专利名称：用于测量强度调制光信号之间相位差的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量强度调制光信号之间相位差，尤其是，但不是唯一地，用于测定色度色散、偏振模式色散、长度/距离变化等的方法和设备。
相移测量技术包括在一规定的足够高频率下，对CD测量通常是在至少10MHz下，用一正弦调制信号调制从一个光源(或从许多光源)发出的光强度。这个或每个所产生的强度调制光信号通常都具有一个主博里叶分量。该光信号经过一个光路，用一光接收器检测并转变成电信号。当经过光路时，光信号被延迟，并因此，在到达检测器时，相对于一基准具有一个相位差。在处理以后的检测期间，所产生的电信号也将经历相对于该基准的附加延迟。
该基准可以从用来调制光源的电信号—通常是从电子振荡器导出，或是由第二光信号(来自同一基准振荡器的调制)产生的电信号导出，该第二光信号经过一个不同的光路，并已由一个第二光接收器检测。时间差通过用电子相位检测器测定两个电信号之间的相位差得到。
在这种已知的测量方法中，时间间隔或相位差用光接收器在电的范筹内测量，该光接收器检测调制光，并将光信号转变成待测电信号。基准(发自基准振荡器或第二光接收器)和待测信号不沿着同一电路而行(不同的路线长度、不同的增益、不同的滤波器……)，并且在电的范筹内感生的延迟难以控制和校准，并且不直接涉及光延迟。在高频下，电子系统中的相位尤其难以稳定、控制或校准。因此，电子相位误差给调制光信号相移的测量增加了不确定性。
由于只须测定电信号的相对振幅，所以可以避免在测量脉冲到达时间或电相位测量中的固有误差。
按照本发明的第一方面，测量在同一高频下强度调制的至少两个光信号之间相位差的方法包括以下步骤单独和组合式地按顺序选择两个光信号，以便产生多个选定的光信号；从选定的光信号得到在调制频率下并具有一系列相应于不同光信号选择的不同振幅的相应电信号；和测定所述不同的振幅；及利用振幅和相位差之间的三角关系，从测得的振幅计算第一和第二光信号调制之间的相位差。
对于色度色散测量，该方法可以包括以下步骤改变两个光信号其中之一或二者的波长；测量在多个选定的波长的每一个波长处的相位差；及从所获得的多个相位差和波长测量得到色度色散。
对于与偏振态有关的群延迟测量，该方法可以包括以下步骤改变两个光信号其中之一的偏振态；和测量多个不同偏振态中的每个偏振态的相位差。
对于伸长测量，该方法可以包括以下步骤改变一个元件在两个光信号其中之一所采取的传播路线中的有效光程长度；和测量多个光程长度中每个光程长度的相位差。
两个光信号可以通过将从一个光源发出的强度调制光分裂产生，并沿着不同的传播路线射出。可供选择地，光信号可以来自两个或多个不同的光源。光源可以响应来源于基准振荡器的电调制信号提供强度调制。在使用多个光源的情况下，它们可以用一个信号基准振荡器控制，该基准振荡器可以提供几个锁相在一起的电信号。还有另一个方案是使由一个或多个光源产生的光信号通过一外部光强调制器。
一个光信号的一部分可以经一第三路线传播，产生一个第三强度调制光信号，该第三强度调制光信号具有在相同高频下的调制，和一个已知的相对于其它光信号其中之一的相对传播延迟，优选的是在调制频率下约为90°。因而上述多个选定的光信号还可以包括第三光信号，该第三光信号单独选定和/或与第一和第二光信号其中之一或二者组合式选定。
按照本发明的第二方面，用于测量强度调制光信号之间相位差的设备包括用于提供第一光信号和第二光信号的装置，该第一和第二光信号具有相同的高频调制；用于单独或组合式按顺序选择第一和第二光信号的选择装置；用于从选定的光信号导出相应电信号的装置，该电信号具有一系列相应于不同选择的不同振幅；用于测定振幅的装置；和用于利用振幅和相位之间的三角关系，从振幅计算第一和第二光信号之间相位差的装置。
下面将参照附图仅以举例的方式说明本发明的一些实施例。
附图简介
图1是用于测量在相同高频下强度调制的光信号之间相位差的设备示意图。
图2示出一种改进的相位差测量设备；图3是用图1的相位差测量设备测量色度色散的设备示意方框图；和图4是可供选择的光源配置详图；
本发明的各实施例只测量用相同的高频调制信号调制的一些光信号的调制振幅，并根据三角关系进行一系列计算，以便从不同的振幅测量中求出光学信号之间相位差的大小。由于调制频率是已知的(例如100MHz)，所以可以把相位差转换成时间差或相对群延迟。本发明的另一些实施例测量相位差/相对群延迟方面的变化，以便确定，例如，色度色散、偏振模式色散、伸长，等。
