CN114966084B - 一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法，在对误差输入信号进行PI控制前先通过控制程序将激光频率移动至谐振腔的频率可调区间内。根据谐振腔解调输出曲线的特点设置激光频率可调区间的判据，当解调电压满足判据时，直接对误差输入信号进行PI控制以完成谐振频率锁定，当解调电压不满足判据时，通过程序控制激光器调谐端电压值步进增加直至满足判据，然后再对误差输入信号进行PI控制以完成谐振频率锁定。本方法可以有效避免检测系统初始化后出现的环路伪锁定现象，进一步提高环形谐振腔的角速度测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光电集成器件传感领域，尤其涉及一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法。
背景技术
集成光学器件具有体积小、无运动部件以及抗电磁干扰等优点，因此被广泛应用于光电集成传感领域。利用集成光学波导制成的环形谐振腔可通过Sagnac效应将角速度的变化转换为相位差的变化，进而转化为谐振腔顺逆时针方向的谐振频率差，实现对微小角速度变化的测量。由于材料的热光特性，当环境温度发生变化时，材料的折射率也会随之变化，进而影响谐振腔的谐振特性，导致谐振腔顺逆时针方向的谐振频率发生漂移。集成光学波导谐振腔具有极高的灵敏度，微小的温度波动也会影响其对于角速度的测量。温度波动导致谐振频率漂移是影响进一步提高环形谐振腔的角速度测量精度的重要原因之一。
目前提出的解决方案主要有两种。一是设计外围温控装置对谐振腔进行温度补偿，当环境温度偏离设定工作温度时，通过加热或制冷将谐振腔的温度控制在设定温度附近。该方案的本质是直接控制谐振腔的环境温度，其控制精度有限，且一般情况下还需采用厚重的保温层及散热装置，体积大。二是采用相位调制解调技术将载波频率与谐振频率的差值转化为电压信号，再利用该电压信号通过比例积分(PI)控制模块来反馈调节激光器输出光波的中心频率，使激光频率实时锁定在环路谐振频率上。对于采用传输损耗较小材料如二氧化硅所制成的谐振腔来说，其频率可调区间长度与谐振频率波动区间长度的比值较小，采用传统PI控制方法进行谐振频率锁定时，会出现激光频率进入不可调区间使环路陷入伪锁定状态的现象。因此，要想进一步提高环形谐振腔的角速度测量精度，需要设计出一种避免环路陷入伪锁定状态的谐振频率锁定方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法,以解决由于温度波动所引起的谐振频率漂移问题以及检测系统初始化后出现的环路伪锁定的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法，谐振频率锁定系统包括窄线宽激光器、偏振控制器、相位调制器、定向耦合器、环形谐振腔、光电探测器、锁相放大器、低通滤波器、A/D转换模块、数字信号控制模块、D/A转换模块和功率放大模块；
窄线宽激光器输出的激光依次通过偏振控制器和相位调制器后由定向耦合器输入环形谐振腔，由环形谐振腔所输出的谐振信号依次通过光电探测器、锁相放大器和低通滤波器后输出解调电压信号Vin，解调电压信号Vin通过A/D转换模块转化为数字信号后输入数字信号控制模块，数字信号控制模块内部的谐振频率锁定程序根据解调电压值输出相应的激光器控制信号，将激光器控制信号通过D/A转换模块和功率放大模块后输入窄线宽激光器的电压调谐端，控制激光频率向谐振频率处移动；
数字信号控制模块内部的谐振频率锁定程序包括以下步骤：
步骤1、数字信号控制模块产生N个周期的周期性激光器控制信号，将其通过D/A转换模块和功率放大模块后施加到窄线宽激光器的电压调谐端进行频率扫描，经过偏振控制器和相位调制器后由定向耦合器输入环形谐振腔，然后输出包含环形谐振腔谐振频率信息的谐振信号，将谐振信号依次通过光电探测器、锁相放大器和低通滤波器后输出解调电压信号Vin，并保存N个周期内解调电压信号Vin的最大值VMAX和最小值VMIN；
