專利名稱：光相位檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量在兩輸入信號之間的相位差的光相位檢測器。本發(fā)明還涉及光相位檢測器的應用，包括在光鑒頻器和激光穩(wěn)定裝置中的應用。
通常，通過如下的方式光學地測量相位差使兩束光干涉形成干涉條紋花樣并且測量當它移過攝象機正面時由于相對相位變化引起的條紋花樣。這種測量方式的缺點是為了能夠精確地測量相位或位置要對條紋進行計數和在條紋之間進行插值。這個過程相對較慢并且不是特別精確。這種檢測器可以應用在移位測量方案中比如在激光計量學中以精確地測量位置，即精確到光波的幾分之一。
先前已經應用光學技術通過混合兩束穩(wěn)定的激光產生微波輻射和相控陣天線波形，在這些技術中應用簡單的光學系統(tǒng)來執(zhí)行復雜的微波功能。公知的產生穩(wěn)定的微波輻射的技術是通過并入在RF中的纖維光學延遲線、微波或毫米波(mm-波)鑒頻器電路來實現。這就使得能夠精確地控制在兩束穩(wěn)定的激光輸入的頻率之差，因此能夠使RF、微波或毫米波輸出穩(wěn)定(UK專利申請9523518.0)。在這種系統(tǒng)中激光的頻率可能偏移但在它們之間的頻率之差仍然保持恒定。這種系統(tǒng)的目的是提供一種形成RF頻率穩(wěn)定的輻射的裝置。
在許多申請中要求較高的光譜純度(即穩(wěn)定)的激光輻射。這些應用包括基礎物理研究比如引力子檢測、光化學、發(fā)光激勵光譜學、吸收和Raman光譜學以及比如纖維光學通信、傳感器、激光雷達、激光空氣速度指示器以及激光振動計的應用。然而，明確定義的頻率(波長)并具有較高的光譜純度(例如窄線寬)的激光一般很昂貴并且較復雜。應用簡單的氣體激光可實現較高的光譜純度，但需要類似的或優(yōu)良的性能的固態(tài)激光。固態(tài)激光包括激光二極管和二極管泵激YAG激光。使用最多的激光裝置是激光二極管。雖然這些裝置都相對較便宜，但這類裝置的光譜特別不穩(wěn)定，尤其是經常用于同時支持幾種模式的法布里珀羅標準具(fabry perot etalon)。
對于許多應用，比較有效的是克服光譜質量較差的問題并能夠穩(wěn)定單激光的頻率輸出。此外，對于某些應用，要求非常純的激光輻射。
先前在下文中已經描述了具有外部部件的激光器輸出的穩(wěn)定[FM noise reduction and sub kilohertz linewidth of an AlGaAslaser by negative electrical feedback(FM降噪和采用電負反饋的AlGaAs激光器的亞千赫線寬)，M.Ohustso et al.，IEEE Journalof Quantum Electronics 26(1990)pp231-241]。在這個系統(tǒng)中，外部部件是一個或多個高法布里珀羅(FP)干涉儀。通過應用干涉儀的反射特性檢測FM噪聲來實現激光的穩(wěn)定。然后應用電反饋來反饋這個信號以校正激光輸出。然而，該系統(tǒng)是一種成本高的復雜的自由空間系統(tǒng)。此外該系統(tǒng)在自由空間中運行，它尤其對外部因素比如振動、空氣循環(huán)以及塵土和溫度變化敏感。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠克服這些缺陷的激光穩(wěn)定裝置。本發(fā)明進一步目的是提供一種能夠包括在激光穩(wěn)定裝置中的光相位檢測器。
依據本發(fā)明的第一方面，光相位檢測器包括接收兩個光輸入并產生兩個復合光輸出的裝置，檢測兩光輸出并將每個復合光輸出的強度轉換成電信號的檢測裝置，測量在兩個電信號之差并產生輸出差信號的裝置，以及調制到光相位檢測器的一個光輸入的相位的電壓控制電光相位調制器，該電光相位調制器具有基本線性的響應，由此在應用中通過改變施加到電光相位調制器中的電壓將輸出差信號保持在基本恒定的電平，所施加的電壓提供在兩光輸入之間的相位差的指示。
光相位檢測器可以包括接收兩光輸入并產生兩復合光輸出的耦合裝置。該耦合裝置可以是從兩光輸入中產生兩復合光輸出的任何裝置，其中耦合裝置從每個光輸入中產生兩中間光輸出，從每個光輸入中所產生的兩中間光輸出在相位上正交，以及其中組合中間光輸出以形成兩復合光輸出。例如耦合器可以是一種光纖耦合器或其它的波導器件比如集成光波導耦合器。
可取的是，恒定的電平基本為零伏特。由于施加到電光相位調制器的電壓提供在兩光輸入之間的相位差值指示，這就提供了這樣的優(yōu)點由于驅動電光相位調制器所要求的電壓與在兩光輸入之間的相位差值成正比例，所以光相位檢測器線性化?？扇〉氖墙柚诜答伃h(huán)路從光相位檢測器的輸出中將這種電壓施加到電光調制器。光相位檢測器因此可以進一步包括將輸出差值信號反饋到電光相位調制器的裝置，根據該輸出差值信號改變施加到電光調制器的電壓以將該差值信號保持在基本恒定的電平。
光相位檢測器提供了這樣的優(yōu)點它提供指示在兩光輸入信號之間的相對相位差值的電輸出信號。由于輸入的光頻率較高因此通過常規(guī)的電相位檢測器并不能實現著一點。
此外，雖然可以通過如下的方式光學地測量相位差使兩束光干涉形成干涉條紋花樣并且當它移過攝象機正面時測量由于相對相位變化引起的條紋花樣，但是為了精確地測量相位或位置這種測量方式依賴于對條紋進行計數和在條紋之間的插值。本發(fā)明的光相位檢測器的優(yōu)點是將直接的電信號作為輸出，該電信號可以在至少360°的延伸范圍上給出相位差的線性測量。
電光相位調制器可以包括在集成的光學基片上的光學波導，該基片優(yōu)選鈮酸鋰、鉭酸鋰和砷化鎵中任何基片。電光相位調制器的頻率響應至少為1兆赫茲，優(yōu)選至少1千兆赫。可替換的是電光相位調制器可以采用帶有壓電材料的光纖的形式。例如壓電材料可以淀積在光纖上或以其它的方式連接在光纖上。該光纖可以是剝離了外部敷層的光纖。
可取的是到耦合裝置的兩光輸入具有基本相同的幅值。這兩個光輸入可以從相同的輻射源例如單激光中導出。在這種結構中光相位檢測器提供取決于來自相同輻射源的兩個光學輸入之間的相位差值的電輸出，由此提供相對相位差值的測量值?？商鎿Q的是在某些應用中兩個光輸入都可以從兩個不同的輻射源中導出，優(yōu)選從具有相同的幅值的輻射源中導出。
在光相位檢測器還可以包括調制到光相位檢測器的至少一個輸入的偏振以確保兩個輸入的偏振基本相同的偏振調制裝置。通常，偏振調整裝置可以是纖維光學或集成光學的偏振調制器。
光相位檢測器可以包括兩個光電檢測器，每個光電檢測器都檢測一個光輸出的強度并產生響應該光輸出的電輸出信號。光電檢測器優(yōu)選匹配的光電檢測器。
依據本發(fā)明的第二方面，鑒頻器裝置包括；
如上文所描述的光相位檢測器，從輻射源中接收初級光輸入并產生兩初級光輸出的裝置，以及在兩初級光輸出之間引入相對延遲的裝置，在其間具有相對延遲的兩初級光輸出提供光相位檢測器的輸入。
例如，鑒頻器可以包括從初級光輸入中產生兩初級光輸出的初級耦合裝置。兩初級光輸出優(yōu)選具有基本相同的幅值。
如果相對延遲是已知的并基本穩(wěn)定，在鑒頻器裝置中光相位檢測器的電輸出提供對輸入激光的光頻率(或波長)的測量。
