CN1851437A - 基于初等矩阵的光信号/网络分析仪 - Google Patents

Abstract

一种用于描述被测设备的特征的方法包括使多个光信号传播经过被测设备，并且将多个光信号与参考光信号合并。多个光信号被与参考光信号混频，并且来自多个光信号与参考光信号的混频的多个光信号之间的相对扰动被确定。在另一个实施例中，调制后的光信号被从本地振荡器提供，并且调制后的光信号被与输入光信号合并。调制后的光信号被与输入信号混频，以提供混频后的信号，并且输入光信号的至少一个偏振分辨的参数被从混频后的信号中抽取出来。

Description

基于初等矩阵的光信号/网络分析仪

技术领域

本发明涉及一种光信号/网络分析仪，尤其涉及一种基于初等矩阵的光信号/网络分析仪。

背景技术

电网络分析依赖于对传输或反射的电信号的幅度和相位(或群延时)的测量。对于光网络，由于光网络内的光信号的偏振状态，测量会更复杂。光网络的特征描述要求对相位和幅度的测量，还要求对相位和幅度对偏振状态的依从关系的测量。所有的参数通常都是相对于光频率测量的。

光网络的特征描述的复杂性引起了对执行多种测量的多个仪器的开发。例如，可调激光器和功率计可用于测量光网络的幅度响应。可调激光器、偏振控制器和功率计可用于测量幅度对偏振状态的依从关系，该依从关系通常由偏振相关损耗(PDL)来量化。PDL是用最大与最小传输(或反射)之间的差来表示的。

可调激光器和偏振计可用于直接测量Jones矩阵。Jones矩阵的本征分析又提供关于PDL和群延时对偏振的依从关系的信息，该依从关系通常用差动群延时(DGD)来描述。DGD是用最大与最小群延时之间的差来表示的。在另一种常称为相移法的技术中，强度调制的可调激光器和高速同步检测器允许对群延时和幅度的直接测量。在被测设备(DUT)不包含偏振保持光纤(线性双折射)时，测量色散的相移法提供对群延时的正确估计。但是，在此方法中，偏振保持光纤中的偏振旋转恶化了对群延时的测量。在现有技术中还已知的是，用包括可调激光器、干涉计和由偏振分集接收器或可调激光偏振控制器实现的偏振分辨(polarization-resolving)模块的单个仪器获得前述测量中的大部分。这样的仪器的一个示例是Agilent81910A光子全参数分析仪。

但是，使用像81910A光子全参数分析仪这样的仪器的分析技术是从用于从前的仪器的技术修改而来的。例如，用此类仪器获得的DGD估计是基于Jones矩阵本征分析的。PDL估计是基于Jones矩阵本征分析或Mueller矩阵法的。此外，幅度和相位是直接根据检测到的用干涉计测量的信号估计的。从而，干涉计的任何不稳定性或激光源的相位噪声都影响测量的精确度。因为测量对振动和温度波动的内在敏感性，这一点尤其不方便。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供了一种用于描述被测设备的特征的方法，该方法包括使多个光信号传播经过被测设备，将多个光信号与参考光信号合并，将多个光信号与参考光信号混频，以及根据多个光信号与参考光信号的混频确定多个光信号之间的相对扰动。

根据本发明的另一方案，提供了一种用于接收输入光信号的***，该***包括提供本地振荡器信号的本地振荡器，调制本地振荡器信号以提供调制后的光信号的调制器，将调制后的光信号与输入光信号合并以提供合并后的光信号的合光器，接收所述合并后的光信号以提供混频后的信号的检测元件，以及从混频后的信号中抽取输入光信号的至少一个偏振分辨的参数的处理器。

附图说明

本发明的实施例是结合以下附图来描述的，附图中类似标号指示类似元件。

图1示出带偏振延时单元和偏振分集接收器的现有技术光分析仪的示意图。

图2是本发明的光分析仪的实施例的简化示意图。

图3示出用于询问(interrogate)图2的光分析仪中的DUT的光波的图示。

图4示出带双LO调制的光分析仪的示意图和同步解调的简图。

图5示出在包括图4的光分析仪的干涉计的DUT臂和LO臂内传播的光波的典型图示。

图6示出适用于光分析仪的来自图4的同步解调器的细节。

图7示出可用在图4的光分析仪中的偏振分集接收器的示意性表示。

具体实施方式

图1示出现有技术光分析仪5。在光分析仪5内来自扫描本地振荡器1的一个光波被分成经过不同的路径传播的两个光波。扫描本地振荡器1在根据感兴趣的波长选择的范围上被连续调谐。经过光分析仪5的上路径传播的光波被引向DUT 4。经过下路径，即本地振荡器路径传播的光波被引向偏振分集接收器6。偏振分集接收器6前的偏振控制器(未示出)被调整以将来自偏振分集接收器6处本地振荡器路径的光均匀地分开。

