用于波长交换和频谱监视应用的自由空间光系统的制作方法

专利名称：用于波长交换和频谱监视应用的自由空间光系统的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及光系统。更具体地，本发明涉及用于波长交换和频谱功率监视应用的自由空间光系统，具有对准补偿和偏振分集方案。本发明可以用于构建多种光学器件，例如频谱功率监视器、复用器和解复用器，以及光添加/去除复用器，上述光学器件都适用于WDM光联网应用，并且可以通过硬件和/或软件控制主动地使它们对准，以及它们进一步可以使用偏振分集方案。
背景技术：
随着全光通信网络变得越来越普遍，对于光联网设备制造者来说一个亟待解决的问题是提供鲁棒的、通用的以及成本有效的光部件和子系统。
现有的光通信网络通常使用波分复用(WDM)，这是因为它通过使用不同的光波长使得多个信息(或数据)信道可以同时在一根光纤上传输，由此显著地提高了光纤的信息带宽。WDM的普遍应用使得存在一种对一系列这样的光系统的特殊需要这些光系统可以按照波长将一个多波长光信号分解成频谱信道的空间阵列，以便可以由光功率传感器阵列对这些频谱信道进行单独地探测，如在频谱监视器的情况下；将这些频谱信道导引到一个输入/输出端口阵列(即光纤)，如在光复用器/解复用器的情况下；或者由微反射镜阵列按照预定的方案动态地路由这些信道。在这样的光系统中，很重要地是在工作过程中，频谱信道和指定的光束接收器件(即光功率传感器或微反射镜)之间保持必要的对准，以及对于例如热干扰和机械干扰的环境影响保持鲁棒性。
但是，在本领域中，传统的光学器件典型地使用精密对准，因而这就意味着严格的制造公差和组装过程中极其辛苦的对准工作，从而使得这些器件造价高、尺寸庞大和操作复杂。而且，没有提供用于在操作过程中保持必要的对准的措施；以及没有实施用于克服由于例如热干扰和机械干扰的环境影响导致的对准偏移的机制。总而言之，这些缺点使得现有的光学器件造价高、尺寸庞大和操作复杂，以及性能容易下降。
为了适应高带宽(容量)要求，密集波分复用(DWDM)也已经在光通信网络中得到了普遍应用。伴随DWDM技术的应用而来的是对新一代光学元件和子系统的需要，包含光学频谱(或信道)功率监视器。这些新的光学频谱功率监视器的一个特别希望的特征是分辩占用宽的频谱范围(如C波段或L波段)并且频率间隔(如50或25GHz)越来越窄的多个频谱信道的能力。还希望这些光频率功率监视器具有快的响应时间、鲁棒的性能以及成本有效的结构。
传统的频谱功率监视器典型地使用这样一种结构，其中衍射光栅按照波长将一个多波长光信号分离成一个频谱信道的空间阵列，并且入射到光功率传感器阵列上。通过探测光功率传感器由此产生的电信号，可以得到该多波长光信号的光功率频谱。为了在这样一个系统中提供提高的频谱分辨率，就需要具有足够色散能力的衍射光栅。但是，在本领域中公知的高色散衍射光栅(如全息光栅)是偏振敏感的，这使得它们不适用于使用上述结构的光学频谱功率监视器。
考虑到上述问题，在本领域中的一个令人希望的显著进步是提供一系列新的光学器件，这些器件以一种简单的、鲁棒的和成本有效的结构，具有在操作期间可以被主动地控制的光对准，以及/或它们使用偏振分集方案从而降低和/或消除偏振敏感性。
发明概要本发明提供使用主动的对准补偿和偏振分集方案的光系统。本发明可以包含光器件，例如频谱功率监视器、复用器和解复用器，以及光添加/去除复用器，它们都适用于WDM和DWDM光联网应用，并且可以通过硬件和/或软件控制主动地使它们对准，以及/或它们可以使用偏振分集方案。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于光系统中基于伺服的频谱阵列对准的方法和装置。本发明的这种实施例的光学装置包含一个输入端口，用于提供一个多波长光信号和一个参考信号；一个波长分散器，用于按照波长将该多波长光信号和该参考信号在空间上分离成一个频谱阵列中的多个频谱信道和一个参考频谱成分，并且所述多个频谱信道和一个参考频谱成分具有预定的相对排列方式；一个光束接收阵列，包含一个参考波长传感元件和多个光束接收元件，它们位于特定的位置从而接收相应的参考频谱成分和频谱信道；以及伺服控制单元，用于使该参考频谱成分保持在参考波长传感元件上预定的位置处，由此确保该频谱信道和光束接收元件之间的特定对准。
在本发明中，“频谱信道”的特征在于一个独特的中心波长和相关的带宽，并且可以携带如WDM光联网应用中的一个独特的信息信号。“参考信号”(以及对应的“参考频谱成分”)通常是指任意一个光信号，其特征在于它具有基本上不与任意一个被考虑的频谱信道的波长重叠的规定好的(和稳定的)中心波长。而且，术语“参考信号”(或“参考频谱成分”)和“校准信号”(或“校准频谱成分”)可以在本说明中被互换使用。
光束接收元件在本发明中应该被宽泛地理解为对应于至少一个频谱信道的任意光元件。通过举例的方式，光束接收元件可以是光功率传感器、光纤、微反射镜、会聚透镜或光调制器。可以将光束接收元件配置为与频谱信道具有一一对应的关系。还可以这样配置光束接收元件，使得光束接收元件的每个子集对应于多个频谱信道。
在本发明的频谱功率监视装置中，可以这样配置光传感阵列(即光电二极管阵列)，使得入射到该光电二极管阵列上的频谱信道的功率电平可以相关于由一个预定的转换矩阵由此产生的电信号，其中可以通过校准来获得该矩阵。而且，可以这样利用该光传感阵列中的所选择的两个(或更多个)相邻的信道传感元件，从而提供用于参考位置传感元件。
在本发明的一个实施例中，对准补偿单元是基于伺服的，并且一种形式的对准补偿单元可以包含用于调整频谱信道和参考频谱成分的对准的对准调整元件和处理元件。该对准调整元件可以是耦合到光传感阵列用于使该阵列发生移动的驱动器件，由此调整频谱阵列和位于其下的光传感阵列之间的相对对准。该处理元件用于监视参考频谱成分入射到参考位置传感元件上的实时入射位置，并且对应地提供对准调整元件的控制。该对准补偿单元通过伺服控制，使参考频谱成分保持在参考位置传感元件上的预定位置处，由此确保该频谱阵列和位于其下的光传感阵列之间的必要的对准。这样一种基于伺服的对准补偿单元使得本发明的频谱功率监视装置可以主动地校正对准的任意偏移，其中该偏移可能出现在操作过程中(如由例如热扰动和机械扰动的环境影响导致)，由此提高装置鲁棒性。使用这样一种基于伺服的对准补偿单元的一个额外的好处在于宽松的制造公差和初始组装期间的精确度，这使得本发明的频谱功率监视装置在结构上变得更简单和更成本有效。
可替换地，对准调整元件可以是光束控制设备，例如光通信中的具有输入端口和波长分散器的可动态调整的反射镜，用于调整输入多波长光信号和参考信号的对准。对准调整元件也可以是耦合到波长分散器(如衍射光栅)的驱动设备，用于使得该波长分散器移动(如旋转)并且由此调整频谱信道和参考频谱成分的对准。在会聚透镜被用作本发明的光学装置中的光束会聚器的情况下，对准调整元件也可以以耦合到该会聚透镜的适当的驱动设备的形式出现，用于控制频谱信道和参考频谱成分入射到光束接收阵列上的入射位置。
而且，本发明的光学装置可以使用一个或多个辅助参考信号和对应的辅助参考波长传感元件，从而补偿参考频谱成分的上述功能。所以，伺服控制单元可以有利地利用上述对准调整方法的组合从而主动地控制频谱阵列的位置和间距，由此确保频谱信道和各自的光束接收元件之间的更加鲁棒的对准。
在本发明的一个替换实施例中，对准补偿单元是基于软件的，并且可以以与光传感阵列进行通信的信号处理器的形式出现。对准补偿单元包含一个预定的校准表，该校准表包含多个转换矩阵，每个转换矩阵使来自光传感阵列的电信号输出相关于参考频谱成分的一个特定入射位置处的入射频谱信道的功率电平。该对准补偿单元监视参考频谱成分入射到参考位置传感元件上的实时入射位置。在这样被探测的参考频谱成分的每个入射位置处，对准补偿单元处理由入射到光传感阵列上的频谱信道产生的电信号，并且从校准表查找对应的转换矩阵，由此提供频谱信道的功率电平。这样构建的频谱功率监视装置通过软件控制的方法有效地补偿可能在操作过程中出现的对准的任意偏移，而不涉及任意的“移动”驱动装置。这使得本发明的频谱功率监视装置具有更简单的结构和更鲁棒的性能。
本发明的频谱功率监视装置可以进一步使用一种偏振分集方案，用于减弱由系统中一个或多个偏振敏感元件导致的任意不希望的偏振依赖效应。这可以通过沿输入端口和波长分散器之间的光路上放置一个偏振分离元件(如偏振分束器)和偏振旋转元件(如半波片)来实现。该偏振分离元件用于将输入多波长光信号(和参考信号)分解为第一和第二偏振成分，并且该偏振旋转元件接下来使该第二偏振成分的偏振方向旋转90度。例如，在波长分散器是为p(或TM)偏振(垂直于光栅的凹线)提供的衍射效率比为s(或TE)偏振(与p偏振正交)提供的衍射效率更高的衍射光栅的情况下，上述的第一和第二偏振成分分别对应于多波长光信号(和参考信号)的p偏振和s偏振成分。波长分散器按照波长分别将该第一和第二偏振成分分离成光束的第一和第二集合，随后该第一和第二集合入射到光传感阵列上。相关于每个频谱信道的第一和第二光束(来自两个偏振成分)可以在基本上相同的位置入射到光传感阵列。这样一种偏振分集方案具有使衍射效率最大化并且因此使系统的插入损耗最小化的优点。
伺服控制单元和/或主动对准补偿硬件和/或软件的应用使得本发明的光学装置可以主动地校正由例如热不稳定性和机械不稳定性在工作过程中所导致的对准偏移，并且因此在性能上更加鲁棒。使用这样的对准补偿的一个额外的好处在于宽松的制造公差和初始组装期间的精度，这使得本发明的光学装置具有更具适应性和更加成本有效的结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于执行多波长光信号的频谱对准的方法。本发明的方法使得需要合并一个多波长光信号和一个参考信号；按照波长将该多波长光信号和该参考信号分离成多个频谱信道和一个参考频谱成分，其中的多个频谱信道和参考频谱成分具有预定的相对排列方式；使参考频谱成分入射到预定的位置处，以便频谱信道根据该预定的相对排列方式入射到指定的位置；以及通过伺服控制使参考频谱成分保持在预定的位置处，由此确保频谱信道在指定的位置处保持对准。
在本发明的上述方法中，可以通过监视参考频谱成分的实时入射位置和相应地调整参考信频谱成分和频谱信道的对准来实现伺服控制机制，从而使参考成分的入射位置保持在预定的位置处并且频谱信道保持在各自的指定位置处。
本发明的方法可以进一步包含将频谱信道和参考频谱成分会聚到对应的会聚点的步骤。本发明的方法还可以额外地包含在指定位置处光学地探测频谱信道的步骤，以便提供探测到的频谱信道的功率频谱；重新导引频谱信道的步骤，以便根据预定的方案动态地路由频谱信道；或者调制频谱信道的一个或多个特性的步骤。
根据本发明的一个方面，提供一种在频谱功率监视中使用基于软件的对准补偿的方法。该方法包含以下步骤提供一个多波长光信号和一个参考信号；按照波长将该多波长光信号和该参考信号在空间上分离成多个频谱信道和一个参考频谱成分，其中的多个频谱信道和参考频谱成分具有预定的相对排列方式；使该参考频谱成分和频谱信道入射到光功率传感器阵列上；以及确定参考频谱成分的入射位置，并且从预定的校准表查找对应的转换矩阵，其中该矩阵使得来自光功率传感器阵列的输出信号相关于入射到该光功率传感器阵列上的频谱信道的功率电平，由此提供该多波长光信号的功率频谱。