可取的是，在兩初級光輸出之間引入相對延遲的裝置包括具有不同的光學路徑長度的兩個長度的光纖。例如一個長度的光纖可以用于傳輸一個初級光輸出，而另一個初級光輸出可以通過長度可忽略的光纖傳輸?？商鎿Q的是可以應用另一種類型的延遲媒介，例如應用集成光學延遲線。
一個或多個長度的光纖可以是單模光纖、溫度穩(wěn)定型單模光纖或溫度穩(wěn)定型偏振保持光纖。應用溫度穩(wěn)定型光纖的優(yōu)點是該裝置改善了溫度的穩(wěn)定性?？商鎿Q的是為實現溫度的穩(wěn)定，可以將該裝置容納在恒溫爐中。
當將例如溫度、壓力或應力應用到光纖延遲線中時，包括如上文所描述的光相位檢測器的鑒頻器裝置形成一種測量這些被測量變量中的任何一種變量的傳感器。傳感器的應用中如果在該裝置中的相對光學延遲基本為零則比較有利。
依據本發(fā)明的另一方面，穩(wěn)定輻射源的輸出的激光穩(wěn)定裝置包括鑒頻器裝置，其包括從具有一頻率的輻射源中接收初級光輸入并產生兩初級光輸出的輸入裝置，在兩初級光輸出之間產生相對延遲的裝置，在其間具有相對延遲的兩初級光輸出輸入到光相位檢測器中，其中光相位檢測器包括接收兩光輸入并產生兩復合光輸出的耦合裝置、檢測兩復合光輸出的強度并將每個復合光輸出的強度轉換為電信號的檢測裝置和測量在兩電信號之間的差值并產生輸出差信號的裝置，激光穩(wěn)定裝置進一步包括將鑒頻器的光相位檢測器的輸出信號差反饋到輻射源的反饋裝置。
輻射源可以是激光，所說激光具有適合的調諧點使得輸出差信號可以反饋到調諧點。
接收初級光輸入的輸入裝置可以是輸入耦合裝置，比如耦合器或分束器。
該裝置比已知的裝置簡單，因此制造成本低。它還不存在自由空間的問題。此外，例如通過選擇不同的延遲時間激光穩(wěn)定裝置能夠在較窄到較寬的頻率范圍上穩(wěn)定激光的輸出，根據要求可以改變這種頻率范圍。
在激光穩(wěn)定裝置的一個實施例中，該裝置包括一個或多個附加的鑒頻器，每個鑒頻器具有對應的反饋裝置以將相關的光相位檢測器的電輸出反饋到輻射源。不同鑒頻器的光相位檢測器的輸出可以反饋到在輻射源上的不同的控制點。
該裝置還通過使用溫度穩(wěn)定光纖或其它的延遲裝置能夠使溫度穩(wěn)定，以及使輸出的激光光譜具有短期穩(wěn)定性。該裝置還對振動和塵土相對不敏感。
形成激光穩(wěn)定裝置的一部分的光相位檢測器可以包括電壓控制的電光相位調制器以調制輸入到光相位檢測器的一個光輸入的相位，該電光相位調制器具有基本線性的響應。
本發(fā)明還涉及一種應用在此所描述的激光穩(wěn)定裝置穩(wěn)定激光輸出的的方法。
本發(fā)明的光相位檢測器還可以具有其它的應用，比如在能夠測量納米位移的位移測量方法中的激光計量。本發(fā)明的這些方面相對于公知的位移測量方案具有一定的優(yōu)點，為精確測量位置公知的位移測量方案借助于對條紋的計數和在條紋之間進行插值。
依據本發(fā)明的另一方面，光頻率分析器包括如在此所描述的激光穩(wěn)定裝置，以及改變激光輸出的頻率的裝置。
形成光頻率分析器的一部分的激光穩(wěn)定裝置可以包括兩個長度的光纖，初級光輸出通過這兩個光纖傳輸，這兩個光纖具有不同的光路徑。
可取的是，光頻率分析器可以包括設置在一個長度的光纖的路徑中的電光相位調制器，其中將SAWTOOTH(鋸齒)狀電壓波形應用到電光相位調制器中以使激光頻率產生變化。通常，電光相位調制器可以與一個長度的光纖串聯設置。
光頻率分析器還可以包括電壓源以將電壓施加到電光相位調制器，該電壓源提供SAWTOOTH狀的電壓波形。
可替換的是，光頻率分析器可以包括微分放大器，光相位檢測器的輸出反饋到微分放大器的輸入中，微分放大器的輸出反饋到激光器中。
包括在激光穩(wěn)定裝置中并形成光頻率分析器的一部分的光相位檢測器優(yōu)選包括(但并不是必需包括)電光相位調制器。
依據本發(fā)明的另一方面，比較輸入激光信號和基準信號的光矢量伏特計包括在此所描述的光相位檢測器，接收輸入激光信號并根據輸入激光信號的幅值產生輸出信號的光電檢測器，電光相位調制器的輸出提供在基準信號和輸入激光信號之間的相位差的測量。
可取的是，包括在光矢量伏特計中的光相位檢測器包括電光相位調制器。這樣就具有在至少360°的范圍上提供線性輸出的優(yōu)點。
依據本發(fā)明的另一方面，在許多頻率上測量系統(tǒng)所傳輸或所反射的幅值和相位的光學網絡分析器包括在許多頻率上產生基準信號的光頻率分析器，以及如在此所描述的光矢量伏特計，以接收基準信號和由該系統(tǒng)所傳輸或所反射的信號作為輸入。
包括在光學網絡分析器中的光頻率分析器可以是在此所描述的任何類型的光頻率分析器或常規(guī)的光頻率分析器。
在上文所描述的本發(fā)明的任何一方面中，可以使用單模光纖、偏振保持光纖、溫度穩(wěn)定型單模光纖或溫度穩(wěn)定型偏振保持光纖。
雖然在此將本發(fā)明的各個方面都放在光纖應用中描述，但是本發(fā)明的所有方面都可以在所有或某些光路中應用自由空間光學器件。例如可以在氣體傳感器中使用自由空間光學器件。類似地也可以使用集成光學器件。
現在通過實例結合下文的附圖描述本發(fā)明，在附圖中附

圖1所示為常規(guī)的光相位檢測器圖，附圖2所示為附圖1的光相位檢測器的檢測器輸出電平作為相對光學相位的函數圖，附圖3所示為作為相對光學相位在附圖2中所示的檢測器輸出之間的微分輸出電平圖，附圖4所示為在附圖1中所示的光相位檢測器的線性化，附圖5所示為在附圖4中所示的包括電反饋環(huán)的線性化的光相位檢測器，附圖6(a)和6(b)所示為應用具有如附圖5所示的反饋環(huán)的線性化的光相位檢測器所獲得的實驗結果，附圖7所示為包括在附圖1的光相位檢測器中的檢測器的實際電路的實例，附圖8所示為包括在附圖1中所示的光相位檢測器的本發(fā)明的激光穩(wěn)定裝置，附圖9所示為應用本發(fā)明的激光穩(wěn)定裝置所獲得的未穩(wěn)定的激光輸出和穩(wěn)定的激光輸出的相位噪聲測量結果，(a)為在1319納米下運行的Lightwave Electronics Series 123 Fibre-coupledDiode-pumped(光纖耦合的二極管泵浦)固態(tài)非平面環(huán)型激光和(b)為在1550納米下運行的E-Tek DFB激光，型號LDPM。
附圖10所示為在附圖8中所示的激光穩(wěn)定裝置，進一步包括電光相位調制器或在該裝置的反饋環(huán)中包括微分放大器，附圖11(a)所示為可以施加到附圖10的相位調制器以形成光頻率分析器的SAWTOOTH電壓波形實例，附圖11(b)所示為向其施加了SAWTOOTH波形電壓的電光相位調制器的相位的變化，附圖12所示為應用在附圖10中所示的裝置所獲得的實驗結果，附圖13所示為說明在附圖5中所示的光相位檢測器如何應用在傳感器中的示意圖，附圖14所示為說明在附圖5中所示的光相位檢測器如何應用在光矢量伏特計中的示意圖，附圖15所示為說明在附圖14中所示的光矢量伏特計和在附圖10中所示的裝置如何應用在光學網絡分析器中以傳輸所測試的系統(tǒng)的測量結果的示意圖，附圖16所示為說明在附圖14中所示的光矢量伏特計和在附圖10中所示的裝置如何應用在光學網絡分析器中以反射所測試的系統(tǒng)的測量結果的示意圖，以及附圖17所示為應用光相位檢測器和自由空間光學器件的氣體傳感器的示意圖。
