a1和電頻f1下被相位調(diào)制。這樣，在測(cè)試信號(hào)調(diào)制器之后，已調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的電場(chǎng)由下面的等式表示e1(t)＝exp(j2πυ0t+j0+ja1cos(2πf1t+ψ1))， (1)其中，ψ1表示施加給相位調(diào)制器的信號(hào)的電相位噪聲。通過(guò)使用Jacobi-Anger展開(kāi)exp(jacosθ)=Σm=-∞∞jmJm(a)exp(jmθ),----(2)]]>其中，Jm(a)表示Bessel函數(shù)，并且在只捕捉載波和兩個(gè)最近的邊帶時(shí)，等式(1)可以改寫(xiě)成e1(t)＝j(luò)J1(a1)exp(j2πυ0t-j2πf1t+j0-jψ1)+J0(a1)exp(j2πυ0t+j0)+(3)jJ1(a1)exp(j2πυ0t+j2πf1t+j0+jψ1)+…已調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的多個(gè)邊帶可以被看作是其相位被鎖定的多個(gè)光波。這些波中的每一個(gè)都具有不同的光頻，并通過(guò)分散性的(dispersive)的DUT以不同的速度傳播。這樣，根據(jù)等式(3)的每一個(gè)光波都經(jīng)歷不同的相移。此外，對(duì)于掃描本地振蕩器信號(hào)，所有的光波都以頻率γτ被移位，其中，γ是本地振蕩器信號(hào)掃描速度，τ是由于干涉儀的不平衡引起的時(shí)延，包括DUT時(shí)延在內(nèi)。考慮了色散和本地振蕩器信號(hào)掃描的電場(chǎng)的等式是e1′(t)＝j(luò)J1(a1)exp(j2πυ0t-j2πf1t-jπγτt+j0-jψ1-jθ-1)+J0(a1)exp(j2πυ0t-jπγτt+j(0-jθ0)+(4)jJ1(a1)exp(j2πυ0t+j2πf1t-jπγτt+j0+jψ1-jθ1)+…其中，θm指色散相關(guān)的相移。
圖1系統(tǒng)的基準(zhǔn)臂中本地振蕩器的部分可以以類(lèi)似的方式描述。選擇相位調(diào)制頻率f2，使得這兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)之間的頻率差f1-f2在光接收器的帶寬內(nèi)。電場(chǎng)的等式是e2(t)＝exp(j2πυ0t+j0+ja2cos(2πf2t+ψ2)) (5)其中，a2是調(diào)制深度，ψ2表示施加給相位調(diào)制器的電信號(hào)的相位噪聲。通過(guò)Jacobi-Anger展開(kāi)(2)e2(t)＝j(luò)J1(a2)exp(j2πυ0t-j2πf2t+j0-jψ2)+J0(a2)exp(j2πυ0t+j0)+(6)jJ1(a2)exp(j2πυ0t+j2πf2t+j0+jψ2)+…根據(jù)等式I＝(e1′+e2)(e1′+e2)*來(lái)計(jì)算在光接收器的光檢測(cè)器處的強(qiáng)度。只考慮頻率在接收器帶寬內(nèi)的干涉項(xiàng)(例如，僅僅考慮等式(4)和(6)的相應(yīng)邊帶的干涉)。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，選擇光接收器的帶寬，使得光接收器檢測(cè)低頻干涉信號(hào)，而不檢測(cè)其他更高頻率的干涉信號(hào)。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)檢測(cè)器響應(yīng)度等于1，并且只測(cè)量交流(AC)項(xiàng)，那么光接收器的光檢測(cè)器的電流是i(t)＝2J1(a1)J1(a2)cos(2πΔft+2πγτt+θ-1+ψ1-ψ2)+2J0(a1)J0(a2)cos(2πγτt+θ0)+ (7)2J1(a1)J1(a2)cos(2πΔft-2πγτt-θ1+ψ1-ψ2)+…其中，Δf＝f1-f2。在圖3A至圖3C中對(duì)等式(4)、(6)和(7)進(jìn)行了圖解說(shuō)明。具體而言，圖3A標(biāo)示了光域中本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分的電場(chǎng)，圖3B標(biāo)示了光域中本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分的電場(chǎng)，圖3C標(biāo)示了電域中由混合本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分而得到的電流。以乘積形式表示的電頻Δf下的電流是i(t)＝4J1(a1)J1(a2)cos(2πγτt+θ0)cos(2πΔft+Δθ+ψ1-ψ2)， (8)其中，θ0＝(θ-1+θ1)/2，Δθ＝(θ-1-θ1)/2。上面的等式描述了調(diào)幅(AM)信號(hào)。在Δf＞γτ的情況下，載波頻率是Δf，AM頻率是γτ。AM信號(hào)cos(2πγτt+θ0)表示在干涉外差光網(wǎng)絡(luò)分析儀中的傳統(tǒng)測(cè)量信號(hào)。該信號(hào)的相移θ0是對(duì)色散的測(cè)量。這種傳統(tǒng)方法對(duì)熱和振動(dòng)不穩(wěn)定性的敏感性起源于干涉儀的不平衡τ對(duì)熱和振動(dòng)效應(yīng)的依賴(lài)性。此外，該測(cè)量對(duì)掃描速度γ的變化敏感。
