專利名稱：利用擴展局部振蕩器信號的并行干涉測量的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及光學測量和測量系統的領域，更具體地涉及用于利用光外差檢測的光網絡分析的方法和系統。
背景技術：
外差光網絡分析(HONA，Heterodyne optical network analysis)是一種在所期望光譜范圍上表征被測試器件(DUT)的線性光學性質的干涉測量技術。商業上可用的HONA儀器用來表征與電信有關的元件，例如光纖布拉格光柵和陣列波導光柵。
通常，這些光學元件有不止一個需要被表征的端口。在傳統的HONA儀器中，僅有一個測量通道可用來表征DUT，因此必須逐次地表征DUT的各個端口，而這是很耗時的過程。雖然可以利用將HONA的局部振蕩器信號分布到多個接收器的多級聯分光器(multiple cascaded optical splitter)來建立并行HONA系統，但是利用級聯分光器將局部振蕩器信號分布到各個接收器卻是復雜、昂貴且有損耗的。
發明內容
用于表征被測試器件(DUT)的光學性質的系統，使用擴展局部振蕩器信號來進行多個并行干涉測量。例如，局部振蕩器信號通過擴束器，并且在多個干涉測量中使用擴展局部振蕩器信號。將局部振蕩器信號擴展以用在多個干涉測量中的優點，在于避免了與級聯分光器相關聯的問題。
根據本發明，擴展局部振蕩器信號被光學連接到透鏡陣列。所述透鏡陣列將擴展局部振蕩器信號聚焦成多條光束。然后這多條光束用在多個并行干涉測量中。根據應用，這多條光束可用作參考光束，或應用到DUT并用作測試光束。測試光束和參考光束被組合來進行干涉測量。
或者，根據本發明，擴展局部振蕩器信號的一部分可作為測試光束直接應用到DUT，而擴展局部振蕩器信號的另一部分用作參考光束。測試光束和參考光束被組合來進行干涉測量。
圖1示出了根據本發明的用于表征DUT的系統，其利用擴展光束來進行多個并行干涉測量。
圖2示出了根據本發明的用于表征DUT的另一個系統，其利用擴展掃頻局部振蕩器信號來完成多個并行干涉測量。
圖3示出了檢測器陣列和透鏡陣列的實例，其中檢測器陣列的檢測器元件與透鏡陣列的透鏡元件被光學對準。
圖4示出了根據本發明與多條測試光束重疊的參考光束。
圖5示出了根據本發明的另一個系統，其可用來利用擴展掃頻局部振蕩器信號表征DUT，以實現多個自由空間的并行干涉測量。
圖6示出了用在圖2和5的系統中的偏振分光器和檢測器陣列。
圖7示出了根據本發明光學表征DUT的過程流程圖的實施例。
在整個說明書中，類似的標號可用來標識類似的元件。
具體實施例方式
用于表征測試器件(DUT)的光學性質的系統，利用擴展局部振蕩器信號來進行多個并行干涉測量。例如，使掃頻局部振蕩器信號通過擴束器，并在多干涉測量中使用擴展的掃頻局部振蕩器信號。
圖1示出了用于表征DUT的系統的實施例，其利用擴展的光束來進行多個并行干涉測量。所述系統包括局部振蕩器源102、擴束器104、透鏡陣列106、耦合系統108、多個光耦合器110、檢測系統112和處理器114。將DUT 116連接到系統使得可以表征DUT的光學性質。
參照圖1，局部振蕩器源102產生局部振蕩器信號。在一個實施例中，局部振蕩器源是高度相干的可調諧激光器，其在1納米或更大的波長范圍內連續可調諧。在光網絡分析過程中，為了在一定頻率或波長范圍內表征DUT的光學性質，局部振蕩器源產生可連續地掃過所述頻率或波長范圍的高度相干的局部振蕩器信號。在一個實施例中，局部振蕩器信號在1,550納米處的掃頻速率約為40nm/s或6.15MHz/μs，掃頻范圍約100nm，但是掃頻速率和掃頻范圍可以更高或更低。