光分析仪5的上路径内的偏振延时单元2将经过上路径传播的来自扫描本地振荡器1的光分成两个光波。偏振延时单元2内的光波之一经过包括偏振延时链路的延时单元上路径传播。经过偏振延时链路传播的光波被相对于经过偏振延时单元2的下路径传播的光波延迟时间τ。此外，本领域的技术人员已知，经过偏振延时单元2的上下路径传播的光波可例如通过在偏振延时单元2内提供偏振保持光纤来正交偏振。在一种已知的现有技术实施方式中，偏振延时单元2内的两个被正交偏振的光波被用偏振光束合光器3来以正交偏振状态重新合并。以这种方式由扫描本地振荡器1提供的光波的分离和重新合并在偏振光束合光器3的输出处产生经过DUT4传播的两个光波。以这种方式产生的波具有不同的光频率和近似的正交偏振状态。

在偏振分集接收器6内，来自DUT 4的光波与来自偏振分集接收器6处的本地振荡器路径的光波干涉。图1示出传输经过DUT 4的光波，但是，另一种结构可用于反射的光波。或者，两种结构可被结合起来并且各自的波在传输和反射接收器处被检测，这对于本领域的技术人员来说是清楚的。

这样提供的干涉信号的频率、相位和幅度在偏振分集接收器6处被测量。根据由偏振分集接收器6进行的这一测量，DUT 4的偏振分辨传递函数可被确定。一般地，使用以这种方式确定的DUT 4的偏振分辨传递函数，DUT 4的透射率、反射率、PDL、偏振模色散、群延时和色散可被确定。从而，使用此实施例，描述DUT 4的光属性特征所必需的所有参数可根据本地振荡器164在感兴趣的波长上的单次扫描期间获得的测量值来确定。但是，即使在许多情况下现有技术光分析仪5能提供令人满意的结果，分析仪本质上对于热瞬变和振动也是敏感的，此外，它要求昂贵的偏振分集接收器6，并且要求与本地振荡器适当对准。

图2示出根据本发明的实施例的光分析仪10。光分析仪10通常是光分析仪、光信号分析仪或适用于测试DUT 24的光属性的基于初等矩阵的外差光分析仪。根据本发明的实施例，可在不需要像图1的现有技术光分析仪5中所示的偏振分集接收器6那样的偏振分集接收器的情况下描述DUT 24的光属性的特征。此外，由DUT 24提供的光信号可像下文所描述的那样被差动地测量，以免受热不稳定性和振动的影响。

在光分析仪10内，DUT 24是用由本地振荡器12提供的光来测量的。根据一个实施例，本地振荡器12可以是可调的、高度相干的光源。本地振荡器12把输入光波36施加到输入光链路38。输入光链路38可以是光纤，例如偏振保持光纤。或者，输入光链路38可被实现在自由空间中，以提供从本地振荡器12到分光器16的光波传播。分光器16接收输入光波36，并且把波施加到光链路18、40。光链路18、40内的光波被施加到起偏器20、40，这些起偏器提供大致等量的光功率到调制器22、44的两种线性偏振模式中。调制器22、44的两种线性偏振模式中的光波被不同地相位调制，这允许了输入光波36的偏振调制。调制器22、44内的光波分别在频率f₁和f₂处被调制。

从而，在光分析仪10内，起偏器20与调制器22协同操作，以提供用于传输到干涉计DUT臂26的具有带不同偏振状态的多个光边带的调制后的光波。调制后的光波包括多个光边带，这些光边带充当具有相同光相位噪声和强度噪声的多个光波。把调制器22的具有多个光边带的输出施加到DUT 24，这与施加具有被电调制信号唯一定义的频率和偏振状态的多个光波有相似的效果。多个光波28经过干涉计DUT臂26中的DUT 24传播，因此在这里多个光波28也可被称为DUT光波28。本领域的技术人员将会理解DUT光波28的边带被DUT 24不同地扰动，这取决于DUT 24的光属性。扰动差别可被测量，以提供对下文描述的初等扰动的直接指示。