根据本发明的另一方面，提供一种使用偏振分集方案的用于频谱功率监视的方案。本发明的光学频谱功率监视装置包含一个用于一个多波长光信号的输入端口；一个将该多波长光信号分离成第一和第二偏振成分的偏振分离元件；一个使该第二偏振成分旋转90度的偏振旋转元件；一个按照波长分别将该第一和第二偏振成分分离成光束的第一和第二集合的波长分散器；以及被放置用于接收该光束的第一和第二集合的光功率传感器阵列(这里被称作“光传感阵列”)。
在希望相关于相同的波长的第一和第二光束入射到光传感阵列上的基本上相同的位置处(或位于相同的光功率传感器之内)的情况中，可以采用一个辅助的偏振旋转元件，从而该光束的第一和第二集合在入射到光传感阵列的时候具有正交的偏振方向。这消除了任何由光束的空间重叠所导致的强度干涉边纹。可以将该辅助的偏振旋转元件放在波长分散器和光传感阵列之间，使得光束的第一和第二集合在入射到光传感阵列上之前，其偏振方向都经历90度的旋转。
可替换地，在本发明中可以使用一种调制组件，用于在光束的第一和第二集合入射到光传感阵列之前对其进行调制。光束的第一和第二集合可以被调制从而以时分复用序列的形式到达光传感阵列。可替换地，可以按照频分复用的方式调制光束的第一和第二集合，从而入射到光传感阵列上的光束的第一和第二集合携带不同的“高频振动”调制信号。在以上两种情况中的任意一种中，使用这样一种调制组件使得光束的第一和第二集合可以被分别探测，由此可以独立地得到相关于输入多波长光信号中的每个正交的偏振成分的光功率频谱(光功率水平作为波长的函数)。可以将该调制组件放置在偏振分离元件以及偏振旋转元件与波长分散器之间的光路上，由此控制第一和第二偏振成分。可替换地，可将该调制组件放置在波长分散器和光传感阵列之间，从而控制光束的第一和第二集合。
该调制组件可以包含本领域中公知的液晶光闸元件、MEMS(微电机系统)光闸元件，或者电光强度调制元件。还可以由斩光器(如配有至少一个孔的旋转片)提供该调制组件，被配置用于向两个入射光信号引入不同的调制。
上述偏振分集方案的应用使得本发明的光学频谱功率监视装置可以使插入损耗最小化，而同时利用简单的和成本有效的结构(如通过有利地利用在本领域中可以普遍得到的高色散衍射光栅)提供增强的频谱分辨率。而且，通过在光束的第一和第二集合入射到光传感阵列上之前向它们引入不同的调制，可以分别确定相关于输入多波长光信号中的每个偏振成分的光功率频谱，这在某些应用中可能是希望得到的。
同样地，可以根据本发明构建一系列新的基于伺服的光系统，包括频谱功率监视器和光复用器/解复用器，从而满足光联网应用的具有挑战性的要求。
通过下面的附图和详细描述可以理解本发明新颖的特征以及本发明自身。
附图简述

图1提供根据本发明的一个参考频谱成分和多个频谱信道的示例性功率频谱的图示；
图2A-2D描述根据本发明的光学装置的第一实施例；图3A-3B描述根据本发明的光学装置的第二和第三实施例；图4A-4C描述根据本发明的光学装置的第四实施例；图5A-5B描述显示根据本发明执行多波长光信号的频谱对准的方法的两个流程图。
图6A-6C描述根据本发明的频谱功率监视装置的另一个实施例，使用基于伺服的对准补偿单元；图7A-7B描述根据本发明的频谱功率监视装置的另一个实施例，使用基于软件的对准补偿单元；图8描述根据本发明的使用偏振分集方案的光学频谱功率监视装置的一个实施例；图9描述根据本发明的使用偏振分集方案的光学频谱功率监视装置的另一个实施例；和图10描述根据本发明的使用偏振分集方案的光学频谱功率监视装置的另一个实施例。
发明详述图1描述了示例性的功率频谱，即光功率P作为一个参考频谱成分λC和多个频谱信道λ1到λN的波长λ的函数的图形。在本详细说明和所附的权利要求中，一个“频谱信道”的特征在于一个独特的中心波长(如λi)和相关的带宽，如图1中所示。每个频谱信道可以承载如WDM光联网应用中的一个唯一的信息信号。一个“参考频谱成分”(或“参考信号”)，其特征在于波长λC，通常是指具有基本上不与任意一个被考虑的频谱信道的波长重叠的规定好的(和稳定的)中心波长的任意一个光信号。在图1中，通过举例的方式，示出的参考频谱成分具有短于频谱信道波长的波长λC。通常而言，频谱信道不必是波长(或频率)均匀间隔的。
下面的讨论描述了按照下面的方式使用主动对准补偿和偏振分集方案的本发明(i)部分I描述了一种方法，该方法使用基于伺服的系统来实现光系统中的主动对准补偿；(ii)部分II描述了用于光系统中的主动对准补偿的其它硬件和软件解决方案；以及(iii)部分III描述了可以应用于本发明的偏振分集方案。
I.基于伺服的主动对准补偿图2A描述了根据本发明的光学装置的第一实施例。通过举例的方式，显示了本发明的原理和总体结构，光学装置200包含一个用于多波长光信号的输入端口210，该端口可以以光纤准直器的形式出现；一个对准调整元件，可以以控制镜260-1和波长分散器220的形式出现，其中该波长分散器可以是衍射光栅；以会聚透镜形式出现的光束会聚器230；以及包含参考波长传感元件240和多个光束接收元件250-1到250-N的光束接收阵列。在本详细说明和所附的权利要求中，光束接收元件被宽泛地理解为包含接收一个或多个频谱信道的任何光元件。它可以是，例如，光功率传感器、微反射镜、光纤、会聚透镜，或者光调制器，如将在后面详细描述的那样。
图2A的光学装置200可以按照如下的方式工作。输入端口210传输包含波长λ1到λN的多波长光信号和包含波长λC的参考信号。然后，通过控制镜260-1将这些光信号导引到衍射光栅220。衍射光栅220按照波长在角度上将该多波长光信号和参考信号分离成具有预定相对排列方式的多个频谱信道λ1到λN和参考频谱成分λC。会聚透镜230将参考频谱成分和频谱信道会聚到对应的会聚点，如会聚到根据该预定相对排列方式的频谱阵列。包含参考波长传感元件240和光束接收元件250-1到250-N的光束接收阵列按照这样一种方式排列，即使得一旦参考频谱成分λC在预定的位置处x0入射到参考波长传感元件240上，那么频谱信道λ1到λN就分别在指定的位置x1到xN处入射到光束接收元件250-1到250-N上。
应该注意到，图2A的实施例和随后的图都是以原理图的形式示出的，并且仅用于举例说明。各种元件和光束都不是按照比例绘制的。总体而言，在本发明的光学装置中可以有任意数量的频谱信道(只要它们的数量等同于位于其下的光束接收元件的数量)。而且，图2A(和随后的图)中所示的入射到光束接收阵列上的衍射光束的会聚点可以不均匀地间隔。
图2A的光学装置200可以进一步包含伺服控制单元260，它的一种形式可以包含控制镜260-1和处理元件260-2。控制镜260-1动态地调整多波长光信号和参考信号的对准，由此控制频谱信道和参考频谱成分入射到光束接收阵列上的入射位置。处理元件260-2监视参考频谱成分λC入射到参考波长传感器元件240上的实时入射位置，并且相应地提供控制镜260-1的反馈(或者伺服)控制，从而使参考频谱成分λC保持在预定位置xo处并且因此频谱信道λ1到λN保持在指定的位置x1到xN处。同样地，伺服控制单元260使本发明的光学装置可以主动地校正由例如工作过程中热不稳定性和/或机械不稳定性的环境影响所导致的对准的偏移，因而在性能上更加鲁棒。使用这样一种伺服控制单元的一个额外的好处在于初始组装期间宽松的制造公差和精度，从而这使得本发明的光学装置具有更具适应性和更成本有效的结构。
在上面的实施方案中，参考波长传感元件240可以是位置敏感探测器、四分探测器、分裂探测器，或者本领域中公知的任何其它位置敏感装置，它使得借助于由传感元件产生的电(如电流或电压)信号可以监视光束的实时入射位置(一维或二维)。通过举例的方式，图2B显示了位置敏感探测器240-A的示意图，其中光束241入射到该探测器上。可以通过探测一对输出信号，如电流信号Ix1和Ix2，推算出在x方向上的光束241的入射位置，其中Ix1和Ix2的相对幅度提供了在x方向上光束点的一种度量方式。类似地，可以通过测量另一对电流信号Iy1和Iy2从而获得y方向上的光束241的入射位置。而且，通过按照一种适当的归一化差分探测方案(如通过测量(Ix1-Ix2)/(Ix1+Ix2)和/或(Iy1-Iy2)/(Iy1+Iy2))探测输出信号，如在本领域中普遍实施的那样，可以监视光束241的实时入射位置对指定的位置的偏移，该指定位置例如是位置敏感探测器240-A上的中心点O。本领域的技术人员还知道如何利用本领域中已知的其它类型的位置敏感装置来提供本发明中的参考波长传感元件。
图2A的控制镜260-1可以是一种可以绕一个或两个轴旋转的可动态调整的反射镜。例如，该控制镜可以是具有适当的驱动机制的硅微机械镜；可以通过将本领域中公知的驱动设备耦合到镜或光束偏转元件从而得到该控制镜。图2A的处理元件260-2可以包含电子电路、控制器和信号处理程序，用于处理从参考波长传感元件240接收到的输出信号(例如从图2B的位置敏感探测器240-A接收到的电流信号)以及通过探测到的信号得到参考频谱成分λC的实时入射位置。处理元件260-2对应地生成要被施加到对准调整元件(如图2A的控制镜260-1)的适当的控制信号，从而按照这样一种方式调整参考频谱成分和频谱信道的对准，即使得参考频谱成分λC保持在预定的位置xo处。伺服控制系统中的用于处理元件的电子电路和相关的信号处理算法/软件在电子工程和伺服控制系统的领域中是公知的。
图2C-2D描述了两种调整图2A的实施例中的光束的对准的示例性方法。在图2C中，包含波长λi的第一光束271以入射角θin(可以代表一个频谱信道)入射到衍射光栅220上，并且被衍射光栅220衍射成为第一衍射光束272，并以衍射角θout出射，如由下面的光栅等式所确定的sinθin+sinθout=mλd...(1)]]>其中m是衍射阶数，d是光栅间距(即光栅上两个相邻凹线之间的间隔)。θin和θout都是相对于衍射光栅220的法线测量的。如果光束入射到衍射光栅220上的入射角改变Δθin，如第二光束273所指示的，那么衍射光束的衍射角对应地改变Δθout，如第二衍射光束274所指示的。因此，改变多波长光信号和参考信号入射到光栅220上的入射角，例如通过图2A的控制镜260-1的动作，会使得频谱信道和参考频谱成分的衍射角相应地改变，由此使得参考频谱成分λC入射到预定的位置xo处，频谱信道λ1到λN入射到指定的位置x1到xN处。
除了(或结合采用)改变光束入射到衍射光栅220上的入射角(例如借助于图2A中的控制镜260-1)之外，衍射光栅220自身还可以旋转，由此实现类似的对准功能，如图2D中所示的。在这种情况下，包含波长λi的第一光束281入射到衍射光栅220上，并且被衍射光栅220衍射成为第一衍射光束282。使衍射光栅220旋转角度Δθg，如这样旋转的衍射光栅221所指示的，这实际上使衍射角改变了Δθout，如第二衍射光束283所指示的。可以通过将光栅耦合到适当的驱动设备例如音圈致动器、步进电机、螺线管致动器、压电致动器，或者本领域中公知的任意类型的驱动装置，来实现衍射光栅的旋转。反过来，可由伺服控制单元中的处理元件控制该驱动设备。
