[发明专利]具有多个光电探测器的扫描光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱仪，更特别地，涉及光纤网络中的光学性能监测器。

背景技术

光谱仪是测量诸如光的电磁辐射的光谱的仪器。光谱仪作为有效的分析和测量工 具被广泛地应用于科学和工业领域。例如，它们可以被用来遥感温度，确定化学成分和 化合物浓度，以及识别物质。

用于测量作为波长函数的光功率的光谱仪称为光谱分析仪(OSA)。大多数现有 的OSA利用诸如法布里-珀罗干涉仪或衍射光栅的波长可调滤光器来分辨各个光谱成 分。在后一种情况中，光线以与波长相关的角度反射离开衍射光栅。然后基于光线被衍 射的角度利用探测器阵列分析该光线的光谱。可替换地，使衍射光线移动到狭缝上然后 利用光电探测器探测。

传统的OSA被作为在实验室环境条件下运行的实验室装置制造。时常需要复杂 的波长和光功率校准以确保装置的波长和功率精度。此外，它们通常体积巨大且价格昂贵。

使用波分复用(WDM)技术的光通信系统通过尽可能的间隔光信道(通常小于 纳米(nm)间隔)以实现大的传输容量。随着信道间隔的减少，监测信道的光谱特性在 检验系统功能性，识别特性漂移，以及隔离系统故障方面将变得更关键。例如，这种监 测在探测波长漂移方面是关键，该波长漂移能够容易地使一个光学信道中的信号越过一 个信道而进入另一个信道。同样，网络元件的实时反馈对于确保通常应用于网络中的光 放大器的稳定运行是关键的。

光通信系统需要功能类似于传统的OSA并且同时满足严格的工业要求的工业级 光性能监测器(OPM)。它们必须相对较便宜，尺寸紧凑，具有与实验室级OSA接近的 报告功率和波长精度，但是在装置的使用期限中不需要额外的校准，并且能够在密集间 隔的频率点以高光谱分辨率和高动态范围监测光。OPM通常输出作为光频率而不是波 长的函数的光谱，因为光学信道的标准光谱栅格，所谓的ITU栅格，是在频率上而不是 在波长单元上是等距的。

具有能够监测光通信链路的一光波段中的所有信道的OPM是有利的。具有监测 每个信道的光信噪比(OSNR)的额外功能也是有利的，这不仅需要监测各个信道，也 需要监测信道间的光以估计光噪声级，从而进一步增加OPM的光谱分辨要求。现在的 WDM网络在一个大约5000GHz的光通信波段中可以使用信道间隔为25GHz的信道多 至200个；这些网络将受益于能够监测至少200个具有25GHz间隔的频率信道的OPM。 通过提供OSNR监测能力，这种OPM同样可以有利地用在具有200GHz、100GHz和 50GHz间隔的信道的通信系统中。

一种类型的工业级OPM通过角度调谐诸如衍射光栅的色散元件获取光谱。例如， Bouevitch等人的转让给JDSU公司的美国专利6,118,530教授了一种具有磁性致动的弯 曲支承的衍射光栅和在每个扫描中用于精确波长参考的专用分离信道的扫描无摩擦光 谱仪，该文献通过参考结合于此。Bouevitch等人的扫描方法的优点是基于横跨整个光 谱区连续扫描波长的能力，其极大地提高了所获得光谱的保真度以及OSNR和峰值波长 确定的精确度。不利地，扫描光谱仪经常慢于其基于对应物的探测器阵列。较慢的测量 速度是由下面的事实导致的：在传统的扫描光谱仪中，大部分入射光被放弃，并且在任 意给定的时间只有有限的光频率成分被允许照射到光电探测器上。此外，必须旋转诸如 衍射光栅的相对大的光学元件减小了现有扫描OPM的整体可靠性和预期寿命。

另一种工业级的OPM通过在空间分散输入光并且利用例如光电二极管阵列 (PDA)的多个光电探测器获得平行输入信号的光谱的所有监测光谱点，以同时在多个 监测的频率处同时获取光谱信息；体(bulk)光栅、闪耀光纤布拉格光栅、波导阶梯 (echelle)光栅或阵列波导光栅(AWG)可被用作色散元件。

不利地，PDA中的光电二极管的数量按适合的比例对应于波长分辨率，因而增 加了装置的尺寸和成本，并降低了其可靠性。如果测量每个信道的OSNR，就必须在单 个信道的色散光线内提供几个光电探测器。因此，四信道光监测器通常需要至少12个 光电二极管。由于现有的光电二极管阵列通常被提供在多至128个光电二极管的条带中， 所以这允许稍微超过30个信道的监测。