步骤2、调节数字信号控制模块，使输出的激光器控制信号为零；
步骤3、采集解调电压信号Vin，并对解调电压信号Vin进行一次激光频率可调区间判据的判定，若解调电压信号Vin满足激光频率可调区间判据则执行步骤4，若解调电压信号Vin不满足激光频率可调区间判据则将激光器控制信号的电压值增加后重新从步骤3开始执行；
步骤4、将反映窄线宽激光器所输出激光的激光频率与环形谐振腔的谐振频率两者差值信息的解调电压信号Vin作为谐振频率锁定程序中PI控制部分的输入信号，进行PI控制后得到激光器控制信号，将激光器控制信号依次通过D/A转换模块和功率放大模块后施加到窄线宽激光器上驱动激光频率向环形谐振腔的谐振频率处移动；
步骤5、重新从步骤4执行，逐步减小激光频率与谐振频率的差值，最终实现激光频率与谐振频率的实时锁定。
进一步的，谐振频率锁定程序步骤1中的周期性激光器控制信号的信号类型包括：锯齿波、三角波、正弦波，且激光器控制信号周期数为10≤N＜20的整数。
进一步的，谐振频率锁定程序步骤1中周期性激光器控制信号，在窄线宽激光器上施加该信号使得一个控制周期内至少出现一个自由谱宽的谐振腔谐振曲线。
进一步的，谐振频率锁定程序步骤3中激光器控制信号的电压增加值为谐振腔谐振曲线的半高全宽所对应的激光器控制信号电压的1/10至1/3。
进一步的，谐振频率锁定程序步骤3中的激光频率可调区间判据为解调电压信号Vin满足
或者满足/>
本发明的一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法，具有以下优点：
1、当激光频率与谐振腔的谐振频率相差较小时，可以直接通过PI模块的调节将激光频率锁定在谐振频率上，但是当两者的频率差较大时，即超出了PI模块的可调频率区间时，数字信号控制模块的误差输入信号为零，系统会错误地判断已经完成谐振频率的锁定，从而陷入伪锁定状态。本发明在进行PI控制前先搜索并快速移动到谐振腔的频率可调区间内，相较于传统PI控制方法可以有效避免伪锁定现象的出现。
2、本发明根据谐振腔解调曲线的特点提出了一种新的可调区间判据。传统PI控制方法的可调区间判据是误差输入信号不为零。当误差输入信号较小而频差较大时，PI模块所生成的激光器控制信号强度较低，所需锁定时间较长。本发明所设计的判据将频率可调区间的范围缩小至解调电压最大值和最小值附近的小区间，在该区间内所生成的激光器控制信号强度大，可以大幅减小PI调节模块完成锁定所需的时间。此外，本发明提出的频率锁定方法可以比较方便地在数字信号处理芯片FPGA上实现。
附图说明
图1为本发明的环形谐振腔的谐振频率锁定系统结构示意图；
图2为本发明的环形谐振腔解调曲线与锯齿波扫频信号的关系图；
图3为本发明所提出的频率可调区间示意图；
图4是本发明所提出的谐振频率锁定程序的程序流程图；
图中标记说明：1、窄线宽激光器；2、偏振控制器；3、相位调制器；4、定向耦合器；5、环形谐振腔；6、光电探测器；7、锁相放大器；8、低通滤波器；9、A/D转换模块；10、数字信号控制模块；11、D/A转换模块；12、功率放大模块。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法做进一步详细的描述。
本发明提出了一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法，其外围的谐振频率锁定系统结构如图1所示，主要由窄线宽激光器1、偏振控制器2、相位调制器3、定向耦合器4、环形谐振腔5、光电探测器6、锁相放大器7、低通滤波器8、A/D转换模块9、数字信号控制模块10、D/A转换模块11和功率放大模块12组成。本发明所提出谐振频率锁定方法的控制程序部分是在数字信号控制模块10中设计实现的。