在图2A的实施例中，可以通过等式(1)中的衍射等式得到衍射光栅220的角度色散D
D=∂θout∂λ=mdcosθout...(2)]]>令会聚透镜230的焦距长度为f。由衍射光束形成的频谱阵列的间距P，即任意两个相邻频谱点之间的间隔，可以被表示为P=fΔλ∂θout∂λ=fΔλmd1cosθout...(3)]]>其中Δλ是两个相邻频谱信道之间的波长差。等式(3)示出，频谱阵列的间距通常随着衍射角θout而变化，除非θout为零。P相对于θout的变化率可以被表示为∂P∂θout=fΔλmdsinθoutcos2θout...(4)]]>在上述的图2C和2D中，因为是通过改变入射角θin并且因此改变衍射角θout从而实现对准调整，所以等式(3)指示频谱阵列的间距可以在发生对准调整的时候改变，特别是在大的衍射角θout值处。因此，在图2A的实施例中(其中可以实施图2C或2D中显示的对准调整方法)，应该以这样一种方式配置光束接收元件的组成部分，以便它们可以容忍频谱阵列的间距的变化。(例如，光束接收元件的尺寸使得频谱阵列的间距的变化基本上不会改变频谱信道和各自的光束接收元件之间的对应关系，因此在实际中频谱阵列的间距的改变是无关紧要的。)图2A的实施例在这样的应用中也是希望的，其中上述的频谱阵列的间距的变化如此地小(如在衍射角θout接近零的情况下)，以至于它在实际中是无关紧要的。
除了如在图2C或2D中所示的那样通过改变输入多波长光信号和参考信号的入射角从而执行对准调整之外，还可以通过，如将光束接收阵列作为一个整体而使其平移和/或旋转从而使图2A中的参考波长传感元件240和光束接收元件250-1到250-N整体移动，以便使参考频谱成分和频谱信道可以入射到指定的位置处。可替换地，图2A实施例中的会聚透镜230可以被移动，如偏移或平移，以便控制衍射光束的入射位置。
图3A显示了本发明的光学装置的第二实施例。通过举例的方式，光学装置300利用图2A的实施例中的结构和许多元件，如采用相同的数字所指示的那些。在这种情况下，为了操作方便，可以将包含参考波长传感元件240和光束接收元件250-1到250-N的光束接收阵列集成进一个单个的结构中，如通过将元件组成元件安装或制造在一个基底上。伺服控制单元360可以包含对准调整元件360-1，它可以是耦合到光束接收阵列的线性驱动设备，以及包含处理元件360-2。这样配置驱动设备360-1，使得可以导致光束接收阵列作为一个整体而发生移动，因此参考波长传感元件240和光束接收元件250-1到250-N作为一个整体而发生移动，例如沿着基本上横切入射光束的传播方向的方向进行平移，由此调整由衍射光束形成的频谱阵列和下面的光束接收阵列之间的相对对准。如图2A的实施例中，处理元件360-2用于监视参考频谱成分λC入射到参考波长传感元件240上的实时入射位置，并且相应地提供驱动设备360-1的伺服控制，从而使参考频谱成分λC保持在预定的位置xo处，频谱信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN处。
图3B显示了本发明的光学装置的第三实施例。通过举例的方式，光学装置350利用图3A的实施例中使用的结构和许多元件，如采用相同的数字所指示的那些。可以实施一种替换的伺服控制单元365，它包含对准调整元件365-1，以耦合到会聚透镜230的驱动设备的形式出现，以及包含处理元件365-2。驱动设备365-1促使会聚透镜发生移动，如偏移、旋转或平移，由此分别控制衍射光束入射到参考波长传感元件240和光束接收元件250-1到250-N的入射位置。如在图3A的实施例中的情况，处理元件365-2监视参考频谱成分λC入射到参考波长传感元件240上的实时入射位置，并且相应地提供驱动设备365-1的伺服控制，由此使参考频谱成分λC保持在预定的位置xo处，频谱信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN处。
图3A的实施例中的驱动设备360-1，或者图3B的实施例中的驱动设备365-1可以是步进电机、螺线管致动器、压电致动器，音圈致动器，或者本领域中公知的任意类型的致动装置。图3A的处理元件360-2，或者图3B的处理元件365-2可以基本上与图2A的处理元件260-2在结构上和操作上相类似。图3A或3B的实施例的优点是明显的，这是因为位于其下的对准调整方法基本上不改变频谱阵列的间距，也就是说，只调整频谱阵列和光束接收阵列之间的相对对准。应该理解，只需在设计图3B的实施例中的会聚透镜230的时候多加小心，就使得基本上消除象差和其它的缺陷。如可以通过本详细说明所理解的，本领域的技术人员知道如何根据本发明来设计适当的对准调整方法和对应的伺服控制系统，以适于给定的应用。
在图2A、3A或3B的实施例中，可以由耦合到用作输入端口210的光纤准直器的输入光纤201提供包含波长λ1到λN的多波长光信号，并且可以由参考光源202提供参考信号λc。光合波器203，其一种形式可以是光纤熔融耦合器，可以用于将参考光源202耦合到输入光纤201，从而多波长光信号和参考信号都被导引到输入端口210中。因此，该光学装置200就具有一个独立的、内部产生的参考光源。可替换地，多波长光信号自身可以包含用作参考信号的频谱成分(如光网络中的业务信道)，如在WDM光联网应用中那样。在这样一种情形中，不必实施内部参考光源202和光纤耦合器203。
在本发明中，可以额外地使用一个或多个辅助参考信号以及对应的参考波长传感元件，来补充参考频谱成分λc的上述功能。图4A描述了本发明的光学装置的第四实施方案。通过举例的方式，光学装置400利用图2A和3A的实施例中使用的结构和许多元件，如采用相同的数字所指示的那些。另外，通过辅助的光合波器403可以将辅助的参考光源402耦合到输入光纤201，从而将包含波长λc’的辅助参考信号耦合到输入端口210，其中该合波器可以是一个光纤耦合器。然后，通过控制镜260-1可以将辅助参考信号λc’，以及多波长光信号和参考信号λc导引到衍射光栅220上。可以选择辅助参考信号的波长λc’，使其大于频谱信道的波长，从而在发生衍射的时候，辅助参考信号λc’在指定位置xo’处入射到辅助参考波长传感元件441。同样地，参考频谱成分λc、频谱信道λ1到λN，以及辅助参考信号λc’形成了具有预定的相对排列方式的频谱阵列。所以，参考波长传感元件240、光束接收元件250-1到250-N，以及辅助参考波长传感元件441形成了光束接收阵列，该阵列被这样配置以接收频谱阵列。可以将该光束接收阵列集成在一个单个的结构中，例如通过将组成元件安装或制造在一个基底上。
辅助参考波长传感元件441可以是位置敏感探测器、分裂探测器、四分探测器，或者本领域中公知的任意其它类型的位置敏感装置。本领域的技术人员应该理解，上述的参考信号和辅助参考信号也可以被称作第一和第二参考信号；并且对应地，参考波长传感元件和辅助参考波长传感元件可以被称作第一和第二参考波长传感元件。而且，波长分散器，例如衍射光栅220，可以分别将第一参考信号中的(第一)参考频谱成分λc和第二参考信号中的(第二)参考频谱成分λc’导引到分别位于第一和第二预定位置处的第一和第二参考波长传感元件。
图4A的实施例可以进一步包含驱动设备460-1和处理元件460-2。通过举例的方式，驱动设备460-1可以耦合到上述的光束接收阵列，从而导致光束接收阵列作为一个整体，因此参考波长传感元件240、光束接收元件250-1到250-N和辅助参考波长传感元件441整体发生移动，如沿着基本上横切频谱信道的传播方向的方向平移，以及/或者按照曲线箭头470所指示地进行旋转。例如，驱动设备460-1可以导致光束接收阵列绕位于预定位置xo处的轴点进行旋转。同样地，驱动设备460-1可以主要用于调整由衍射光束形成的频谱阵列和位于其下的光束接收阵列之间的相对对准。处理元件460-2可以监视参考频谱成分λc入射到参考波长传感元件240上的实时入射位置并且相应地提供驱动设备460-1的伺服控制，从而使参考频谱成分λC保持在预定的位置xo处，频谱信道λ1到λN保持在各自的指定位置x1到xN处。
处理元件460-2可以额外地监视辅助参考信号λc’入射到辅助参考波长传感元件441上的实时入射位置。这样的信息对于监视频谱信道和各自的光束接收元件之间的错位是有用的，其中该错位可能并没有由参考频谱成分λc的入射位置反映。通过举例的方式，图4B显示了这样一种情况，其中参考频谱成分λC保持在预定的位置xo处，而辅助参考信号λc’入射到辅助参考波长传感元件441上的入射位置沿x方向偏离了指定的位置xo’，其中该偏离可能是由频谱阵列的间距变化而导致。该图中的(以及图4C中的)x-y平面被显示为基本上横切频谱信道的传播方向。如上面的讨论中所指示的，频谱阵列的间距通常随着衍射角而发生变化，因此随光信号入射到衍射光栅上的入射角而发生变化(例如见上面的等式(3)和(4))。所以，处理元件460-2可以使用探测到的辅助参考信号λc’对指定位置xo’的偏离来以一种方式控制控制镜260-1，从而将辅助参考信号λc’带回到指定的位置xo’，如通过以类似于图2C中所描述的对准调整方法调整输入多波长光信号、参考信号以及辅助参考信号入射到衍射光栅220上的入射角。参考频谱成分λc和辅助参考信号λc’在各自位置xo、xo’处的对准指示了频谱信道和各自的光束接收元件之间的必要的对准。
通过举例的方式，图4C显示了另一种情况，其中参考频谱成分λc保持在预定的位置xo处，而辅助参考信号λc’入射到辅助参考波长传感元件441上的入射位置偏离预定的位置xo’，如所示的那样，该偏离可能是由光束接收阵列相对于频谱阵列的旋转运动(或反之)导致的。所以，处理元件460-2可以使用探测到的辅助参考信号λc’对指定位置xo’的偏离以一种方式来控制驱动设备460-1，从而将辅助参考信号λc’带回到指定的位置xo’处，例如通过使光束接收阵列相对于频谱阵列发生旋转，由此恢复频谱信道和各自的光束接收元件之间的必要的对准。
本领域的技术人员可以理解，图4B-4C的实施方案是作为例子而提供的，以阐明本发明的基本原理。在实际的情况下，辅助参考信号λc’对指定位置的偏离可能是由于多种因素，如频谱阵列的间距变化和光束接收阵列的旋转运动(相对于频谱阵列)的组合。所以，处理元件460-2可以以一种协调的方式控制驱动设备460-1和控制镜260-1，从而将辅助参考信号λc’带回到指定的位置，而同时使参考频谱成分λc保持在预定的位置xo处，由此恢复频谱信道和光束接收元件之间的必要的对准。而且，替代(或结合使用)控制镜260-1的功能，可以借助于在图2D的实施例中描述的对准调整方法来实现频谱阵列的间距的控制。替代(或结合使用)驱动设备460-1的对准功能，可以通过将合适的驱动设备连接到会聚透镜230来调整频谱阵列与位于其下的光束接收阵列之间的对准关系，如图3B的实施例中所述的。另外，通过伺服控制可以使辅助参考信号λc’的入射位置保持在预定的位置处，而对参考频谱成分λc的入射位置进行周期性地或连续地监视；或者可以根据适当的信号处理和伺服控制方案主动地控制参考频谱成分和辅助参考信号的入射位置。
