专利名称：光相位检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量在两输入信号之间的相位差的光相位检测器。本发明还涉及光相位检测器的应用，包括在光鉴频器和激光稳定装置中的应用。
通常，通过如下的方式光学地测量相位差使两束光干涉形成干涉条纹花样并且测量当它移过摄象机正面时由于相对相位变化引起的条纹花样。这种测量方式的缺点是为了能够精确地测量相位或位置要对条纹进行计数和在条纹之间进行插值。这个过程相对较慢并且不是特别精确。这种检测器可以应用在移位测量方案中比如在激光计量学中以精确地测量位置，即精确到光波的几分之一。
先前已经应用光学技术通过混合两束稳定的激光产生微波辐射和相控阵天线波形，在这些技术中应用简单的光学系统来执行复杂的微波功能。公知的产生稳定的微波辐射的技术是通过并入在RF中的纤维光学延迟线、微波或毫米波(mm-波)鉴频器电路来实现。这就使得能够精确地控制在两束稳定的激光输入的频率之差，因此能够使RF、微波或毫米波输出稳定(UK专利申请9523518.0)。在这种系统中激光的频率可能偏移但在它们之间的频率之差仍然保持恒定。这种系统的目的是提供一种形成RF频率稳定的辐射的装置。
在许多申请中要求较高的光谱纯度(即稳定)的激光辐射。这些应用包括基础物理研究比如引力子检测、光化学、发光激励光谱学、吸收和Raman光谱学以及比如纤维光学通信、传感器、激光雷达、激光空气速度指示器以及激光振动计的应用。然而，明确定义的频率(波长)并具有较高的光谱纯度(例如窄线宽)的激光一般很昂贵并且较复杂。应用简单的气体激光可实现较高的光谱纯度，但需要类似的或优良的性能的固态激光。固态激光包括激光二极管和二极管泵激YAG激光。使用最多的激光装置是激光二极管。虽然这些装置都相对较便宜，但这类装置的光谱特别不稳定，尤其是经常用于同时支持几种模式的法布里珀罗标准具(fabry perot etalon)。
对于许多应用，比较有效的是克服光谱质量较差的问题并能够稳定单激光的频率输出。此外，对于某些应用，要求非常纯的激光辐射。
先前在下文中已经描述了具有外部部件的激光器输出的稳定[FM noise reduction and sub kilohertz linewidth of an AlGaAslaser by negative electrical feedback(FM降噪和采用电负反馈的AlGaAs激光器的亚千赫线宽)，M.Ohustso et al.，IEEE Journalof Quantum Electronics 26(1990)pp231-241]。在这个系统中，外部部件是一个或多个高法布里珀罗(FP)干涉仪。通过应用干涉仪的反射特性检测FM噪声来实现激光的稳定。然后应用电反馈来反馈这个信号以校正激光输出。然而，该系统是一种成本高的复杂的自由空间系统。此外该系统在自由空间中运行，它尤其对外部因素比如振动、空气循环以及尘土和温度变化敏感。
本发明的一个目的是提供一种能够克服这些缺陷的激光稳定装置。本发明进一步目的是提供一种能够包括在激光稳定装置中的光相位检测器。
依据本发明的第一方面，光相位检测器包括接收两个光输入并产生两个复合光输出的装置，检测两光输出并将每个复合光输出的强度转换成电信号的检测装置，测量在两个电信号之差并产生输出差信号的装置，以及调制到光相位检测器的一个光输入的相位的电压控制电光相位调制器，该电光相位调制器具有基本线性的响应，由此在应用中通过改变施加到电光相位调制器中的电压将输出差信号保持在基本恒定的电平，所施加的电压提供在两光输入之间的相位差的指示。
光相位检测器可以包括接收两光输入并产生两复合光输出的耦合装置。该耦合装置可以是从两光输入中产生两复合光输出的任何装置，其中耦合装置从每个光输入中产生两中间光输出，从每个光输入中所产生的两中间光输出在相位上正交，以及其中组合中间光输出以形成两复合光输出。例如耦合器可以是一种光纤耦合器或其它的波导器件比如集成光波导耦合器。
可取的是，恒定的电平基本为零伏特。由于施加到电光相位调制器的电压提供在两光输入之间的相位差值指示，这就提供了这样的优点由于驱动电光相位调制器所要求的电压与在两光输入之间的相位差值成正比例，所以光相位检测器线性化。可取的是借助于反馈环路从光相位检测器的输出中将这种电压施加到电光调制器。光相位检测器因此可以进一步包括将输出差值信号反馈到电光相位调制器的装置，根据该输出差值信号改变施加到电光调制器的电压以将该差值信号保持在基本恒定的电平。
光相位检测器提供了这样的优点它提供指示在两光输入信号之间的相对相位差值的电输出信号。由于输入的光频率较高因此通过常规的电相位检测器并不能实现着一点。
此外，虽然可以通过如下的方式光学地测量相位差使两束光干涉形成干涉条纹花样并且当它移过摄象机正面时测量由于相对相位变化引起的条纹花样，但是为了精确地测量相位或位置这种测量方式依赖于对条纹进行计数和在条纹之间的插值。本发明的光相位检测器的优点是将直接的电信号作为输出，该电信号可以在至少360°的延伸范围上给出相位差的线性测量。
电光相位调制器可以包括在集成的光学基片上的光学波导，该基片优选铌酸锂、钽酸锂和砷化镓中任何基片。电光相位调制器的频率响应至少为1兆赫兹，优选至少1千兆赫。可替换的是电光相位调制器可以采用带有压电材料的光纤的形式。例如压电材料可以淀积在光纤上或以其它的方式连接在光纤上。该光纤可以是剥离了外部敷层的光纤。
可取的是到耦合装置的两光输入具有基本相同的幅值。这两个光输入可以从相同的辐射源例如单激光中导出。在这种结构中光相位检测器提供取决于来自相同辐射源的两个光学输入之间的相位差值的电输出，由此提供相对相位差值的测量值。可替换的是在某些应用中两个光输入都可以从两个不同的辐射源中导出，优选从具有相同的幅值的辐射源中导出。
在光相位检测器还可以包括调制到光相位检测器的至少一个输入的偏振以确保两个输入的偏振基本相同的偏振调制装置。通常，偏振调整装置可以是纤维光学或集成光学的偏振调制器。
光相位检测器可以包括两个光电检测器，每个光电检测器都检测一个光输出的强度并产生响应该光输出的电输出信号。光电检测器优选匹配的光电检测器。
依据本发明的第二方面，鉴频器装置包括；
如上文所描述的光相位检测器，从辐射源中接收初级光输入并产生两初级光输出的装置，以及在两初级光输出之间引入相对延迟的装置，在其间具有相对延迟的两初级光输出提供光相位检测器的输入。
例如，鉴频器可以包括从初级光输入中产生两初级光输出的初级耦合装置。两初级光输出优选具有基本相同的幅值。
如果相对延迟是已知的并基本稳定，在鉴频器装置中光相位检测器的电输出提供对输入激光的光频率(或波长)的测量。
可取的是，在两初级光输出之间引入相对延迟的装置包括具有不同的光学路径长度的两个长度的光纤。例如一个长度的光纤可以用于传输一个初级光输出，而另一个初级光输出可以通过长度可忽略的光纤传输。可替换的是可以应用另一种类型的延迟媒介，例如应用集成光学延迟线。