首先将说明测量相位差的基本方法。参见图1，要对其间的相位差进行测量的强度调制光信号S1和S2，分别通过光路P1和P2输送到选择装置12的输入口20/1和20/2上。光信号S1和S2用一个或多个光源(图1中未示出)输送，该光源可以是设备的一部分或者可以是分开的。在无论哪一种情况下，光信号S1和S2都可以用任何合适的装置，如光波导，例如光纤、或自由空间耦合，引入输入口20/1和20/2。当接收时，信号S1的调制具有振幅A01和相位φ1，而信号S2的调制具有振幅A02和相位φ2。选择装置12分别接收光信号S1和S2，选择两个光信号S1和S2的不同置换并把这些选择加到光检测器14上，该光检测器14把它们转换成相应的电信号，并把该电信号提供给信号调节装置16，在该信号调节装置16处，将电信号放大和滤波，以便检测高频调制，该高频调制的峰间幅度随不同的置换选择而改变。信号调节装置16将提取出的高频调制信号转变成一个变动的直流(dc)信号，测量它的不同振幅并产生相应的数字值。将数字化的振幅值输送到控制和计算装置18上，该控制和计算装置18可以是集成式微型计算机或个人计算机。以后面所述的方式，控制和计算装置18利用振幅来分别计算信号S1和S2的调制之间相位差φ＝φ1-φ2。控制和计算装置18还控制选择装置12和信号调节装置16，以便使振幅测量和光信号选择同步。
在选择装置12内，光信号S1和S2分别通过光路P1和P2的分开部分。为方便起见，在两个光路中的相似元件具有同样的标号，但带有适当的附标/1或/2。这样，在选择装置12中，输入口20/1和20/2分别利用光纤22/1和22/2耦合到准直器24/1和24/2上，该准直器24/1和24/2设置在可旋转的开槽轮26的一侧。设置在开槽轮26另一侧的两个准直器28/1和28/2，分别与准直器24/1和24/2配准，因此，如果开槽轮26多个槽的其中之一插在无论是准直器24/1和28/1之间或者准直器24/2和28/2之间，则光信号S1和S2其中相应的一个将通过，分别经由两个光纤30/1和30/2其中对应的一个到达组合器32。组合器32把光信号，或者如果两个光信号都通过的话把光信号的组合，在光路34(该光路34可以是光纤或空气)输送到光检测器14上。
开槽轮26中的各槽如此设置，以便在不同的旋转角下，选择光束S1和S2的不同置换来通过开槽轮26。选择顺序包括单独信号S1、单独信号S2、信号S1和S2一起、及信号S1和S2都没有这样一组选择。
开槽轮26在控制和计算装置18的控制下，通过一个驱动装置36连续旋转，因此选择顺序可以重复许多次。控制和计算装置16计算并存储每组选择的相位差φ并可以取平均值，以便得到平均相位差φav。
现在将说明其中控制和计算装置18从振幅A01和A02(及组合信号的振幅)计算相位差φ的方法。
在到达光检测器14时，光路P1中的信号S1具有强度调制对应于其主傅里叶分量的最大振幅为A01和相位为φ1，该强度调制可以写成
A1＝A01Sin(2πfmodt+φ1)式中，fmod是调制频率。同样，对光路P2中的信号S2；A2＝A02Sin(2πfmodt+φ2)组合器32将来自光纤30/1和30/2二者的光组合，以便产生一个组合的信号，该组合信号的振幅可以写成A＝A1+A2＝A12Sin(2πfmodt+φ0)转变成电信号之后，信号调节装置16按时测量相应于旋转轮26不同槽选择的电信号的振幅。振幅的开始测量将包括仪器调整偏差。利用在光检测器14上没有光的情况下，亦即，在开槽轮26挡住准直器24/1和24/2与它们的配对物28/1和28/2之间的通路以致没有信号通过的情况下，进行测量，来消除这种调整偏差，以便传送到计算装置18上的测量包括调制振幅A12、A01和A02，该调制振幅A12、A01和A02分别相应于选择信号S1和S2二者、单独信号S1，和单独信号S2。控制和计算装置18将它们处理如下因为A12＝[A012+A022+2A01A02cos(φ1-φ2)]1/2则cos(φ1-φ2)＝[A122-A012-A022]/(2A01A02)并且相位差φ＝(φ1-φ2)＝arc cos[(A122-A012-A022/(2A01A02)]常常，相位差φ将不是所考虑的变量。在许多应用中，更有用的是知道等效的时间差或相对群延迟。由于调制频率fmod是已知的，所以时间差/相对群延迟可以从相位差计算出来。