在图4A的实施例中，伺服控制单元通常可以包含用于调整由衍射光束形成的频谱阵列和位于其下的光束接收阵列之间的相对对准的第一对准调整元件(如驱动设备460-1，或者耦合到会聚透镜230的适当的驱动设备)；用于控制频谱阵列的间距的第二对准调整元件(如控制镜260-1，或者耦合到衍射光栅220的适当的驱动设备)；以及与第一和第二对准调整元件及参考波长传感元件240和辅助参考波长传感元件441进行通信的处理元件(如处理元件460-2)。处理元件460-2可以分别监视参考频谱成分λc和辅助参考信号λc’入射到参考波长传感元件240和辅助参考波长传感元件441上的入射位置，并且相应地提供第一和第二对准调整元件的控制，从而使参考频谱成分λc和辅助参考信号λc’保持在它们各自指定的位置处，并且由此确保频谱信道和各自的光束接收元件之间的必要的对准。
同样地，图4A的光学装置有利地利用适当的对准调整方法的组合来主动地控制频谱阵列的位置和间距，因此该光学装置在性能上更鲁棒。
总体而言，本发明中的一个或多个辅助参考信号可以是具有基本上不与频谱信道和参考频谱成分λc的波长重叠的定义好的(并且稳定的)中心波长的任意光信号。在图4A的实施例中，通过举例的方式，辅助参考信号的波长λc’被显示为大于频谱信道的波长，而参考频谱成分的波长λc小于频谱信道的波长，并且两个参考信号都由内部参考光源提供，如所示的那样。应该注意到，图4A中的两个参考光源可以通过单个的光合波器(例如一个3×1光纤耦合器)耦合到输入光纤；或者参考信号和辅助参考信号由能够提供多个参考信号的单个参考光源来提供，其中的参考信号通过光合波器耦合到输入光纤。可替换地，多波长光信号自身可以包含能被用作一个或多个参考信号的一个或多个频谱成分(如光网络中的一个或多个业务信道)。本领域的技术人员知道如何在根据本发明的光学装置中实现适当的参考信号，从而适应给定的应用。
在上述实施例中，衍射光栅220可以是刻线的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅或者色散棱镜，所有这些通常在本领域中被用于按照波长来分离多波长信号。通过举例的方式，上述实施例中的波长分散器被以反射式衍射光栅的形式示出。本领域的技术人员可以理解，在本发明的光学装置中，可以替换地使用传输衍射光栅或者色散棱镜。光束会聚器还可以是会聚透镜的集合，或者本领域中公知的任何其它适合的光束会聚装置。也可以通过使用执行波长分离和光束会聚的双重功能的曲面衍射光栅来提供会聚功能。应该注意到，在其中频谱信道和参考频谱成分被完全分离的应用中，可以不使用诸如上述实施例中的会聚透镜230的光束会聚器。
而且，光束接收元件250-1到250-N可以是光功率传感器，例如以pn光探测器、pin(p-本征-n)光探测器或者雪崩光探测器(APD)形式出现的光探测器。这样构建的光学装置组成了具有伺服控制能力的频谱功率监视器，由此提供我们感兴趣的频谱信道的特征功率频谱。光束接收元件250-1到250-N还可以是微反射镜(如硅微机械反射镜)，每个都可以被单独控制(如可以绕一个或两个轴旋转)来动态地根据预定的方案路由频谱信道。可替换地，光束接收元件250-1到250-N还可以是光纤阵列，并且频谱信道被导引到该光纤阵列中。这样构建的光学装置组成解复用器，或者当逆转光束的传播方向的时候组成复用器。光束接收元件250-1到250-N另外还可以以光束成形元件的形式出现，例如会聚透镜，从而将频谱信道投射到希望达到的位置。光束接收元件250-1到250-N还可以以光调制器阵列的形式出现，例如液晶光调制器或光衰减器，用于调制每个频谱信道的一个或多个特征(例如幅度和/或相位)。
在图2A、3A、3B或4A中，通过举例的方式，光束接收元件被示出与频谱信道一一对应。可能有这样一种应用，其中光束接收元件的子集每个都对应多个频谱信道，或者为一个单个的频谱信道指定多个光束接收元件。例如，在光功率传感器被用作光束接收元件的情况下，可以指定一个或多个光功率传感器中的每个光功率传感器，以用于接收多个频谱信道，从而提供接收到的频谱信道的完整的功率测量。
已经知道的是，衍射光栅的衍射效率通常是偏振依赖的，并且对于具有大量凹线(每单位长度)的光栅来说，这种偏振依赖效应可能变得很显著。这样，在衍射光栅被用作波长分散器的情况下，如在图2A、3A、3B或4A的实施例的情况中，就可以使用多种装置/机制来降低相关的偏振敏感效应，例如那些在下面的部分III中讨论的机制。通过举例的方式，可以实施一种偏振分集方案。在这种方案中，首先将输入多波长光信号(和一个或多个参考信号)分解为P偏振部分和S偏振部分。假设P偏振方向是衍射光栅的优选方向(即衍射效率对于P偏振来说比对于S偏振来说要高)，那么S偏振部分被旋转90度，由此入射到衍射光栅上的光信号都具有P偏振。这种偏振分集方案具有使衍射效率最大的优点。可替换地，可以采用一种适合的偏振敏感元件(如泄漏分束器)，用于在输入多波长光信号(和一个或多个参考信号)入射到衍射光栅之前使这些信号当中的P偏振部分相对于S偏振部分按照预定比率进行衰减，从而补偿由衍射光栅造成的对不同偏振态的区别对待。用于这些偏振分集方案的装置和方法将在下面在部分III中得到更详细的讨论。
本发明进一步提供了一种多波长光信号的频谱对准方法。作为示出本发明的总体原理的一个例子，图5A显示了一个示例性的流程图，该图概述了本发明的方法。方法500需要组合多波长光信号和参考(或校准)信号，如在步骤510中指示的那样；按照波长将多波长光信号和参考(或校准)信号在空间上分离成多个频谱信道和一个参考(或校准)频谱成分，其中所述多个频谱信道和一个参考(或校准)频谱成分具有预定的排列方式，如在步骤520中指示的那样；使该参考(或校准)频谱成分入射到预定的位置处，以便频谱信道按照预定的相对排列方式入射到指定的位置处，如在步骤530中指示的那样；通过伺服控制使参考(或校准)频谱成分保持在预定的位置处，由此确保频谱信道在指定的位置处保持对准，如在步骤540中指示的那样。
本发明的上述方法利用了这样一个事实参考频谱成分和频谱信道，其中每个都由一个独特的中心波长来表征，形成了具有预定的相对排列方式的频谱阵列。这样，使参考频率成分在预定的位置处对准就确保频谱信道可以按照频谱阵列同时地入射到指定的位置处。这提供了一种使由多波长光信号形成的频谱阵列对准的简单而有效的方法。这样对准的频谱信道然后可以例如被光束接收元件单独地操作，如上面所述的。
图5B进一步详细示出在图5A的步骤540中所述的伺服控制操作的示例性实施例。该实施例需要监视参考(或校准)频谱成分的实时入射位置，如在步骤540-A中指示的那样；并且相应地调整参考(或校准)频谱成分和频谱信道的校准，从而使参考(或校准)频谱成分保持在预定的位置处，并且由此确保频谱信道在指定的位置处保持对准，如在步骤540-B中所述的那样。
图5A(或图5B)的方法500可以进一步包含使频谱信道和参考(或校准)频谱成分会聚到对应的会聚点的步骤，如在步骤550中指示的那样。图5A(或图5B)的方法500另外还可以包含在指定位置处光学地探测频谱信道的步骤，从而提供探测到的频谱信道的功率频谱；重新导引频谱信道的步骤，以根据预定的方案路由频谱信道；或者调制频谱信道的一个或多个特性的步骤。
II.用于光系统中主动对准补偿的其它硬件和软件图6A描述了根据本发明的频谱功率监视装置的示例性实施例。通过举例的方式，描述了本发明的原理和总体结构，频谱功率监视装置600包含用于多波长光信号的输入端口610，该输入端口可以以光纤准直器的形式出现；波长分散器620，它可以以衍射光栅的形式出现；光束会聚器630，它可以是会聚透镜；光功率传感器阵列640(这里被称作“光传感阵列”)，提供一个参考位置传感元件640-C和多个信道传感元件640-1到640-N。光传感阵列640可以集成为单个结构(如通过将组成元件安装或制造在一个基底上)。
图6A的频谱功率监视装置600可以按照下面的方式进行工作。输入端口610传输包含波长λ1到λN的多波长光信号和包含波长λc的参考信号。衍射光栅620按照波长在角度上将入射多波长光信号和参考信号分离成具有预定相对排列方式的多个频谱信道λ1到λN和参考频谱成分λc。会聚透镜630将参考频谱成分λc和频谱信道λ1到λN会聚到对应的会聚点，如具有预定的相对排列方式的空间阵列(或“频谱阵列”)。光传感阵列640可以这样被放置，从而当参考频谱成分λc在预定的位置xo处入射到参考位置传感元件640-C上时，频谱信道λ1到λN分别在指定的位置x1-xN处入射到信道传感元件640-1到640-N上。
应该注意到，为了举例的目的，以原理图的形式示出了图6A和下面附图的实施例。各种元件和光束都不是按照比例绘制的。总体而言，在本发明的频谱功率监视装置中可以有任意数量的频谱信道，只要系统中使用的信道传感元件的数量足够用于以希望得到的准确度确定频谱信道的功率电平。而且，图6A(和随后的图)中所示的入射到光传感阵列的衍射光束的会聚点可以不是均匀间隔的，并且不必与位于其下的信道传感元件具有一一对应的关系，如将在后面详细说明的那样。
图6A的频谱功率监视装置600可以进一步包含基于伺服的对准补偿单元660，该单元的一种形式可以包含耦合到光传感阵列640的驱动设备660-1和处理元件660-2。这样配置驱动设备660-1，以便促使光传感阵列640作为一个整体而发生移动，因此参考位置传感元件640-C和信道传感元件640-1到640-N整体进行运动(如平移和/或旋转)，由此调整由衍射光束形成的频谱阵列和位于其下的光传感阵列640之间的相对对准。处理元件660-2监视参考频谱成分λc入射到参考位置传感元件640-C上的实时入射位置，并且相应地提供驱动设备660-1的伺服(或反馈)控制，从而使参考频谱成分λc保持在预定的位置xo处，并且因此频谱信道λ1到λN保持在指定的位置x1到xN处。这样所描述的基于伺服的对准补偿单元使得本发明的光学装置可以主动地校正可能出现在操作过程中的对准偏移(例如由于诸如热扰动和/或机械扰动引起的环境影响)，因此增加了装置的鲁棒性。使用这样一种对准补偿单元的一个额外的好处在于初始组装期间具有宽松的制造公差和精度，因而这使得本发明的频谱功率监视装置具有更简单的和更成本有效的结构。
通过举例的方式，图6B显示了如何将一个光电二极管阵列实施为图6A实施例中的光传感阵列640。图6B显示了光电二极管阵列640A的示例性段的放大视图，包含多个具有不同的光响应特征的相邻的光传感元件，如图中所显示的阴影区域和非阴影区域所区分的那样。作为例子，光响应函数Ri(x)，如图中的实线所显示的，代表了非阴影光电传感区域640-i以及它的两个相邻的阴影区域640-i-H和640-j-H的光响应的特征。类似地，光响应函数Rj(x)，如图中的虚线所显示的，代表了相邻的非阴影光电传感区域640-j以及它的两个相邻的阴影区域640-j-H和640-k-H的光响应的特征。光响应函数使入射到光传感元件上的光功率与因此产生的电(如电压)信号相关，如将在后面进一步详细讨论地那样。通过举例的方式，图6B中的每个光响应函数被显示为在对应的非阴影区域中几乎是恒定的，并且随着移离非阴影区域进入相邻的阴影区域而按照几乎线性的方式降低，因此在总体特性上表现为类似于梯形的形状。同样地，光电二极管阵列640A具有连续的总体光响应函数；也就是说在光电二极管阵列640A上没有“死区”(或光非敏感区域)。具有这样描述的特性的光电二极管阵列在市场上是可以买到的，例如，从Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey处买到。