一个或多个长度的光纤可以是单模光纤、温度稳定型单模光纤或温度稳定型偏振保持光纤。应用温度稳定型光纤的优点是该装置改善了温度的稳定性。可替换的是为实现温度的稳定，可以将该装置容纳在恒温炉中。
当将例如温度、压力或应力应用到光纤延迟线中时，包括如上文所描述的光相位检测器的鉴频器装置形成一种测量这些被测量变量中的任何一种变量的传感器。传感器的应用中如果在该装置中的相对光学延迟基本为零则比较有利。
依据本发明的另一方面，稳定辐射源的输出的激光稳定装置包括鉴频器装置，其包括从具有一频率的辐射源中接收初级光输入并产生两初级光输出的输入装置，在两初级光输出之间产生相对延迟的装置，在其间具有相对延迟的两初级光输出输入到光相位检测器中，其中光相位检测器包括接收两光输入并产生两复合光输出的耦合装置、检测两复合光输出的强度并将每个复合光输出的强度转换为电信号的检测装置和测量在两电信号之间的差值并产生输出差信号的装置，激光稳定装置进一步包括将鉴频器的光相位检测器的输出信号差反馈到辐射源的反馈装置。
辐射源可以是激光，所说激光具有适合的调谐点使得输出差信号可以反馈到调谐点。
接收初级光输入的输入装置可以是输入耦合装置，比如耦合器或分束器。
该装置比已知的装置简单，因此制造成本低。它还不存在自由空间的问题。此外，例如通过选择不同的延迟时间激光稳定装置能够在较窄到较宽的频率范围上稳定激光的输出，根据要求可以改变这种频率范围。
在激光稳定装置的一个实施例中，该装置包括一个或多个附加的鉴频器，每个鉴频器具有对应的反馈装置以将相关的光相位检测器的电输出反馈到辐射源。不同鉴频器的光相位检测器的输出可以反馈到在辐射源上的不同的控制点。
该装置还通过使用温度稳定光纤或其它的延迟装置能够使温度稳定，以及使输出的激光光谱具有短期稳定性。该装置还对振动和尘土相对不敏感。
形成激光稳定装置的一部分的光相位检测器可以包括电压控制的电光相位调制器以调制输入到光相位检测器的一个光输入的相位，该电光相位调制器具有基本线性的响应。
本发明还涉及一种应用在此所描述的激光稳定装置稳定激光输出的的方法。
本发明的光相位检测器还可以具有其它的应用，比如在能够测量纳米位移的位移测量方法中的激光计量。本发明的这些方面相对于公知的位移测量方案具有一定的优点，为精确测量位置公知的位移测量方案借助于对条纹的计数和在条纹之间进行插值。
依据本发明的另一方面，光频率分析器包括如在此所描述的激光稳定装置，以及改变激光输出的频率的装置。
形成光频率分析器的一部分的激光稳定装置可以包括两个长度的光纤，初级光输出通过这两个光纤传输，这两个光纤具有不同的光路径。
可取的是，光频率分析器可以包括设置在一个长度的光纤的路径中的电光相位调制器，其中将SAWTOOTH(锯齿)状电压波形应用到电光相位调制器中以使激光频率产生变化。通常，电光相位调制器可以与一个长度的光纤串联设置。
光频率分析器还可以包括电压源以将电压施加到电光相位调制器，该电压源提供SAWTOOTH状的电压波形。
可替换的是，光频率分析器可以包括微分放大器，光相位检测器的输出反馈到微分放大器的输入中，微分放大器的输出反馈到激光器中。
包括在激光稳定装置中并形成光频率分析器的一部分的光相位检测器优选包括(但并不是必需包括)电光相位调制器。
依据本发明的另一方面，比较输入激光信号和基准信号的光矢量伏特计包括在此所描述的光相位检测器，接收输入激光信号并根据输入激光信号的幅值产生输出信号的光电检测器，电光相位调制器的输出提供在基准信号和输入激光信号之间的相位差的测量。
可取的是，包括在光矢量伏特计中的光相位检测器包括电光相位调制器。这样就具有在至少360°的范围上提供线性输出的优点。
依据本发明的另一方面，在许多频率上测量系统所传输或所反射的幅值和相位的光学网络分析器包括在许多频率上产生基准信号的光频率分析器，以及如在此所描述的光矢量伏特计，以接收基准信号和由该系统所传输或所反射的信号作为输入。
包括在光学网络分析器中的光频率分析器可以是在此所描述的任何类型的光频率分析器或常规的光频率分析器。
在上文所描述的本发明的任何一方面中，可以使用单模光纤、偏振保持光纤、温度稳定型单模光纤或温度稳定型偏振保持光纤。
虽然在此将本发明的各个方面都放在光纤应用中描述，但是本发明的所有方面都可以在所有或某些光路中应用自由空间光学器件。例如可以在气体传感器中使用自由空间光学器件。类似地也可以使用集成光学器件。
现在通过实例结合下文的附图描述本发明，在附图中附
图1所示为常规的光相位检测器图，附图2所示为附图1的光相位检测器的检测器输出电平作为相对光学相位的函数图，附图3所示为作为相对光学相位在附图2中所示的检测器输出之间的微分输出电平图，附图4所示为在附图1中所示的光相位检测器的线性化，附图5所示为在附图4中所示的包括电反馈环的线性化的光相位检测器，附图6(a)和6(b)所示为应用具有如附图5所示的反馈环的线性化的光相位检测器所获得的实验结果，附图7所示为包括在附图1的光相位检测器中的检测器的实际电路的实例，附图8所示为包括在附图1中所示的光相位检测器的本发明的激光稳定装置，附图9所示为应用本发明的激光稳定装置所获得的未稳定的激光输出和稳定的激光输出的相位噪声测量结果，(a)为在1319纳米下运行的Lightwave Electronics Series 123 Fibre-coupledDiode-pumped(光纤耦合的二极管泵浦)固态非平面环型激光和(b)为在1550纳米下运行的E-Tek DFB激光，型号LDPM。
附图10所示为在附图8中所示的激光稳定装置，进一步包括电光相位调制器或在该装置的反馈环中包括微分放大器，附图11(a)所示为可以施加到附图10的相位调制器以形成光频率分析器的SAWTOOTH电压波形实例，附图11(b)所示为向其施加了SAWTOOTH波形电压的电光相位调制器的相位的变化，附图12所示为应用在附图10中所示的装置所获得的实验结果，附图13所示为说明在附图5中所示的光相位检测器如何应用在传感器中的示意图，附图14所示为说明在附图5中所示的光相位检测器如何应用在光矢量伏特计中的示意图，附图15所示为说明在附图14中所示的光矢量伏特计和在附图10中所示的装置如何应用在光学网络分析器中以传输所测试的系统的测量结果的示意图，附图16所示为说明在附图14中所示的光矢量伏特计和在附图10中所示的装置如何应用在光学网络分析器中以反射所测试的系统的测量结果的示意图，以及附图17所示为应用光相位检测器和自由空间光学器件的气体传感器的示意图。
本发明的一方面的一个目的是提供一种根据在基本相同的频率的两个光输入之间的相位差(或说相对相位)产生电输出信号的光相位检测器。