本發(fā)明的一方面的一個目的是提供一種根據在基本相同的頻率的兩個光輸入之間的相位差(或說相對相位)產生電輸出信號的光相位檢測器。
參考附圖1，光相位檢測器(在此以標號1表示)包括耦合兩個輸入3，4的50/50纖維光學定向耦合器2。檢測器1還包括兩個光學檢測器5a，5b和微分放大器6。在運行中兩個輸入3，4通過定向耦合器2都輸入到光相位檢測器1中。50/50單模光纖定向耦合器具有包括兩個耦合的光纖的中心部分10。
在這個中心部分10通過漸逝(evanescent)耦合組合輸入到耦合器的輸入3，4，產生兩個復合的輸出11，12。這些復合的輸出11，12根據在兩輸入信號3，4之間的相位差改變幅值(和強度)。可取的是，輸入信號3，4具有基本相等的幅值。
耦合器的功能是從兩個輸入中的每個輸入中產生兩個中間輸出(即總共4個)，然后組合這些中間輸出以形成兩個輸出11，12。每個輸入信號產生兩個中間光學輸出，耦合器的重要特性是從每個輸入中產生的兩個中間輸出在相位上正交(即其間的相位差基本為90°)。將從每個輸入中產生的中間輸出組合成對以形成復合輸出11，12。耦合器可以是具有這種功能的任何類型的裝置。理想地，這種耦合器可以是一種耦合的波導器件，比如通常的纖維內耦合器，但其它的耦合器也可以使用。
通常，輸入到光相位檢測器的兩個光輸入3，4可以來自相同的源，比如激光器(未示)。通過單模光纖將光輸入3，4從激光器輸出輸入到相位檢測器?？商鎿Q的是，兩個輻射束來自該激光器并耦合到單模光纖，例如通過借助于透鏡，以便隨后輸入到光相位檢測器1中。
來自耦合器2的每個輸出信號11，12集中到分離的檢測器5a，5b，檢測器5a，5b將相應的光輸入(即輸入11，12)的強度轉換成相應的電輸出信號7a，7b。然后從檢測器5a，5b中輸出的電信號7a，7b傳輸到微分放大器6，微分放大器6產生與在所接收的輸入信號之間的電壓差值成比例的輸出20?？扇〉氖鞘乖摍z測器相匹配(即盡可能地相同)。例如，它們可能在相同批次中生產的甚至在相同的芯片上制成的。為簡潔起見，在附圖1中沒有示出到檢測器的電連接。
光相位檢測器1利用這樣的事實來自檢測器5a，5b的兩個輸出信號7a，7b取決于輸入到耦合器2的兩個光信號3，4的相對相位。這就是說，檢測器5a，5b和微分放大器6形成基本均衡的光檢測器電路(以標號32表示)，微分放大器6的電壓輸出是對在兩個輸入信號3，4之間的相位差的測量。這就要求輸入3，4的幅值基本恒定。如果改變輸入3，4的幅值，則能夠分別測量幅值并校正任何電變化。
為測量在兩光輸入3，4之間的相位差，很重要的是確保兩輸入3，4的偏振相同。這可以通過包括在輸入信號3，4的一個或兩個中的光路中的偏振控制器來實現。例如，如果借助于光纖將輸入信號3，4從激光器耦合到相位檢測器1，則在輸入通路3，4的一個或兩者中都可以使用光纖偏振控制器?？商鎿Q的是，在集成光相位檢測器中，可以使用集成光偏振調制器。在光相位檢測器1中還可以使用偏振保持光纖和耦合器。
在附圖2和3中示出了光相位檢測器1的這種特性。附圖2所示為如何使每個檢測器的輸出7a，7b隨著在兩個光輸入3，4之間的相對相位改變。兩個檢測器5a，5b的輸出信號7a，7b的幅值隨著相對相位按方形化的正弦變化，并呈相對反相。因此光相位檢測器1提供一種直流輸出電壓，這種直流輸出電壓是對在兩輸入信號3，4之間的相位差的測量。
附圖3所示為該對檢測器輸出7a，7b的微分輸出20，這種微分輸出隨著輸入3，4的相對光相位正弦地改變。輸出20為雙極性并且在某些應用中尤其有用，如在下文中更詳細描述。然而，依據本發(fā)明的第一方面，改善的光相位檢測器包括電壓控制電光相位調制器以形成具有線性化響應的光相位檢測器?！半妷嚎刂啤毙碗姽庀辔徽{制器還可以稱為“電壓可調”型電光相位調制器。
通常，電光相位調制器包括在集成光學基片(比如鈮酸鋰、鉭酸鋰和砷化鎵或其它電光材料)上的光波導。通過金屬電極在波導上施加電壓，可以調制穿過波的輻射相位。包括鈮酸鋰或鉭酸鋰基片的電光相位調制器的響應線性很好。此外，這種電光相位調制器的頻率響應很快，通常達1千兆赫茲或更高。
附圖4所示為依據本發(fā)明的一方面手工操作光相位檢測器30。光相位檢測器30具有線性化的響應并在輸入通路3，4的一個輸入通路(在附圖4中的輸入3)中包括電壓控制型電光相位調制器35。該電光相位調制器35具有隨著所施加的電壓36基本線性變化的光相位。如果手動(或自動)地調整這種電壓以保持微分放大器的輸出20恒定(理想地為零)，則施加到調制器35的電壓36產生在光輸入3，4之間的相對相位的直線性測量。實際上對所施加的電壓36的自動(與手動相對)調整非常理想。電光相位調制器的范圍至少可達360°。
電光相位調制器35可以放置在到光相位檢測器1的輸入3，4中的一個輸入的通路中。然后通過給電壓可調型電光相位調制器施加適當的電壓將微分放大器6的輸出20設置在恒定的電平。可取的是，輸出20可以保持在零伏特，這樣就得到對幅值變化不敏感的測量結果。
由于電光相位調制器的響應線性很好，尤其在鈮酸鋰和鉭酸鋰器件中，要求將微分放大器的輸出設定為零的電壓對相對相位的測量很有用。通常電光相位調制器的頻率響應在1兆赫茲和1千兆赫茲之間。例如對于某些應用，理想的是包括具有頻率響應超過1千兆赫茲的電光相位調制器?？梢允謩踊蛲ㄟ^電反饋環(huán)路調整電壓。包括電光相位調制器的優(yōu)點是相位檢測器線性化(即，要求調整電光相位調制器以將微分放大器保持在恒定的電壓的電壓與所測量的相位差成正比例)和工作范圍可以延伸到至少360°。如果差信號保持在接近于零，則光相位檢測器具有進一步的優(yōu)點是對輸入光信號的幅值變化不敏感。此外，由于電光相位調制器的頻率響應很快，所以能夠很快地測定相位測量值。因此相位檢測器適合于動態(tài)測量。實際上通過檢測器或反饋電子器件可以限制光相位檢測器的響應速度。
在一種變型的實施例中，電光相位調制器可以是光纖的形式，在該光纖上淀積有壓電膜例如ZnO膜，并剝去光纖的外部敷層。通過將電壓施加到在光纖上的整個ZnO膜上，產生相移。由于本實施例消除了集成光學移相器的尺寸、成本和插入損耗，因此它是比較有利的。
附圖5所示為包括電反饋環(huán)的線性化的光相位檢測器30的一個實施例，該電反饋環(huán)路包括反饋放大器44和濾波器46。如該圖所示，反饋放大器44和濾波器46可以是分離的部件，但可替換地該濾波器可以從仔細設計得很穩(wěn)定的放大器特性本身中得出。施加到電光相位調制器35的電壓36形成線性化的輸出。本實施例的相位檢測器的優(yōu)點在于它不需要操作員并且在運行中相對較快速和精確。附圖6(a)和6(b)所示為應用在附圖5中所示的裝置所獲得的實驗結果。該測量值是從Tektronix2430數字示波器中直接獲得的。這種特性可以與附圖3的非線性(正弦)響應進行比較。
在附圖5中所示的光相位檢測器相對于附圖1所示的光相位檢測器還具有如下的優(yōu)點即它的工作范圍延伸了。在附圖1所示的光相位檢測器中，輸出為非線性(正弦)，因此最大的清楚的工作范圍為180°。本發(fā)明的光相位檢測器具有很好的線性響應，因此該范圍可以延伸到360°，如附圖6(b)所示。尤其重要的是，例如在矢量伏特計或網絡分析器應用中具有超過360°的工作范圍，如下文所述。