載波信號(hào)cos(2πΔft+Δθ+ψ1-ψ2)提供了色散測(cè)量的新方法。與干涉信號(hào)的頻率γτ不同，頻率Δf是常數(shù)并且不依賴(lài)于環(huán)境的變化以及本地振蕩器信號(hào)的掃描速度的變化。相移Δθ包含色散效應(yīng)，并且測(cè)量出其在邊帶J-1和J1之間。群時(shí)延可以由下面的等式計(jì)算τg≈ΔθΔω----(9)]]>其中，Δω＝2πf，f≈f1，2。群時(shí)延測(cè)量的精度是相位項(xiàng)ψ1-ψ2中包含的電相位噪聲的函數(shù)，這樣圖1的調(diào)制控制器110必須具有低的電相位噪聲。應(yīng)該注意，在外差光網(wǎng)絡(luò)分析儀中傳統(tǒng)上所使用的信號(hào)被保存并且可用于處理。
在Δf＜γτ(例如DUT具有非常長(zhǎng)的引線或者非常快的本地振蕩器信號(hào)掃描速度)的情況下，信號(hào)cos(2πγτt+θ0)作為載波，而cos(2πΔft+Δθ+ψ1-ψ2)描述了其幅度調(diào)制。在這種情況下，由于較高的環(huán)境不穩(wěn)定性和較高的頻率γτ，干涉測(cè)量非常困難或者根本不可能。但是，這種方法的AM信號(hào)cos(2πΔft+Δθ+ψ1-ψ2)可以通過(guò)AM解調(diào)制的傳統(tǒng)方法(例如混合或峰檢測(cè))被檢測(cè)，從而可以測(cè)量相移Δθ。這樣，所描述的技術(shù)允許對(duì)較長(zhǎng)的多個(gè)DUT進(jìn)行群時(shí)延測(cè)量。這是該技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的干涉外差網(wǎng)絡(luò)分析儀的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
在這部分中得到的主要公式用于最近的邊帶J-1和J1。但是，可以容易地將這些主要的公式推廣到任意對(duì)的邊帶。當(dāng)考慮涉及具有不同偏振狀態(tài)的多個(gè)邊帶的偏振分析測(cè)量時(shí)，可以使用更高級(jí)別的邊帶。此外，在對(duì)較長(zhǎng)的多個(gè)DUT的測(cè)量中可以使用更高級(jí)別的邊帶。
通過(guò)偏振調(diào)制的微分群時(shí)延測(cè)量在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分的偏振調(diào)制來(lái)測(cè)量DUT的偏振依賴(lài)特性(包括微分群時(shí)延)。圖4描繪了用于測(cè)量DUT的偏振依賴(lài)特性(包括微分群時(shí)延)的系統(tǒng)400。圖4的系統(tǒng)類(lèi)似于圖1的系統(tǒng)，只是圖4的系統(tǒng)中測(cè)試信號(hào)調(diào)制器434是偏振調(diào)制器，光接收器416是偏振分集接收器。參照?qǐng)D4，偏振分束器452處于在光組合單元414和光接收器416之間的光路上。光接收器對(duì)從偏振分束器輸出的兩個(gè)偏振束中的每一束都包括一個(gè)光檢測(cè)器。偏振分束器和多個(gè)光檢測(cè)器使得光接收器成為本領(lǐng)域中公知的偏振分集接收器。偏振調(diào)制器434包括在Ti不擴(kuò)散的LiNbO3相位調(diào)制器的輸入端處的偏振器450。這樣，通過(guò)以45度向雙折射元件中發(fā)射線性偏振的本地振蕩器信號(hào)，以平衡兩個(gè)線性偏振模式的功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制。由于不同的光電系數(shù)值，本地振蕩器信號(hào)的每一個(gè)偏振模式都經(jīng)歷不同的相位調(diào)制。如圖5A所描繪的，對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分進(jìn)行偏振調(diào)制，產(chǎn)生在載波頻率處有中間頻譜峰503以及以間距f1隔開(kāi)的多個(gè)邊帶頻譜峰505的光信號(hào)。偏振調(diào)制的結(jié)果是，每一個(gè)頻譜峰都具有不同的偏振狀態(tài)(例如，P0、P1、P2、P3和P4)。本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分被相位或偏振調(diào)制，產(chǎn)生在載波頻率處有中間頻譜峰507以及以頻率間距f2隔開(kāi)的多個(gè)邊帶509的光信號(hào)，如圖5B所描繪的。這兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)的頻率之間的偏移對(duì)應(yīng)于干涉儀的自由頻譜范圍，且等于τ。這樣，圖5A和圖5B之間的偏移表示當(dāng)調(diào)制頻率差Δf＝f1-f2小于τ(例如較短的DUT或較慢的掃描速度的情況)時(shí)的測(cè)量情景。