多个光波28经由干涉计DUT臂26从DUT 24的输出传输到耦合器30。干涉计DUT臂26可用单模式(SM)光纤来实现。耦合器30通常是光纤光耦合器，例如SM耦合器。或者，块料光元件可代替光纤光元件使用。此外，调制后的参考光波48由与起偏器42协同操作的调制器44产生，并且经由参考臂46从调制器44传输到耦合器30。调制后的参考光波48包括一个或多个光波或光信号，这些光波或光信号的频率和偏振状态是由频率为f₂的电调制信号唯一确定的。DUT光波28和调制后的参考光波48在耦合器30内被合并。然后，耦合器30的输出信号经由光链路32被施加到接收器34，以便被检测和混频。或者，正如下文更详细描述的那样，接收器34可包含偏振分集接收器。

所提出的光分析仪10的实施例是基于与Jones所介绍的那些相似的初等矩阵的。初等Jones矩阵描述了阻滞、双折射、吸收和二向色性对Jones向量的直接影响，具体来说是对Jones向量的两个线性偏振分量的幅度和相位的直接影响。初等矩阵描述是完备的并且覆盖了光波传播的所有方面。如Jones所描述的，初等矩阵具有明确的物理含义。与Jones所描述的那些扰动数学上等价的其他扰动可由本领域的技术人员找到。例如，初等扰动的任何线性组合构成数学上等价的另一组扰动。

假设Jones矩阵M_ν描述了光频率ν处的某个光介质。在略不同的光频率ν+Δν处，Jones矩阵与原矩阵M_ν不同，并且可被描述为M_ν+Δν。遵循Jones的推导，新矩阵可被描述为M_ν+Δν＝M_ΔνM_ν，其中M_Δν＝I+2πΔνN，其中I是单位矩阵，矩阵N表示某些初等扰动。由N所表示的初等扰动由以下矩阵描述。

群延时矩阵可被表示为：

$N_0=p_0\left(\begin{array}{cc}-j& 0\\ 0& -j\end{array}\right),---\left(1\right)$

其中p₀表示群延时。0°线性双折射矩阵可被表示为：

$N_1=p_1\left(\begin{array}{cc}j& 0\\ 0& -j\end{array}\right),---\left(2\right)$

其中p₁表示差动群延时的0°分量。45°线性双折射矩阵可被表示为：

$N_2=p_2\left(\begin{array}{cc}0& j\\ j& 0\end{array}\right),---\left(3\right)$

其中p₂表示差动群延时的45°分量。圆形双折射矩阵可被表示为：

$N_3=p_3\left(\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right),---\left(4\right)$

其中p₃表示差动群延时的圆形分量(circular component)。差动吸收矩阵可被表示为：

$N_4=p_4\left(\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& -1\end{array}\right),---\left(5\right)$

其中p₄表示每单位频率的吸收(吸收的频率导数)。差动0°线性二向色性矩阵可被表示为：

$N_5=p_5\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right),---\left(6\right)$

其中p₅表示偏振相关损耗频率导数的0°分量。差动45°线性二向色性矩阵可被表示为：

$N_6=p_6\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right),---\left(7\right)$

其中p₆表示偏振相关损耗频率导数的45°分量。差动圆形二向色性矩阵可被表示为：

$N_7=p_7\left(\begin{array}{cc}0& -j\\ j& 0\end{array}\right),---\left(8\right)$

其中p₇表示偏振相关损耗频率导数的圆形分量。以上定义与Jones提出的略有不同。光频率的小增量，而非Jones提出的材料的薄片被视为本发明的优选实施例。由于净扰动可由几种光学现象产生，因此它由以上定义的初等矩阵的和来表示：

         N＝N₀+N₁+N₂+N₃+N₄+N₅+N₆+N₇.         (9)

现参见图3，示出了DUT光波28的图示50，该DUT光波28被产生在调制器22的输出处并且被施加到DUT 24以用于在光分析仪10内测试DUT 24。图示50包括载波E₀，该载波用作参考波，因此是无扰动的。DUT光波28还包括由调制器22产生的多对边带，其中一对边带的正负边带的偏振状态是基本上相同的。DUT光波28的两对边带被称为边带对54、56。

边带对54、56中的每个边带的偏振状态由图示50内的一个椭圆表示。图示50中所示的每个椭圆示出边带的偏振状态的两个参数。图示50中示出的一个参数是由椭圆的形状表示的边带的椭圆率。另一个是由虚线60表示的边带的方位角。