参考附图1，光相位检测器(在此以标号1表示)包括耦合两个输入3，4的50/50纤维光学定向耦合器2。检测器1还包括两个光学检测器5a，5b和微分放大器6。在运行中两个输入3，4通过定向耦合器2都输入到光相位检测器1中。50/50单模光纤定向耦合器具有包括两个耦合的光纤的中心部分10。
在这个中心部分10通过渐逝(evanescent)耦合组合输入到耦合器的输入3，4，产生两个复合的输出11，12。这些复合的输出11，12根据在两输入信号3，4之间的相位差改变幅值(和强度)。可取的是，输入信号3，4具有基本相等的幅值。
耦合器的功能是从两个输入中的每个输入中产生两个中间输出(即总共4个)，然后组合这些中间输出以形成两个输出11，12。每个输入信号产生两个中间光学输出，耦合器的重要特性是从每个输入中产生的两个中间输出在相位上正交(即其间的相位差基本为90°)。将从每个输入中产生的中间输出组合成对以形成复合输出11，12。耦合器可以是具有这种功能的任何类型的装置。理想地，这种耦合器可以是一种耦合的波导器件，比如通常的纤维内耦合器，但其它的耦合器也可以使用。
通常，输入到光相位检测器的两个光输入3，4可以来自相同的源，比如激光器(未示)。通过单模光纤将光输入3，4从激光器输出输入到相位检测器。可替换的是，两个辐射束来自该激光器并耦合到单模光纤，例如通过借助于透镜，以便随后输入到光相位检测器1中。
来自耦合器2的每个输出信号11，12集中到分离的检测器5a，5b，检测器5a，5b将相应的光输入(即输入11，12)的强度转换成相应的电输出信号7a，7b。然后从检测器5a，5b中输出的电信号7a，7b传输到微分放大器6，微分放大器6产生与在所接收的输入信号之间的电压差值成比例的输出20。可取的是使该检测器相匹配(即尽可能地相同)。例如，它们可能在相同批次中生产的甚至在相同的芯片上制成的。为简洁起见，在附图1中没有示出到检测器的电连接。
光相位检测器1利用这样的事实来自检测器5a，5b的两个输出信号7a，7b取决于输入到耦合器2的两个光信号3，4的相对相位。这就是说，检测器5a，5b和微分放大器6形成基本均衡的光检测器电路(以标号32表示)，微分放大器6的电压输出是对在两个输入信号3，4之间的相位差的测量。这就要求输入3，4的幅值基本恒定。如果改变输入3，4的幅值，则能够分别测量幅值并校正任何电变化。
为测量在两光输入3，4之间的相位差，很重要的是确保两输入3，4的偏振相同。这可以通过包括在输入信号3，4的一个或两个中的光路中的偏振控制器来实现。例如，如果借助于光纤将输入信号3，4从激光器耦合到相位检测器1，则在输入通路3，4的一个或两者中都可以使用光纤偏振控制器。可替换的是，在集成光相位检测器中，可以使用集成光偏振调制器。在光相位检测器1中还可以使用偏振保持光纤和耦合器。
在附图2和3中示出了光相位检测器1的这种特性。附图2所示为如何使每个检测器的输出7a，7b随着在两个光输入3，4之间的相对相位改变。两个检测器5a，5b的输出信号7a，7b的幅值随着相对相位按方形化的正弦变化，并呈相对反相。因此光相位检测器1提供一种直流输出电压，这种直流输出电压是对在两输入信号3，4之间的相位差的测量。
附图3所示为该对检测器输出7a，7b的微分输出20，这种微分输出随着输入3，4的相对光相位正弦地改变。输出20为双极性并且在某些应用中尤其有用，如在下文中更详细描述。然而，依据本发明的第一方面，改善的光相位检测器包括电压控制电光相位调制器以形成具有线性化响应的光相位检测器。“电压控制”型电光相位调制器还可以称为“电压可调”型电光相位调制器。
通常，电光相位调制器包括在集成光学基片(比如铌酸锂、钽酸锂和砷化镓或其它电光材料)上的光波导。通过金属电极在波导上施加电压，可以调制穿过波的辐射相位。包括铌酸锂或钽酸锂基片的电光相位调制器的响应线性很好。此外，这种电光相位调制器的频率响应很快，通常达1千兆赫兹或更高。
附图4所示为依据本发明的一方面手工操作光相位检测器30。光相位检测器30具有线性化的响应并在输入通路3，4的一个输入通路(在附图4中的输入3)中包括电压控制型电光相位调制器35。该电光相位调制器35具有随着所施加的电压36基本线性变化的光相位。如果手动(或自动)地调整这种电压以保持微分放大器的输出20恒定(理想地为零)，则施加到调制器35的电压36产生在光输入3，4之间的相对相位的直线性测量。实际上对所施加的电压36的自动(与手动相对)调整非常理想。电光相位调制器的范围至少可达360°。
电光相位调制器35可以放置在到光相位检测器1的输入3，4中的一个输入的通路中。然后通过给电压可调型电光相位调制器施加适当的电压将微分放大器6的输出20设置在恒定的电平。可取的是，输出20可以保持在零伏特，这样就得到对幅值变化不敏感的测量结果。
由于电光相位调制器的响应线性很好，尤其在铌酸锂和钽酸锂器件中，要求将微分放大器的输出设定为零的电压对相对相位的测量很有用。通常电光相位调制器的频率响应在1兆赫兹和1千兆赫兹之间。例如对于某些应用，理想的是包括具有频率响应超过1千兆赫兹的电光相位调制器。可以手动或通过电反馈环路调整电压。包括电光相位调制器的优点是相位检测器线性化(即，要求调整电光相位调制器以将微分放大器保持在恒定的电压的电压与所测量的相位差成正比例)和工作范围可以延伸到至少360°。如果差信号保持在接近于零，则光相位检测器具有进一步的优点是对输入光信号的幅值变化不敏感。此外，由于电光相位调制器的频率响应很快，所以能够很快地测定相位测量值。因此相位检测器适合于动态测量。实际上通过检测器或反馈电子器件可以限制光相位检测器的响应速度。
在一种变型的实施例中，电光相位调制器可以是光纤的形式，在该光纤上淀积有压电膜例如ZnO膜，并剥去光纤的外部敷层。通过将电压施加到在光纤上的整个ZnO膜上，产生相移。由于本实施例消除了集成光学移相器的尺寸、成本和插入损耗，因此它是比较有利的。
附图5所示为包括电反馈环的线性化的光相位检测器30的一个实施例，该电反馈环路包括反馈放大器44和滤波器46。如该图所示，反馈放大器44和滤波器46可以是分离的部件，但可替换地该滤波器可以从仔细设计得很稳定的放大器特性本身中得出。施加到电光相位调制器35的电压36形成线性化的输出。本实施例的相位检测器的优点在于它不需要操作员并且在运行中相对较快速和精确。附图6(a)和6(b)所示为应用在附图5中所示的装置所获得的实验结果。该测量值是从Tektronix2430数字示波器中直接获得的。这种特性可以与附图3的非线性(正弦)响应进行比较。
在附图5中所示的光相位检测器相对于附图1所示的光相位检测器还具有如下的优点即它的工作范围延伸了。在附图1所示的光相位检测器中，输出为非线性(正弦)，因此最大的清楚的工作范围为180°。本发明的光相位检测器具有很好的线性响应，因此该范围可以延伸到360°，如附图6(b)所示。尤其重要的是，例如在矢量伏特计或网络分析器应用中具有超过360°的工作范围，如下文所述。