在操作中，本地振蕩器信號(hào)的已被偏振調(diào)制的測(cè)試部分通過(guò)DUT接口412被提供給DUT 420。然后，本地振蕩器信號(hào)的已偏振調(diào)制的測(cè)試部分與本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分在光組合單元414被組合，以形成組合光信號(hào)。該組合光信號(hào)接著被光接收器416檢測(cè)和混合。本地振蕩器信號(hào)的已被偏振調(diào)制測(cè)試部分與本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制基準(zhǔn)部分的混合，將光頻向下轉(zhuǎn)變成期望的電頻。然后，本地振蕩器信號(hào)的已偏振調(diào)制的測(cè)試部分的頻譜峰之間的相位差可以根據(jù)相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)變電信號(hào)來(lái)確定，并且被用于測(cè)量例如微分群時(shí)延的偏振依賴(lài)特性。被檢測(cè)信號(hào)的幅度可以被用來(lái)確定偏振依賴(lài)狀態(tài)的幅度響應(yīng)，例如偏振依賴(lài)損耗。從具有不同偏振狀態(tài)的調(diào)制邊帶的不同組之間的相位差，來(lái)直接確定微分群時(shí)延。
微分群時(shí)延測(cè)量原理下面是對(duì)通過(guò)基于干涉儀的系統(tǒng)與偏振調(diào)制來(lái)測(cè)量DUT的偏振依賴(lài)特性(包括微分群時(shí)延)中所涉及的原理的描述。
偏振調(diào)制在圖4中描繪了包括調(diào)制器434和偏振器450的偏振調(diào)制器。偏振調(diào)制器是對(duì)兩個(gè)偏振模式不同地進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)制偏振狀態(tài)的器件。例如，偏振調(diào)制器可以使用偏振器和Ti不擴(kuò)散的LiNbO3相位調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本地振蕩器信號(hào)以45度通過(guò)處于線性偏振狀態(tài)的偏振器被發(fā)射到Ti不擴(kuò)散的LiNbO3相位調(diào)制器中，以平衡調(diào)制器的兩個(gè)線性偏振模式的功率。由于不同的光電系數(shù)值(γ33≈3γ13)，每一個(gè)偏振模式都經(jīng)歷不同的相位調(diào)制。在數(shù)學(xué)上，使用Jones向量符號(hào)，已偏振調(diào)制的光波的電場(chǎng)由下面的等式描述 其中，a1≈3b1。使用Jacobi-Anger展開(kāi)(5)，得到下面的表達(dá)式 這樣，在光頻υ0±m(xù)f1下的光波具有由Jones向量 描述的偏振狀態(tài)。
因?yàn)镴m(a1)和Jm(b1)是實(shí)數(shù)，所以相應(yīng)的偏振狀態(tài)是線性的，并且在Poincare球上沿赤道分布。通過(guò)將調(diào)制深度調(diào)整為a1≈3b1，就可能控制各個(gè)線性偏振狀態(tài)的方位。在圖6中示出了邊帶的不同偏振狀態(tài)，其中，已調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的多個(gè)頻譜峰(以調(diào)制頻率f1隔開(kāi))具有不同的線性偏振狀態(tài)。特別有趣的排列是使兩個(gè)不同邊帶的偏振狀態(tài)正交或幾乎正交。例如，通過(guò)使J1(a1)J3(a1)+J1(b1)J3(b1)＝0，具有光頻υ0±f1和υ0±3f1的光波具有正交的偏振狀態(tài)。此外，如在下一個(gè)部分中示出的，可以在不同電頻下檢測(cè)這些光波。這允許對(duì)在兩個(gè)或更多個(gè)偏振狀態(tài)下的DUT同時(shí)進(jìn)行測(cè)量?？梢允褂眠@種同時(shí)測(cè)量來(lái)確定DUT的偏振性能，例如微分群時(shí)延或偏振依賴(lài)損耗。
偏振分析測(cè)量假設(shè)本地振蕩器信號(hào)的已偏振調(diào)制的測(cè)試部分傳播通過(guò)由Jones矩陣M描述的DUT。假設(shè)矩陣M的元素在已調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的頻譜寬度范圍內(nèi)具有不變的幅度。即，矩陣元素對(duì)于包括已調(diào)制本地振蕩器信號(hào)的邊帶(三個(gè)到四個(gè)邊帶)具有相同的幅度。但是，元素的相位在邊帶之間不同，該邊帶用標(biāo)記m指代Mm=aexp(jαm)bexp(jβm)cexp(jγm)dexp(jσm)----(12).]]>此外，測(cè)試臂中的光波經(jīng)歷頻率平移γτ。將等式(11)和(12)相乘并考慮其余的相移，得到在傳播通過(guò)DUT后電場(chǎng)的表達(dá)式 上面的表達(dá)式只考慮了三個(gè)邊帶。在圖7中圖示了光波通過(guò)DUT的傳播。具體而言，圖7圖示了已偏振調(diào)制的信號(hào)在其被提供給DUT 720之前以及被提供給DUT之后的偏振狀態(tài)。在載波的每一側(cè)只示出了等式(13)的三個(gè)邊帶。如圖4所示，光接收器是偏振分集的，因此選擇在基準(zhǔn)臂中本地振蕩器信號(hào)的偏振狀態(tài)，以在光接收器的兩個(gè)光檢測(cè)器處提供相等的功率。當(dāng)描述任意偏振狀態(tài)的Jones向量 中的角度α近似等于π/4時(shí)，提供相等的功率。