DUT光波28的每对边带54、56的正负边带处于几乎相同的偏振状态。边带对54、56中的边带之间的偏振状态、幅度和相位的差异决定了初等矩阵N。在图示50中，I是单位矩阵，E_i表示Jones向量，ω_m＝2πν表示角光频率。本地振荡器12的频率可被表示为ν，并且由调制器22产生的调制边带与ν相隔调制频率的倍数±nf_m。

让我们最初假定DUT 24不影响经过它传输的光的传播。在这种情况下，边带对54、56中的正负边带具有相同的偏振状态：

E_n＝exp(j2πνt)(exp(-jnω_mt)P_n+exp(jnω_mt)P_n)     (10)

其中P_n是描述±n边带的偏振状态的Jones向量，ω_m＝2πf_m是角调制频率。在考虑DUT光波28的边带的扰动时，本地振荡器22的频率ν可被选作参考。从而，正负边带受到的扰动幅值相等且符号相反：

E_n＝exp(j2πνt)(exp(-jn ω_mt)(I-nω_mN)P_n+exp(jnω_mt)(I+nω_mN)P_n)  (11)

方程(11)表明，包含调制后的光信号并且经过DUT 24传播的所有光波都可根据扰动矩阵N来表示。因此，通过测量包含正负边带的边带对54、56，可以测量扰动矩阵N。这证明了对群延时的直接测量不要求对Jones矩阵的测量和Jones矩阵本征分析。对扰动矩阵N的测量定义了分析本发明的光的实施例的方法。此外，前述内容表明问题的表述与初等矩阵理论匹配。

以这种方式测量的参数包括相位的导数，即群延时和差动群延时，以及幅度和PDL的导数。此外将会理解，在光分析仪10内相邻边带之间的测量是差动的。因此测量基本不受存在于本地振荡器12中或在光分析仪10的干涉计内引起的任何相位和幅度噪声的影响。在光分析仪10的优选实施例中，所有测量都可用光外差法来执行，该光外差法涉及调制后的DUT光波28与对应的调制后的参考光波48的混频。

由于Jones向量包括两个复数，因此它的扰动也由两个复数(四个实数)描述。从而，对于边带对54、56中的每一对，可测量四个扰动。为了确定描述所有初等矩阵的八个参数，必须分析至少两对边带。

本领域的技术人员将会理解，如果有四个或少于四个可变参数，则测量一对边带就足够了。也将会理解，图示50中所示的DUT光波28和调制后的参考光波48不必都起源于相同的本地振荡器20。只要光波28、48的电调制信号被锁定到相同时钟就足够了。这允许了对不能直接接入的光网络的测量，所述不能直接访问的光网络例如是分布式光网络。

从而，光分析仪10可在不使用像现有技术光分析仪5的偏振分集接收器这样的偏振分集接收器的情况下执行由现有技术光分析仪5提供的测量。此外将会理解，光分析仪10的干涉计DUT臂26中的调制的使用允许了在没有对热不稳定性和扰动的内在敏感性和没有现有技术光分析仪5中所示的偏振延时单元2的情况下进行这样的测量。此外将会理解，光分析仪10的LO臂46中的调制的使用允许了在不使用偏振分集接收器6的情况下进行这样的测量。从而，光分析仪10提供了相当于消除环境敏感性(热效应和振动)、去除偏振延时单元和去除偏振分集接收器6的优点。还将会理解的是，当只有LO光波调制被使用时，由光分析仪10提供的测量的敏感性可能被诸如振动和温度这样的环境因素损害。

图2中的光分析仪10必须提供DUT臂中的调制，以允许差动测量。DUT光波28之间的频率间隔必须大到足以使一对边带之间的扰动足够大。

由于LO臂46内的调制，可以去除光分析仪10内的偏振分集接收器。如果差动测量不被执行，则干涉计DUT臂26中的调制的使用不是必需的。例如，在本发明的一个优选实施例中，对干涉计DUT臂26中DUT光波28的偏振状态的测量不是差动的，从而干涉计DUT臂26不要求调制。

如果测量是差动的，并且像偏振分集接收器6这样的偏振分集接收器未被使用，则LO臂46中和干涉计DUT臂26中的调制是必要的。LO臂46中的调制的频率必须足够高，以测量边带对中的边带之间的扰动。以下将示出DUT边带与相似的高频率处由LO调制产生的对应的LO边带合并。此外，LO的低调制频率可允许偏振分集接收器的去除。对应于不要求偏振分集接收器并允许LO的高频和低频调制的光分析仪5的光分析仪结构在下文被提出作为光分析仪10。