在理论上，这些测量用于得到相位差(及因此时间差)是足够的，并且对于相位差接近90°这一般是适用的。然而，实际上，当相位差接近于零(或者π弧度的整数倍)时，该结果对振幅测量中的微小误差很敏感。因此，优选的是增加一第三光信号并因此有助于更大数量的选择。通过将一个分光器和另一对准直器加到选择装置12上，同时增加开槽轮中的槽数目，和对控制和计算装置18中的软件作相应修改以便供附加的选择用，就可以做到这点。
如图2所示，这种改进的选择装置12包括一个分光器38，设置在可旋转开槽轮26一侧上的第一组三个准直器24/1、24/2和24/3，及设置在开槽轮26另一侧上的第二组三个准直器28/1、28/2和28/3。准直器28/1、28/2和28/3的输出，如前所述，通过光纤30/1、30/2和30/3输送到组合器32上，该组合器32将信号转送到光检测器14上。将从光检测器14出来的相应的组合电信号转送到信号调节装置16，用于放大、滤波、振幅检测和数字化，上述操作采用常规技术，此处无需详细说明。
将改进的选择装置12的输入口20/2，如前所述，通过一段光纤22/2，直接耦合到第二准直器24/2上。然而，光纤22/1把准直器24/1连接到分光器38的输出口40上，该分光器38具有它的输入口42，输入口42通过光纤44连接到选择装置12的输入口20/1上。分光器38的第二输出口46通过光纤22/3连接到第三准直器24/3上。分光器38把从光纤44出来的光分裂成两个光信号S1和S3。信号S1沿着光路P1传播，该光路P1现在还包括分光器38和光纤44。信号S3沿着光路P3传播，该光路P3包括光纤44、分光器38、光纤22/3、准直器24/3和28/3及它们之间的空气间隙、光纤30/3、及组合器32。
光路P3比光路P1长的量，足以在调制信号的频率下产生约90°的相移。准直器28/1、28/2和28/3接收成不同组合的准直光，这些不同的组合由开槽轮26中的槽来决定，当然，该开槽轮26将具有不同的槽图案，因为现在在各种不同置换中有三个待选择的光信号S1、S2和S3。准直器28/1、28/2和28/3分别通过光纤30/1、30/2和30/3将不同的选择传送到组合器32，组合器32将它们组合，并把组合后的光输送到光检测器14。优选的是，组合器32是一组三个准直器，每个光纤用一个准直器，捆扎在一起，并且后面有合适的透镜。可供选择地，组合器32可以是一组具有合适耦合比的熔接式光纤光耦合器。
因此，在这种情况下，穿过选择装置12的光学部分有三个光路P1、P2和P3。第一光路P1构成装置的0°基准光路，而具有较长光程长度的第三光路P3包括一个90°基准光路。这两个光路之间的光程差等于Δ/=C(4N+1)4nfmod]]>式中△/是光程长度差，C是真空中的光速，N是0和∞之间的整数，n是光纤22/3纤芯的折射指数和fmod是光的高调制频率。即使光程长度是这样，以致当重新组合时，在两个光路P1和P3中的调制光信号没有正好90°的相位差，这个相位差也如前所述可以测量并供计算用。第二光路P2载运从光纤输入口20/2出来的光信号。
现在对通过开槽轮26的光束有八种可能的组合，亦即(i)单独信号S1；(ii)单独信号S2；(iii)单独信号S3；(iv)信号S1+信号S2；(v)信号S1+信号S3；(vi)信号S2+信号S3；(vii)三个信号都没有；和(viii)所有三个信号S1、S2和S3。为方便起见，组合(viii)不用，因此开槽轮26在低频(通常倾向于几百赫兹)下，通过前七种可能的组合(i)-(vii)重复循环。
光检测装置14检测从组合器32出来的组合光信号，并产生一个电信号。信号调节装置16将电信号放大和滤波，并对每种由开槽轮26作出的选择测量一个与峰间调制振幅成比例的信号。信号调节装置16将振幅数字化，并将这些值传送到计算装置18，计算装置18计算相位或相对群延迟数据。控制和计算装置18如此控制开槽轮26，以使振幅测量对应于开槽轮26的不同位置。在这种情况下，并假定光路P3比光路P1长，形成一个90°相位，则用于计算相位差φ＝φ1-φ2的方法如下信号选择单独S1、单独S2、信号S1+信号S2、及没有信号，得到如前面参照图1所述的相同结果。若用单独信号S2、单独信号S3、和信号S2+信号S3，则我们得到另一种等效关系；cos(φ2-φ3)＝(A232-A022-A032)/(2A02A03)和，由于φ1和φ3之间的90°关系；sin(φ1-φ2)＝(A232-A022-A032)/(2A02A03)和，最后
φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}或更完整地，以弧度φ1-φ2＝arg{[(A122-A012-A022)/(2A01A02)]+i[(A232-A022-A032)/(2A02A03)]}应该理解，如果光路P3比光路P1短，也产生90°的相移，可以进行类似的计算，但正弦函数的符号改变，亦即，是负的。
尽管使用第三光路P3要求这种稍微更复杂的开关方案，但有利的是它使整个过程对测量误差不太敏感。为了还要更完全和自动较正，假如光路1和3之间的相位差不是正好90°，则可以测量信号S1+信号S3的振幅，并相应地修正上述方程，利用附加的光路，该附加的光路具有实际长度增加量等于在高调制频率下相移90°，其优点是，使得相位差，和因此使群延迟，能在2π弧度(整个循环)范围内测量，而不是在两光路方法情况下只在π弧度范围内测量。
利用上述相位差测量方法中的无论哪种方法，通常优选的是，通过在比高频强度调制低得多的频率下重复选择顺序，重复相位差测量许多次。然后可以对许多循环计算平均相位差，以便得到更精确的值。低频循环越快，排除所谓的1/f噪音，亦即，与任何两个振幅测量之间的时间差有关的噪音，更好；这个时间越短，则1/f噪音效应越低。
如前所述，上述用于测量强度调制光信号之间相位差的装置和方法中的任何一种，都可以用于许多应用中。图3示出应用于测量被测器件(DUT)或被测光纤(FUT)50中的色度色散，该DUT或FUT 50在一端连接到多波长光源装置54的输出口52上，而在另一端连接到分光器58的输入口56上。分光器58的一个输出口60通过光纤62直接耦合到相位差测量装置10的输入口20/1上，并向其输送强度调制光信号S1。分光器58的第二输出口64通过光纤66耦合到可调滤光器68上，该滤光器68由控制和计算装置18控制。可调滤光器68的输出口70通过光纤72耦合到相位差测量装置10的输入口20/2上，并给其输送强度调制光信号S2。优选的是，分光器58是一个分复用滤光器(drop filter)，但可用一光学宽带3dB熔接式光纤光耦合器，或者具有不同耦合比的另一种耦合器代替。
假定第一光路P1具有一第一传输参数值，亦即波长λ1，并且沿着它通过的信号到达光检测器14，该信号具有第一群延迟t1，和假定第二光路P2具有一第二传输参数值λ2，和相应的信号在到达光检测器14时具有一第二群延迟t2，则相应测得的相位差φ1-φ2与群延迟差t1-t2成正比。应该理解，每条光路都是从光源延伸到光检测器14。
在操作时，控制和计算装置18控制可调滤光器68，以便选择多个不同的用于光信号S2的波长，并对每个由可调滤光器68选定的不同波长计算φ1-φ2值，并利用该数据来计算DUT/FUT 50的色度色散。
光源装置54提供具有至少两个波长的光，为了测量色度色散，这是必要的。光的强度(亦即，光功率)用一从振荡器74发出的高频电子信号在高频下调制，该振荡器74，例如，调制输送到光学上宽带发光二极管76上的电流。然而，可供选择地，如图4所示，调制可以用一外部的、例如电光调制器或声光调制器78进行，该调制器78由振荡器74控制。这些提供调制的可供选择的方法也可应用于单个光源。
调制后的光沿着/穿过DUT/FUT 50传播。高频强度调制以一个速度传播，该速度通常视光波长和输入光偏振而定。为了确定色度色散，测量不同光波长下调制之间的传播时间差。为了测量正确值，必须用例如，一个非偏振源，对偏振效应进行平均、校正或补偿。
分光器58以一种预定的方式将从DUT/FUT 50出来的光分光，以便提供光信号S1和S2。光信号S1具有一固定的中心波长和固定的光学半高全宽度，通过光纤62直接输送到测量装置10的第一输入口20/1，亦即，其波长没有改变，并用作基准。其余的光信号经过光纤66传送到可调滤光器68。可调滤光器由控制和计算装置18控制，以便在光信号S2通过光纤72输送到测量装置10的第二输入口20/2之前，改变光信号S2的波长。在光源76是一种光学上宽带发光器件(如发光二极管)的情况下，可调滤光器68可以是一种薄膜干涉滤光片、光栅单色器、声光滤光器或其它可选择不同波长的器件。