當(dāng)考慮偏振狀態(tài)并使用Jacobi-Anger展開(kāi)(2)時(shí)，描述基準(zhǔn)臂中本地振蕩器信號(hào)的等式(5)變?yōu)?來(lái)自測(cè)試臂406的波e1′(t)和來(lái)自基準(zhǔn)臂408的e2(t)在光組合單元414被組合。所得到的電場(chǎng)e(t)＝e1′(t)+e2(t)在偏振分集接收器416被檢測(cè)。這樣，與所得到的Jones向量的上部和下部元素相對(duì)應(yīng)的水平和垂直線性偏振分量被分開(kāi)檢測(cè)。在數(shù)學(xué)上，水平分量由eh(t)＝Phe(t)定義，而垂直分量由ev(t)＝Pve(t)定義，其中，Ph=1000,]]>Pv=0001.]]>假設(shè)接收器光檢測(cè)器的響應(yīng)度等于1，那么從水平偏振狀態(tài)產(chǎn)生的電流由公式ih(t)＝eh(t)eh(t)*計(jì)算，等于ih(t)=Σm=-33(aJm(a1)Jm(a2)cos(2πmΔft-2πγτt+mΔψ+αm)+bJm(b1)Jm(a2)cos(2πmΔft-2πγτt+mΔψ+βm))----(15)]]>其中，Δf＝f1-f2，Δψ＝ψ1-ψ2。上面的等式只列出了在測(cè)量系統(tǒng)中被檢測(cè)和處理的AC項(xiàng)。類(lèi)似地，關(guān)于垂直偏振狀態(tài)，iv(t)＝ev(t)ev(t)*給出iv(t)=Σm=-33(cJm(a1)Jm(a2)cos(2πmΔft-2πγτt+mΔψ+γm)+dJm(b1)Jm(a2)cos(2πmΔft-2πγτt+mΔψ+σm))----(16)]]>現(xiàn)在假設(shè)，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制深度使在光頻υ0±f1下相位調(diào)制器的輸入偏振狀態(tài)為垂直的，從而使得J1(a1)＝0。因?yàn)檎{(diào)制深度b1大約小三倍，所以J3(b1)≈0。因此，光頻υ0±3f1幾乎處于水平偏振狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)在頻率Δf下的第一邊帶以及在頻率3Δf下的第三邊帶，測(cè)量對(duì)幾乎正交偏振狀態(tài)的DUT響應(yīng)。根據(jù)等式(15)由第三諧波得到在光接收器的水平偏振狀態(tài)下測(cè)量到的對(duì)水平偏振狀態(tài)激勵(lì)的DUT響應(yīng)ih3(t)＝2aJ3(a1)J3(a2)cos(2πγτt-α0)cos(6πΔft+3Δψ+Δα3)， (17)其中，α0＝(a3+α-3)/2，Δα3＝(a3-α-3)/2。類(lèi)似地，根據(jù)等式(15)由第一諧波中得到在水平偏振狀態(tài)下測(cè)量到的對(duì)垂直偏振狀態(tài)激勵(lì)的DUT響應(yīng)ih1(t)＝2bJ1(b1)J1(a2)cos(2πγτt-β0)cos(2πΔft+Δψ+Δβ1)， (18)其中，β0＝(β1+β-1)/2，Δβ1＝(β1-β-1)/2。通過(guò)相同的程序，根據(jù)等式(16)由第三諧波得到在接收器的垂直偏振下測(cè)量到的對(duì)水平偏振狀態(tài)激勵(lì)的DUT響應(yīng)iv3(t)＝2cJ3(a1)J3(a2)cos(2πγτt+ζ-γ0)cos(6πΔft+3Δψ+Δγ3)， (19)其中，γ0＝(γ3+γ-3)/2，Δγ3＝(γ3-γ-3)/2。最后，根據(jù)等式(16)由第一諧波得到在光接收器的垂直偏振下測(cè)量到的對(duì)垂直偏振狀態(tài)激勵(lì)的DUT響應(yīng)iv1(t)＝2dJ1(b1)J1(a2)cos(2πγτt+ζ-σ0)cos(2πΔft+Δψ+Δσ1)，(20)其中，σ0＝(σ1+σ-1)/2，Δσ1＝(σ1-σ-1)/2。在圖8中圖解示出了等式(13)、(14)和得出等式(17)～(20)的混合過(guò)程。具體而言，圖8的左側(cè)描繪了本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分在測(cè)試部分已經(jīng)被提供給DUT而這兩個(gè)信號(hào)還沒(méi)有被組合和混合之前的偏振狀態(tài)。圖8的右側(cè)分別描繪了已混合信號(hào)的水平和垂直分量。等式(17)～(20)描述了與等式(8)描述的信號(hào)具有相同性能的信號(hào)。因此，可能的測(cè)量方法是相似的?？梢栽陔婎lγτ下測(cè)量干涉信號(hào)以確定Jones矩陣(12)的相位項(xiàng)α、β、γ和σ。這種傳統(tǒng)的測(cè)量對(duì)熱不穩(wěn)定性和振動(dòng)敏感?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明，在頻率Δf和3Δf下對(duì)相位差Δα、Δβ、Δγ和Δσ的微分測(cè)量構(gòu)成了對(duì)環(huán)境不敏感的技術(shù)。通過(guò)積分從相位差得到相位項(xiàng)。在任何一種方法中，從被檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度確定幅度a、b、c和d。這樣，在任何一種方法中，都可以重構(gòu)Jones矩陣(12)。