在附图7中示出了光相位检测器30的部分电路图。在非线性光相位检测器1(即，如附图1所示)中，设置检测器5a，5b以使净输出信号20根据在输入11，12之间的相对相位在零周围正弦地变化。因此从检测器中的输出为双极性信号20(如附图3所示)。虽然可以使用任何低噪声检测器，但是检测器5a，5b通常是反向偏压PIN器件。市场上可购买到的光检测器GAP60或GAP100都是适合的器件。电阻R1(如在附图7中所示)的值决定了增益由此确定了峰值到峰值双极性输出电压。通常，施加到整个检测器上的电压(+V，-V)为±9伏。
如果光电检测器5a，5b不完全相同，在相位检测器中可以包括补偿光电检测器的灵敏度的装置。已经发现可以改变在一个或两个检测器上的偏压以更好地调整光电检测器灵敏度。
线性化的光相位检测器30形成直流输出电压，这种直流输出电压是在两输入之间的相位差的量度。由于输入的较高的光频率应用常规的光相位检测器并不能实现这些。此外，由于输出是一种对相位差测量的正比例电信号，因此本发明的光相位检测器比较有利。因此该检测器还可以应用在较高的精度的位移测量装置中以测量几纳米级的位移。这尤其可以应用在激光计量学中。例如从光相位检测器的输出提供在来自相同的稳定的激光器的两输入信号之间的相位差的度量，这里一个输入信号从移位的表面或目标上反射。应用该相位差提供该表面或目标的位移的指示。通过下文描述的本发明的激光稳定装置可以使输入激光稳定。
光相位检测器还可以用于两独立的激光例如高功率可调激光和低功率稳定激光的相位锁定。这通过如下的方式实现将两个不同的激光器的输出输入到光相位检测器(即如在附图1和4中的输入3和4)并应用连接到可调激光的调谐点的反馈环。
本发明的光相位检测器的特性还可以应用在鉴频器中。一般地说鉴频器应用理想地恒定的幅值的输入信号并产生与输入频率同固定频率的频率差值成比例(或取决于该频率差值)的输出电压。
参考附图8，示出了依据下文将要描述的本发明的另一方面的激光稳定装置。在虚线内所包围的该装置的部分(以标号60表示)形成了鉴频器，该鉴频器包括光相位检测器1(如附图1所示)和从激光器43中接收输出42的50/50纤维光学定向耦合器41。鉴频器60还包括在来自耦合器41的两输出信号52，53之间产生相对延迟的装置。可取的是，这些可以通过两个长度的光纤50，51实现，每个光纤都从耦合器41接收一个输出信号52，53，一个光纤比另一个光纤更长，以便产生相对延迟。实际上如果一个长度的光纤很短则比较方便。可取的是，一个或多个长度的光纤50，51可以是温度稳定型光纤，这有利于改善该装置的温度稳定性。此外，为实现温度稳定，可以将该装置放置在温度稳定炉中。如上文所讨论在任一通路或两个通路50，51中可以包括偏振调制器比如光纤内(in-fibre)偏振调制器。
可以理解的是，虽然在形成附图中的激光稳定装置的一部分的鉴频器60中没有示出在光相位检测器中的电光相位调制器35，但是也可以包括电光相位调制器35，并且在鉴频器的其它的应用中尤其重要。
鉴频器60的功能是借助于第一耦合器41将激光器43的输出分成两个基本相同的输出束52，53，相对于另一个信号延迟一个信号，然后测量在两个信号52，53之间的光相位差。通过本发明的光相位检测器可以实现这些。但由于光频率实在太高应用常规的光相位检测器并不能实现这些。
第一耦合器41的一个输出53通过光纤51连接到第二50/50光纤耦合器2，光纤耦合器2形成了光相位检测器1的一部分。另一输出52在连接到这种耦合器2之前通过更长的光纤(即延迟线50)。可替换的是，可以使用另一种类型延迟媒介，例如集成光学延迟线。如前文所讨论，第二耦合器2(并入在光相位检测器1中)的输出的电平根据输入到耦合器2的输入信号的相对相位变化。因此光相位检测器1产生取决于在两个输入之间的相对相位的直流输出电压。例如，如果延迟线具有Td秒的延迟，则对于在输入激光信号频率中的每1/Td的变化相移将变化27π弧度。因此鉴频器60以每1/Td的频率变化重复控制特性运行。如在附图3所示，鉴频器的输出电压20(即微分放大器6的输出电压)随着两个输入信号的相对光相位正弦地变化。
如果将光相位检测器设置得运行在0伏特周围，则产生双极性输出信号，如上文所描述。如果到第一耦合器的输入频率随着时间改变，则在双极性输出信号中产生变化。对于增加了的激光输出频率，鉴频器的双极性输出信号将具有一个极性，而对于降低了的激光输出频率鉴频器的输出信号将为反向极性。双极性输出的幅值取决于相移的程度以及输入激光的频移。通常峰值峰值电压可以在+/-0.1-10之间的范围内。
鉴频器本身具有很有益的应用，例如用于测量激光器的输出光谱。只要在光纤50和51之间的相对延迟为已知并且基本稳定，则鉴频器60的电输出可以用于提供对输入激光的光频率(或波长)的测量。这确实提供了一种频率(或波长)测量，虽然由于仅测量模数2π的相位所以它是不确定的测量。由于最大的明确的相位范围是π，所以在附图3中所示的正弦响应产生了进一步的不确定性。然而，在整个频率范围上这是一种有用的测量。可以调整延迟线的长度以设置所需的灵敏度。理想地，相位偏移将保持在零左右的几度的范围内以保证线性。作为一种变型，可取的是在鉴频器60中可以应用线性化的光相位检测器30(如在附图5中所示)以保持线性和范围。
鉴频器的双极性输出信号还可以用作在激光器输出42中的任何相位偏差的校正装置。在此参考附图8，这种校正过程可以通过激光稳定装置(在虚线之外以标号70表示)实现。激光稳定装置70包括鉴频器60和反馈电路。通过耦合器41将要稳定的激光器输出42分成两个信号，可取的是相等幅值值的两个信号。可取的是，激光器43的输出42通过光隔离器62以消除反射到激光器43中的光的任何有害的影响。然后通过反馈电路将鉴频器60的输出20反馈到激光器43中以改变它的频率。在激光稳定装置70很重要的是鉴频器输出20为双极性以便在任一方向上的频移都可以被校正从而稳定激光器输出42。
反馈电路包括控制环路放大器72和环路滤波器74。通过控制环路路放大器放大鉴频器60的输出20，然后通过环路滤波器74以产生误差信号。然后应用这种误差信号控制激光器43的频率。将正确符号的误差信号施加到频率控制点以降低频率函数，由此改善相位噪声频谱。通过应用在鉴频器60之前的通路中的附加的耦合器78从该装置中采集激光器的“被稳定”的输出76。
在半导体激光器比如激光二极管场合下，由于激光器频率随着电流改变因此通过改变激光器电流施加反馈，主要机理是折射率的变化，由于有效的折射率随着电流注入的改变。可替换的是，可以在激光腔中构造反偏压部分以使它不吸收光但随着从鉴频器的输出中得出的施加的电压改变折射率。
激光稳定装置的功能是将微分放大器的输出降低到基本为零，由此将激光频率保持在鉴频器的一个稳定的工作点上。激光器最终锁定在最近的稳定的工作点上，而一旦实现锁定，该系统保持在特定的频率上对该激光频率的控制。因此该系统可以用于改善激光器的光谱的稳定性。