在附圖7中示出了光相位檢測器30的部分電路圖。在非線性光相位檢測器1(即，如附圖1所示)中，設置檢測器5a，5b以使凈輸出信號20根據在輸入11，12之間的相對相位在零周圍正弦地變化。因此從檢測器中的輸出為雙極性信號20(如附圖3所示)。雖然可以使用任何低噪聲檢測器，但是檢測器5a，5b通常是反向偏壓PIN器件。市場上可購買到的光檢測器GAP60或GAP100都是適合的器件。電阻R1(如在附圖7中所示)的值決定了增益由此確定了峰值到峰值雙極性輸出電壓。通常，施加到整個檢測器上的電壓(+V，-V)為±9伏。
如果光電檢測器5a，5b不完全相同，在相位檢測器中可以包括補償光電檢測器的靈敏度的裝置。已經發(fā)現可以改變在一個或兩個檢測器上的偏壓以更好地調整光電檢測器靈敏度。
線性化的光相位檢測器30形成直流輸出電壓，這種直流輸出電壓是在兩輸入之間的相位差的量度。由于輸入的較高的光頻率應用常規(guī)的光相位檢測器并不能實現這些。此外，由于輸出是一種對相位差測量的正比例電信號，因此本發(fā)明的光相位檢測器比較有利。因此該檢測器還可以應用在較高的精度的位移測量裝置中以測量幾納米級的位移。這尤其可以應用在激光計量學中。例如從光相位檢測器的輸出提供在來自相同的穩(wěn)定的激光器的兩輸入信號之間的相位差的度量，這里一個輸入信號從移位的表面或目標上反射。應用該相位差提供該表面或目標的位移的指示。通過下文描述的本發(fā)明的激光穩(wěn)定裝置可以使輸入激光穩(wěn)定。
光相位檢測器還可以用于兩獨立的激光例如高功率可調激光和低功率穩(wěn)定激光的相位鎖定。這通過如下的方式實現將兩個不同的激光器的輸出輸入到光相位檢測器(即如在附圖1和4中的輸入3和4)并應用連接到可調激光的調諧點的反饋環(huán)。
本發(fā)明的光相位檢測器的特性還可以應用在鑒頻器中。一般地說鑒頻器應用理想地恒定的幅值的輸入信號并產生與輸入頻率同固定頻率的頻率差值成比例(或取決于該頻率差值)的輸出電壓。
參考附圖8，示出了依據下文將要描述的本發(fā)明的另一方面的激光穩(wěn)定裝置。在虛線內所包圍的該裝置的部分(以標號60表示)形成了鑒頻器，該鑒頻器包括光相位檢測器1(如附圖1所示)和從激光器43中接收輸出42的50/50纖維光學定向耦合器41。鑒頻器60還包括在來自耦合器41的兩輸出信號52，53之間產生相對延遲的裝置。可取的是，這些可以通過兩個長度的光纖50，51實現，每個光纖都從耦合器41接收一個輸出信號52，53，一個光纖比另一個光纖更長，以便產生相對延遲。實際上如果一個長度的光纖很短則比較方便?？扇〉氖牵粋€或多個長度的光纖50，51可以是溫度穩(wěn)定型光纖，這有利于改善該裝置的溫度穩(wěn)定性。此外，為實現溫度穩(wěn)定，可以將該裝置放置在溫度穩(wěn)定爐中。如上文所討論在任一通路或兩個通路50，51中可以包括偏振調制器比如光纖內(in-fibre)偏振調制器。
可以理解的是，雖然在形成附圖中的激光穩(wěn)定裝置的一部分的鑒頻器60中沒有示出在光相位檢測器中的電光相位調制器35，但是也可以包括電光相位調制器35，并且在鑒頻器的其它的應用中尤其重要。
鑒頻器60的功能是借助于第一耦合器41將激光器43的輸出分成兩個基本相同的輸出束52，53，相對于另一個信號延遲一個信號，然后測量在兩個信號52，53之間的光相位差。通過本發(fā)明的光相位檢測器可以實現這些。但由于光頻率實在太高應用常規(guī)的光相位檢測器并不能實現這些。
第一耦合器41的一個輸出53通過光纖51連接到第二50/50光纖耦合器2，光纖耦合器2形成了光相位檢測器1的一部分。另一輸出52在連接到這種耦合器2之前通過更長的光纖(即延遲線50)。可替換的是，可以使用另一種類型延遲媒介，例如集成光學延遲線。如前文所討論，第二耦合器2(并入在光相位檢測器1中)的輸出的電平根據輸入到耦合器2的輸入信號的相對相位變化。因此光相位檢測器1產生取決于在兩個輸入之間的相對相位的直流輸出電壓。例如，如果延遲線具有Td秒的延遲，則對于在輸入激光信號頻率中的每1/Td的變化相移將變化27π弧度。因此鑒頻器60以每1/Td的頻率變化重復控制特性運行。如在附圖3所示，鑒頻器的輸出電壓20(即微分放大器6的輸出電壓)隨著兩個輸入信號的相對光相位正弦地變化。
如果將光相位檢測器設置得運行在0伏特周圍，則產生雙極性輸出信號，如上文所描述。如果到第一耦合器的輸入頻率隨著時間改變，則在雙極性輸出信號中產生變化。對于增加了的激光輸出頻率，鑒頻器的雙極性輸出信號將具有一個極性，而對于降低了的激光輸出頻率鑒頻器的輸出信號將為反向極性。雙極性輸出的幅值取決于相移的程度以及輸入激光的頻移。通常峰值峰值電壓可以在+/-0.1-10之間的范圍內。
鑒頻器本身具有很有益的應用，例如用于測量激光器的輸出光譜。只要在光纖50和51之間的相對延遲為已知并且基本穩(wěn)定，則鑒頻器60的電輸出可以用于提供對輸入激光的光頻率(或波長)的測量。這確實提供了一種頻率(或波長)測量，雖然由于僅測量模數2π的相位所以它是不確定的測量。由于最大的明確的相位范圍是π，所以在附圖3中所示的正弦響應產生了進一步的不確定性。然而，在整個頻率范圍上這是一種有用的測量?？梢哉{整延遲線的長度以設置所需的靈敏度。理想地，相位偏移將保持在零左右的幾度的范圍內以保證線性。作為一種變型，可取的是在鑒頻器60中可以應用線性化的光相位檢測器30(如在附圖5中所示)以保持線性和范圍。
鑒頻器的雙極性輸出信號還可以用作在激光器輸出42中的任何相位偏差的校正裝置。在此參考附圖8，這種校正過程可以通過激光穩(wěn)定裝置(在虛線之外以標號70表示)實現。激光穩(wěn)定裝置70包括鑒頻器60和反饋電路。通過耦合器41將要穩(wěn)定的激光器輸出42分成兩個信號，可取的是相等幅值值的兩個信號。可取的是，激光器43的輸出42通過光隔離器62以消除反射到激光器43中的光的任何有害的影響。然后通過反饋電路將鑒頻器60的輸出20反饋到激光器43中以改變它的頻率。在激光穩(wěn)定裝置70很重要的是鑒頻器輸出20為雙極性以便在任一方向上的頻移都可以被校正從而穩(wěn)定激光器輸出42。
反饋電路包括控制環(huán)路放大器72和環(huán)路濾波器74。通過控制環(huán)路路放大器放大鑒頻器60的輸出20，然后通過環(huán)路濾波器74以產生誤差信號。然后應用這種誤差信號控制激光器43的頻率。將正確符號的誤差信號施加到頻率控制點以降低頻率函數，由此改善相位噪聲頻譜。通過應用在鑒頻器60之前的通路中的附加的耦合器78從該裝置中采集激光器的“被穩(wěn)定”的輸出76。
在半導體激光器比如激光二極管場合下，由于激光器頻率隨著電流改變因此通過改變激光器電流施加反饋，主要機理是折射率的變化，由于有效的折射率隨著電流注入的改變?？商鎿Q的是，可以在激光腔中構造反偏壓部分以使它不吸收光但隨著從鑒頻器的輸出中得出的施加的電壓改變折射率。
激光穩(wěn)定裝置的功能是將微分放大器的輸出降低到基本為零，由此將激光頻率保持在鑒頻器的一個穩(wěn)定的工作點上。激光器最終鎖定在最近的穩(wěn)定的工作點上，而一旦實現鎖定，該系統(tǒng)保持在特定的頻率上對該激光頻率的控制。因此該系統(tǒng)可以用于改善激光器的光譜的穩(wěn)定性。