必須說(shuō)明，一般通過(guò)將Jones矩陣的一些元素設(shè)置為常數(shù)(例如d＝1和σ0＝0)來(lái)重構(gòu)歸一化Jones矩陣就足夠了。這意味著對(duì)幅度和相位的相對(duì)測(cè)量(例如a/d和a-σ)。相位的任何恒定的偏移都不重要。這就是為什么等式(19)和(20)中的相移ζ，或者積分過(guò)程，對(duì)例如根據(jù)本征分析確定的微分群時(shí)延沒(méi)有影響的原因。還要注意，微分相位測(cè)量允許對(duì)具有長(zhǎng)引線的DUT進(jìn)行表征(例如，對(duì)一卷光纖的色散測(cè)量)。在使用公知的干涉方法時(shí)，對(duì)具有長(zhǎng)引線的元件進(jìn)行測(cè)量是非常難的或者是不可能的。上面給出的解決方法不是唯一的方法，但是它相對(duì)簡(jiǎn)單。一般，不需要使用正交偏振狀態(tài)。此外，在分析中只使用具有正交偏振狀態(tài)的兩個(gè)邊帶。在提高測(cè)量的精確度或者在校準(zhǔn)時(shí)可以增加使用具有其他偏振狀態(tài)的其余邊帶。在本說(shuō)明書(shū)中沒(méi)有包含對(duì)更復(fù)雜測(cè)量情景的描述，以避免數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性。
雖然參照?qǐng)D1和圖4描述的系統(tǒng)將本地振蕩器信號(hào)分為測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分以給予不同的調(diào)制頻率，但是在可替換的實(shí)施例中，在本地振蕩器信號(hào)被分為測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分之后，可以對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分施加兩個(gè)不同的調(diào)制頻率。圖9描繪了系統(tǒng)900的例子，其中，在本地振蕩器信號(hào)被分為獨(dú)立的部分之后，可以對(duì)該信號(hào)的測(cè)試部分施加兩個(gè)調(diào)制頻率。該系統(tǒng)包括本地振蕩器源902、分光器904、第一調(diào)制器934、DUT接口912(用于連接到DUT 920)、第二調(diào)制器940、光組合單元914、光接收器916和處理單元918。
參照?qǐng)D9描述的系統(tǒng)900的操作包括產(chǎn)生在一定波長(zhǎng)范圍中掃描的本地振蕩器信號(hào)。本地振蕩器信號(hào)被分成測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分，測(cè)試部分被第一調(diào)制器934在頻率f1下調(diào)制，然后被提供給DUT 920。在與DUT相互作用之后，本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分被第二調(diào)制器940在頻率f2下調(diào)制，這里調(diào)制頻率f1和f2互不相同。然后，本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分與本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分被組合，該組合光信號(hào)被光接收器916檢測(cè)和混合。由光接收器產(chǎn)生的電信號(hào)被處理器918接收并處理以確定DUT的至少一個(gè)光學(xué)特性。具體而言，響應(yīng)于所接收的光信號(hào)，可以確定DUT的幅度、相位和群時(shí)延響應(yīng)。在要測(cè)量偏振依賴(lài)特性時(shí)，該系統(tǒng)可以包括偏振器962和964以及偏振分集接收器(未示出)。
在另一個(gè)可替換實(shí)施例中，通過(guò)在將光測(cè)試和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行光混合之外，再混合兩個(gè)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。具體來(lái)說(shuō)，在頻率f1下被調(diào)制的光信號(hào)的光譜峰與本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分組合并且在光接收器中被光學(xué)混合，以產(chǎn)生在電頻f1附近的電信號(hào)。然后，來(lái)自光接收器的電信號(hào)與頻率f2的電信號(hào)電學(xué)混合，以生成被轉(zhuǎn)變?yōu)殡婎lf1-f2的電信號(hào)。如在圖1所示的實(shí)施例中，在頻率f1-f2附近的電信號(hào)包含傳播通過(guò)DUT的光測(cè)試信號(hào)的邊帶之間的相位差。在電學(xué)混合的情況下，光接收器的帶寬必須容納電頻f1。但是，處理單元的帶寬可以被限制為電頻f1-f2。圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于分析光學(xué)性能的另一個(gè)系統(tǒng)1000的例子，其使用兩個(gè)信號(hào)的電學(xué)混合。