擴束器104被光學連接到局部振蕩器源102以接收掃頻局部振蕩器信號。擴束器產生擴展掃頻局部振蕩器信號105。例如，擴展掃頻局部振蕩器信號是空間擴展并且準直的自由空間光束。例如，擴束器可用一個透鏡、多個透鏡或開普勒望遠鏡來實現。
透鏡陣列106被光學連接到擴束器以接收擴展掃頻局部振蕩器信號105。透鏡陣列將擴展掃頻局部振蕩器信號聚焦成多條光束，例如多條不同的光束。在一個實施例中，透鏡陣列將擴展掃頻局部振蕩器信號聚焦成多條光束，光束數量與將要進行的并行干涉測量的數量一致。被聚焦的光束隨后耦合至不同的波導，例如光纖或平面波導。透鏡陣列可包括透鏡元件120的陣列，透鏡元件120例如是在熔凝石英襯底上例如利用光刻和化學蝕刻工藝而形成的衍射透鏡。在一個實施例中，調整透鏡元件以對齊耦合系統中的光纖間距。透鏡陣列可稱之為“微透鏡陣列”。在一個實施例中，透鏡陣列被制造成可產生具有特定性質的光束。
耦合系統108的作用是將來自透鏡陣列106的擴展的掃頻局部振蕩器信號光束耦合到不同的波導(例如光纖)中。在一個實施例中，耦合系統包括使二維陣列光纖122與來自透鏡陣列的光束保持對準的結構。在另一個實施例中，耦合系統包括用來固定二維行陣列光纖(經常被稱之為“帶狀連接器”)的結構。帶狀連接器經常用來將光耦合到光纖帶狀光纜內。帶狀光纜通常由多條單獨光纖的線性陣列組成，這些光纖例如通過被連接的塑料護套而綁在一起。對光纖在光纖帶狀連接器內的位置的小的容許偏差(tight tolerance)，使得光纖帶狀連接器非常適于可重復地且低損耗地與透鏡陣列耦合。耦合系統的另一個實施例包括與來自透鏡陣列的光束對齊的集成光波導陣列。利用連接光纖和波導的公知技術，將每個波導在其輸出處耦合到單模光纖。雖然描述了耦合系統的兩個實例，但也可用其他耦合系統來將來自透鏡陣列的光與被連接到耦合器的光纜相連接。
多個耦合器110將來自DUT 116的光纖124與來自耦合系統108的光纖122相連接。耦合器使得來自DUT的光和來自透鏡陣列106的光組合成多個組合光信號，所述光信號可用于多個并行干涉測量。光耦合器可以是光學定向的3dB光纖耦合器，盡管也可使用其他光耦合器。在一個實施例中，光耦合器與來自DUT和透鏡陣列的光的波長和偏振基本上無關。在一個實施例中，光耦合器是單模光耦合器。
多個耦合器由多條光纖126(稱之為“輸出光纖”)連接到檢測系統112。輸出光纖可以是單模光纖，其將來自光耦合器110的組合光信號輸送到檢測系統。
在圖1的實施例中，檢測系統112包括多個光接收器130，其以一對一的方式光學連接到多個耦合器110。多個光接收器接收來自多個光耦合器的組合光信號。多個光接收器響應組合光信號而產生電輸出信號。在一個實施例中，光接收器利用平方律檢測，這使得來自DUT和透鏡陣列的組合光信號混合起來。由于局部振蕩器信號是掃頻的，并且由于參考路徑和測試路徑之間路徑長度的不同，所以這兩種光信號的混合會產生某一頻率的外差跳動信號(heterodyne beat signal)，所述頻率等于這兩種光信號之間的頻率差。在一個實施例中，經由電連接132將來自多個光接收器的外差跳動信號提供給信號處理器114。雖然圖1示出了一種實現并行測量的布置，但其他布置也是可能的。例如，來自DUT的多條光纖124可耦合到來自耦合系統108的單條光纖122，并且例如可以在處理器上通過數字數據處理來單個地識別所得到的外差跳動信號。