应该注意，DUT/FUT 50可以安放在组合器32和光检测器14之间，亦即，可以在DUT/FUT 50的入口端处进行滤光、分光、修改、切换(转换)和重新组合。滤光可以在光源和光检测器之间的任何地方进行。基准光可以通过或者不通过DUT-FUT。
测量装置10的输出，是一种代表一序列不同振幅测量的数字化信号，它被输送到一个控制和计算装置18，该控制和计算装置18，如前所述，计算在由可调滤光器68所设定的波长处的相位差φ。控制和计算装置18把相位差值和可调滤光器68的中心波长值一起，存储在例如计算机存储器(未示出)中。然后控制和计算装置18改变可调滤光器68的中心波长，重复测量新波长的相位差，并存储新波长的相位差值。对可调滤光器68的许多中心波长重复这个过程，同时控制和计算装置18计算和存储每次的时间延迟差和波长数据。当积累了充足的数据时，控制和计算装置18利用存储的时间延迟数据和波长数据，按用户限定的方法或按任何标准化方法(纤维光学测试程序(FOTP)169、FOTP 175)，计算色度色散。用于从时间延迟数据和波长数据计算色度色散的方法在本技术领域中是众所周知的，因此此处将不再说明。
应该理解，相位差测量可以用如上所述的改进测量装置10(图2)和相关的方法进行。
应该注意，调制频率通常将高于10MHz，以便它具有一个周期，该周期短到足够精密地测量色度色散，此外该周期还要长到足以持续至少如待测的最长时间差那样长。另外，它必需比开槽轮26中每个槽跨过光路所花的时间短得多。
还应该理解，多波长光源76和可调滤光器68可以用一个窄带可调光源(和合适的基准光源)代替，该窄带可调光源由控制和计算装置18控制。
还应该理解，色度色散可以通过在施加到选择装置12的输入口20/1和20/2之前改变两个信号的波长进行测量。
本发明不限于测量色度色散，而是可用于各种其它的应用。例如，它可以用来测量偏振模式色散。如果各光路之间的差别仅是光路长度，则它可用来测量光路长度差。
上述相位差测量方案，可用来测量已通过DUT或FUT的不同偏振状态的高频调制光信号之间的相对时间延迟。在多个测量波长处，记录对应于所有偏振状态其最大相对时间延迟以及所对应的波长。
该设备可在许多方面与图3所示的色度色散测量设备相同。高频强度调制多波长非偏振光源耦合到DUT/FUT中。在DUT/FUT输出端处，分光器58提出一个集中在一特定波长上的非偏振光部分。这是施加到选择装置12(在测量装置10中)的口20/1上的基准信号S1。其余的光进入低偏振相关损耗(PDL)可调单色器(亦即可调滤光器68)上。其差别在于在可调滤光单色器68之后，有一个偏振控制器80(在图3中用虚线示出)，该偏振控制器80包括每个偏振态(SOP)，后面是一个偏振器82(也用虚线示出)。改变这个光路中选定的SOP，以便找出相对于基准信号S1的最小和最大的相移。计算这些最小和最大相移之间的差值，然后与波长一起存储。对另一些波长重复该方法。这些在多个波长处测得的相移差(或群延迟差)代表作为波长的函数的微分群延迟(DGD)(群延迟的最大差等于低PDL条件下的DGD，但对大的PDLs(＞1dB)则不是如此)。这个数据可以被处理，以便在测量波长范围内，计算DGD平均值或均方根(rms)，或者按照标准化方法(例如FOTP 122)计算其它的偏振模式色散(PMD)统计值。
为了测量光路长度差，在光路2中引入一个变化的光路长度，可以例如，通过拉伸被测光纤产生。因为只需要一个波长，所以可调滤光器68可以省去，并且光源可以不必是宽带的。另外，分光器58不必是一种引出滤光器。群延迟差测量可以按时重复进行。这些重复测量表明DUT或FUT的伸长或压缩。
应该注意，本发明包括装备有合适的控制接口和用户软件的设备，供与一分开的个人计算机一起使用。
工业应用性本发明各实施例的优点是，在强度调制光信号之间的相位差，可以通过只测量振幅来确定，这避免了在用于测量脉冲到达时间或电相移技术中固有的困难。更具体地说，由光检测器所产生的调制电信号相位不再予以关注，因而大大减化了检测方法。
权利要求
1.一种测量在相同调制频率下调制的至少第一和第二强度调制光信号(S1、S2)之间相位差的方法，其特征在于以下步骤(i)单独地和然后组合式按顺序选择两个光信号；(ii)在调制频率下从选定的光信号导出一个相应的电信号，此电信号具有一系列相应于不同的光信号选择的不同的振幅，并测定不同的振幅；和(iii)利用振幅和相位角之间的三角关系，从测得的振幅计算第一和第二调制光信号之间的相位差(φ1-φ2)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于振幅相应于单独第一光信号(S1)和第二光信号(S2)其中的每一个，及第一和第二光信号的总和。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于振幅相应于没有选定的光信号(S1、S2)中的任一个，并且用此振幅值来进行偏置校正。
