[发明专利]光谱分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及采用衍射光栅的光谱分析仪和单色仪。本发明特别适用于这样一些光谱分析仪，其中待分析的光束被不止一次地加到衍射光栅上，以便得到改善的分辨率，及适用于这些光谱分析仪中的单色仪。

背景技术

本发明特别涉及1999年3月授权的美国专利5,886,785中所公开的那种光谱分析仪，该专利的发明人为H.Lefevre等人。Lefevre等人公开了一种光谱分析仪，该光谱分析仪包括一个衍射光栅和一个二面反射器。将用于分析的输入光束通过一输入/输出端口接收，准直，并穿过一偏振分光器，该偏振分光器将光束分成两个线偏振方向相互垂直的线偏振的组分。传输的光束通过一个波片，该波片将其偏振方向旋转90°，以便在偏振方向相互平行并与衍射光栅凹槽垂直的情况下，将离开分光器的两个光束组分导向衍射光栅。

衍射之后，光束组分被导向到二面反射器上，该二面反射器将它们反射回衍射光栅上。在第二次衍射之后，光束组分返回到偏振分光器，该偏振分光器使光束组分再结合，并使再结合的光束从相反方向上通过准直器，以将再结合的光束聚焦并将它导向输入/输出端口。在通过衍射光栅和二面反射器时，二个光束组分沿着完全相同的路线，但朝相反的方向前进。

他们设计上的一个缺点是由各光束组分再结合并经同一出口离开这一事实产生的。光谱分析仪的技术规格要求将由分析仪所引起的背反射降低到一定程度，以便不影响正在测试的设备。因此，在Lefevre等人的方法中，可以用一种光环行器，以便将输入光束与输出光束分开，并避免背反射。环行器的插入损耗和隔离度随波长而改变，并且环形器的缺陷引起串光，即，在环行器内来自输入光束的能量被直接耦合到输出光束上。

Lefevre等人可以不用环行器，而用一个耦合器来分开输入光束和输出光束，并用一个隔离器来显著减少光的背反射。这种隔离器的插入损耗和隔离能力二者通常与波长有关。而且，耦合器会引入至少6分贝(dB)的插入损耗，比如，对于一个理想的3dB(50/50)耦合器，在每个方向上3dB。另外，耦合器的方向性在未滤光的输入端和输出端之间引入串扰(cross-talk)。

一般来说，使用如耦合器、环行器和隔离器等部件会伴随着不可避免的固有的与波长和偏振有关的损耗，这些损耗不容易被补偿或考虑到。

在增加使用密集波分多路复用(DWDM)的情况下，光谱分析仪可以用来扫描达128个波长。由于这种直接串扰的程度，在检测器/接收器处存在的光学“噪音下限”(”noise floor”)将随着通道数增加而按比例增加，因而每个单个通道的信号强度固定。这使仪器的光学信噪比(OSNR)降低。

另一个缺点是由于这样的事实而产生的，即：输入光束是在单色仪部分内被分成分组的、正交偏振态组分的，在单色仪部分内，光束在此自由空间内传播。这样就使光学设计和部件选择变得复杂，因为光束尺寸可以受偏振分光器通光孔径的限制，由于费用和可用性原因，通光孔径应保持尽可能小。另一方面，当最大可能数量的光栅槽被照亮时，可得到最大的光谱分辨率。为避免这个问题而加一个光束扩展器(比如，用变形棱镜)并不能令人满意，因为它价格贵而且笨拙。

应该注意，Lefevre等人显然认识到，通过将一分开的输出光纤紧靠在输入光纤附近，可以避免对环行器或3-dB耦合器的需要。然而，这种改进没有完全解决显著的背反射到输入光纤中的问题，并且没有减少由背散射所引起的OSNR，因而在单色仪内由各部件所散射的光被输出光纤接收。

人们希望避免或至少减少在这种测量仪器中任何过度的与波长有关和与偏振有关的损耗。

按照Lefevre等人的观点，他们的光谱分析仪对偏振是不敏感的。然而，实际上却存在与波长有关的损耗，该损耗是由于他们设计中所用的各部件，尤其是波片，的偏振依赖性引起的。这种波片显示一个λ/2的延迟性，对特定波长引起90°旋转的线偏振。当入射光束的波长被调谐离开那个波长时，由波片提供的旋转角将改变。因此，与其线偏振态(SOP)垂直于槽的组分相比，线SOP不垂直于光栅槽的组成分会有增加的衰减。

尽管这种与波长有关的损耗可以在分析仪的硬件中得到补偿，但它导致了对最终能达到的仪器灵敏度的限制。

发明的公开

本发明设法避免或至少减轻上述缺点。