已经测量了通过Series2000 LNC Laser激光器和LockingAccessory(锁定附件)(LOLA)控制的Lightwave Electronics Series123(Fibre-coupled Diode-pumped)光纤耦合的二极管泵浦型固态非平面环激光。对于较小的调制指数该激光器具有调谐范围超过30兆赫兹的频率控制输入和100千赫兹的带宽，并具有所给出的5千赫兹的线宽。附图9(a)所示为在鉴频器的输出中所测量的低频频谱，并说明了同在应用激光稳定装置70时所获得的相位噪声测量相比在自由运行状态(0)(即直接测量激光器输出)中作为偏移频率的函数的相位噪声(dBc/Hz)。该测量结果说明对于已经具有所给出的大约5千赫兹的线宽(即在光谱上是纯的)的激光器在接近同相噪声性能方面有相当大的改善。在这些测量结果中差值延迟为1微秒。此外，附图9(b)所示为所获得的E-Tek DFB激光器的类似的光谱，与在应用激光稳定装置70时所获得的相位噪声测量结果相比较，在自由运行状态(即开环，直接测量激光器输出)下作为偏移频率函数比较相位噪声(dBc/Hz)。在这些测量结果中差值延迟为5纳秒。
具有较高的光谱纯度的激光器相对较昂贵，该系统能够使其不昂贵并能够相对便宜地且容易地改善在光谱上不太纯的激光。因此还能够应用本系统改善低成本的半导体激光器。
最普通、最便宜和使用最多的激光器是激光二极管，但它的光谱稳定性非常差，特别是Fabry-Perot etalon结构的激光二极管。因此对于改善这些器件以及DFB激光器的光谱稳定性应用该激光稳定装置尤其有用。还可以应用它来增强稳定的激光器，例如在高分辨率光谱学和评论标准中这些激光器也是很有用的。具体地说通过选择延迟时间来规定可获得的相位噪声改善程度。通常，根据产生所需的光谱改善程度所需的灵敏度和范围，在第一耦合器的输出信号之间延迟线可以产生高达10微秒的相对延迟。还可以选择延迟时间以将鉴频器的开环增益完全降低到在接近延迟时间的倒数的频率的单位1之下。例如，对于1微秒的延迟线，鉴频器的开环增益应该完全在大约1兆赫兹的输入频率的单位1之下。如果激光器比如激光二极管在更大的偏移频率下具有较高的噪声电平则可以应用宽带环路(和短延迟)。因此，对于更低性能的激光器，必需要求更高的环路带宽。通过增加控制环路放大器的增益可以补偿较低的鉴频器增益。来自放大器的热噪声(Johnson noise)可能是增加这种增益的限制因素。
通常，激光二极管具有两个输出，每个刻面或镜面一个输出，第二输出通常用于监测功率电平。然而，它可以应用第二输出作为到两个光电检测器的一个光电检测器中的输入，因此不需要第一耦合器。然而，如果激光器的两个输出都非常相关，则可以仅使用本实施例。
在本发明的一种变型实施例中，激光稳定装置可以包括并联的两个或多个环路。例如，从激光器43或来自输出42分开的信号中采集第二输出，并通过具有不同的增益带宽的第二环路从第二反馈环路进行反馈。然后应用每个环路来反馈并控制输入激光。例如来自每个环路的不同的反馈信号可以用于控制在激光器上的不同的温度和频率控制点，或可以进行组合并反馈到在激光器上的相同的控制点上。可替换的是，来自鉴频器60的输出可以分开，通过一个控制环路放大器和环路滤波器结构将一个分开的信号反馈到激光器43，通过第二控制环路放大器和环路滤波器将另一个信号反馈到在激光器上的一个不同的控制端口。
由于本发明的激光器稳定装置是一种纤维内系统，因此它对外部因素比如振动、温度变化以及尘土等比自由空间系统更不敏感，因此它比较有利。如前文所讨论，如果使用温度稳定型纤维尤其具有这种优点。与应用已知的装置所获得的Q值相比较，该装置还具有更加有效的Q值，该Q值取决于纤维的长度，因此间接地取决于原始激光器的稳定性。此外，还可以选择光纤的长度和相对延迟以根据要求改善光谱的程度改变灵敏度和范围。该装置对于稳定激光二极管以及其它形式的激光器的输出例如使它们更有效地应用在光纤通信系统中尤其有效。
参考附图10，例如有时为发射信息或慢慢地扫描所稳定的激光频率需要频率调制激光器。通过引入电光相位调制器80或微分放大器结构82，83来实现这些，如下文所描述。例如，电光相位调制器80可以包括在激光稳定装置70中，例如在延迟线50，51中的任一个延迟线中(在附图10中为延迟线50)。可替换的是，如下文所描述，电光相位调制器80可以形成光相位检测器本身的一部分。在使用中，通过如下的方式调制激光频率首先通过稳定激光器43以使光相位检测器1的微分放大器6的输出保持在零伏特，然后给电光相位调制器80施加适当的电压波形。在电光相位调制器中的相移的线性确保较高保真度频率调制输出。
应用这种技术可以慢慢地扫描通过自动吸收线的输入激光频率以精确地测量线形。这对于在由于激光的光谱的稳定性引起的很窄的线的测量中特别有用。
附图10的装置还可以用于将所稳定的激光输出76转换为稳定的光学分析器。在这种应用中，施加到相位调制器80中的电压波形可以具有“SAWTOOTH(锯齿)”电压波形的形式，在这种电压波形形式中在360°上慢慢地线性地扫描，然后通过360°快速地切换回来。然而，其它的波形还可以用于这种应用。适合的波形包括那些随着时间慢慢地增加然后快速地降低到初始电压电平的波形。因此增加的电平并不是必需随着时间线性地改变，如SAWTOOTH电压波形。对于这种应用，将这样的波形都称为SAWTOOTH状电压波形电压电平随着慢慢地增加随后快速地通过360°切换回(在相反的方向)。这种波形包括在其中以阶梯的形式慢慢地增加电压电平的波形。SAWTOOTH电压波形可以是或可以不是在360°上线性地扫描。通常，在其中通过360°切换回的波形的时标为纳秒级。
附图11(a)通过实例示出了SAWTOOTH电压波形(时间的函数)的实例，该SAWTOOTH电压波形可以应用到电光相位调制器80，而附图11(b)所示为调制器80的相位随着时间的相应的变化。在切换的过程中激光频率首先在电压波形(即，调制器脉冲)上慢慢变化，但在相位上并不快速地降低360°，因为反馈环路滤波器(即72，74)并不以这种速度响应。换句话说，因为激光器和反馈环路并不能响应这种快速变化，因此360°切换并没有净效应。此外，由于光相位检测器的响应是360°循环(如附图3所示)，因此360°的相位改变并不影响光相位检测器1的输出。因此激光器的输出76保留在新的频率上。这种过程可以重复多次以覆盖激光的整个调谐范围。通过使电压波形的斜率反向实现在相反方向上的频率的改变。
应用在附图10中所示的装置，通过将适当的电压86施加到相位调制器80可以将稳定的激光器输出76控制在任何所需的频率。在某些情况下这很有用，例如它可以使在要测量的较小的频率范围上的响应具有连续的线性扫描而不是一系列的频率间隔。