圖10的系統(tǒng)包括本地振蕩器源1002、分光器1004、測(cè)試臂1006、基準(zhǔn)臂1008、調(diào)制控制器1010、DUT接口1012(被示出為連接到DUT 1020)、光組合單元1014、包括光接收器1016和電混合器1017的接收/混合系統(tǒng)1015以及處理單元。系統(tǒng)1000類(lèi)似于圖1的系統(tǒng)100，只是本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分沒(méi)有被調(diào)制。相反，頻率為f2的電信號(hào)由調(diào)制控制器產(chǎn)生，并且與在光接收器1016內(nèi)由已組合的測(cè)試臂中本地振蕩器信號(hào)的經(jīng)調(diào)制測(cè)試部分以及基準(zhǔn)臂1008中本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分產(chǎn)生的電信號(hào)混合。電混合將這兩個(gè)信號(hào)的頻率向下轉(zhuǎn)變到接近f1-f2的期望電頻。然后，如上所述，轉(zhuǎn)變得到的信號(hào)被處理，來(lái)表征DUT的期望性能。
在圖11中描繪了用于測(cè)量DUT的偏振依賴(lài)特性(包括微分群時(shí)延)的系統(tǒng)1100。系統(tǒng)1100與圖4的系統(tǒng)400類(lèi)似，只是本地振蕩器信號(hào)的基準(zhǔn)部分沒(méi)有被調(diào)制，并且信號(hào)在接收/混合系統(tǒng)1115中被接收和混合。系統(tǒng)1100使用與圖10的系統(tǒng)1000類(lèi)似的電混合來(lái)操作。使用圖11的系統(tǒng)，本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分在頻率f1下被偏振調(diào)制，并被提供給DUT，然后與本地振蕩器信號(hào)的未調(diào)制基準(zhǔn)部分組合。組合光信號(hào)在光接收器1116被檢測(cè)，光接收器1116是偏振分集接收器。調(diào)制控制器還產(chǎn)生頻率為f2、2f2和3f2的三個(gè)電信號(hào)。這些電信號(hào)與由所接收的組合光信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)電混合。這種電混合將混合信號(hào)的頻率向下轉(zhuǎn)變到接近Δf、2Δf和3Δf的期望電頻，其中，Δf＝f1-f2。然后，如上參照?qǐng)D4描述的，轉(zhuǎn)變得到的信號(hào)被處理，來(lái)表征DUT的期望偏振依賴(lài)性能。
在另一個(gè)可替換的實(shí)施例中，調(diào)制器、分離器和耦合器的組合被包括在一個(gè)或多個(gè)集成光學(xué)芯片(例如平面波導(dǎo))中。圖12A、12B和12C描繪了可以與圖1和圖4的系統(tǒng)一起使用的集成光學(xué)元件的例子。圖12A的系統(tǒng)包括兩個(gè)調(diào)制器1234和1240，它們被包含在集成光學(xué)元件1270中。圖12B的系統(tǒng)包括兩個(gè)調(diào)制器1234和1240、分光器1204以及光耦合器1214。圖12C包括兩個(gè)集成光學(xué)元件1278和1275，第一元件1278包括分光器1204和兩個(gè)調(diào)制器，第二元件1275包括光耦合器1214和兩個(gè)調(diào)制器。集成的調(diào)制器、分離器和耦合器執(zhí)行與圖1和圖4的系統(tǒng)中相應(yīng)光學(xué)元件等同的功能。這些系統(tǒng)中的任何一個(gè)可以包括在輸入端的偏振器和在輸出端的偏振分束器，以支持偏振依賴(lài)分析，如上參照?qǐng)D4描述的。
圖13描繪了用于表征光學(xué)性能的方法的流程圖。在塊1302中，產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)。在塊1304，對(duì)本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行第一調(diào)制。在塊1306，已進(jìn)行所述第一調(diào)制的本地振蕩器信號(hào)被提供給DUT。在塊1308，接收已進(jìn)行第一調(diào)制的本地振蕩器信號(hào)。在塊1310，所接收的本地振蕩器信號(hào)與第二信號(hào)被光學(xué)混合。
雖然已經(jīng)描述和圖示了根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這樣描述和圖示的部件的特定形式和安排。