已經測量了通過Series2000 LNC Laser激光器和LockingAccessory(鎖定附件)(LOLA)控制的Lightwave Electronics Series123(Fibre-coupled Diode-pumped)光纖耦合的二極管泵浦型固態(tài)非平面環(huán)激光。對于較小的調制指數該激光器具有調諧范圍超過30兆赫茲的頻率控制輸入和100千赫茲的帶寬，并具有所給出的5千赫茲的線寬。附圖9(a)所示為在鑒頻器的輸出中所測量的低頻頻譜，并說明了同在應用激光穩(wěn)定裝置70時所獲得的相位噪聲測量相比在自由運行狀態(tài)(0)(即直接測量激光器輸出)中作為偏移頻率的函數的相位噪聲(dBc/Hz)。該測量結果說明對于已經具有所給出的大約5千赫茲的線寬(即在光譜上是純的)的激光器在接近同相噪聲性能方面有相當大的改善。在這些測量結果中差值延遲為1微秒。此外，附圖9(b)所示為所獲得的E-Tek DFB激光器的類似的光譜，與在應用激光穩(wěn)定裝置70時所獲得的相位噪聲測量結果相比較，在自由運行狀態(tài)(即開環(huán)，直接測量激光器輸出)下作為偏移頻率函數比較相位噪聲(dBc/Hz)。在這些測量結果中差值延遲為5納秒。
具有較高的光譜純度的激光器相對較昂貴，該系統(tǒng)能夠使其不昂貴并能夠相對便宜地且容易地改善在光譜上不太純的激光。因此還能夠應用本系統(tǒng)改善低成本的半導體激光器。
最普通、最便宜和使用最多的激光器是激光二極管，但它的光譜穩(wěn)定性非常差，特別是Fabry-Perot etalon結構的激光二極管。因此對于改善這些器件以及DFB激光器的光譜穩(wěn)定性應用該激光穩(wěn)定裝置尤其有用。還可以應用它來增強穩(wěn)定的激光器，例如在高分辨率光譜學和評論標準中這些激光器也是很有用的。具體地說通過選擇延遲時間來規(guī)定可獲得的相位噪聲改善程度。通常，根據產生所需的光譜改善程度所需的靈敏度和范圍，在第一耦合器的輸出信號之間延遲線可以產生高達10微秒的相對延遲。還可以選擇延遲時間以將鑒頻器的開環(huán)增益完全降低到在接近延遲時間的倒數的頻率的單位1之下。例如，對于1微秒的延遲線，鑒頻器的開環(huán)增益應該完全在大約1兆赫茲的輸入頻率的單位1之下。如果激光器比如激光二極管在更大的偏移頻率下具有較高的噪聲電平則可以應用寬帶環(huán)路(和短延遲)。因此，對于更低性能的激光器，必需要求更高的環(huán)路帶寬。通過增加控制環(huán)路放大器的增益可以補償較低的鑒頻器增益。來自放大器的熱噪聲(Johnson noise)可能是增加這種增益的限制因素。
通常，激光二極管具有兩個輸出，每個刻面或鏡面一個輸出，第二輸出通常用于監(jiān)測功率電平。然而，它可以應用第二輸出作為到兩個光電檢測器的一個光電檢測器中的輸入，因此不需要第一耦合器。然而，如果激光器的兩個輸出都非常相關，則可以僅使用本實施例。
在本發(fā)明的一種變型實施例中，激光穩(wěn)定裝置可以包括并聯的兩個或多個環(huán)路。例如，從激光器43或來自輸出42分開的信號中采集第二輸出，并通過具有不同的增益帶寬的第二環(huán)路從第二反饋環(huán)路進行反饋。然后應用每個環(huán)路來反饋并控制輸入激光。例如來自每個環(huán)路的不同的反饋信號可以用于控制在激光器上的不同的溫度和頻率控制點，或可以進行組合并反饋到在激光器上的相同的控制點上?？商鎿Q的是，來自鑒頻器60的輸出可以分開，通過一個控制環(huán)路放大器和環(huán)路濾波器結構將一個分開的信號反饋到激光器43，通過第二控制環(huán)路放大器和環(huán)路濾波器將另一個信號反饋到在激光器上的一個不同的控制端口。
由于本發(fā)明的激光器穩(wěn)定裝置是一種纖維內系統(tǒng)，因此它對外部因素比如振動、溫度變化以及塵土等比自由空間系統(tǒng)更不敏感，因此它比較有利。如前文所討論，如果使用溫度穩(wěn)定型纖維尤其具有這種優(yōu)點。與應用已知的裝置所獲得的Q值相比較，該裝置還具有更加有效的Q值，該Q值取決于纖維的長度，因此間接地取決于原始激光器的穩(wěn)定性。此外，還可以選擇光纖的長度和相對延遲以根據要求改善光譜的程度改變靈敏度和范圍。該裝置對于穩(wěn)定激光二極管以及其它形式的激光器的輸出例如使它們更有效地應用在光纖通信系統(tǒng)中尤其有效。
參考附圖10，例如有時為發(fā)射信息或慢慢地掃描所穩(wěn)定的激光頻率需要頻率調制激光器。通過引入電光相位調制器80或微分放大器結構82，83來實現這些，如下文所描述。例如，電光相位調制器80可以包括在激光穩(wěn)定裝置70中，例如在延遲線50，51中的任一個延遲線中(在附圖10中為延遲線50)。可替換的是，如下文所描述，電光相位調制器80可以形成光相位檢測器本身的一部分。在使用中，通過如下的方式調制激光頻率首先通過穩(wěn)定激光器43以使光相位檢測器1的微分放大器6的輸出保持在零伏特，然后給電光相位調制器80施加適當的電壓波形。在電光相位調制器中的相移的線性確保較高保真度頻率調制輸出。
應用這種技術可以慢慢地掃描通過自動吸收線的輸入激光頻率以精確地測量線形。這對于在由于激光的光譜的穩(wěn)定性引起的很窄的線的測量中特別有用。
附圖10的裝置還可以用于將所穩(wěn)定的激光輸出76轉換為穩(wěn)定的光學分析器。在這種應用中，施加到相位調制器80中的電壓波形可以具有“SAWTOOTH(鋸齒)”電壓波形的形式，在這種電壓波形形式中在360°上慢慢地線性地掃描，然后通過360°快速地切換回來。然而，其它的波形還可以用于這種應用。適合的波形包括那些隨著時間慢慢地增加然后快速地降低到初始電壓電平的波形。因此增加的電平并不是必需隨著時間線性地改變，如SAWTOOTH電壓波形。對于這種應用，將這樣的波形都稱為SAWTOOTH狀電壓波形電壓電平隨著慢慢地增加隨后快速地通過360°切換回(在相反的方向)。這種波形包括在其中以階梯的形式慢慢地增加電壓電平的波形。SAWTOOTH電壓波形可以是或可以不是在360°上線性地掃描。通常，在其中通過360°切換回的波形的時標為納秒級。
附圖11(a)通過實例示出了SAWTOOTH電壓波形(時間的函數)的實例，該SAWTOOTH電壓波形可以應用到電光相位調制器80，而附圖11(b)所示為調制器80的相位隨著時間的相應的變化。在切換的過程中激光頻率首先在電壓波形(即，調制器脈沖)上慢慢變化，但在相位上并不快速地降低360°，因為反饋環(huán)路濾波器(即72，74)并不以這種速度響應。換句話說，因為激光器和反饋環(huán)路并不能響應這種快速變化，因此360°切換并沒有凈效應。此外，由于光相位檢測器的響應是360°循環(huán)(如附圖3所示)，因此360°的相位改變并不影響光相位檢測器1的輸出。因此激光器的輸出76保留在新的頻率上。這種過程可以重復多次以覆蓋激光的整個調諧范圍。通過使電壓波形的斜率反向實現在相反方向上的頻率的改變。
應用在附圖10中所示的裝置，通過將適當的電壓86施加到相位調制器80可以將穩(wěn)定的激光器輸出76控制在任何所需的頻率。在某些情況下這很有用，例如它可以使在要測量的較小的頻率范圍上的響應具有連續(xù)的線性掃描而不是一系列的頻率間隔。