作为电光相位调制器的一种变型，在反馈环路中可以包括微分放大器以提供类似的激光调谐功能。例如，参考附图10，微分放大器82可以包括在X上的信号通路中。可替换的是，微分放大器可以形成控制环路放大器72本身的一部分或可以放置在控制环路放大器72之前的通路中。在这些结构中，不是将鉴频器60的输出20保持在0伏特，而是将到微分放大器82的输入83设置在恒定值，如1伏特。在反馈环路中的微分放大器82测量在1伏特和在通过控制环路放大器72和环路滤波器74之后的鉴频器60的输出电压之间的差值。然后反馈将差动输出84以控制输入激光器43，改变输入激光器43的频率以使环路滤波器的输出接近1伏特。这将允许一定的频率调制能力。通过这种方式从频率上扫描激光，例如以便能够测量窄光谱线的宽度和形状。
可以理解的是，如果微分放大器形成了控制环路放大器72本身的一部分或放置在到控制环路放大器72之前的通路中，则工作特性与将微分放大器设置在X上的结构的工作特性不同，因为在每种情况下放大器位于滤波器的不同侧。使用微分放大器82而不使用电光相位调制器80是一种更便宜的方法，并且通过应用线性光相位检测器(如附图5所示)替代具有非线性响应的光相位检测器(如附图1，8和10所示)可以改善这种使用。使用电光相位调制器80是一种优选的方法，而且这种方法已经在实验室建立并测试。
附图12所示为应用在附图10所示的包括电光相位调制器80的光分析器所获得的结果。该附图包括通过将光分析器输出76与稳定的固定激光器频率的输出在电光谱分析器上所测量的8个光谱。在这个附图种鉴频器的微分延迟为1微秒，因此连续的激光器频率为1兆赫兹间隔。然而，为提供一种易理解的曲线每十个相位调制器周期(即每10个SAWTOOTH波形周期和10兆赫兹间隔)抽取光谱。在附图11中所示的曲线的比例为以10dB/段(垂直上)和10兆赫兹/段(水平上)单边带相位噪声dBc/Hz。
虽然附图12所示为间隔为1兆赫兹的一梳频率的每第10个频率成员，可以理解的是通过将适当的电压施加到调制器80分析器可以调谐到在在相邻的一梳频率之间的某一频率。例如通过应用计算机处理器和4位数字模拟转换器(DAC)形成16个阶跃，由此DAC将来自计算机处理器的数字控制转换为施加到电光相位调制器80的模拟电压。这就引入22.5°的相位阶跃，在附图12中第16阶跃为与1兆赫兹阶跃对应的360°。
还可以应用光频率分析器与不同的衍射元件比如波带片透镜或衍射光栅相结合以提供可编程的功能。例如，光频率分析器的输出可以用于使照射相位反向波带片透镜，该透镜的焦点取决于波长。通过改变施加到形成光频率分析器的一部分的电光相位调制器80的电压，可以改变从该分析器的输出的波长，因此可以改变该透镜的焦点。例如应用这种方法来访问光学存储器比如光盘的不同的层。可替换的是应用光频率分析器来照亮衍射光栅以控制激光器的输出。例如应用这种方法作为访问全息图的手段。
附图13所示为本发明的线性化的光相位检测器30(如附图4所示)如何应用在传感器中，在传感器中被测量改变光纤50(或51)的特性。例如，应用传感器来测量温度、压力、应力、位移、振动、磁场或磁场梯度、电流、电场、化学物质、生物化学参数、医学参数或通信特征中的任何一种。例如，参考附图13，如果通过改变施加到电光相位调制器35的电压36将微分放大器6的输出20设置在零伏特左右，光纤延迟线50的温度(或其它的被测量)的变化造成相位的变化，由此改变相位检测器的输出。为将微分放大器6的输出20保持在零(或很接近于零)而改变施加到电光相位调制器35上的电压36的量提供了温度(或其它的被测量)的变化的指示。这种测量的输出通常线性很好。
虽然比较有利的是在整个传感器中都应用温度稳定型光纤，但是对于温度传感器，对于延迟线50使用温度稳定型光纤并不是很适合的。在这种方案中使用稳定的输入激光器43。如上文所描述，通过应用本发明的激光稳定装置可以实现稳定的激光输入。
在传感器的应用中，与鉴频器的应用不同的是，两个光纤50，51具有基本相同的延迟，而不是在其间具有相对延迟。在这些情况下，这样比较有利。例如，如果测量在光纤50上的压力，如果延迟相等的话在两个光纤50和51上的任何温度变化都相同，因此可以抵消。类似地，该系统可以使用稳定性较差的激光器。还可以将该传感器作为自由空间结构实施，而不是实施为光纤内装置，如下文所述。
本发明的光频率分析器还可以用于一种分布式光纤传感器的改进形式中。常规的光纤传感器应用沿光纤的长度分布的Bragg光栅阵列。然后通过可调激光将其调谐到接近Bragg频率来查询每个光栅。在分布式光纤传感器结构中通过应用本发明的光频率分析器，由于改善了激光器的稳定性并且可以以较高的精度设置激光器的频率，因此可以实现一定的优点。结果，可以实现具有增加数量的Bragg光栅的这样的一种传感器，它允许使用更大数量的查询点。这种细微的调谐能力的其它的优点在于它能够使光栅的整个变形在较窄的频率间隔上被感测到。例如，被测量不同地影响不同的路径，则增加周期性光栅的反射带宽。
参考附图14，线性光相位检测器(如附图5所示)还可以用于在光频率下运行的光矢量伏特计90。光矢量伏特计包括具有至少360°的工作范围的线性的光相位检测器30(包围在虚线内)。光矢量伏特计的功能是接收两个输入92，94并产生两个输出，一个输出(输出100)是未知输入的绝对幅值，而另一个输出(输出102)是未知输入信号92相对于基准输入94的相位。分解未知输入信号92，将它的一部分输入到检测器96中以提供幅值输出100。通常，检测器电流随着光密度线性地改变，从该光密度中能够容易地导出该幅值。连同基准输入信号94将被分解的信号的第二部分93输入到线性光相位检测器30。通过反馈放大器和滤波器44，46将微分放大器6的输出反馈到电光相位调制器35。通过反馈环路可以调整施加到电光相位调制器35的电压以将微分放大器6保持在恒定值，即很接近的零的值。电光相位调制器输入电压提供了相位输出102。这就得到了在未知的输入92和基准输入94之间的相对相位的直接线性测量。
附图15所示为说明如何将在附图14中所示的光矢量伏特计90和在附图10中所示的装置应用在测试中的系统(例如未知特性的光纤)的传输测量结果的光学网络分析器中的示意图。光学网络分析器类似于光矢量伏特计，除了当光学频率分析器108在频率上步进和/或扫描时它给在测量中的系统110提供分析频率输入并可以在一系列的频率上常规地测量该系统110的所传输的幅值和相位。如在光矢量伏特计中一样，设置线性化的光相位检测器以使其具有至少360°的工作范围。本发明的光学网络分析器并不限于包括如在此所描述的光频率分析器，它还可以包括任何类型的光频率分析装置。