图1所示检测系统进行环路谐振频率锁定的理论基础是相位调制解调技术，其具体做法是对相位调制器3和锁相放大器7施加同步正弦波调制信号。若在窄线宽激光器1的电压调谐端施加锯齿波调谐信号，则在低通滤波器8的输出端可以观察到如图2所示的谐振腔的解调曲线与激光器扫频电压的关系图。图中上方曲线为激光器调谐端的锯齿波信号，其数值对应图中左Y轴的坐标，图中下方曲线为谐振腔的解调曲线，其数值对应着图中右Y轴的坐标。当激光器调谐端的电压值唯一确定时，低通滤波器8输出端的解调电压值也是唯一确定的。
对于传统的PI控制方法来说，图2下方曲线的解调电压值不为零的区间就是谐振腔的频率可调区间，即当激光器两端的电压位于该区间内，总能通过PI控制模块的调节将激光器的频率锁定到谐振频率处。谐振腔的品质因数计算公式为：
式中，Q表示谐振腔的品质因数Q值，f为腔内传输光波的频率，Γ是谐振腔的半高全宽，与图2中的可调区间长度成正比。由式1可知，当谐振腔的品质因数越高时，其频率可调区间长度就越小，也更易出现伪锁定现象。本发明所提出的谐振频率锁定方法在进行PI控制之前增加了频率可调区间的判断程序，该方法所定义的频率可调区间如图3所示，定义解调曲线的最大值为MAX，最小值为MIN，则将解调电压大于等于
的区间I以及解调电压小于等于/>
的区间II定义为新的频率可调区间。重新界定更小的频率可调区间，不仅可以避免由于系统噪声所引起的误判，同时还可以减小PI调节模块完成锁定所需的时间。/>
图4是本发明所提出的谐振频率锁定程序的程序流程图，其主要的步骤为：
步骤1、数字信号控制模块产生N个周期的周期性激光器控制信号，将其施加到窄线宽激光器的电压调谐端进行频率扫描，传输至环形谐振腔产生谐振，获取N个周期内解调电压信号Vin的最大值VMAX和最小值VMIN；
步骤2、调节数字信号控制模块，使输出的激光器控制信号为零；
步骤3、采集解调电压信号Vin，通过判据判断激光频率是否处于可调区间，若激光频率处于可调区间内则执行步骤(4)，若激光频率处于不可调区间则将激光器控制信号的电压值增加Δv后重新从步骤(3)开始执行；
步骤4、将反映激光频率与谐振频率差值的解调电压信号作为PI控制程序的输入信号，执行PI控制程序后得到激光器控制信号，然后将激光器控制信号施加到窄线宽激光器上驱动激光频率向谐振频率处移动；
步骤5、重新从步骤4执行，逐步减小激光频率与谐振频率的差值，最终实现激光频率与谐振频率的实时锁定。
谐振频率锁定程序中具体的程序流程控制是借助现场可编程逻辑门阵列(FPGA)中的寄存器完成的。寄存器BIAS用于直接控制激光器调谐端的电压值，首先控制BIAS输出周期性锯齿波，该锯齿波的峰峰值应当大于谐振腔一个自由谱宽FSR所对应的调谐电压，这样可以在低通滤波器8的输出端得到如图2所示的完整解调曲线，并将得到的解调电压的最大值和最小值分别存入寄存器MAX和MIN，求取两者的平均值存入寄存器AVR，AVR用于后续PI控制模块误差输入信号的计算。数字锯齿波信号的加载时间控制在10到20个周期，完成锯齿波扫频后，将BIAS寄存器清零，通过比较解调电压值与设定值的大小来判断此时的激光频率是否处于频率可调区间内。若接收到的解调电压
或者
则表明此时的激光频率处于频率可调区间内，直接进入PI控制程序，否则表明此时的激光频率处于频率不可调区间内，即通过PI控制程序无法使激光频率锁定在谐振频率上，该情况下需要将BIAS与DELTA的值相加后存入BIAS再次判断是否处于频率可调区间内，不断循环执行此步骤直至激光频率处于频率可调区间内。由于BIAS寄存器用于直接控制激光器调谐端的电压，所以步进增加BIAS的值本质上是步进增加激光器调谐端的电压，进而改变激光频率使其移动至可调区间内。其中，DELTA寄存器对应着激光器控制信号的电压步进值Δv，其中存储的数值是谐振腔半高全宽Γ所对应的调谐电压的1/10至1/3，在该区间内选取步进值DELTA可以兼顾进行可调区间搜索时的速度与准确性。在进行PI控制时，将解调电压所对应的数字量减去AVR的值作为PI控制模块的误差输入信号，并将该信号通过PI控制模块后所得到的控制信号存入寄存器CTRL，再将BIAS和CTRL的值相加后存入BIAS寄存器进而调整激光器调谐端的电压，循环执行PI控制步骤实现激光频率与谐振腔谐振频率的实时锁定直至系统断电。