雖然在圖1的實施例中，耦合器110將單個組合光信號提供給光接收器130，但其他實施例可以將組合光信號的多個部分提供給對應的接收器。例如，組合光信號的兩個部分可提供給兩個接收器以實現偏振分集，組合光信號的四個部分可提供給四個接收器以實現噪聲平衡以及偏振分集。
處理器114包括多功能處理器，其接收來自光接收器130的輸出信號，并產生表示DUT 116的光學性質的輸出。處理器可包括信號處理領域公知的模擬信號處理電路、數字信號處理電路、或軟件或其任意組合。在圖1的實施例中，處理器接收來自光接收器的數字外差跳動信號數據，并且處理器執行數字處理。在其他實施例中，處理器接收來自光接收器的模擬外差跳動信號，并且由處理器將模擬信號轉換為數字數據。隨后處理數字數據以產生表示DUT的一種或多種光學性質的輸出。
在圖1的實施例中，DUT 116是將單條輸入光束分成多條輸出光束的陣列波導光柵(AWG)。DUT通過耦合器101和光纖115而被光學連接到局部振蕩器源102。雖然在圖1的實例中，DUT是AWG，但DUT可以是任何具有將利用并行干涉測量而被表征的多個端口的光學器件，例如基于光纖布拉格光柵(FBG)或薄膜濾光器技術的多路復用器或多路分配器。
圖1所示系統的操作是對AWG來描述的，該AWG響應單條輸入光束而輸出多條輸出光束。操作開始于由局部振蕩器源102產生掃頻局部振蕩器信號。然后各種光路元件沿著兩條光路引導所述掃頻局部振蕩器信號。參照包括DUT 116的光路，所產生的掃頻局部振蕩器信號通過光纖115被提供給DUT。響應于所接收的掃頻局部振蕩器信號，DUT將多條光束輸出到與DUT連接的光纖124中。從DUT輸出的光束(這里稱為“測試光束”或“測試信號”)傳輸到多個光耦合器110中相關聯的光耦合器。參照包括透鏡陣列的光路，掃頻局部振蕩器信號首先通過光纖103而被提供給擴束器104。響應所接收的掃頻局部振蕩器信號，擴束器輸出擴展掃頻局部振蕩器信號105。然后將擴展掃頻局部振蕩器信號提供給透鏡陣列。透鏡陣列將擴展掃頻局部振蕩器信號聚焦成多條光束。然后將擴展掃頻局部振蕩器信號的多條光束(這里稱為“參考光束”或“參考信號”)提供給耦合系統108。耦合系統將參考光束耦合至多條光纖122中。
參考光束通過多條光纖122傳輸到多個耦合器110，在這里參考光束與來自DUT 116的測試光束組合。例如，在圖1的實施例中，參考光束在相關聯的耦合器處以一對一的方式與測試光束相組合。組合光信號被輸出到輸出光纖126上，并傳輸到多個光接收器。光接收器檢測并混合組合光信號，并且響應組合光信號而產生外差跳動信號。將外差跳動信號輸出至處理器。處理器利用外差跳動信號來產生表示DUT光學性質的輸出。如上所述，擴束器和透鏡陣列使掃頻局部振蕩器信號能有效地分成多條光束，利用這多條光束來實現并行干涉測量。
在一個實施例中，可以在不同的時間觸發檢測系統112的接收器130來進行檢測。例如，可以在接收器范圍內一次觸發一個接收器地來進行檢測。在其他實施例中，可同時觸發一些或所有接收器來進行檢測。無論是一次一個接收器進行檢測還是同時進行檢測，這里都認為所述多個干涉測量是“并行”執行的，因為可以在不改變系統物理設置的情況下就表征DUT的所有端口。
圖2示出了用于表征DUT的系統的另一個實施例，其利用擴展掃頻局部振蕩器信號來實現多個并行干涉測量。所述系統包括局部振蕩器源202、擴束器204、分光器236、鏡子238、透鏡陣列206、耦合系統208、檢測系統212和處理器214。DUT 216被光學連接至該系統，使得可以表征該DUT的光學性質。