现参见图4，示出了确定DUT 84或上耦合器端口处的任何其他光信号的光属性的光分析仪10的其他实施例。图4中所示的光分析仪10的其他实施例包含干涉计70。正如下文中更详细描述的那样，通过使用干涉计70，可获得对DUT 84的光属性的差动测量。使用DUT 84的光属性的差动测量而不是直接测量，这提供了测量对于干涉计70内诸如振动和温度这样的环境因素的更低的敏感度。

干涉计70包括输入耦合器74、包含调制器78和DUT 84的上臂、包含偏振调制器82的下臂以及输出耦合器90。在干涉计70的上臂内，图示50中所示的多个光波被施加到DUT 84。通过合并DUT光波86与参考波88并在检测器92处对所产生的合并后的波进行检测和混频，由多个光波经过DUT 84传播产生的DUT光波86的扰动在干涉计70内被测量。在优选实施例中，检测器可以是平方律光电检测器。

由干涉计70内的本地振荡器72提供的一个输入光波被输入耦合器74分成两个光波。在耦合器30的输出处产生的光波之一被起偏器76发射到调制器78中，并且被调制以产生如前所述的经过DUT 84传播的多个光波。调制器78的多个DUT光波86处于不同的偏振状态。因此，以这种方式提供的多个DUT光波86允许对幅度和相位的偏振分辨差动测量。经过DUT 84的传播对DUT光波86进行了扰动。如上文提到的那样，扰动在干涉计70内被测量。

在干涉计70的优选实施例中，调制器78从LiNbO₃相位调制器实现，其中LiNbO₃相位调制器的电光系数对于两种线性偏振模式TE和TM是不同的。但是，产生不同偏振状态的多个光波的任何其他光调制器都适用于此应用。两种线性偏振模式被起偏器76发射到调制器78中，其朝向相对于调制器78的双折射轴约45°处。由正弦相位调制产生的多个光波86由Jacobi-Anger展开式描述：

$\exp \left(\mathrm{ja}\cos \mathrm{\θ}\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{j}^m{J}_m\left(a\right)\exp \left(\mathrm{jm\θ}\right),---\left(12\right)$

其中j是等于

的虚数。通过假定两种线性偏振模式的调制指数不同，干涉计70的上臂中产生的偏振状态根据展开式(12)得到。偏振状态由Jones向量描述：

$P_i=\left(\begin{array}{c}{J}_i\left(a_2\right)\\ J_i\left(b_2\right)\end{array}\right),---\left(13\right)$

其中a₂和b₂分别是两种线性偏振模式TE和TM的调制深度。

干涉计70的下臂包含参考光波集合88，这些参考光波是由调制器82根据本地振荡器72提供的光波产生的。调制器82通过对来自光本地振荡器72的信号的偏振调制产生参考光波集合88。被施加到调制器82的电调制信号具有频率f₀和f₁。在本发明的一个优选实施例中，电频率f₀、f₁处的两个电调制信号可在被施加到调制器82前被求和。或者，它们可被施加到调制器82的不同电极，正如干涉计70中象征性示出的那样。将会理解，以这种方式调制经过调制器82传播的本地振荡器光波导致参考波集合88包含相当多的光波。

频率f₀处的附加调制和因此发生的干涉计70内参考波集合88的产生消除了对可用作图2的光分析仪10中的接收器34的偏振分集接收器的需求。当光分析仪10的接收器34是偏振分集接收器时，它可被称为偏振分集接收器34。在偏振分集接收器34中观察到的来自两个物理上不同的检测器的信号是根据来自本地振荡器72的调制后的信号的不同偏振分量在偏振分集接收器34中合成的。从而，偏振分集接收器34的功能可通过参考干涉计臂中LO光波的调制来实现。干涉计70中的DUT光波86和参考光波集合88在光耦合器90中被合并，并且被光电检测器92检测，以提供对应于光波86、88的电信号。

光电检测器92的电信号输出被放大，并且被同步解调***100内的解调器98同步检测。由解调器98执行的同步检测是双同步检测。解调器98的第一同步检测在频率差Δf＝f₁-f₂处，其中频率差参考信号在解调器端口94处被提供给解调器98。第二同步检测在频率f₀处，其中频率f₀处的参考信号在解调器端口96处被提供给解调器98。

现参见图5，示出了图示120。图示120包括DUT光波86的图示和参考光波88的图示。光波86、88示出在表示光频率ν的轴上，从而光波之间的间隔指示它们的不同光频率。经过干涉计70的下臂传播的参考光波88的偏振状态由Jones向量 描述，其中

           g_ik＝J_i(a₁)J_k(a₀)            (14)

           h_ik＝J_i(b₁)J_k(b₀).