作为例子，在随后的讨论中描述的光电二极管阵列包含适当的探测电路，以便输出信号可以以电压信号的形式出现。可以理解，本发明的基本原理和工作方式同样也适用于其它的光电二极管阵列或光功率传感器阵列，它们的输出信号采用电流信号的形式。还可以理解，在本详细说明中的下标i、j、或者k可以是1到N之间的任意一个整数。
可以这样配置图6B中的光电二极管阵列640A，从而通过非阴影区域输出电压信号。通过举例的方式，可以通过下面的公式得到从非阴影区域640-i输出的电压信号ViVi＝∫Ri(x)I(x，y)dxdy (1)其中积分发生在非阴影区域640-i和它的相邻的阴影区域640-i-H和640-j-H上，并且I(x，y)是入射到在图6B中规定的x-y平面上的我们所感兴趣的区域上的光强度。光响应函数Ri(x)是预定的，并且基于所使用的光电二极管阵列的特性。这样，电压信号Vi将入射到非阴影区域640-i以及它的相邻的阴影区域640-i-H和640-j-H上的总光功率都考虑在内。类似地，从非阴影区域640-j输出的电压信号Vj就与入射到非阴影区域640-j以及它的相邻的阴影区域640-j-H和640-k-H上的总光功率相联系。而且，因为两个空间上相邻的光响应函数，例如Ri(x)和Rj(x)，交织在一起的关系，可以从测量得到的电压信号Vi和Vj得到入射到阴影区域上的光束的功率电平，例如夹在非阴影区域640-i和640-j之间的阴影区域640-i-H。在光电二极管阵列640A中的其它部分也是同样的情况。因此，每个非阴影区域和它的相邻的阴影区域，例如非阴影区域640-i以及它的相邻的阴影区域640-i-H和640-j-H组成了本发明中的一个信道传感元件(或像素)。
另外，可以将光电二极管阵列640A中两个相邻的信道传感元件用作“分裂探测器”来提供用于参考频谱成分λc的参考位置传感元件(如图6A的实施例中的参考位置传感元件640-C)。这可以如下实现使用本领域中公知的适当的规范化差分探测方案来分别测量从非阴影区域640-1、640-2输出的电压信号V1、V2，例如通过监视位置误差信号(V1-V2)/(V1+V2)。这样一种规范化差分探测方案具有通过幅度噪声的通用模式抑制来改善探测的信噪比(SNR)的优点。作为一个例子，参考频谱成分λc的入射位置可以位于夹在两个相邻的非阴影区域640-1、640-2之间的阴影区域640-2-H上，以便从非阴影区域640-1、640-2输出的电压信号V1、V2分别随着参考频谱成分λc的位置以一种几乎线性的方式进行变化。在这种情形中，单个的信道传感元件，例如与非阴影区域640-1、640-2中的任意一个相联系的信道传感元件，都可以被用作参考位置传感元件。
可以这样配置图6A的频谱功率监视装置600，以使频谱信道按照一一对应的关系入射到光电二极管阵列640A的非阴影区域；并且由频谱信道形成的频谱点被限制在各自的非阴影区域内，如在图6B中显示的那样。通过举例的方式，可以指定非阴影区域640-i用于频谱信道λi，而指定非阴影区域640-j用于频谱信道λj。通过这种方式，从非阴影区域输出的电压信号分别与它们的对应的频谱信道的功率电平成比例，这是因为在每个非阴影区域中(如非阴影区域640-i)中，仅有一个光响应函数是得到控制的(例如Ri(x))。例如，电压信号Vi直接与入射到非阴影区域640-i上的频谱信道λi的功率电平成比例，并且可以通过校准获得相关的比例因子，如将在后面详细描述的那样。这样一种配置同样利用了非阴影区域中的统一的光响应特性，这使得在对应的非阴影区域中的频谱信道的入射位置的任何偏离在实际上变得是无关紧要的。而且，图6A的实施例中的处理元件660-2可以使用本领域中公知的适合的差分探测方案来测量上述的电压信号V1、V2，以便可以容易地监视参考频谱成分λc的实际的入射位置对指定位置的偏离。反过来，处理元件660-2可以使用探测到的参考频谱成分λc的入射位置的偏离来生成要被施加到驱动设备660-1的适当的控制信号，从而使参考频谱成分λc保持在指定位置处，由此确保频谱信道和对应的信道传感元件之间的必要的对准。同样地，图6B的实施例提供了图6A中的光传感器阵列640的一个实施例。
在某些应用中，可能很难将频谱信道的频谱点限制在对应的信道传感元件中的非阴影区域内(如按照图6B中所描述的方式)。由衍射光束形成的频谱阵列还可以具有非均匀的间距，这意味着在任意两个相邻的频谱点之间的间隔可以不是恒定的。这两种方案中的任意一种都可以导致这样一种情况，其中一个或多个信道传感元件中的每个都接收多于一个频谱信道，并且在某些情况下，频谱点可以重叠。图2C描述了如何将图6B中描述的光电二极管阵列应用于这种应用中的示例性实施方案。
通过举例的方式，在配置和工作方面，图2C中显示的光电二极管阵列640B可以与图6B的光电二极管阵列640A基本上类似，因此用相同的数字代表其中的元件。为了说明和清楚起见，仅明确示出了3个频谱信道λi、λj、λk；并且这些频谱信道被显示为这样排列，从而一个或多个信道传感元件每个都可以接收多于一个频谱信道。例如，与非阴影区域640-i相关联的信道传感元件至少接收频谱信道λi、λj；类似地，与非阴影区域640-j相关联的信道传感元件至少接收频谱信道λj、λk。基于等式(1)，通常可以将从非阴影区域640-i输出的电压信号Vi表示为Vi=∫Rl(x)[Σn=1NIn(x,y)]dxdy...(2)]]>其中In(x，y)是我们感兴趣的区域中相关联的频谱信道λn(n＝1到N)的光强度。本领域的技术人员可以理解，等式(2)适用于我们感兴趣的任意频谱信道(也就是说，在上述中i＝1到N)。因此，如果由光功率矢量(P)代表入射到光电二板管阵列640B上的频谱信道的功率电平P1到PN，并且由电压矢量(V)代表光电二极管阵列640B由此产生的电压信号V1到VM(M≥N)，那么(P)和(V)之间的关系式如下(v)＝[T](P) (2)其中[T]是一个(M×N)的传输矩阵。传输矩阵[T]通常依赖于频谱信道和位于其下的信道传感元件之间的相对对准，以及所使用的光电二极管阵列的本征特性(例如光响应特性)。传输矩阵[T]典型地是带对角线(band-diagonal)的，除非一个或多个信道传感元件都接收多个频谱信道。本领域的技术人员可以认识到，上面的等式(2)还适用于图6B的实施例，其中N＝M，并且传输矩阵[T]是真对角线的。
基于等式(2)，有下面的等式(P)＝[C](V)(3)其中[C]是一个(N×M)转换矩阵，并且可以从等式(2)中的传输矩阵[T]得到。为了确定传输矩阵[T]，可以执行校准(如在工厂)，其中校准光信号的特征在于具有基本上与要被探测的频谱信道相同的波长，并且使得已知的功率电平耦合进图6A的输入端口610，由此经过了与频谱信道所要经历的光路相同的光路。(例如，可以由可调谐激光器提供该校准光信号)。然后对响应于入射校准光信号的光电二极管阵列640B的输出电压信号进行了测量。通过将测量得到的电压信号和校准光信号的已知功率电平带入等式(2)，可以计算出传输矩阵[T]。借助于本领域中公知的适合的矩阵算法，可以进一步由该传输矩阵[T]得到等式(3)中的转换矩阵[C]。可以将这样获得的转换矩阵[C]存储到一个系统存储器中，例如在作为图6A中的处理元件660-2的一部分的信号处理器中。随后在操作过程中，转换矩阵[C]基本上保持不变，只要频谱信道保持与校准光信号入射到光电二极管阵列640B上的基本上相同的位置。例如，通过上述的图6A中的基于伺服的对准补偿单元660可以保持必要的对准。这使得信号处理器可以以根据等式(3)的方式，通过这样产生的电压信号容易地计算入射到光电二极管阵列640B上的频谱信道的功率水平。本领域的技术人员可以认识到，如果这在实际应用中是希望得到的，那么可以独立地确定背景贡献量(例如，由于光电二极管阵列的“暗电流”和/或由于来自环境的“杂散光”导致的)，并且随后将其考虑进上述的校准和操作过程中。
在图2C的实施例中，可以通过使用适当的规范化差分探测方案来分别测量从非阴影区域640-1、640-2输出的电压信号V1、V2从而监视参考频谱成分λc的入射位置，例如按照针对图6B所描述的方式通过探测位置误差信号(V1-V2)/(V1+V2)。同样地，可以在图6A中替换地实施图2C的实施例，从而实现光传感阵列640。
回过来参考图6A的实施例。驱动设备660-1可以是步进电机、螺线管致动器、压电致动器，音圈致动器，或者本领域中公知的任意类型的驱动装置。处理元件660-2可以包含电路、控制器和信号处理算法，用于处理从参考位置传感元件640-C接收到的输出信号(例如从图6B中的光传感阵列640A输出的电压信号V1、V2)并且通过探测到的信号得到参考频谱成分λc的实时入射位置。处理元件660-2相应地生成要被施加到驱动设备660-1的适当的控制信号，以按照这样一种方式调整参考频谱成分λc和频谱信道λ1到λN的对准，以便参考频谱成分λc保持在预定的位置xo处。用于伺服控制系统中的处理元件的电子电路和相关的信号处理算法/软件在电子工程和伺服控制系统的领域中是公知的。
本领域的技术人员可以理解，除了(或结合)如上面所述的那样移动光传感阵列640之外，还可以替换地(或额外地)使图6A中的会聚透镜630移动，如使该会聚透镜发生平移或旋转，由此控制衍射光束的入射位置并且执行类似的对准功能。如上面描述的那样，可以通过将会聚透镜耦合到适当的驱动设备从而实现会聚透镜630的平移/旋转。在某些情况下，还可以通过适当地改变输入多波长光信号(和参考信号)入射到衍射光栅620上的入射角来实现(或补偿)对准调整，如通过使光栅旋转或者在输入端口610和衍射光栅620之间放置动态可调的反射镜，只要这样一种调整基本上不改变由衍射光束形成的频谱阵列的间距。如可以通过本详细说明理解的，本领域的技术人员可以知道如何设计用于根据本发明的基于伺服的对准补偿单元的适当的对准调整元件和对应的处理元件，从而最好的适于一个给定的应用。
图7A描述了根据本发明的频谱功率监视装置的第二实施例。通过举例的方式，频谱功率监视装置700可以利用在图6A的实施例中使用的结构和多个元件，如那些由相同数字所指示的。注意，在该系统中没有“移动”对准调整装置。替代地，实施了基于软件的对准补偿单元760，它可以是与光传感阵列640进行通信的信号处理器。