本發(fā)明僅由權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種分析光學(xué)性能的方法，包括產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)；對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行第一調(diào)制；將已進(jìn)行所述第一調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)提供給被測(cè)器件；接收已進(jìn)行所述第一調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)；以及將所述被接收的本地振蕩器信號(hào)與第二信號(hào)進(jìn)行光學(xué)混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括對(duì)來(lái)自所述接收和混合操作的電信號(hào)進(jìn)行處理，來(lái)表征所述被測(cè)器件的群時(shí)延性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括對(duì)來(lái)自所述接收和混合操作的電信號(hào)進(jìn)行處理，來(lái)表征所述被測(cè)器件的幅度性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)行所述第一調(diào)制包括對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行相位調(diào)制、偏振調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二信號(hào)通過(guò)對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行第二調(diào)制產(chǎn)生，并且該方法還包括在所述接收和混合操作之前，將所述本地振蕩器信號(hào)已進(jìn)行所述第一調(diào)制的所述部分與所述本地振蕩器信號(hào)已進(jìn)行所述第二調(diào)制的所述部分組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，響應(yīng)于第一電信號(hào)進(jìn)行所述第一調(diào)制，響應(yīng)于第二電信號(hào)進(jìn)行所述第二調(diào)制，所述第一電信號(hào)和所述第二信號(hào)具有不同的頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將從所述接收和光學(xué)混合產(chǎn)生的電信號(hào)與不同的電信號(hào)進(jìn)行電混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)行所述第一調(diào)制包括對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行偏振調(diào)制，該方法還包括處理來(lái)自所述接收和混合操作的電信號(hào)以確定Jones矩陣的元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)行所述第一調(diào)制包括對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行偏振調(diào)制，該方法還包括處理來(lái)自所述接收和混合操作的電信號(hào)以表征微分群時(shí)延。
10.一種用于分析光學(xué)性能的系統(tǒng)，包括本地振蕩器源，用于產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)；調(diào)制控制器，其被配置用于提供第一頻率的第一電信號(hào)；第一光信號(hào)調(diào)制器，其被光學(xué)連接以響應(yīng)于所述第一電信號(hào)對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行調(diào)制；被測(cè)器件接口，其與所述第一調(diào)制器進(jìn)行光通信；以及與所述第一光信號(hào)調(diào)制器和所述被測(cè)器件接口進(jìn)行光通信的系統(tǒng)，用于接收響應(yīng)于所述第一電信號(hào)而被調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)，以及將所述被接收的本地振蕩器信號(hào)與第二信號(hào)光學(xué)混合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括與所述接收和混合系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，其被配置用于處理電信號(hào)以表征被光學(xué)連接到所述被測(cè)器件接口的被測(cè)器件的群時(shí)延性能。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括與所述接收和混合系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，其被配置用于處理電信號(hào)以表征被光學(xué)連接到所述被測(cè)器件接口的被測(cè)器件的幅度性能。