在以上方程中，a₀和b₀表示频率f₀处的调制深度，而a₁和b₁表示频率f₁处的调制深度。从而，图示120示出在对应群组中干涉和检测的DUT光波86的优选配置和参考光波88的可能配置。对应群组由连接DUT光波86和各自的参考光波88的椭圆形122表示。

正如早前所讨论的那样，经过DUT 84传播的DUT光波86中的每一个可以按八种不同的方式来更改。更改DUT光波86的八种方式可由八个初等矩阵来描述。这定义了DUT光波86被扰动时可能的八个自由度。八个自由度为：色散(1)、偏振色散(3)、幅度色散(1)和幅度偏振色散(3)。经过DUT 84传播的DUT光波86根据这八个自由度被扰动。八个初等扰动由如方程(9)所示的初等扰动矩阵N表示。

在频率f₁和频率f₀处由调制器82对本地振荡器光波进行的正弦调制产生干涉计70的参考光波集合88。本地振荡光波的这一双调制产生了频率ν±if₁±jf₀处的参考光波集合88，其中ν是光频率，i和j是整数。由调制器82提供的这一双调制在参考光波集合88内产生光波集合，用于与对应的DUT光波86干涉，如图示120的椭圆形122中所示。参考光波集合还提供偏振分集，即它们允许任意偏振状态的DUT光波86在独立于该偏振状态的情况下与参考光波88之间的交互作用。从而，正如上文所提到的那样，干涉计70内的本地振荡器信号的调制取代了光分析仪10内的偏振分集接收器34的功能。

调制频率f₁被选择为接近调制频率f₂。这确保了图示120中的椭圆形122内一起示出的DUT光波86与参考光波88之间的选择***互作用。例如，在光分析仪的一个优选实施例中，电频率f₁和f₂可以在100MHz到2GHz之间，频率差Δf＝f₁-f₂可以在10kHz和2MHz之间。例如，频率f₀可在1kHz和200kHz之间。频率f₀处的调制信号提供偏振分集。

从而，经过DUT 84传播的每个DUT光波86在参考光波88内具有它自己的参考波集合，如图5所示，其中图示120的椭圆形122指示出前述的DUT光波86和参考光波88的对应边带。参考光波88内的每个波集合被用于测量DUT光波86中的对应边带对的偏振状态以及测量边带对中的正负边带之间的扰动。在光波86、88在干涉计70的光耦合器90内被合并并且在光电检测器92处被混频之后，测量被执行。检测到的电信号的频率是γτ±iΔf±jf₀，其中γ是可调本地振荡器72的扫描频率，τ是干涉计70的自由频谱范围。在接收器100内检测电信号所必需的信号处理的细节在下文描述。

现参见图6，示出了用于本发明的实施例的干涉计70内的同步解调器***100的更详细的框图表示。光耦合器90的输出处的光信号，包括DUT光波86和LO参考波88，被光电检测器92接收和检测。光电检测器92的幂律光电检测导致光波86、88的混频。从而电信号具有对应于图示120的椭圆形122中所示的对应光波86、88之间的频率差的电频率。来自光电检测器的电信号被前置放大器106放大到所需的电平。然后放大后的信号被同步解调器98同步解调。优选实施例的双解调方法内的第一解调由第一解调级108执行，第二解调由第二解调级112执行。同步解调器98的每个解调块114具有信号输入、参考输入和分别表示同相(in-phase)解调后的信号和正交解调后的信号的两个输出I和Q。同步解调是以本领域的技术人员已知的方式执行的。它例如与传统锁相(lock-in)放大器的操作类似。同步检测可在硬件或软件中实现。

同步解调器98在其输出处提供同相信号116和正交信号118。信号116、118是在同步解调器98的第二级中的块114的输出处产生的。同相信号116由第二解调级112根据第一解调级108的同相输出解调。类似地，正交信号118是根据第一解调级108的正交出输解调的。如本领域的技术人员所公知的那样，同相解调后的信号116与提供的参考信号同相，正交解调后的信号118相对于参考信号有90°的相移。第一解调级108在解调器端口94处接收频率Δf处的参考信号，第二解调级在解调器端口96处接收频率f₀处的参考信号。