图7B进一步详细显示了如何配置图7A的实施例中的光传感阵列640。通过举例的方式，在配置和工作方式上，图7B的光电二极管阵列640C可以基本上与图6B中描述的光电二极管阵列640A类似，因此用相同的数字标记了这些元件。在这种情况下，可以利用占据光电二极管阵列640C的相邻段(在这里被称作“参考段”)的两个或多个相邻的信道传感元件来监视参考频谱成分λc的入射位置。例如，如果参考频谱成分λc位于两个相邻的信道传感元件内，例如那些如图7B中所描述的那样的与非阴影区域640-1、640-2相关的信道传感元件，那么可以通过使用适当的规范化差分探测方案来分别测量从非阴影区域640-1、640-2输出的电压信号V1、V2，例如按照图6B所描述的方式通过探测位置误差信号(V1-V2)/(V1+V2)。在参考频谱成分λc可能经历对准的偏移或者延伸到两个信道传感元件之外的“走偏”(如在下面所描述的校准或操作期间)的情况下，参考段可以包含多个信道传感元件，并且它们各自的输出电压信号都得到探测。因而，可以相应地生成一系列位置误差信号，每个位置误差信号按照上述的方式相关于从该段中的两个相邻的信道传感元件输出的电压信号，通过这些电压信号可以推导出参考频谱成分λc的入射位置。本领域的技术人员可以知道如何设计一种适当的信号探测和处理方案，用于有效地监视参考频谱成分λc的实时入射位置。
在图7B中，频谱信道λ1到λN可以入射到位于光电二极管阵列640C一个段(在这里被称作“信道段”)内的多个信道传感元件，该段与通过参考频谱成分λc被指定的参考段完全分开，从而从参考段输出的任意电压信号并不包含来自频谱信道的贡献量，或者反之亦然。频谱信道和位于其下的信道传感元件之间的对应可以如在图6B或6C的实施例中描述的那样。在两种方案中的任意一种中，可以按照如在上面的等式(3)中指示的方式，通过预定的转换矩阵[C]使入射到光电二极管阵列640C上的频谱信道的功率电平与由此通过光电二极管阵列640C的信道段所产生的电压信号相联系。
图7A实施例中的频谱功率监视装置700可以按照下面的方式进行工作。在初始(或工厂)校准期间，按照一种“模仿”我们感兴趣的频谱信道的方式，将具有与要被探测的频谱信道相同的波长的光信号和已知的功率电平耦合进输入端口610。(例如，可以由可调谐激光器提供校准光信号。)校准光信号和参考信号λc从输入端口610出现，在衍射光栅620和会聚透镜630的作用下在空间上分离并且随后入射到光电二极管阵列640(如图7B的光电二极管阵列640C)上。然后，在具有足够的空间分辨率的情况下参考频谱成分λc的入射位置按照增量进行变化(如沿图7B中所示的x方向)，这可以通过使用适合的驱动装置使光传感阵列640发生平移从而得以实现。然后，如上面所述那样，通过从指定的参考段输出的电压信号(如电压信号V1、V2)确定参考频谱成分λc的位置x。在参考频谱成分λc的每个位置x处，还测量由校准光信号产生的电压信号，然后将这些电压信号和校准光信号的已知的功率电平代入上面的等式(2)，由此计算得到对应的传输矩阵[T(x)]。反过来，可以通过使用本领域中公知的适当的矩阵算法，通过该传输矩阵[T(x)]来得到等式(3)中的转换矩阵[C(x)]。因此，该校准过程建立了一个矩阵校准表，包含作为x的函数的[C(x)]，它可以被存储在对准补偿单元760中。随后在工作过程中，对准补偿单元760监视参考频谱成分λc的实时入射位置x，并且测量在对应的位置x处入射到光电二极管阵列640C的信道段上的频谱信道所产生的电压信号。然后，对准补偿单元760从预定的矩阵校准表查询对应的转换矩阵[C(x)]，从而通过使用上面的等式(3)从测量得到的电压信号获得入射频谱信道的功率电平。同样地，频谱功率装置700通过软件控制有效地补偿可能在工作过程中出现的对准的偏移，而不涉及任意“移动”的驱动装置。使用这样一种基于软件的对准补偿单元还放松了对制造公差和在初始组装期间对于精确度的要求，这使得本发明的频谱功率监视装置具有更简单和更鲁棒的结构。
应该理解，通过举例的方式提供了如在图6B中描述的光电二极管阵列640A的示例性光响应特性，从而说明了本发明的基本原理。本领域的技术人员可以理解，在本发明的频谱功率监视装置中，可以替换地实施具有不同的光响应特性的其它光功率传感器(或光电二极管)阵列，用于以基本上相同的方式(如由上面等式(1)-(3)描述的)提供基本上相同的功能。例如，本发明中的光功率传感器阵列不必具有连续的总体光响应函数(如在光传感区域之间可以有一个或多个“死区”)。如通过本发明的教导可以理解的，本领域的技术人员可以知道设计一种适当的频谱功率监视装置，从而最好地适于一个给定的应用。
在图6A或7A的实施例中，可以由耦合到用作输入端口610的光纤准直器的输入光纤601提供包含波长λ1到λN的多波长光信号。可以由参考光源602提供参考信号λc，其中该光源可以是分布反馈(DFB)激光器、法布里-珀罗(FP)激光器(与抑制模跳跃并稳定输出信号的适当的调制/控制系统结合使用)，或者本领域中公知的任意其它光源，该光源可以提供具有规定好的和稳定的波长的适当参考信号。可以使用光合波器603(如熔融光纤耦合器)来将参考光源602耦合到输入光纤601，有效地将多波长光信号和参考信号耦合到输入端口610中。这样，频谱功率监视装置就具有一个独立的、内部的参考光源。可替换地，输入多波长光信号自身可以包含可被用作参考信号的频谱成分(如光联网应用中的业务信道)，如在WDM光联网应用中那样。在这样一种方案中，不必实施内部参考光源602和光纤耦合器603。输入光纤601可以是单模光纤、多模光纤或者保偏光纤。
而且，衍射光栅620可以是刻线的衍射光栅、全息衍射光栅，或者阶梯光栅，所有这些光栅在本领域中一般用于按照波长来分离多波长信号。可以使用本领域中的公知的其它类型的波长分离装置来实现本发明的频谱功率监视装置中的波长分散器，例如传输衍射光栅或者色散棱镜。光束会聚器630也可以是会聚透镜的集合，或者是本领域中公知的任意其它适合的光束会聚装置。也可以通过使用执行波长分离和光束会聚的双重功能的曲面衍射光栅来提供会聚功能。应该注意到，在频谱信道和参考频谱成分被很好地分离的应用中，可以不使用例如图6A或7A中会聚透镜630的光束会聚器。
公知的是，衍射光栅的衍射效率可能是偏振依赖的。例如，一个标准安装配置中的光栅对于p(或TM)偏振的衍射效率比对于s(或TE)偏振的衍射效率要高，或者反之，并且其中p偏振垂直于光栅上的凹线，s偏振与p偏振正交。为了减小这种偏振敏感影响，可以在本发明的频谱功率监视装置中采用一种适合的偏振敏感元件(如泄漏分束器)，用于在输入多波长光信号(和一个或多个参考信号)入射到衍射光栅之前使这些信号当中的一个偏振态(如p偏振)成分相对于另一个偏振态(如s偏振)成分按照预先的比例进行衰减，从而补偿由衍射光栅造成的偏振依赖性。这可以通过，例如，在图6A或7A的实施例中的输入端口610和衍射光栅620之间的光路上放置适当的弱偏振器(如泄漏分束器)得以实现。可替换地，可以实施如下面在部分III中讨论的适当的偏振分集方案。
如可以通过本发明的描述中理解的，本领域的技术人员可以知道如何通过使用适当的对准补偿单元以及适当的偏振分集方案来设计一种频谱功率监视装置，从而最好地适用于一个给定的应用。例如，通过将基于InGaAs的光电二极管阵列(这种光电二极管在1-1.7μm的波长范围内特别敏感)用作上述实施例中的光传感阵列，本发明提供了一系列能够进行主动对准补偿的新型频谱功率监视器，这些监视器将特别适用于DWDM光联网应用。
III.偏振分集方案图8显示了本发明光学频谱功率监视装置的一个示例性实施例。通过举例的方式，显示了本发明的原理和总体结构，光学频谱功率监视装置800包含以光纤准直器形式出现的用于多波长光信号的输入端口810；偏振分离元件870，它的一种形式可以是偏振分束器；偏振旋转元件880，它可以是半波片；波长分散器820，它的一种形式可以是衍射光栅；光束会聚器830，它可以是会聚透镜；以及光功率传感器阵列840(在这里被称作“光传感阵列”)。
图8的光学频谱功率监视装置800的原理操作如下。输入端口810传输多波长光信号(例如，它可以包含波长λ1到λN)。偏振分离元件870将多波长光信号分解为相对于衍射光栅820的一个p(或TM)偏振成分(垂直于光栅上的凹线)和一个s偏振(或TE)偏振成分(与p偏振成分正交)。(该p偏振和s偏振成分还可以被称作“第一和第二偏振成分”。)作为一个例子，假设p偏振是衍射光栅820的“优选方向”(即衍射效率对于p偏振比对于s偏振高)，偏振旋转元件880随后使s偏振成分(或第二偏振成分)旋转90度，由此入射到衍射光栅820上的光信号都具有p偏振。衍射光栅820按照波长在角度上将入射光信号分离成第一和第二光束集合(例如，其中每个集合包含具有λ1到λN波长的光束)。会聚透镜830随后可以将衍射光束会聚到对应的会聚点，从而相关于相同波长(如λi)的第一和第二光束入射到光传感阵列840上的基本上相同的位置处(或在相同的光功率传感器内)。(应该理解，在本详细说明和所附的权利要求中，由偏振旋转元件(如偏振旋转元件880)产生的偏振旋转可以被理解为对于指定的角度(如90度)具有轻微的差异，这是由实际系统中所存在的缺陷造成的。但是，这种差异将不会显著影响本发明的整体性能。)
上述的第一和第二光束(偏振方向相同并且具有相同的波长)的重叠会导致产生不希望强度边纹的相干干涉。为了避免这种情况，可以在图8的实施例中实施辅助的偏振旋转元件890，由此光束的第一和第二集合在入射到光传感阵列840上之前具有互相正交的两个偏振方向。可以在衍射光栅820和光传感阵列840之间实施辅助的偏振旋转元件，并且用于使光束的第一和第二集合中的任意一个在入射到光传感阵列840上之前旋转90度。在图8中，通过举例的方式，在衍射光栅820和会聚透镜830之间放置辅助的偏振选择元件890，从而光束的第一集合在入射到光传感阵列840上之前，其偏振方向经历90度旋转。应该理解，替换地，可以按照这样一种方式将辅助的偏振旋转元件890放置在衍射光栅820和会聚透镜830之间，使得光束的第二集合在入射到光传感阵列840上之前，其偏振方向经历90度旋转。在这两种方案中的任何一种方案中，相关于相同波长(如λi)的第一和第二光束在入射到光传感阵列840之前变成具有两个互相正交的偏振方向，由此消除了任意的相干强度干涉。
同样地，通过有利地采用上述的偏振分集方案，衍射光栅820的偏振敏感度在光学频谱功率监视装置800中就变得是无关紧要的。这使得本发明的装置可以以一种简单并且成本有效的结构来提高频谱分辨率(如通过利用本领域中通常可以得到的高色散衍射光栅)，而同时改善光学频谱功率探测的准确度。
根据本发明，图9描述了使用偏振分集方案的光学频谱功率监视装置的另一个实施例。通过举例的方式，光学频谱功率监视装置900可以利用图8实施例中使用的总体结构和多个元件，如那些标有相同数字的元件所指示的那样。在这种情况下，可以实施调制组件985，并且这样配置该组件，使得光束的第一和第二集合按照一种时分复用的(如交替的)方式入射到光传感阵列840上。通过举例的方式，调整组件985被显示为这样一种形式具有第一和第二光闸元件981、982和控制单元983，它们放置在偏振分离元件870以及偏振旋转元件880和衍射光栅820之间，由此分别控制第一和第二偏振成分。第一和第二光闸元件981、982中的任意一个都可以被这样配置，从而在适当的控制信号的作用下(如由控制单元983提供的信号)它允许光信号通过；并且在没有任何控制信号的情况下保持对输入光信号关闭。因此，通过利用控制单元983，根据一种适当的控制方案从而以一种交替的方式操作第一和第二光闸元件981、982，光束的第一和第二集合以时分复用序列的形式入射到光传感阵列840上，如图中实线和虚线所指示的。这使得光束的第一和第二集合可以分开地被探测，由此可以独立地得到相关于输入多波长光信号中的每个偏振成分的光功率频谱。本领域的技术人员可以理解，可以替换地将第一和第二光闸元件981、982(以及控制单元983)实施在衍射光栅820和光传感阵列840之间，由此通过分别控制光束的第一和第二集合从而提供基本上类似的功能。