4.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在第一光信号(S1)具有这样的强度调制振幅A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里叶分量的最大振幅和φ1是主傅里叶分量的相位，第二光信号(S2)具有这样的强度调制振幅A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里叶分量的最大振幅和φ2是主傅里叶分量的相位，及式中fmod是调制频率，并且组合的信号具有振幅A＝A1+A2＝A12sin(2πfmodt+φ0)的情况下，控制和计算装置(18)计算相位差(φ)为φ＝φ1-φ2＝arccos[(A122-A012-A022/(2A01A02)]。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征还在于以下附加的步骤(iv)提供一个在上述高频下强度调制的第三光信号(S3)，该第三光信号调制相对于第一和第二光信号中任一个都具有一预定的相位差；和(v)单独选择第三光信号及选择第三光信号与第一和第二光信号中任一或二者组合，以便产生一个附加的光信号选择，使得上述相应的电信号具有相应于附加选择的附加振幅，并且其中振幅测定步骤也测定该附加振幅，以及计算第一和第二光信号之间相位差的步骤考虑所有三种光信号的振幅和相位之间的三角关系。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述振幅相应于单独的第一、第二和第三光信号中的每一个，第一与第二光信号的总和，第一和第三光信号的总和，以及第二与第三光信号的总和。
7.权利要求6所述的方法，其特征在于所述振幅还相应于所有三个光信号的总和。
8.按照权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于在第一光信号(S1)具有这样的振幅强度调制A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里叶分量的最大振幅和φ1是主傅里叶分量的相位，第二光信号(S2)具有这样的振幅强度调制A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里叶分量的最大振幅和φ2是主傅里叶分量的相位，第三光信号(S3)具有这样的振幅强度调制A3＝A03sin(2πfmodt+φ3)，式中A03是主傅里叶分量的最大振幅和φ3是主傅里叶分量的相位，及式中fmod是调制频率，控制和计算装置(18)计算相位差(φ)为φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}。
9.按照权利要求5、6、7或8所述的方法，其特征在于在上述高频下，预定的相位差包括约90°。
10.按照权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征在于其中一个选择不选择上述光信号，并且用相应的振幅测量作为其它振幅测量的偏置校正。
11.按照任何上述权利要求所述的方法，其特征在于第一和第二光信号通过将发自单一光源的单个强度调制光束分裂来提供，该单一光源由一基准振荡器控制。
12.按照权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于第一和第二光信号分别由第一和第二光源提供，上述第一和第二光源由来自一基准振荡器的锁相信号控制。
13.按照权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于第一和第二光信号由一个光源提供并由一光调制器调制。
14.按照权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于第一和第二光信号分别由第一和第二光源提供，并由一光调制器调制。