如下所示，解调后的同相信号X(i，j)116描述偏振状态，而解调后的正交信号Y(i，j)118与扰动参数p_i有线性关系。从而，正交信号Y(i，j)的正交解调描述与八个初等矩阵有关的扰动。

为了进一步描述包括图4所示的干涉计70的光分析仪的操作，让我们考虑其偏振状态由以下Jones向量描述的DUT光波86之一：

其中c＝cos(α)，s＝sin(α)，α和φ是唯一地描述偏振状态的角度(参数)。偏振状态由方程(15)描述的DUT光波86在干涉计70的耦合器90中与偏振状态由方程(14)描述的本地振荡器光波88合并，并且被光电检测器92检测。在被放大器106放大后，如前所述，接收到的电信号被同步解调器98同步解调。同步解调器98的输出处的同相信号116由以下方程描述

X(i，j)＝h_ijccos(θ-jπ/2)+g_ijscos(θ+-jπ/2)，   (16)

其中g_ij＝J_i(a₁)J_j(a₀)，h_ij＝J_i(b₁)J_j(a₀)，θ＝2πγτt，γ是扫描本地振荡器72的扫描频率，τ是干涉计自由频谱范围，i描述与调制器82内频率f₁处的调制相关的边带，j描述与调制器82内频率f₀处的调制相关的边带。从而，对于已知的调制深度a_0，1和b_0，1，系数g_ij和h_ij也是已知的，方程(16)可对于c、s和φ解出。正如本领域的技术人员所理解的那样，这唯一确定了方程(15)的偏振状态。

如先前所述，处于由方程(15)定义的偏振状态的经过DUT 84传播的光波86被DUT 84扰动，以产生DUT光波86。如方程(11)所描述的那样，扰动对于DUT光波86的正负边带是相反的。对扰动的完整了解存在于对初等矩阵系数p₀，...，p₇的确定中。正交输出Y(i，j)直接取决于这些系数。例如，根据前述内容，正交输出Y(1，1)可由本领域的技术人员很容易地确定为：

Y(1，1)＝(g_11c sin(θ)+h₁₁s sin(θ+))p₀

         (-g₁₁c sin(θ)+h₁₁s sin(θ+))p₁

         (-h₁₁c sin(θ)-g₁₁s sin(θ+))p₂

         (h₁₁c cos(θ)-g₁₁scos(θ+))p₃            (17)

         (-g₁₁c cos(θ)-h₁₁s cos(θ+))p₄

         (g₁₁c cos(θ)-h₁₁s cos(θ+))p₅

         (h₁₁c cos(θ)+g₁₁s cos(θ+))p₆

         (-h₁₁c sin(θ)+g₁₁s sin(θ+))p₇

从而，根据同步解调器98的输出处提供的正交信号118Y(i，j)，本发明的***和方法的实施例可确定所有初等参数p_i。

现参见图7，示出了可用于图2的光分析仪10中的偏振分集接收器150。偏振分集接收器150的操作对于本领域的技术人员是公知的。偏振分集接收器150包括偏振分光器/合光器156以及接收处于正交线性偏振状态的光的两个光电检测器164。本地振荡器72的偏振状态被选择为在光电检测器154处提供大致相等的能量。这例如发生在线性偏振的光位于相对于偏振光束分光器156的轴45°处时。将大致相等的本地振荡器信号能量施加到两个光电检测器154，这保证了被偏振分光器156分辨成处于线性正交偏振状态的两个光波的输入光波的两个偏振状态的检测。从而输入光波的线性水平分量c_i在光电检测器154之一处被检测，而线性垂直分量s_iexp(jφ_i)在另一个光电检测器154处被检测。检测到的电信号的幅度正比于c_i和s_i。两个检测到的信号之间的相移是偏振参数φ_i的量度。

偏振分集接收器150可取代图2中的光分析仪10的多个光波28。它提供了对应于两个正交偏振状态的两个输出信号。偏振分集接收器150的使用在图4中的光分析仪中不是必需的，这是因为偏振分集接收器150的功能由调制器82内的本地振荡器参考波88的第二调制执行。从而，偏振分集功能可通过本地振荡器信号的调制来实现。