在上述的实施例中，替换地，可以由斩光器(以及相关的控制单元)提供调制组件985，例如配有至少一个孔的不透明旋转盘或本领域中已知的任意其它适当的装置，它们允许两个入射光信号以一种交替的方式通过。该斩光器可以被实施在偏振分离元件870以及偏振旋转元件880和衍射光栅820之间，或者在衍射光栅820和光传感阵列840之间，因此以一种基本上相同的方式提供基本上类似的功能。
在图9的实施方案中，光束的第一和第二集合中的每个都可以与位于其下的光传感阵列840具有预定的对准。可替换地，相关于相同波长(如λi)的第一和第二光束可以入射到光传感阵列840上的基本相同的位置处(虽然在不同的时间)。光传感阵列840可以基本上与阵列240或640相同，并且可以包含一个光电二极管阵列(如由Sensors Unlimited，Inc.，Princeton，New Jersey生成的光电二极管阵列)，或者本领域中其它适当的光功率传感装置。本领域的技术人员可以知道如何实施适当的光传感阵列以及设计适当的探测方案，从而最好地适用于一个给定的应用。
与图8的实施例类似，光学频谱功率监视装置900对衍射光栅820是偏振不敏感的，因此可以以提高的频谱分辨率提供多波长光信号的准确的探测。光学频谱功率监视装置900的一个额外的好处在于通过使光束的第一和第二集合以一种时分复用的方式入射到光传感阵列上，可以独立地确定相关于输入多波长光信号中的每个偏振成分的光功率频谱，这在光联网应用中是有用的。例如，偏振复用(将数据流编码到单个波长信道的两个互相正交的偏振成分上)已经成为增加光纤信息容量的另一种方法。因此，希望的是具有这样一种设备它可以分开地探测单个波长信道的两个互相正交的偏振成分。
本领域的技术人员可以认识到，调制组件985的上述功能可以概括为以频分复用的方式调制光束的第一和第二集合，由此可以在光传感阵列840上分开地识别这些集合。适用于这种情况，图10示出光学频谱功率监视装置的另一个实施例。通过举例的方式，光学频谱功率监视装置1000可以采用在图8中使用的总体结构和多个元件，如由标有相同数字的元件所指示的。在这种情况下，调制组件1085可以被放置在偏振分离元件870以及偏振旋转元件880和衍射光栅820之间的光路上，用于分别调制第一和第二偏振成分。调制组件1085可以以第一和第二调制元件1081、1082以及控制单元1083的形式出现，其中该第一和第二调制元件1081、1082可以是本领域中公知的电光强度调制器(基于液晶的强度调制器)。第一和第二调制元件1081、1082可以在两个不同的交替(或者“高频振动”)控制信号(如由控制单元1083提供)的控制下进行工作，该控制信号的一种形式可以是具有两个不同频率(如第一和第二“高频振动频率”)的时间的正弦函数。调制元件1081、1082中的任意一个可以被配置，从而将“高频振动调制信号”引入它所对应的光束的光功率电平，其中该光功率电平包含对控制信号的线性响应，并且该功率电平受该控制信号的控制。同样地，在从第一和第一光束调制元件1081、1082处出现的时候，第一和第二偏振成分可以分别携带第一和第二高频振动调制信号(如以第一和第二高频振动频率为特征)。因此，受衍射光栅820衍射作用的光束的第一和第二集合还可以携带各自的高频振动调制信号，并且该第一和第二集合入射到光传感阵列840上。由光传感阵列840按照类似的方式这样产生的电信号包含相同的特征高频振动调制信号，并且可由与光传感阵列840进行通信的同步探测单元1090对其进行探测。如本领域的技术人员可以理解的那样，如果在实际的应用中有必要的话，同步探测单元1090还可以与控制单元1083进行通信。
在本发明中，“频谱信道”的特征在于独特的中心波长和相关联的带宽，并且可以携带如在WDM光联网应用中那样独特的信息信号。与输入多波长光信号所携带的“本征”调制信号(如信息信号)相比，“高频振动调制信号”指任意由调制组件产生的光信号光功率电平中的调制。对应地，将高频振动调制信号分配在这样一个频谱范围之内，该频谱范围与频谱信道所携带的其它“本征”调制信号的频率足够地分开。
如在图9的情况中那样，图10实施例中的光束的第一和第二集合可以都与位于其下的光传感阵列840具有预定的对准。可替换地，相关于相同波长(如λi)的第一和第二光束可以入射到光传感阵列840上的基本上相同的位置处(或位于相同的光功率传感器内)。在这两种方案的任意一种中，由这两个光束集合携带的不同的高频振动调制信号使得这两个光束集合可以被分开探测，如使用同步探测单元1090。为了使由同步探测单元1090提供的测量相关于输入多波长光信号中的对应的光功率水平，可以进行一个校准过程，由此可以得到相关于输入多波长光信号中的每个偏振成分的光功率频谱。通过本发明的描述，本领域的技术人员可以知道如何实施适当的光传感阵列以及设计适当的探测方案，从而适用于一个给定的应用。
还可以由斩光器(以及相关的控制单元)，如配有两组孔的不透明旋转盘，提供调制组件1085。每组孔以由它的组成孔确定的空间排列方式确定的频率有效地“斩断”它所对应的光束(如第一或第二偏振成分)。通过按照希望实现的方案安排两组孔，到达光传感阵列840的第一和第二光束由不同的调制表征，由此使得它们可以被分开地探测。应该理解，替换地，可以将调制组件1085(如第一和第二调制元件1081、1082)实施在衍射光栅820和光传感阵列840之间，从而分别调制光束的第一和第二集合。如可以通过本发明的描述理解的，本领域的技术人员可以知道如何在根据本发明的光学频谱功率监视装置中实施适当的调制组件，从而最好地适用于一个给定的应用。
在上述实施例中，偏振分离元件870可以是偏振分束器、双折射光束转移器(birefringent beam displacer)，或者本领域中公知的其它类型的偏振分离装置。偏振旋转元件880或者辅助的偏振旋转元件890可以是半波片、法拉第旋转片、液晶旋转片，或者本领域中公知的可以使光束的偏振方向旋转指定的角度(如90度)的任意其它的偏振旋转装置。第一和第二光闸元件981、982中的任意一个可以是基于液晶的光闸元件，如包含在没有任何控制信号的情况下使入射光束的偏振方向旋转90度并且在适当的控制信号的作用下使偏振方向保持不变的液晶旋转片，以及其偏振轴垂直于由液晶旋转片产生的旋转偏振方向的偏振器。第一或第二光闸元件981、982中的任意一个也可以是起到光闸作用的基于MEMS(微电机系统)的元件，或者本领域中公知的任意其它的类光闸元件，该元件通过适当的驱动装置对于入射光束开放或保持关闭。控制单元983可以包含本领域中公知的电路和信号处理算法，用于根据希望得到的方案控制第一或第二光闸元件981、982。
而且，第一和第二调制元件1081、1082中的任意一个可以是电光强度调制器，例如液晶强度调制器，或者本领域中公知的任意其它适当的调制装置。本领域的技术人员可以知道如何设计适当的控制单元1083，从而由第一和第二调制元件1081、1082产生希望得到的高频振动调制信号。同步探测单元1090通常包含被设计用于分别对在光束的第一和第二集合中产生的高频振动调制信号执行同步探测的电路和信号处理算法。
在本发明中，波长分散器(如衍射光栅)820可以是刻线的衍射光栅、全息衍射光栅，或者阶梯光栅，所有这些通常在本领域中被用于按照波长来分离多波长信号。一般地，可以使用本领域中的公知的其它类型的波长分离装置来实现本发明的光学频谱功率监视装置中的波长分散器820，例如传输衍射光栅或者色散棱镜。光束会聚器830也可以是会聚透镜的集合，或者是本领域中公知的任意其它适合的光束会聚装置。也可以通过使用执行波长分离和光束会聚的双重功能的曲面衍射光栅来提供会聚功能。用作输入端口810的光纤准直器可以以一起被封装在机械坚硬的不锈钢(或玻璃)管子中的准直透镜(例如GRIN透镜)和套圈安装的光纤的形式出现。
应该理解，上述偏振分集补偿方案结合在部分I和II中描述的频谱监视器也使用主动的对准补偿。例如但不限于，通过将偏振分离元件870、偏振旋转元件880和/或890，以及调制组件985、1085集成到频谱监视器之内的对应位置(如在输入端口和波长分散器和/或光束会聚器之间)，可以在频谱监视器之内使用偏振分集方案。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解，只要不脱离本发明的原理和范围，在这里可以进行各种改变、替代和替换。所以，应该由随后的权利要求和其法律等价物来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种光学装置，包含一个输入端口，提供一个多波长光信号和至少一个参考信号；一个波长分散器，按照波长将所述多波长光信号和所述至少一个参考信号分离成具有预定相对排列方式的多个频谱信道和至少一个参考频谱成分；一个光束接收阵列，包含至少一个参考波长传感元件和多个光束接收元件，将这些元件定位成用于分别接收所述至少一个参考频谱成分和所述频谱信道；以及第一对准调整元件，该第一对准调整元件调整所述频谱阵列和所述光束接收阵列之间的对准，从而使所述至少一个参考频谱成分能够在所述至少一个参考波长传感元件上的预定位置处对准。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一对准调整元件包含一个耦合到所述光束接收阵列的驱动设备，用于使所述光束接收阵列发生移动。
3.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一对准调整元件包含一个耦合到所述光束会聚器的驱动设备，用于使所述光束会聚器发生移动。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中所述至少一个参考信号包含第一和第二参考信号，该第一和第二参考信号分别具有第一和第二参考频谱成分，并且其中所述第一对准调整元件适用于使得所述第一参考频谱成分能够在所述第一参考波长传感元件上的第一预定位置处对准，并且所述第二参考频谱成分能够在所述第二参考波长传感元件上的第二预定位置处对准。
5.如权利要求1所述的光学装置，进一步包含一个伺服控制单元，该伺服控制单元包含所述第一对准调整元件和一个处理元件，其中所述处理元件监视所述至少一个参考频谱成分入射到所述至少一个参考波长传感元件上的入射位置，并且相应地提供对于所述第一对准调整元件的控制，由此确保所述至少一个参考频谱成分在所述至少一个参考波长传感元件上的所述预定位置处保持对准。
6.如权利要求5所述的光学装置，其中所述伺服控制单元进一步包含一个调整所述频谱阵列的间距的第二对准调整元件，并且所述第二对准调整元件与所述处理元件进行通信。
7.如权利要求6所述的光学装置，其中所述第二对准调整元件包含一个控制镜，该控制镜与所述输入端口和所述波长分散器进行光通信，并且用于调整所述多波长光信号和所述至少一个参考信号的对准。