作為電光相位調制器的一種變型，在反饋環(huán)路中可以包括微分放大器以提供類似的激光調諧功能。例如，參考附圖10，微分放大器82可以包括在X上的信號通路中?？商鎿Q的是，微分放大器可以形成控制環(huán)路放大器72本身的一部分或可以放置在控制環(huán)路放大器72之前的通路中。在這些結構中，不是將鑒頻器60的輸出20保持在0伏特，而是將到微分放大器82的輸入83設置在恒定值，如1伏特。在反饋環(huán)路中的微分放大器82測量在1伏特和在通過控制環(huán)路放大器72和環(huán)路濾波器74之后的鑒頻器60的輸出電壓之間的差值。然后反饋將差動輸出84以控制輸入激光器43，改變輸入激光器43的頻率以使環(huán)路濾波器的輸出接近1伏特。這將允許一定的頻率調制能力。通過這種方式從頻率上掃描激光，例如以便能夠測量窄光譜線的寬度和形狀。
可以理解的是，如果微分放大器形成了控制環(huán)路放大器72本身的一部分或放置在到控制環(huán)路放大器72之前的通路中，則工作特性與將微分放大器設置在X上的結構的工作特性不同，因為在每種情況下放大器位于濾波器的不同側。使用微分放大器82而不使用電光相位調制器80是一種更便宜的方法，并且通過應用線性光相位檢測器(如附圖5所示)替代具有非線性響應的光相位檢測器(如附圖1，8和10所示)可以改善這種使用。使用電光相位調制器80是一種優(yōu)選的方法，而且這種方法已經在實驗室建立并測試。
附圖12所示為應用在附圖10所示的包括電光相位調制器80的光分析器所獲得的結果。該附圖包括通過將光分析器輸出76與穩(wěn)定的固定激光器頻率的輸出在電光譜分析器上所測量的8個光譜。在這個附圖種鑒頻器的微分延遲為1微秒，因此連續(xù)的激光器頻率為1兆赫茲間隔。然而，為提供一種易理解的曲線每十個相位調制器周期(即每10個SAWTOOTH波形周期和10兆赫茲間隔)抽取光譜。在附圖11中所示的曲線的比例為以10dB/段(垂直上)和10兆赫茲/段(水平上)單邊帶相位噪聲dBc/Hz。
雖然附圖12所示為間隔為1兆赫茲的一梳頻率的每第10個頻率成員，可以理解的是通過將適當的電壓施加到調制器80分析器可以調諧到在在相鄰的一梳頻率之間的某一頻率。例如通過應用計算機處理器和4位數字模擬轉換器(DAC)形成16個階躍，由此DAC將來自計算機處理器的數字控制轉換為施加到電光相位調制器80的模擬電壓。這就引入22.5°的相位階躍，在附圖12中第16階躍為與1兆赫茲階躍對應的360°。
還可以應用光頻率分析器與不同的衍射元件比如波帶片透鏡或衍射光柵相結合以提供可編程的功能。例如，光頻率分析器的輸出可以用于使照射相位反向波帶片透鏡，該透鏡的焦點取決于波長。通過改變施加到形成光頻率分析器的一部分的電光相位調制器80的電壓，可以改變從該分析器的輸出的波長，因此可以改變該透鏡的焦點。例如應用這種方法來訪問光學存儲器比如光盤的不同的層?？商鎿Q的是應用光頻率分析器來照亮衍射光柵以控制激光器的輸出。例如應用這種方法作為訪問全息圖的手段。
附圖13所示為本發(fā)明的線性化的光相位檢測器30(如附圖4所示)如何應用在傳感器中，在傳感器中被測量改變光纖50(或51)的特性。例如，應用傳感器來測量溫度、壓力、應力、位移、振動、磁場或磁場梯度、電流、電場、化學物質、生物化學參數、醫(yī)學參數或通信特征中的任何一種。例如，參考附圖13，如果通過改變施加到電光相位調制器35的電壓36將微分放大器6的輸出20設置在零伏特左右，光纖延遲線50的溫度(或其它的被測量)的變化造成相位的變化，由此改變相位檢測器的輸出。為將微分放大器6的輸出20保持在零(或很接近于零)而改變施加到電光相位調制器35上的電壓36的量提供了溫度(或其它的被測量)的變化的指示。這種測量的輸出通常線性很好。
雖然比較有利的是在整個傳感器中都應用溫度穩(wěn)定型光纖，但是對于溫度傳感器，對于延遲線50使用溫度穩(wěn)定型光纖并不是很適合的。在這種方案中使用穩(wěn)定的輸入激光器43。如上文所描述，通過應用本發(fā)明的激光穩(wěn)定裝置可以實現穩(wěn)定的激光輸入。
在傳感器的應用中，與鑒頻器的應用不同的是，兩個光纖50，51具有基本相同的延遲，而不是在其間具有相對延遲。在這些情況下，這樣比較有利。例如，如果測量在光纖50上的壓力，如果延遲相等的話在兩個光纖50和51上的任何溫度變化都相同，因此可以抵消。類似地，該系統(tǒng)可以使用穩(wěn)定性較差的激光器。還可以將該傳感器作為自由空間結構實施，而不是實施為光纖內裝置，如下文所述。
本發(fā)明的光頻率分析器還可以用于一種分布式光纖傳感器的改進形式中。常規(guī)的光纖傳感器應用沿光纖的長度分布的Bragg光柵陣列。然后通過可調激光將其調諧到接近Bragg頻率來查詢每個光柵。在分布式光纖傳感器結構中通過應用本發(fā)明的光頻率分析器，由于改善了激光器的穩(wěn)定性并且可以以較高的精度設置激光器的頻率，因此可以實現一定的優(yōu)點。結果，可以實現具有增加數量的Bragg光柵的這樣的一種傳感器，它允許使用更大數量的查詢點。這種細微的調諧能力的其它的優(yōu)點在于它能夠使光柵的整個變形在較窄的頻率間隔上被感測到。例如，被測量不同地影響不同的路徑，則增加周期性光柵的反射帶寬。
參考附圖14，線性光相位檢測器(如附圖5所示)還可以用于在光頻率下運行的光矢量伏特計90。光矢量伏特計包括具有至少360°的工作范圍的線性的光相位檢測器30(包圍在虛線內)。光矢量伏特計的功能是接收兩個輸入92，94并產生兩個輸出，一個輸出(輸出100)是未知輸入的絕對幅值，而另一個輸出(輸出102)是未知輸入信號92相對于基準輸入94的相位。分解未知輸入信號92，將它的一部分輸入到檢測器96中以提供幅值輸出100。通常，檢測器電流隨著光密度線性地改變，從該光密度中能夠容易地導出該幅值。連同基準輸入信號94將被分解的信號的第二部分93輸入到線性光相位檢測器30。通過反饋放大器和濾波器44，46將微分放大器6的輸出反饋到電光相位調制器35。通過反饋環(huán)路可以調整施加到電光相位調制器35的電壓以將微分放大器6保持在恒定值，即很接近的零的值。電光相位調制器輸入電壓提供了相位輸出102。這就得到了在未知的輸入92和基準輸入94之間的相對相位的直接線性測量。
附圖15所示為說明如何將在附圖14中所示的光矢量伏特計90和在附圖10中所示的裝置應用在測試中的系統(tǒng)(例如未知特性的光纖)的傳輸測量結果的光學網絡分析器中的示意圖。光學網絡分析器類似于光矢量伏特計，除了當光學頻率分析器108在頻率上步進和/或掃描時它給在測量中的系統(tǒng)110提供分析頻率輸入并可以在一系列的頻率上常規(guī)地測量該系統(tǒng)110的所傳輸的幅值和相位。如在光矢量伏特計中一樣，設置線性化的光相位檢測器以使其具有至少360°的工作范圍。本發(fā)明的光學網絡分析器并不限于包括如在此所描述的光頻率分析器，它還可以包括任何類型的光頻率分析裝置。