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述第一光信號(hào)調(diào)制器是相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器中的一個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括第二光信號(hào)調(diào)制器和光組合單元，所述第二光信號(hào)調(diào)制器被光學(xué)連接來(lái)響應(yīng)于來(lái)自所述調(diào)制控制器的第二電信號(hào)對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行調(diào)制，所述光組合單元與所述被測(cè)器件接口和所述第二光信號(hào)調(diào)制器進(jìn)行光通信，用于組合響應(yīng)于所述第一電信號(hào)而被調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)與響應(yīng)于所述第二電信號(hào)而被調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)具有不同的頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括電混合器，其被配置用于將不同的電信號(hào)與從響應(yīng)于所述第一電信號(hào)被調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行電混合。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述第一光信號(hào)調(diào)制器是偏振調(diào)制器，并且其中所述接收和混合系統(tǒng)包括偏振分集接收器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，還包括與所述接收和混合系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，其被配置用于處理電信號(hào)以確定Jones矩陣的元素。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，還包括與所述接收和混合系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，其被配置用于處理電信號(hào)以表征微分群時(shí)延。
20.一種用于分析光學(xué)性能的系統(tǒng)，包括本地振蕩器源，用于產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)；第一調(diào)制器，其被光學(xué)連接用于對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行調(diào)制；被測(cè)器件接口，其與所述第一調(diào)制器進(jìn)行光通信；第二調(diào)制器，其被光學(xué)連接用于對(duì)所述本地振蕩器信號(hào)的至少一部分進(jìn)行調(diào)制；以及與所述第一調(diào)制器、所述被測(cè)器件接口和所述第二調(diào)制器進(jìn)行光通信的光接收器，所述光接收器被配置用于接收和光學(xué)混合已經(jīng)進(jìn)行第一和第二調(diào)制的所述本地振蕩器信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，還包括與所述光接收器進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，所述處理單元被配置用于處理從所述光接收器接收的電信號(hào)，以表征被光學(xué)連接到所述被測(cè)器件接口的被測(cè)器件的群時(shí)延性能。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述測(cè)試信號(hào)調(diào)制器是偏振調(diào)制器，并且其中所述光接收器是偏振分集接收器，所述系統(tǒng)還包括與所述偏振分集接收器進(jìn)行信號(hào)通信的處理單元，所述處理單元被配置用于處理從所述偏振分集接收器接收的電信號(hào)，以表征所述被測(cè)器件的群時(shí)延性能。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于表征被測(cè)器件(DUT)的光學(xué)性能的方法和系統(tǒng)。如下對(duì)被測(cè)器件(DUT)的群時(shí)延進(jìn)行測(cè)量在不同頻率對(duì)本地振蕩器信號(hào)的測(cè)試部分和基準(zhǔn)部分進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，將本地振蕩器信號(hào)的已調(diào)制測(cè)試部分提供給DUT，然后光學(xué)混合兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)。光學(xué)混合兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)將光頻向下轉(zhuǎn)變到電頻。由DUT引起的相變通過(guò)測(cè)量本地振蕩器信號(hào)測(cè)試部分的調(diào)制邊帶之間的相差來(lái)確定?？梢圆挥霉鈱W(xué)混合而用電混合來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)變。
文檔編號(hào)G01M11/00GK1652483SQ20051000735
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月5日
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