对于传统PI控制的频率可调区间进行了优化，提高了系统的稳定性的同时减小了系统完成谐振频率锁定的时间。在对误差输入信号进行PI控制之前将激光频率移动至优化后的频率可调区间内，可以有效避免检测系统初始化后出现的环形谐振腔的伪锁定现象，进一步提高环形谐振腔的角速度测量精度。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (2)
1.一种环形谐振腔的谐振频率锁定方法，其特征在于，谐振频率锁定系统包括窄线宽激光器(1)、偏振控制器(2)、相位调制器(3)、定向耦合器(4)、环形谐振腔(5)、光电探测器(6)、锁相放大器(7)、低通滤波器(8)、A/D转换模块(9)、数字信号控制模块(10)、D/A转换模块(11)和功率放大模块(12)；
窄线宽激光器(1)输出的激光依次通过偏振控制器(2)和相位调制器(3)后由定向耦合器(4)输入环形谐振腔(5)，由环形谐振腔(5)所输出的谐振信号依次通过光电探测器(6)、锁相放大器(7)和低通滤波器(8)后输出解调电压信号Vin，解调电压信号Vin通过A/D转换模块(9)转化为数字信号后输入数字信号控制模块(10)，数字信号控制模块(10)内部的谐振频率锁定程序根据解调电压值输出相应的激光器控制信号，将激光器控制信号通过D/A转换模块(11)和功率放大模块(12)后输入窄线宽激光器(1)的电压调谐端，控制激光频率向谐振频率处移动；
数字信号控制模块(10)内部的谐振频率锁定程序包括以下步骤：
步骤1、数字信号控制模块(10)产生N个周期的周期性激光器控制信号，将其通过D/A转换模块(11)和功率放大模块(12)后施加到窄线宽激光器(1)的电压调谐端进行频率扫描，经过偏振控制器(2)和相位调制器(3)后由定向耦合器(4)输入环形谐振腔(5)，然后输出包含环形谐振腔(5)谐振频率信息的谐振信号，将谐振信号依次通过光电探测器(6)、锁相放大器(7)和低通滤波器(8)后输出解调电压信号Vin，并保存N个周期内解调电压信号Vin的最大值VMAX和最小值VMIN；
所述周期性激光器控制信号，在窄线宽激光器(1)上施加该信号使得一个控制周期内至少出现一个自由谱宽的谐振腔谐振曲线；
步骤2、调节数字信号控制模块(10)，使输出的激光器控制信号为零；
步骤3、采集解调电压信号Vin，并对解调电压信号Vin进行一次激光频率可调区间判据的判定，若解调电压信号Vin满足激光频率可调区间判据则执行步骤4，若解调电压信号Vin不满足激光频率可调区间判据则将激光器控制信号的电压值增加后重新从步骤3开始执行；
所述激光器控制信号的电压增加值为谐振腔谐振曲线的半高全宽所对应的激光器控制信号电压的1/10至1/3；
所述激光频率可调区间判据为解调电压信号Vin满足
或者满足
步骤4、将反映窄线宽激光器(1)所输出激光的激光频率与环形谐振腔(5)的谐振频率两者差值信息的解调电压信号Vin作为谐振频率锁定程序中PI控制部分的输入信号，进行PI控制后得到激光器控制信号，将激光器控制信号依次通过D/A转换模块(11)和功率放大模块(12)后施加到窄线宽激光器(1)上驱动激光频率向环形谐振腔(5)的谐振频率处移动；
步骤5、重新从步骤4执行，逐步减小激光频率与谐振频率的差值，最终实现激光频率与谐振频率的实时锁定。
2.根据权利要求1所述的环形谐振腔的谐振频率锁定方法，其特征在于，所述谐振频率锁定程序步骤1中的周期性激光器控制信号的信号类型包括：锯齿波、三角波、正弦波，且激光器控制信号周期数为10≤N＜20的整数。
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