在圖2的實施例中，局部振蕩器源202、擴束器204、透鏡陣列206和耦合系統208類似于參照圖1所說明的相似元件。分光器236是部分反射分光器，其通過擴展的掃頻局部振蕩器信號的第一部分，并反射擴展的掃頻局部振蕩器信號的第二部分。
檢測系統212檢測從DUT 216和鏡子238反射的光信號。在圖2的實施例中，檢測系統212包括二維檢測器陣列240和可選的偏振分光器242。檢測器陣列設計為具有與透鏡陣列光學對準的不同的檢測器元件。例如，4×4透鏡陣列將具有對應的4×4檢測器陣列，所述檢測器陣列具有被光學對準以接收來自透鏡陣列206的聚焦光束的檢測器元件。圖3示出了檢測器陣列340和4×4透鏡陣列306的實例，其中檢測器陣列的檢測器元件344與透鏡陣列的透鏡元件320被光學對準，以使穿過透鏡元件的聚焦光束346入射到對應的檢測器元件上。另外，可調整透鏡陣列和檢測器陣列以符合耦合系統的光纖間距。在一個實施例中，可通過增強蝕刻將檢測器元件分開，以減小檢測器元件之間的電阻和電容串擾。在另一個實施例中，單個檢測器元件可分開制造并安裝到襯底上，以減小檢測器元件之間的電阻和電容串擾。再回頭參照圖2，可選的偏振分光器用來實現偏振分集，以下將作更詳細的說明。
在操作中，圖2中的局部振蕩器源202產生掃頻局部振蕩器信號，擴束器204響應掃頻局部振蕩器信號而產生擴展掃頻局部振蕩器信號205。然后各種光路元件沿著兩條光路引導部分所述擴展掃頻局部振蕩器信號。首先，將擴展的掃頻局部振蕩器信號提供給分光器236。分光器將擴展掃頻局部振蕩器信號分成兩部分。在圖2的實施例中，擴展掃頻局部振蕩器信號的第一部分207(這里稱為“參考光束”或“參考信號”)穿過分光器，并入射到鏡子238上。參考光束隨后被反射回分光器，在這里其被重定向到檢測系統212。擴展掃頻局部振蕩器信號的第二部分209(這里稱為“測試光束”或“測試信號”)首先被分光器重定向到透鏡陣列206。透鏡陣列將測試光束(即擴展掃頻局部振蕩器信號)聚焦成多條測試光束。然后將多條測試光束提供給耦合系統208。耦合系統將多條測試光束耦合至多條光纖248內。然后通過光纖248將多條測試光束應用于DUT216。在一個實施例中，將多條測試光束應用于多端口DUT的多個端口。這個系統可用來并行地表征DUT的多個端口的反射性質。
部分多條測試光束從DUT 216反射，并再通過耦合系統208和透鏡陣列206。多條測試光束中被反射回的部分，隨后在分光器236處與參考光束組合。例如，多條測試光束與參考光束“共同傳播”或重疊。測試光束與參考光束共同傳播，是因為參考光束包括整個區域上的準直光，該區域包括所有的測試光束。例如，圖4示出了與多條測試光束472重疊的參考光束470。再回頭參照圖2，組合光束211包括多條測試光束以及如圖4所示的參考光束的重疊部分。然后將組合光束提供給檢測系統212。檢測器陣列240的光學對準檢測器并行地獨立檢測組合光束(例如，測試光束被反射回的部分與擴展參考光束的組合)，以實現多個并行干涉測量。在一個實施例中，所述系統可包括偏振控制器以使光信號的偏振態對準，從而保證在接收器處的高效干涉。
可以使用類似于圖2的系統，來利用擴展掃頻局部振蕩器信號表征DUT，以實現多個自由空間的并行干涉測量。圖5示出了這樣一個系統的實施例，所述系統可用來利用擴展掃頻局部振蕩器信號表征DUT，以實現多個自由空間的并行干涉測量。所述系統包括局部振蕩器源502、擴束器504、分光器536、鏡子538和檢測系統512。DUT 516被光學連接至該系統，以使該DUT的光學性質可以被表征。這個系統可用于光學表征DUT的特定點或區。例如，可并行地光學表征諸如生物或化學樣品陣列之類的DUT。