15.按照权利要求5所述的方法，其特征在于第三光信号通过将第一和第二强度调制光束其中之一分裂来提供。
16.按照任何上述权利要求所述的方法，其特征还在于以下步骤使强度调制光信号(S1、S2)中之一或二者通过一选定的光学元件(50)；对光信号许多不同光波长的每一个光波长实施相位差测量步骤；以及利用最终产生的波长和许多相位差测量来计算光学元件的色度色散。
17.按照权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤在一特定波长下改变光信号中之一的偏振态；对许多不同的这种偏振态中的每一个都实施相位差测量步骤；及利用最终产生的许多相位差测量来计算不同偏振态的群延迟中最大差值。
18.按照权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤使光信号的其中之一通过光学元件；改变光学元件的有效光程长度；对许多不同光程长度中的每一个实施相位差测量步骤；利用最终产生的许多相位差测量来计算光程长度差。
19.用于测量强度调制光信号之间相位差的设备，包括(i)用于提供第一光信号(S1)和第二光信号(S2)的装置(54)，上述第一光信号(S1)和第二光信号(S2)二者具有在相同高频下的强度调制；(ii)选择装置(12)，用于单独和组合式按顺序选择第一和第二光信号(S1、S2)；(iii)装置(14、16)，用于从选定的光信号导出相应的在调制频率下的电信号，该电信号具有一系列相应于不同光信号选择的不同振幅，和用于测定相应于不同的选择的电信号的振幅；和(iv)装置(18)，用于控制上述选择装置(12)，并利用振幅和相位之间的三角关系，从振幅计算由上述导出装置(14、16)接收的第一和第二光信号调制之间的相位差(φ1-φ2)。
20.按照权利要求19所述的设备，其特征在于选择装置(12)安排成单独选择第一信号(S1)和第二信号(S2)中的每一个，以及选择第一和第二光信号的组合。
21.按照权利要求19所述的设备，其特征在于选择装置(12)安排成不选择任一个光信号(S1、S2)，而控制和计算装置(18)安排成利用最终产生的振幅值来进行偏置校正。
22.按照权利要求19、20或21所述的设备，其特征在于在第一光信号(S1)具有这样的强度调制振幅A1＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里叶分量的最大振幅和φ1是主傅里叶分量的相位，第二光信号(S2)具有这样的强度调制振幅A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里叶分量的最大振幅和φ2是主傅里叶分量的相位，及式中fmod是调制频率，并且组合的信号具有振幅A＝A1+A2＝A12sin(2πfmodt+φ0)的情况下，控制和计算装置(18)安排成计算相位差为φ＝φ1-φ2＝arc cos[(A122-A012-A022/(2A01A02))
23.按照权利要求19所述的设备，其特征还在于包括装置(38)，用于提供一个具有在上述高频下调制的强度调制第三光学信号(S3)，和提供一个相对第一和第二光信号中任一个的预定相位差，并且其中选择装置(12)安排按顺序单独地选择第三光信号(S3)以及选择第三光信号(S3)与第一和第二光信号(S1、S2)中的任何一个和/或二者的组合，以便产生一组附加的光信号选择，导出装置(14、16)从附加的光信号选择导出具有相应的附加振幅的上述电信号，并测定相应于该附加选择的振幅，而控制和计算装置(18)，当计算上述相位差时，是可操作的，以便考虑相应于涉及第三光信号的附加选择的振幅。
24.按照权利要求23所述的设备，其特征在于导出装置(14、16)包括装置(16)，该装置(16)用于测定单独第一、第二和第三光信号中的每一个，第一和第二光信号的总和，第一和第三光信号的总和，以及第二和第三光信号的总和的振幅。
25.按照权力要求24所述的设备，其特征在于振幅测定装置(16)还测定相应于所有三个光信号总和的振幅。