参考附图15，光学网络分析器包括光分析器(Synthesizer)108，对光分析器108的输出进行分解。在上文中参考附图10描述了该光分析器的操作。在附图10中所示的稳定的激光器的输出76提供要被分解的光分析器输出。所分解的信号的一部分76a传输到测试中的系统110，92被传输到如上文所述的光矢量伏特计90(输入SYS)(即在附图14中输入信号92传输到光矢量伏特计90)。而被分解的信号的另一部分76b输入到光矢量伏特计90的基准通道(输入REF)(即在附图14中的基准信号94)。光矢量伏特计90的输出100，102形成量光学网络分析器的输出。通常，可以在一定的光频率上进行测量(通过扫描和/或步进光分析器，如上文所描述)。应用相位和幅值测量可以数字地计算其它的特性比如群延迟。结果可以显示在VDU上或以数字形式显示。
还可以进行其它很多的测量。例如应用在附图16中所示的光学网络分析器来测量通过测试中的系统110所反射的幅值和相位信号，在附图16中所示的光学网络分析器是在附图15中所示的光学网络分析器的基本结构。在本实施例中，将输入信号76传输(通过定向耦合器112)到测试中的系统110并将基准信号(REF)输送到光矢量伏特计90中。然而，在本实施例中，从系统110所反射回的信号114通过耦合器112给光矢量伏特计90提供了其它的输入。在实际中该系统还可以通过负载T终结。
比较可取的是在本发明的整个装置(例如激光稳定系统、光分析器、鉴频器、光矢量伏特计、光学网络分析器、光相位检测器或传感器应用)中应用温度稳定型光纤，用于连接在整个装置中所使用的光纤以及一个或多个延迟线50，51。温度稳定型光纤在市场上可购买。当环境温度变化对光学延迟路径的影响降低了时，应用温度稳定型光纤能够使激光输出的频率稳定到更高的程度。可替换的是，光纤可以放置在温度控制的环境中，或者光路径长度可以包括与该光纤串联的辅助的与温度相关的通路以保持一恒定的延迟周期。可替换地为实现非常稳定性将该装置放在温度稳定的恒温器中运行。还可以使用偏振保持光纤、温度稳定单模光纤或温度稳定偏振保持光纤。
虽然应用光纤(在光纤通信中所使用的介质)总是可以进行在此所描述的多多数类型的光测量，但是在某些情况下还可以应用自由空间光学器件来执行所描述的类型的应用。在本发明的各个方面中所示的装置可以以这种方式执行。例如，在气体传感器应用中由于散射产生有效的相移因此通过与吸收线相关的散射检测在空气中出现的气体种类。参考附图17(a)，可替换地，通过应用透镜对辐射进行准直和再聚焦以在自由空间(与光纤内相对)中应用激光束，从而实施在附图13所示的装置。
在附图17中所示的传感器包括输入耦合器178或光束分离器以接收一束激光辐射76并给透镜180，182提供两个输出辐射束以进行束准直和提供给透镜190，192以将辐射束再聚焦到在附图5中所示的相位检测器的输入路径3，4。如上文所示，在这种应用中两个自由通路194和196(对应于在附图13中的通路50和51)的长度可以基本相等，一个通路包含有纯空气(通路196)，一个通路受到空气污染(通路194)。通常通路194，196可以是中空管。
在一种变型的实施例中，参考附图10，形成在激光稳定装置中的鉴频器的光相位检测器还可以在输入4的通路中包括第二电光相位调制器。在这种情况下可以将直流电压施加到第一电光相位调制器35以设定激光器的频率，而将RF电压施加到第二电光相位调制器。这形成了一种将RF调制应用到激光频率中的方便的方法。在该装置包括第二电光相位调制器还具有其它的优点。在附图4和5中的光相位检测器也可以在输入信号4的通路中包括第二电光相位调制器。这样例如通过设置电光相位调制器以使两个电光相位调制器有助于调谐范围，可以使调谐范围延伸甚至加倍。
可以理解的是在本说明书术语“光”并不限于可见光波长，还可以包括例如红外线波长和紫外线波长。
权利要求
1.一种光相位检测器(30)，包括接收两个光输入(3，4)并产生两个复合光输出(11，12)的装置(2)，检测两个复合光输出的强度并将每个复合光输出(11，12)的强度转换成电信号的检测装置(32)，测量在两个电信号之差并产生输出差信号(20)的装置(6)，以及其特征在于该光相位检测器进一步包括电压控制的电光相位调制器(35)以调制输入到该光相位检测器的一个光输入的相位，该电光相位调制器具有基本线性的响应，由此在应用中通过改变施加到电光相位调制器(35)中的电压(36)将输出差信号(20)保持在基本恒定的电平，所施加的电压提供在两光输入(3，4)之间的相位差的指示。
2.如权利要求1所述的光相位检测器，包括耦合装置(2)以接收两个光输入(3，4)并产生两个复合的光输出(11，12)。
3.如权利要求2所述的光相位检测器，其中耦合装置(2)从光输入(3，4)中的每个光输入中产生两个中间光输出，从每个光输入中产生的两个中间光输出在相位上正交，以及其中组合中间光输出以形成两个光输出(11，12)。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的光相位检测器，进一步包括将输出差值信号反馈回到电光相位调制器(35)的装置(44，46)，根据输出的差值信号改变施加到电光相位调制器的电压以将该差值信号保持在基本恒定的电平。
5.如权利要求4所述的光相位检测器，其中基本恒定的电平为零伏特。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的光相位检测器，其中电光相位调制器(35)包括在集成光学基片上的光学波导。
7.如权利要求6所述的光相位检测器，其中该基片为铌酸锂、钽酸锂或砷化镓基片中的任何一种基片。
8.如权利要求1-5中任一权利要求所述的光相位检测器，其中电光相位调制器(35)采用带有压电材料的光纤的形式。
9.如权利要求1-8中任一权利要求所述的光相位检测器，其中电光相位调制器(35)的频率响应至少为1兆赫兹。
10.如权利要求9所述的光相位检测器，其中电光相位调制器(35)的频率响应至少为1千兆赫兹。
11.如权利要求1-10中任一权利要求所述的光相位检测器，其中光输入(3，4)的幅值基本相等。
12.如权利要求1-11中任一权利要求所述的光相位检测器，其中光输入(3，4)从相同的辐射源中获得。
13.如权利要求1-11中任一权利要求所述的光相位检测器，其中光输入(3，4)从不同的辐射源中获得。
14.如权利要求1-13中任一权利要求所述的光相位检测器，包括接收两个光输入(3，4)的光纤耦合器(2)。
15.如权利要求1-14中任一权利要求所述的光相位检测器，进一步包括偏振调制装置以调制到光相位检测器的至少一个所述输入的偏振以确保两个输入的偏振基本相同。
16.如权利要求15所述的光相位检测器，其中偏振调制装置是光纤偏振调制器或集成光学偏振调制器中的任一种偏振调制装置。
17.如权利要求1-16中任一权利要求所述的光相位检测器，包括两个光电检测器(5a，5b)，每个光电检测器都检测两个光输出(11，12)中的一个光输出的强度并产生响应对应的光输出(11，12)的电输出信号(7a，7b)。
18.如权利要求17所述的光相位检测器，其中光电检测器(5a，5b)相匹配。