从而，本发明的光分析仪的实施例和使用分析仪的方法可提供经过被测设备(DUT)传输或从DUT反射的由调制引起的光波之间的差动测量。相对差是根据初等Jones矩阵来测量的。这在无Jones矩阵本征分析的情况下提供了对群延时和差动群延时的三个偏振分量的直接测量。此外，该方法提供了幅度的频率导数和PDL的三个偏振分量的频率导数。所有八个参数都是根据一个前后一致的算法同时确定的。本发明的光分析仪的实施例由于其差动特性而不受光相位不稳定性的一阶影响，从而不受环境不稳定性(振动和温度)的影响。此外，群延时可在存在起源于可调激光器中或干涉计内引起的光相位噪声的情况下被测量。类似地，测得的幅度导数对于起源于可调激光器中或干涉计内引起的强度波动不敏感。此外，本发明中提出的方法的实施例允许对色散且双折射的DUT的测量，因为群延时和差动群延时是可分的。

要意识到，在本发明的一个优选实施例中提供了一种方法用于分析光属性。该方法包括提供多个光信号，并且使多个光信号传播经过被测设备，以确定多个光信号的相对扰动。多个光信号之间的扰动是在检测后根据合并后的电信号确定的。被测设备的光属性是根据相对扰动确定的。此外，本发明的一个优选实施例包括调制可取代偏振分集接收器的本地振荡器的方法。

虽然本发明的实施例是参照其特定示例来详细描述的，但对于本领域的技术人员将会很明显的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可做出各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种用于描述被测设备的特征的方法，包括：

使多个光信号传播经过所述被测设备；

将所述多个光信号与参考光信号合并；

将所述多个光信号与所述参考光信号混频；以及

根据所述多个光信号与所述参考光信号的混频，确定所述多个光信号之间的相对扰动。

2.如权利要求1所述的方法，还包括根据确定出的相对扰动确定至少一个初等参数，所述至少一个初等参数包括至少以下之一：群延时、差动群延时的0°分量、差动群延时的45°分量、差动群延时的圆形分量、每单位频率的吸收变化、偏振相关损耗的0°分量的频率导数、偏振相关损耗的45°分量的频率导数和偏振相关损耗的圆形分量的频率导数。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述多个光信号包括多个光信号对。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述多个光信号对具有不同的偏振状态。

5.如权利要求1所述的方法，还包括调制光信号，以产生所述多个光信号。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：

提供本地振荡器信号；以及

调制所述本地振荡器信号，以提供至少一个参考光信号的集合。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述多个光信号包括多个光信号对，并且所述至少一个参考光信号的集合包括多个参考光信号对，并且其中所述多个光信号与所述参考光信号的混频包括将所述多个光信号对与所述参考光信号对中相应的参考光信号对混频。

8.如权利要求6所述的方法，还包括提供所述本地振荡器信号的第一正弦调制。

9.如权利要求8所述的方法，还包括提供所述本地振荡器信号的第二正弦调制。

10.如权利要求6所述的方法，其中所述至少一个参考光信号的集合包括具有不同偏振状态的多个参考光信号对。

11.一种用于描述输入光信号的特征的方法，包括：

提供来自本地振荡器的调制后的光信号；

将所述调制后的光信号与所述输入光信号合并；

将所述调制后的光信号与所述输入信号混频以提供混频后的信号；和

从所述混频后的信号中抽取所述输入光信号的至少一个偏振分辨的参数。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述输入光信号包括多个光频率处的信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述多个光频率处的信号具有不同的偏振状态。

14.如权利要求13所述的方法，还包括根据所述混频后的信号确定Jones矩阵。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述混频后的信号由平方律检测器提供。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述混频后的信号是用非线性光材料提供的。

17.如权利要求11所述的方法，其中对所述输入光信号的偏振分辨的参数的抽取还包括对所述混频后的信号的同步解调。

18.如权利要求11所述的方法，还包括从本地振荡器提供所述输入信号。

19.如权利要求11所述的方法，还包括从独立于所述本地振荡器信号的光源提供所述输入光信号。

20.一种用于接收输入光信号的***，包括：

本地振荡器，用于提供本地振荡器信号；

调制器，用于调制所述本地振荡器信号，以提供调制后的光信号；

合光器，用于将所述调制后的光信号与输入光信号合并，以提供合并后的光信号；

检测元件，用于接收所述合并后的光信号，以提供混频后的信号；和

处理器，用于从所述混频后的信号中抽取所述输入光信号的至少一个偏振分辨的参数。

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