[发明专利]改进的阶梯式标准具

说明书

本发明涉及改进的多波长阶梯式标准具。

在许多应用中，需要精确地确定入射到合适检测器上的光波长。一种广泛使用的检测器类型包括滤波特定光频率的标准具。标准具是一种干涉型滤波器，其中发射光的强度与它的波长有关。在常规的设计中，标准具包含两个相距为d部分反射的平行表面，且这两个平行表面被折射率为r的材料分隔开。当波长为λ的准直光传播通过标准具时，一些光从这两个表面反射。多次反射的光束互相之间干涉，或相长干涉或相消干涉，因此，改变了传播通过该标准具的总光强。当这两个反射表面之间距离的两倍等于标准具中波长λ的整数倍时，发生最大的透射。换句话说，2d^*r/λ=x，其中x是整数。

通常，需要有这样的一种传感器，它同时对入射光中几个不同的频率灵敏，并能够鉴别这些频率。这种传感器在光谱分析中是特别有用的。虽然在光谱分析中可以利用几个分离的标准具，但是在某些实施方案中，就需要使用阶梯式标准具。在这个装置中，标准具的一个或两个有效面是阶梯式的，所以，标准具上每个阶梯给出不同厚度的区域。通过正确地调整这个厚度，每个阶梯可以配置成传播通过不同频率的光。这种类型的阶梯式光谱标准具装置在Yokota等人的美国专利No.4,822,998和Vincent的美国专利No.5,144,498中给以说明。

新开发的应用要求特殊结构的阶梯式标准具以调谐激光器的输出频率。特别是在光纤通信中，需要精确地调谐通信激光器以允许相邻的传输信道紧密排列，波长间隔通常只有0.4纳米或更小。对于这种紧密排列的信道，必须调谐激光器的波长到精度为+/-0.1纳米或更小的指定信道上。虽然在调谐这种激光器时只需要检测单个光波长，但是在这样的高精度下，温度变化导致标准具厚度的变化和光入射到标准具表面的入射角偏离法线的微小变化可以使光传递函数的变化达到不可接受的程度。

根据这个新的应用，可以这样选取标准具的标称厚度，使该标准具滤波器的周期性大致与数据通信信道间隔的周期性匹配，即，对于信道间隔大致为0.4nm的系统是1500.12nm,1500.52nm。两个或多个阶梯形成在标准具的一侧面上。选取阶梯大小为信道间隔的几分之一，即0.1nm的数量级，而且是基本上优化的，一个阶梯区域中传输曲线的峰或谷与其他一个或多个阶梯的传输曲线陡峭部分相重叠。按照这种方式，当标准具中的温度变化使一个阶梯的传输曲线移到所需的范围之外时，第二个阶梯的传输曲线被移到所需的频率。根据测得的温度和标准具定标信息选取特定的阶梯，且测量通过选取的标准具阶梯发射的激光器光强，提供一个可用于调整激光器输出波长的反馈信号。类似地，可以选取不同的阶梯以补偿光入射到标准具上的入射角容差。

参照图1a和1b，在这阶梯式标准具结构的两个视图中，阶梯式标准具10有两个部分反射的涂层11a和11b，该标准具放置在正确配置的光电检测器阵列14a和14b的附近，其中每个检测器与对应的标准具阶梯平台12a和12b对齐。当光束16被引导到标准具10上时，归属于每个检测器14a和14b的输出光强表示传播通过对应阶梯区域中标准具的光强，从而提供一个入射光强度的量度，其特定的频率是由该区域中标准具的厚度确定的。

常规的阶梯式标准具中一个严重缺点是相邻阶梯平台之间的陡峭转变造成的干涉。在没有阶梯时，传播通过标准具的准直光束内的强度具有与入射光束相同的强度分布，通常为图1c所示的高斯曲线形状。然而，当存在陡峭的阶梯时，入射的共振光被阶梯壁18衍射，产生沿z轴方向(垂直于阶梯边缘)发射光束内的干涉。形成的干涉条纹图在图1d中表示。衍射的结果是，在阶梯的附近，光的角色散很大，它降低传输函数的质量，导致减小的信号幅度，增宽的峰值，以及区分输入光中频率微小变化的能力下降。

这种波长鉴别能力的下降在具有两个阶梯的标准具的图1e中给以说明。曲线A1-A5是在第一阶梯A上测得的，而曲线B1-B5是在第二阶梯B上测得的。曲线A1和B1代表距离阶梯壁的两个位置。余下的曲线A2-A5和曲线B2-B5是在逐渐接近于阶梯壁的各个位置上测得的结果。输入信号是由温度调谐的激光器提供的，所以，温度的增高代表输入信号波长的增大。如图所示，接近于阶梯转变区的曲线峰和谷比远离阶梯转变区的曲线峰和谷较低和较不明确，它说明，越接近于阶梯转变区，鉴别两个互相靠近的波长就越困难。

干涉以及与陡峭阶梯相关的标准具总体质量下降的效应在阶梯边缘附近的后方产生一个“死斑”，其中准确的强度读出受到破坏。因此，在标准具中某些部分因发射光束质量的下降而不可以放置检测器。