19.一种鉴频器装置(60)，包括权利要求1-18中的任一权利要求所述的光相位检测器(30)，并且进一步包括从具有一频率的辐射源(43)中接收初级光输入(42)并产生两初级光输出(52，53)的输入装置(41)，在两初级光输出(52，53)之间引入相对延迟的装置(50，51)，在其间具有相对延迟的两初级光输出给光相位检测器(1；30)提供输入(3，4)。
20.如权利要求19所述的鉴频器，包括从辐射源(43)接收初级光输入(42)的输入耦合装置(41)。
21.如权利要求19或20所述的装置，其中在两初级光输出之间产生相对延迟的装置包括具有不同长度的光路的两个长度的光纤(50，51)。
22.如权利要求19或20所述的装置，其中在两初级光输出之间产生相对延迟的装置包括一个长度的光纤，该初级光输出中的一个输出通过该光纤传输。
23.如权利要求21或22所述的装置，其中一个或更多的长度的光纤是单模光纤、偏振保持光纤、温度稳定型单模光纤或温度稳定型偏振保持光纤中的任何一种光纤。
24.一种传感器，包括权利要求19-23中的任一权利要求中所述的装置(60)和包括权利要求4所述的光相位检测器(30)。
25.如权利要求24所述的传感器，其中在两初级光输出之间的相对相位延迟基本为零。
26.如权利要求24或25所述的传感器，用于测量施加在形成该传感器的一部分的光纤(50)上的温度、压力或应力的变化。
27.一种用于稳定来自辐射源(43)的输出(42)的激光稳定装置(70)，包括，鉴频器装置(60)，包括从具有一频率的辐射源(43)接收初级光输入(42)并产生两个初级光输出(52，53)的输入装置(41)、在两初级光输出(52，53)之间产生相对延迟的装置(50，51)和光相位检测器(1；30)，其中光相位检测器(1；30)包括接收两个光输入(3，4)并产生两个复合光输出(11，12)的装置(2)、检测两个复合光输出的强度并将每个复合光输出(11，12)的强度转换成电信号的检测装置(32)以及测量在两个电信号之差并产生输出差信号(20)的装置(6)，该激光稳定装置进一步包括反馈装置(72，74)，该反馈装置(72，74)将来自鉴频器(60)的光相位检测器(1；30)的输出差信号(20)反馈到辐射源(43)。
28.如权利要求27所述的激光稳定装置(70)，包括如权利要求19所述的一个或多个附加的鉴频器装置(60)，每个鉴频器装置具有将从相关的光相位检测器(1；30)的电输出反馈到辐射源(43)的反馈装置(72，74)。
29.如权利要求28所述的激光稳定装置(70)，其中来自不同的鉴频器的光相位检测器(1∶30)的输出反馈到在辐射源(43)上的不同的控制点。
30.如权利要求27-29中任一权利要求所述的激光稳定装置(70)，其中光相位检测器(30)包括调制到光相位检测器(30)的一个光输入的相位的电压控制电光相位调制器(35；80)，电光相位调制器(35；80)具有基本为线性的响应。
31.如权利要求27-29中任一权利要求所述的激光稳定装置(70)，包括微分放大器(82)，光相位检测器(1∶30)的输出反馈到微分放大器(82)的输入中，微分放大器(82)的输出反馈到辐射源。
32.如权利要求27-31中任一权利要求所述的激光稳定装置(70)，其中形成激光稳定装置的一部分的光相位检测器(1；30)包括接收两个光输入(3，4)并产生两个复合光输出(11，12)的耦合装置(2)。
33.一种光频率分析器，包括权利要求27所述的稳定激光器的输出的激光稳定装置(70)，以及改变激光器输出的频率的装置(80；82)。
34.如权利要求33所述的光频率分析器，包括在两个初级光输出(52，53)之间产生相对延迟的两个光纤(50，51)，两个光纤的光路径长度不同。
35.如权利要求34所述的光频率分析器，包括设置在一个长度的光纤(50，51)的路径中的电光相位调制器(80)，其中将SAWTOOTH状的电压波形应用在电光相位调制器(80；35)中，以改变激光器输出的频率变化。
36.如权利要求35所述的光频率分析器，进一步包括提供SAWTOOTH状的电压波形的电压源，以将该电压施加到电光相位调制器(80；35)。
37.如权利要求33所述的光频率分析器，包括微分放大器(82)，光相位检测器(1∶30)的输出反馈到微分放大器(82)的输入中，微分放大器(82)的输出反馈到激光器。
38.如权利要求33所述的光频率分析器，其中光相位检测器(30)包括电光相位调制器(35；80)。
39.一种用于比较输入激光信号(92)和基准信号(94)的光矢量伏特计(90)，包括权利要求4或5所述的光相位检测器(30)，以及接收输入激光信号(92)并产生取决于输入激光信号(92)的幅值的输出信号的光电检测器(96)，电光相位调制器(35)的输出提供在基准信号(94)和输入激光信号(92)之间的相位差的测量。
40.一种测量在许多频率上系统(110)所传输或反射的幅值和相位的光网络分析器，包括在许多频率上产生基准信号(76)的光频率分析器，以及权利要求39所述的光矢量伏特计(90)，以接收基准信号(76)和系统(110)所传输或所反射的信号作为输入。
41.如权利要求40所述的光网络分析器，其中光频率分析器是如在权利要求33-38中任一权利要求所述的光频率分析器。
42.一种稳定辐射源(43)的输出(42)的方法，包括如下的步骤提供包括输入装置(41)的鉴频器装置(60)，从具有一频率的辐射源将初级光输入(42)输入到输入耦合装置(41)并产生两个初级光输出(52，53)，在两初级光输出(52，53)之间产生相对延迟，将两个初级光输出输入到光相位检测器(1；30)，该光相位检测器(1；30)包括接收两个光输入(3，4)并产生两个复合光输出(11，12)的装置(2)，检测两个复合光输出(11，12)的强度；将每个复合光输出(11，12)的强度转换成电信号，测量在两个电信号之差并产生输出差信号(20)，以及将来自鉴频器(60)的光相位检测器(1)的输出差信号(20)反馈到辐射源(43)。
全文摘要
一种光相位检测器,包括接收两个光输入并产生两个复合光输出的装置、检测两个复合光输出并将产生对应的两个电信号的装置和测量在两个电信号之差并产生输出差信号的装置,该输出差信号可以用于提供在两个光输入之间的相位差的指示。该光相位检测器包括电压可调的电光相位调制器以调制输入到光相位检测器的光输入的相位以提供线性的响应。在这种结构中通过改变施加到电光相位调制器的电压将输出差信号保持在恒定的电平,所施加的电压提供在两光输入之间的相位差的指示。本发明的应用包括鉴频器、各种传感器以及激光稳定装置。
文档编号G01B9/02GK1328637SQ99813570
公开日2001年12月26日 申请日期1999年9月22日 优先权日1998年9月22日
发明者M·路易斯, R·威尔逊, P·萨姆普勒 申请人:英国国防部