在一個實施例中，檢測系統512包括檢測器陣列240，其具有與要被表征的DUT的點或區相對準的檢測器元件的陣列。例如，如果DUT包括生物或化學樣品的陣列，則檢測器元件與樣品陣列將對準以彼此對應。在一個實施例中，通過使DUT成像來實現檢測器陣列與DUT之間的對準。另外，該系統可包括諸如透鏡之類的光學元件，其防止所不期望的光(即來自DUT其他區域的反射光)到達錯誤的檢測器。
在操作中，局部振蕩器源502產生掃頻局部振蕩器信號，擴束器504響應掃頻局部振蕩器信號而產生擴展掃頻局部振蕩器信號505。然后將擴展掃頻局部振蕩器信號提供給分光器536。分光器將擴展掃頻局部振蕩器信號分成兩部分。在圖5的實施例中，擴展掃頻局部振蕩器信號的第一部分507(這里稱為“參考光束”或“參考信號”)穿過分光器，并入射到鏡子538上。參考光束隨后被反射回分光器，在這里其被重定向到檢測系統512。擴展掃頻局部振蕩器信號的第二部分509(這里稱為“測試光束”或“測試信號”)首先被分光器重定向到DUT 516。部分測試光束從DUT反射回分光器。然后測試光束中被反射回的部分與參考光束在分光器處組合。例如，測試光束中被反射回的部分與參考光束組合，是因為參考光束是擴展掃頻局部振蕩器信號中的一部分，其包括整個區域上的準直光，該區域包括測試光束中被反射回的部分。在圖5的實施例中，組合光束511包括測試光束中被反射回的部分和參考光束。組合光束隨后入射到檢測系統。檢測系統的對準檢測器并行地獨立檢測各條組合光束(例如，測試光束中被反射回的部分與擴展參考光束的組合)，以實現多個并行干涉測量。
在圖1和2的實施例中，擴展掃頻局部振蕩器信號的大小(即擴展掃頻局部振蕩器信號的橫截面積)和透鏡陣列的規格，決定了擴展掃頻局部振蕩器信號所產生光束的數量。擴展掃頻局部振蕩器信號所產生光束的數量，與在DUT上可進行的并行干涉測量的數量相對應。類似地，在圖5的實施例中，擴展掃頻局部振蕩器信號的大小決定了DUT可被表征的面積。暴露到擴展掃頻局部振蕩器信號下的DUT面積，可與在DUT上可進行的不同并行干涉測量的數量相關。
圖6示出了可選的偏振分光器642是如何可用來表征組合光信號的分量的相對幅度和相位。在圖6的實施例中，兩個不同的組合光信號646和647(例如，來自DUT的兩個不同端口)入射到偏振分光器上。偏振分光器的光軸被定向成使得光束被分成兩個正交偏振分量，稱為尋常分量和非常分量。然后檢測器陣列640的檢測器元件644檢測正交的偏振分量，所述檢測器元件被光學對準以接收偏振分量。這兩個被檢測的信號可用來產生偏振分解(polarization-resolved)或偏振分集(polarization diverse)的測量。為實現偏振分集測量，應將參考光束分成使得大約一半的光信號以一種狀態偏振，而另一半與第一半正交地偏振。通過將偏振分光器的光軸定向為與輸入光信號成45度可實現這一點。
圖7示出了用于光學表征DUT的方法的過程流程圖的實施例。在框702，產生擴展掃頻局部振蕩器信號。在框704，將擴展掃頻局部振蕩器信號與來自DUT的光組合，以用于多個并行干涉測量。