參考附圖15，光學網絡分析器包括光分析器(Synthesizer)108，對光分析器108的輸出進行分解。在上文中參考附圖10描述了該光分析器的操作。在附圖10中所示的穩(wěn)定的激光器的輸出76提供要被分解的光分析器輸出。所分解的信號的一部分76a傳輸到測試中的系統(tǒng)110，92被傳輸到如上文所述的光矢量伏特計90(輸入SYS)(即在附圖14中輸入信號92傳輸到光矢量伏特計90)。而被分解的信號的另一部分76b輸入到光矢量伏特計90的基準通道(輸入REF)(即在附圖14中的基準信號94)。光矢量伏特計90的輸出100，102形成量光學網絡分析器的輸出。通常，可以在一定的光頻率上進行測量(通過掃描和/或步進光分析器，如上文所描述)。應用相位和幅值測量可以數字地計算其它的特性比如群延遲。結果可以顯示在VDU上或以數字形式顯示。
還可以進行其它很多的測量。例如應用在附圖16中所示的光學網絡分析器來測量通過測試中的系統(tǒng)110所反射的幅值和相位信號，在附圖16中所示的光學網絡分析器是在附圖15中所示的光學網絡分析器的基本結構。在本實施例中，將輸入信號76傳輸(通過定向耦合器112)到測試中的系統(tǒng)110并將基準信號(REF)輸送到光矢量伏特計90中。然而，在本實施例中，從系統(tǒng)110所反射回的信號114通過耦合器112給光矢量伏特計90提供了其它的輸入。在實際中該系統(tǒng)還可以通過負載T終結。
比較可取的是在本發(fā)明的整個裝置(例如激光穩(wěn)定系統(tǒng)、光分析器、鑒頻器、光矢量伏特計、光學網絡分析器、光相位檢測器或傳感器應用)中應用溫度穩(wěn)定型光纖，用于連接在整個裝置中所使用的光纖以及一個或多個延遲線50，51。溫度穩(wěn)定型光纖在市場上可購買。當環(huán)境溫度變化對光學延遲路徑的影響降低了時，應用溫度穩(wěn)定型光纖能夠使激光輸出的頻率穩(wěn)定到更高的程度。可替換的是，光纖可以放置在溫度控制的環(huán)境中，或者光路徑長度可以包括與該光纖串聯的輔助的與溫度相關的通路以保持一恒定的延遲周期?？商鎿Q地為實現非常穩(wěn)定性將該裝置放在溫度穩(wěn)定的恒溫器中運行。還可以使用偏振保持光纖、溫度穩(wěn)定單模光纖或溫度穩(wěn)定偏振保持光纖。
雖然應用光纖(在光纖通信中所使用的介質)總是可以進行在此所描述的多多數類型的光測量，但是在某些情況下還可以應用自由空間光學器件來執(zhí)行所描述的類型的應用。在本發(fā)明的各個方面中所示的裝置可以以這種方式執(zhí)行。例如，在氣體傳感器應用中由于散射產生有效的相移因此通過與吸收線相關的散射檢測在空氣中出現的氣體種類。參考附圖17(a)，可替換地，通過應用透鏡對輻射進行準直和再聚焦以在自由空間(與光纖內相對)中應用激光束，從而實施在附圖13所示的裝置。
在附圖17中所示的傳感器包括輸入耦合器178或光束分離器以接收一束激光輻射76并給透鏡180，182提供兩個輸出輻射束以進行束準直和提供給透鏡190，192以將輻射束再聚焦到在附圖5中所示的相位檢測器的輸入路徑3，4。如上文所示，在這種應用中兩個自由通路194和196(對應于在附圖13中的通路50和51)的長度可以基本相等，一個通路包含有純空氣(通路196)，一個通路受到空氣污染(通路194)。通常通路194，196可以是中空管。
在一種變型的實施例中，參考附圖10，形成在激光穩(wěn)定裝置中的鑒頻器的光相位檢測器還可以在輸入4的通路中包括第二電光相位調制器。在這種情況下可以將直流電壓施加到第一電光相位調制器35以設定激光器的頻率，而將RF電壓施加到第二電光相位調制器。這形成了一種將RF調制應用到激光頻率中的方便的方法。在該裝置包括第二電光相位調制器還具有其它的優(yōu)點。在附圖4和5中的光相位檢測器也可以在輸入信號4的通路中包括第二電光相位調制器。這樣例如通過設置電光相位調制器以使兩個電光相位調制器有助于調諧范圍，可以使調諧范圍延伸甚至加倍。
可以理解的是在本說明書術語“光”并不限于可見光波長，還可以包括例如紅外線波長和紫外線波長。
權利要求
1.一種光相位檢測器(30)，包括接收兩個光輸入(3，4)并產生兩個復合光輸出(11，12)的裝置(2)，檢測兩個復合光輸出的強度并將每個復合光輸出(11，12)的強度轉換成電信號的檢測裝置(32)，測量在兩個電信號之差并產生輸出差信號(20)的裝置(6)，以及其特征在于該光相位檢測器進一步包括電壓控制的電光相位調制器(35)以調制輸入到該光相位檢測器的一個光輸入的相位，該電光相位調制器具有基本線性的響應，由此在應用中通過改變施加到電光相位調制器(35)中的電壓(36)將輸出差信號(20)保持在基本恒定的電平，所施加的電壓提供在兩光輸入(3，4)之間的相位差的指示。
2.如權利要求1所述的光相位檢測器，包括耦合裝置(2)以接收兩個光輸入(3，4)并產生兩個復合的光輸出(11，12)。
3.如權利要求2所述的光相位檢測器，其中耦合裝置(2)從光輸入(3，4)中的每個光輸入中產生兩個中間光輸出，從每個光輸入中產生的兩個中間光輸出在相位上正交，以及其中組合中間光輸出以形成兩個光輸出(11，12)。
4.如權利要求1-3中任一權利要求所述的光相位檢測器，進一步包括將輸出差值信號反饋回到電光相位調制器(35)的裝置(44，46)，根據輸出的差值信號改變施加到電光相位調制器的電壓以將該差值信號保持在基本恒定的電平。
5.如權利要求4所述的光相位檢測器，其中基本恒定的電平為零伏特。
6.如權利要求1-5中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中電光相位調制器(35)包括在集成光學基片上的光學波導。
7.如權利要求6所述的光相位檢測器，其中該基片為鈮酸鋰、鉭酸鋰或砷化鎵基片中的任何一種基片。
8.如權利要求1-5中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中電光相位調制器(35)采用帶有壓電材料的光纖的形式。
9.如權利要求1-8中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中電光相位調制器(35)的頻率響應至少為1兆赫茲。
10.如權利要求9所述的光相位檢測器，其中電光相位調制器(35)的頻率響應至少為1千兆赫茲。
11.如權利要求1-10中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中光輸入(3，4)的幅值基本相等。
12.如權利要求1-11中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中光輸入(3，4)從相同的輻射源中獲得。
13.如權利要求1-11中任一權利要求所述的光相位檢測器，其中光輸入(3，4)從不同的輻射源中獲得。
14.如權利要求1-13中任一權利要求所述的光相位檢測器，包括接收兩個光輸入(3，4)的光纖耦合器(2)。
15.如權利要求1-14中任一權利要求所述的光相位檢測器，進一步包括偏振調制裝置以調制到光相位檢測器的至少一個所述輸入的偏振以確保兩個輸入的偏振基本相同。
16.如權利要求15所述的光相位檢測器，其中偏振調制裝置是光纖偏振調制器或集成光學偏振調制器中的任一種偏振調制裝置。
17.如權利要求1-16中任一權利要求所述的光相位檢測器，包括兩個光電檢測器(5a，5b)，每個光電檢測器都檢測兩個光輸出(11，12)中的一個光輸出的強度并產生響應對應的光輸出(11，12)的電輸出信號(7a，7b)。