26.按照权利要求23、24或25所述的装置，其特征在于在第一光信号(S1)具有这样的振幅强度调制Ar＝A01sin(2πfmodt+φ1)，式中A01是主傅里叶分量的最大振幅和φ1是主傅里叶分量的相位，第二光信号(S2)具有这样的振幅强度调制A2＝A02sin(2πfmodt+φ2)，式中A02是主傅里叶分量的最大振幅和φ2是主傅里叶分量的相位，第三光信号(S3)具有这样的振幅强度调制A3＝A03sin(2πfmodt+φ3)，式中A03是主傅里叶分量的最大振幅和φ3是主傅里叶分量的相位差，以及式中fmod是调制频率情况下，控制和计算装置(18)计算相位差为φ1-φ2＝arctan{[(A232-A022-A032)(2A01A02)]/[(A122-A012-A022)(2A02A03)]}。
27.按照权利要求23、24、25或26所述的设备，其特征在于预定的相位差在上述高频下基本上是90°。
28.按照权利要求23-27中任一项所述的设备，其特征在于选择装置(12)不选择任何光信号，并且振幅测定装置(16)测定相应的振幅，并用它作为其它振幅测量的偏置校正。
29.按照权利要求19-28中任一项所述的设备，其特征在于光信号提供装置(54)包括一个或多个用于提供上述光信号的光源(76)，和用于提供上述调制的装置(74、78)。
30.按照权利要求28所述的设备，其特征在于调制提供装置(74)包括基准振荡器装置(74)，基准振荡器装置(74)用于控制该一个或多个光源，以便调制由其输出的光。
31.按照权利要求28所述的设备，其特征在于调制提供装置包括一个光调制器装置(78)，该光调制器装置(78)用于调制从上述一个或多个光源输出的光。
32.按照权利要求19-31中任一项所述的设备，其特征在于包括装置(38)，用于将第一和第二强度调制光信号(S1、S2)中的任一个分裂，以便产生上述第三光信号(S3)。
33.按照权利要求19-32中任一项所述的设备，适合于使光信号的其中之一或二者穿过一光学元件(50)，其特征在于还包括用于改变第一和第二光信号其中之一或二者的波长的装置(68)，并且其中导出和测定装置(14、16)测定上述光信号其中之一的多个波长中每一个的振幅，而控制和计算装置(18)计算上述多个波长中的每一个波长的相位差，并利用多个波长和相位差，确定上述光学元件的色度色散。
34.按照权利要求19-32中任一项所述的设备，适合于使光信号的其中之一穿过一个光学元件，其特征还在于包括用于在特定波长下改变上述光信号其中之一的偏振态的装置(80、82)，其中导出和测定装置(14、16)及控制和计算装置(18)可以操作，以便测定上述选定的振幅，并计算上述多个偏振态中每一个的相位差，控制和计算装置(18)利用最终产生的多个相位差测量，来确定不同偏振态的群延迟中的最大差值。
35.按照权利要求19-32中任一项所述的设备，适合于测量光学元件的伸长，光信号的其中之一穿过该光学元件，其特征在于导出和测量装置(14、16)及控制和计算装置(18)是可操作的，以便测定上述振幅和计算上述光学元件的多个长度状态中的每一个的相位差，并据此计算伸长。
36.供在测量强度调制信号之间相位差中用的设备，包括(i)用于提供第一光信号(S1)和第二光信号(S2)的装置(54)，该第一和第二光信号(S1、S2)二者具有相同高频率的强度调制；(ii)选择装置(12)，用于单独及组合式按顺序选择第一和第二光信号(S1、S2)并具有一用于耦合到计算机上的接口；(iii)装置(14、16)，用于在调制频率下从选定的光信号导出相应的电信号，此电信号具有一系列相应于不同光信号选择的不同振幅，测定相应于不同选择的电信号振幅，并把振幅值输送到用于耦合到上述计算机上的接口；和(iv)用于给上述计算机编程的软件，以便控制上述选择装置(12)，并利用振幅和相位之间的三角关系，由振幅计算由上述导出装置(14、16)接收的第一和第二光信号调制之间的相位差(φ1-φ2)。
全文摘要
为了避免在相对群延时测量中测量电相位差或脉冲到达时间时固有的误差，不同的光信号具有它们在共同的高频下调制的强度，并选择不同的置换。检测相应电信号的振幅，并根据三角关系计算相位差。由于调制频率已知，所以时间差可以导出。用于测量相位差的设备方便地包括一个开槽轮，该开槽轮通过选定的光信号其中之一或二者。可以将光信号的其中之一分裂，以便产生具有预定相移，比如在调制频率下约90°，的第三信号，并用三个光学信号一些可能置换的振幅来计算相位差。可以用这些测量来计算色度色散、偏振模式色散、伸长，等。
文档编号G01M11/00GK1430724SQ01809799
公开日2003年7月16日 申请日期2001年3月30日 优先权日2000年3月31日
发明者F·巴宾, N·西尔 申请人:埃科斯弗电光工程公司