雖然已說明和圖示了根據本發明的具體實施例，但本發明不限于如所說明和圖示的部件的具體形式和布置。本發明僅由權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于光學表征被測試器件(116；216；516)的系統，包括產生局部振蕩器信號的局部振蕩器源(102；202；502)；與所述局部振蕩器源光連通的擴束器(104；204；504)，所述擴束器擴展所述局部振蕩器信號的至少一部分；以及與所述局部振蕩器源和所述擴束器光連通的檢測系統(112；212；512)，所述檢測系統使用所述局部振蕩器信號的所述擴展部分來進行與被測試器件相關的多個并行干涉測量。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述局部振蕩器源(102；202)可光學連接至所述被測試器件(116；216)以向所述被測試器件提供所述局部振蕩器信號中的一部分，并且其中所述擴束器與透鏡陣列(106；206)光連通以向所述透鏡陣列提供擴展局部振蕩器信號，所述透鏡陣列響應所述擴展局部振蕩器信號而輸出所述擴展局部振蕩器信號的多條光束。
3.如權利要求2所述的系統，還包括光耦合器(110)，所述光耦合器將所述局部振蕩器信號中從所述被測試器件輸出的部分，與從所述透鏡陣列輸出的所述擴展局部振蕩器信號的所述多條光束組合起來。
4.如權利要求3所述的系統，還包括用于并行地檢測所述組合光束的多個檢測器(130)。
5.如權利要求1所述的系統，還包括分光器(236；536)，用于分離所述擴展局部振蕩器信號；以及鏡子(238；538)，與所述分光器光連通以接收所述擴展局部振蕩器信號的第一部分；所述分光器被定向以使得所述擴展局部振蕩器信號的第二部分可被應用于所述被測試器件，并且使得所述擴展局部振蕩器信號的所述第一部分與所述擴展局部振蕩器信號中從所述被測試器件接收的部分相組合。
6.如權利要求5所述的系統，還包括透鏡陣列(206)，所述透鏡陣列被定向來接收所述擴展局部振蕩器信號的所述第二部分，所述透鏡陣列輸出所述擴展局部振蕩器信號的所述第二部分的多條光束。
7.如權利要求6所述的系統，還包括與所述透鏡陣列光連通的耦合系統(208)，所述耦合系統將從所述透鏡陣列輸出的所述多條光束耦合到所述被測試器件。
8.如權利要求6所述的系統，其中所述檢測系統包括并行地檢測組合光信號的檢測器陣列(240；540)，所述組合光信號由所述擴展局部振蕩器信號的所述第一和第二部分形成。
9.一種用于光學表征被測試器件的方法，包括產生(702)擴展局部振蕩器信號；以及組合(704)所述擴展局部振蕩器信號和來自被測試器件的光，以用于多個并行干涉測量。
10.如權利要求9所述的方法，還包括將所述擴展局部振蕩器信號(105；205；505)的至少一部分聚焦成多條光束。
全文摘要
本發明公開了一種用于表征被測試器件(DUT)(116；216；516)的光學性質的系統，該系統利用擴展局部振蕩器信號來進行多個并行干涉測量。在一個系統中，擴展局部振蕩器信號被光學連接到透鏡陣列(106)。該透鏡陣列將擴展掃頻局部振蕩器信號聚焦成多條光束。然后這多條光束用在多個并行干涉測量中。根據應用，這多條光束可用作參考光束，或應用到DUT并用作測試光束。測試光束和參考光束被組合來進行干涉測量。在另一個系統中，擴展局部振蕩器信號的一部分(209；509)可作為測試光束直接應用到DUT，而擴展局部振蕩器信號的另一部分(207；507)用作參考光束。
文檔編號G01N21/45GK1580727SQ200410050189
公開日2005年2月16日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年8月5日
發明者格雷戈里·D·范維格瑞恩, 道格拉斯·M·巴內 申請人:安捷倫科技有限公司