18.如權利要求17所述的光相位檢測器，其中光電檢測器(5a，5b)相匹配。
19.一種鑒頻器裝置(60)，包括權利要求1-18中的任一權利要求所述的光相位檢測器(30)，并且進一步包括從具有一頻率的輻射源(43)中接收初級光輸入(42)并產生兩初級光輸出(52，53)的輸入裝置(41)，在兩初級光輸出(52，53)之間引入相對延遲的裝置(50，51)，在其間具有相對延遲的兩初級光輸出給光相位檢測器(1；30)提供輸入(3，4)。
20.如權利要求19所述的鑒頻器，包括從輻射源(43)接收初級光輸入(42)的輸入耦合裝置(41)。
21.如權利要求19或20所述的裝置，其中在兩初級光輸出之間產生相對延遲的裝置包括具有不同長度的光路的兩個長度的光纖(50，51)。
22.如權利要求19或20所述的裝置，其中在兩初級光輸出之間產生相對延遲的裝置包括一個長度的光纖，該初級光輸出中的一個輸出通過該光纖傳輸。
23.如權利要求21或22所述的裝置，其中一個或更多的長度的光纖是單模光纖、偏振保持光纖、溫度穩(wěn)定型單模光纖或溫度穩(wěn)定型偏振保持光纖中的任何一種光纖。
24.一種傳感器，包括權利要求19-23中的任一權利要求中所述的裝置(60)和包括權利要求4所述的光相位檢測器(30)。
25.如權利要求24所述的傳感器，其中在兩初級光輸出之間的相對相位延遲基本為零。
26.如權利要求24或25所述的傳感器，用于測量施加在形成該傳感器的一部分的光纖(50)上的溫度、壓力或應力的變化。
27.一種用于穩(wěn)定來自輻射源(43)的輸出(42)的激光穩(wěn)定裝置(70)，包括，鑒頻器裝置(60)，包括從具有一頻率的輻射源(43)接收初級光輸入(42)并產生兩個初級光輸出(52，53)的輸入裝置(41)、在兩初級光輸出(52，53)之間產生相對延遲的裝置(50，51)和光相位檢測器(1；30)，其中光相位檢測器(1；30)包括接收兩個光輸入(3，4)并產生兩個復合光輸出(11，12)的裝置(2)、檢測兩個復合光輸出的強度并將每個復合光輸出(11，12)的強度轉換成電信號的檢測裝置(32)以及測量在兩個電信號之差并產生輸出差信號(20)的裝置(6)，該激光穩(wěn)定裝置進一步包括反饋裝置(72，74)，該反饋裝置(72，74)將來自鑒頻器(60)的光相位檢測器(1；30)的輸出差信號(20)反饋到輻射源(43)。
28.如權利要求27所述的激光穩(wěn)定裝置(70)，包括如權利要求19所述的一個或多個附加的鑒頻器裝置(60)，每個鑒頻器裝置具有將從相關的光相位檢測器(1；30)的電輸出反饋到輻射源(43)的反饋裝置(72，74)。
29.如權利要求28所述的激光穩(wěn)定裝置(70)，其中來自不同的鑒頻器的光相位檢測器(1∶30)的輸出反饋到在輻射源(43)上的不同的控制點。
30.如權利要求27-29中任一權利要求所述的激光穩(wěn)定裝置(70)，其中光相位檢測器(30)包括調制到光相位檢測器(30)的一個光輸入的相位的電壓控制電光相位調制器(35；80)，電光相位調制器(35；80)具有基本為線性的響應。
31.如權利要求27-29中任一權利要求所述的激光穩(wěn)定裝置(70)，包括微分放大器(82)，光相位檢測器(1∶30)的輸出反饋到微分放大器(82)的輸入中，微分放大器(82)的輸出反饋到輻射源。
32.如權利要求27-31中任一權利要求所述的激光穩(wěn)定裝置(70)，其中形成激光穩(wěn)定裝置的一部分的光相位檢測器(1；30)包括接收兩個光輸入(3，4)并產生兩個復合光輸出(11，12)的耦合裝置(2)。
33.一種光頻率分析器，包括權利要求27所述的穩(wěn)定激光器的輸出的激光穩(wěn)定裝置(70)，以及改變激光器輸出的頻率的裝置(80；82)。
34.如權利要求33所述的光頻率分析器，包括在兩個初級光輸出(52，53)之間產生相對延遲的兩個光纖(50，51)，兩個光纖的光路徑長度不同。
35.如權利要求34所述的光頻率分析器，包括設置在一個長度的光纖(50，51)的路徑中的電光相位調制器(80)，其中將SAWTOOTH狀的電壓波形應用在電光相位調制器(80；35)中，以改變激光器輸出的頻率變化。
36.如權利要求35所述的光頻率分析器，進一步包括提供SAWTOOTH狀的電壓波形的電壓源，以將該電壓施加到電光相位調制器(80；35)。
37.如權利要求33所述的光頻率分析器，包括微分放大器(82)，光相位檢測器(1∶30)的輸出反饋到微分放大器(82)的輸入中，微分放大器(82)的輸出反饋到激光器。
38.如權利要求33所述的光頻率分析器，其中光相位檢測器(30)包括電光相位調制器(35；80)。
39.一種用于比較輸入激光信號(92)和基準信號(94)的光矢量伏特計(90)，包括權利要求4或5所述的光相位檢測器(30)，以及接收輸入激光信號(92)并產生取決于輸入激光信號(92)的幅值的輸出信號的光電檢測器(96)，電光相位調制器(35)的輸出提供在基準信號(94)和輸入激光信號(92)之間的相位差的測量。
40.一種測量在許多頻率上系統(tǒng)(110)所傳輸或反射的幅值和相位的光網絡分析器，包括在許多頻率上產生基準信號(76)的光頻率分析器，以及權利要求39所述的光矢量伏特計(90)，以接收基準信號(76)和系統(tǒng)(110)所傳輸或所反射的信號作為輸入。
41.如權利要求40所述的光網絡分析器，其中光頻率分析器是如在權利要求33-38中任一權利要求所述的光頻率分析器。
42.一種穩(wěn)定輻射源(43)的輸出(42)的方法，包括如下的步驟提供包括輸入裝置(41)的鑒頻器裝置(60)，從具有一頻率的輻射源將初級光輸入(42)輸入到輸入耦合裝置(41)并產生兩個初級光輸出(52，53)，在兩初級光輸出(52，53)之間產生相對延遲，將兩個初級光輸出輸入到光相位檢測器(1；30)，該光相位檢測器(1；30)包括接收兩個光輸入(3，4)并產生兩個復合光輸出(11，12)的裝置(2)，檢測兩個復合光輸出(11，12)的強度；將每個復合光輸出(11，12)的強度轉換成電信號，測量在兩個電信號之差并產生輸出差信號(20)，以及將來自鑒頻器(60)的光相位檢測器(1)的輸出差信號(20)反饋到輻射源(43)。
全文摘要
一種光相位檢測器,包括接收兩個光輸入并產生兩個復合光輸出的裝置、檢測兩個復合光輸出并將產生對應的兩個電信號的裝置和測量在兩個電信號之差并產生輸出差信號的裝置,該輸出差信號可以用于提供在兩個光輸入之間的相位差的指示。該光相位檢測器包括電壓可調的電光相位調制器以調制輸入到光相位檢測器的光輸入的相位以提供線性的響應。在這種結構中通過改變施加到電光相位調制器的電壓將輸出差信號保持在恒定的電平,所施加的電壓提供在兩光輸入之間的相位差的指示。本發(fā)明的應用包括鑒頻器、各種傳感器以及激光穩(wěn)定裝置。
文檔編號G01B9/02GK1328637SQ99813570
公開日2001年12月26日 申請日期1999年9月22日 優(yōu)先權日1998年9月22日
發(fā)明者M·路易斯, R·威爾遜, P·薩姆普勒 申請人:英國國防部