8.如权利要求6所述的光学装置，其中所述第二对准调整元件包含一个耦合到所述波长分散器的驱动设备，用于使所述波长分散器发生旋转。
9.如权利要求1所述的光学装置，其中所述至少一个参考波长传感元件包含从包括位置敏感探测器、分裂探测器和四分探测器的组中选出的元件。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中所述波长分散器包含从包括刻线的衍射光栅、全息光栅、阶梯光栅、曲面衍射光栅、传输光栅和色散棱镜的组中选出的元件。
11.如权利要求1所述的光学装置，其中所述输入端口包含一个耦合到输入光纤的光纤准直器，其中所述光学装置进一步包含至少一个用于将至少一个参考光源耦合到所述输入光纤的光合波器，并且其中所述输入光纤传输所述多波长光信号，所述至少一个参考光源提供所述至少一个参考信号。
12.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光束接收元件包含光功率传感器。
13.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光束接收元件包含微反射镜。
14.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光束接收元件包含光纤。
15.如权利要求1所述的光学装置，进一步包含偏振分离元件和偏振旋转元件，它们与所述输入端口和所述波长分散器进行光通信，其中所述偏振分离元件将所述多波长光信号和所述参考信号分解成第一和第二偏振成分，并且所述第一偏振旋转元件使得所述第二偏振成分的偏振旋转90度。
16.如权利要求15所述的光学装置，其中所述偏振分离元件包含从包括偏振分束器和双折射光束转移器的组中选出的元件。
17.如权利要求15所述的光学装置，其中所述偏振旋转元件包含从包括半波片、液晶旋转片和法拉第旋转片的组中选出的元件。
18.如权利要求15所述的光学装置，进一步包含辅助偏振旋转元件，它在所述波长分散器和所述光功率传感器阵列之间进行光通信，从而使来自所述第一偏振成分的每个色散光束的偏振都经历90度的旋转。
19.如权利要求18所述的光学装置，其中所述辅助偏振旋转元件包含从包括半波片、法拉第旋转片和液晶旋转片的组中选出的元件。
20.如权利要求1所述的光学装置，进一步包含使所述频谱信道和所述至少一个参考频谱成分会聚到频谱阵列中的对应会聚点的光束会聚器，其中所述频谱信道和所述至少一个参考频谱成分具有所述的相对排列方式。
21.如权利要求20所述的光学装置，其中所述光束会聚器包含至少一个会聚透镜。
22.一种光学装置，包含一个输入端口，提供一个多波长光信号和一个参考信号；一个波长分散器，按照波长将所述多波长光信号和所述参考信号分离成具有预定相对排列方式的多个频谱信道和一个参考频谱成分；一个光功率传感器阵列，该光功率传感器阵列包含一个用于接收所述参考频谱成分的参考位置传感元件和多个用于接收所述频谱信道的信道传感元件；以及一个对准补偿单元，包含一个用于调整所述频谱信道与所述参考频谱成分之间对准的对准调整元件和一个处理元件；其中所述处理元件监视所述参考频谱成分入射到所述参考位置传感元件上的入射位置，并且相应地提供对于所述对准调整元件的控制，从而使所述参考频谱成分保持在所述参考位置传感元件上的预定位置处，并且由此确保所述频谱信道和所述信道传感元件之间的特定对准。
23.如权利要求22所述的光学装置，进一步包含一个信号处理器，用于通过由所述信道传感元件产生的输出信号得到入射到所述信道传感元件上的所述频谱信道的功率电平。
24.如权利要求23所述的光学装置，其中所述信号处理器包含一个预定的转换矩阵，该转换矩阵使得所述输出信号相关于所述功率电平。
25.如权利要求22所述的光学装置，其中所述对准补偿单元进一步包含一个包括多个转换矩阵的预定校准表，所述多个转换矩阵中的每一个都对应于所述参考频谱成分的一个特定入射位置，由此对于探测到的所述参考频谱成分的每个入射位置，所述对准补偿单元都从所述校准表查询对应的转换矩阵，该转换矩阵使来自所述信道传感元件的输出信号相关于入射到所述信道传感元件上的所述频谱信道的功率电平。
26.如权利要求22所述的光学装置，其中所述对准调整元件包含一个耦合到所述光功率传感器阵列的驱动设备，用于使所述光功率传感器阵列发生移动。
27.如权利要求22所述的光学装置，进一步包含用于使所述频谱信道和所述参考频谱成分会聚到对应的会聚点并且入射到所述光功率传感器阵列上的光束会聚器，其中所述对准调整元件包含一个耦合到所述光束会聚器的驱动设备，用于使所述光束会聚器发生移动。
28.如权利要求22所述的光学装置，其中所述光功率传感器阵列包含一个光电二极管阵列。
29.如权利要求28所述的光学装置，其中每个信道传感元件接收所述频谱信道中的一个单独信道。
30.如权利要求28所述的光学装置，其中所述光电二极管阵列具有一个连续的总体光响应函数。
31.如权利要求30所述的光学装置，其中所述参考位置传感元件包含所述光电二极管阵列中的两个相邻的信道传感元件。
32.如权利要求22所述的光学装置，其中所述波长分散器包含从包括刻线的衍射光栅、全息衍射光栅、阶梯光栅、曲面衍射光栅、传输光栅和色散棱镜的组中选出的一个元件。
33.如权利要求22所述的光学装置，进一步包含一个光束会聚器，用于将所述频谱信道和所述参考频谱成分会聚到对应的会聚点。
34.如权利要求22所述的光学装置，进一步包含一个偏振分离元件和一个偏振旋转元件，它们与所述输入端口和所述波长分散器进行光通信，其中所述偏振分离元件将所述多波长光信号和所述参考信号分解成第一和第二偏振成分，并且所述第一偏振旋转元件使得所述第二偏振成分的偏振旋转90度。
35.如权利要求34所述的光学装置，其中所述偏振分离元件包含从包括偏振分束器和双折射光束转移器的组中选出的一个元件。
36.如权利要求34所述的光学装置，其中所述偏振旋转元件包含从包括半波片、液晶旋转片和法拉第旋转片的组中选出的一个元件。
37.如权利要求34所述的光学装置，进一步包含一个辅助偏振旋转元件，它在所述波长分散器和所述光功率传感器阵列之间进行光通信，使得来自所述第一偏振成分的每个色散光束的偏振都经历90度的旋转。
38.如权利要求37所述的光学装置，其中所述辅助偏振旋转元件包含从包括半波片、法拉第旋转片和液晶旋转片的组中选出的一个元件。
39.一种光学装置，包含一个输入端口，提供一个多波长光信号；一个偏振分离元件，它将所述多波长光信号分解为第一和第二偏振成分；一个偏振旋转元件，它使所述第二偏振成分的偏振旋转大约90度；一个波长分散器，它按照波长将所述第一和第二偏振成分分别分离为光束的第一和第二集合；以及一个光功率传感器阵列，被定位用于接收所述光束的第一和第二集合。
40.如权利要求39所述的光学装置，进一步包含一个辅助偏振旋转元件，使得所述光束的第一和第二集合在入射到所述光功率传感器阵列上时其偏振方向是正交的。
41.如权利要求40所述的光学装置，其中所述偏振旋转元件位于所述波长分散器和所述光功率传感器阵列之间。
42.如权利要求41所述的光学装置，其中所述辅助偏振旋转元件被如此配置，使得所述光束的第二集合的偏振经历大约90度的旋转。
43.如权利要求41所述的光学装置，其中所述辅助偏振旋转元件被如此配置，使得所述光束的第一集合的偏振经历大约90度的旋转。
44.如权利要求41所述的光学装置，其中所述辅助偏振旋转元件包含从包括半波片、法拉第旋转片和液晶旋转片的组中选出的一个元件。
45.如权利要求39所述的光学装置，其中所述偏振分离元件包含从包括偏振分束器和双折射光束转移器的组中选出的一个元件。
46.如权利要求39所述的光学装置，其中所述偏振旋转元件包含从包括半波片、法拉第旋转片和液晶旋转片的组中选出的一个元件。
47.如权利要求39所述的光学装置，其中所述光功率传感器阵列包含一个光电二极管阵列。
48.如权利要求39所述的光学装置，其中所述波长分散器包含从包括刻线的衍射光栅、全息光栅、阶梯光栅、曲面衍射光栅、传输光栅和色散棱镜的组中选出的一个元件。
49.如权利要求39所述的光学装置，进一步包含一个光束会聚器，用于将所述光束的第一和第二集合会聚到对应的会聚点。
50.如权利要求39所述的光学装置，进一步包含一个调制组件，该调制组件适用于在光束的第一和第二集合入射到所述光功率传感器阵列上之前调制所述光束的第一和第二集合。
51.如权利要求50所述的光学装置，其中所述调制组件适用于使得所述光束的第一和第二集合以时分复用序列的形式入射到所述光功率传感器阵列上。
52.如权利要求51所述的光学装置，其中所述调制组件包含第一和第二光闸元件。
53.如权利要求52所述的光学装置，其中所述第一光闸元件包含从包括基于液晶的光闸元件和基于MEMS的光闸元件的组中选出的一个元件。
54.如权利要求53所述的光学装置，其中所述第二光闸元件包含从包括基于液晶的光闸元件和基于MEMS的光闸元件的组中选出的一个元件。
55.如权利要求52所述的光学装置，进一步包含一个控制单元，该控制单元与所述第一和第二光闸元件进行通信。
56.如权利要求50所述的光学装置，其中所述调制组件包含第一和第二调制元件，该第一和第二调制元件适用于使所述光束的第一和第二集合在入射到所述光功率传感器阵列上时携带不同的高频振动信号。
57.如权利要求56所述的光学装置，其中所述第一调制元件和第二调制元件中的至少一个包含一个电光强度调制器。
58.如权利要求56所述的光学装置，进一步包含一个控制单元，该控制单元与所述第一和第二调制元件进行通信。
59.如权利要求56所述的光学装置，进一步包含一个同步探测单元，该同步探测单元被配置用于探测所述高频振动调制信号。
60.如权利要求50所述的光学装置，其中所述调制组件包含一个斩光器。
61.如权利要求50所述的光学装置，其中所述调制组件与所述偏振分离元件以及所述偏振旋转元件和所述波长分散器进行光通信，由此控制所述第一和第二偏振成分。
62.如权利要求50所述的光学装置，其中所述调制组件与所述波长分散器和所述光功率传感器阵列进行光通信，以便控制所述光束的第一和第二集合。
全文摘要
本发明提供了一种新颖的方法和装置，该方法和装置使用例如衍射光栅(220)的波长色散装置来按照波长将一个多波长光信号和一个参考信号在空间上分离成一个频谱阵列中的多个频谱信道和一个参考频谱成分，并且所述多个频谱信道和一个参考频谱成分具有预定的相对对准关系。通过使参考频谱成分在一个预定的位置处对准，多个频谱信道可以同时入射到指定的位置，如入射到按照该频谱阵列分布的光束接收元件阵列上。借助于伺服控制(260)，该参考频谱成分可以进一步保持在预定的位置，由此确保所述多个频谱信道在指定的位置处保持对准。本发明可以用于构建一系列新的基于伺服的光系统，包含频谱功率监视器和光复用器/解复用器，用于WDM光联网应用。
文档编号G01J3/28GK1610850SQ02823085
公开日2005年4月27日 申请日期2002年9月19日 优先权日2001年9月20日
发明者J·P·维尔德, P·波林金, M·J·蒂蒙斯, M·H·加雷特 申请人:卡佩拉光子学公司