CN100498249C - 集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，利用赛格奈克光纤干涉仪作为测量装置，通过被测集成电光相位调制器对该光纤干涉仪进行相位调制；所用相位调制信号为方波信号，调制方波周期大于两倍赛格奈克光纤干涉仪的渡越时间；先将调制方波的幅度从零值开始，按照固定电压步长线性增加，对于每个方波幅度，光纤干涉仪的输出为也为有高低电平的方波信号，由采样电路采样得到输出高低电平信号的数值，计算其电平差，当此电平差达到最大值时对应的调制方波的幅度记为V_π/2；再将幅度调制方波的幅度固定为V_π/2/2对光纤干涉仪进行相位调制，通过采样电路采样此时输出方波信号的高低电平大小，按照公式计算得到电光相位调制系数数值。

Description

集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器中信号的处理方法，尤其是涉及一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法。

背景技术

电光相位调制系数是用于衡量集成电光相位调制器调制性能的一个参数，其定义为相位调制器产生的光相位调制和加载在其电极上面电压的比值。使得集成电光相位调制器产生π相位所需要在调制电极上加载的电压称为半波电压，半波电压和电光相位调制系数为描述相位调制器相位调制系数的等效参数。

集成电光相位调制器工作原理为电光晶体的一阶电光效应：在电场的作用下电光晶体的折射率发生改变，折射率的改变量和所加电场的强度成正比。而光传播通过电光晶体的相位延迟又和电光晶体的折射率成正比，从而施加的电场给通过电光晶体传播的光引入一个和电场强度成正比的附加相移。控制加载在集成电光相位调制器电极的电压大小，即可改变集成电光相位调制器的内部电场强度，从而实现对光束施加一个由外加电场所决定的相位调制。电光相位调制系数这一参数常用来描述这个相位调制过程中的调制效率。

在光纤传感领域中，常利用各种光学干涉仪来测量各种微弱信号。测量过程中，需要将被测信号，如振动、温度、转动及位移等转化为光相位，测量光相位来测量被测信号；而由于光频很高，光相位目前也是无法直接测量的量，需要通过光干涉将光相位转化为光强，测量光强来得到相位，再推算得到被测信号。

光学干涉仪的响应函数如下：I＝I₀(1+cosφ)，其中φ为被测信号对应的相位I₀为光源光强，I为在系统的输出光强，该响应函数为余弦函数。而余弦函数在零信号附近，即φ≈0时灵敏度最小，而且为非线性响应，无法分辨正负相位。工作在此处附近的光纤传感系统在测量微弱信号时最不灵敏，为非线性响应，无法区分正负，导致了微弱信号测量的不准确。为了改善光纤传感系统检测微弱信号的性能，需要通过相位偏置改善其响应函数。

相位偏置即在系统中通过集成电光相位调制器引入一个附加的相位，使得干涉仪工作点离开最不灵敏的零相位附近，而是到另外一个相对灵敏的偏置点上。相位偏置干涉仪的响应函数为：I＝I₀[1+cos(φ_bias+φ)]，其中φ_bias为偏置相位。在π/2相位偏置时，光学干涉仪系统具有最大灵敏度，此时系统响应函数为：I＝I₀[1+cos(π/2+φ)]＝I₀(1+sinφ)，为正弦函数，在小信号输入，即φ≈0时具有最大灵敏度，并且在为线性响应，可以区分正负相位，保证了小信号测试下的准确性和线性度，从而可以准确的测量得到微弱信号。

相位偏置需要有很高的稳定度和准确度，否则相位偏置的误差会转换为被测信号的误差。偏置的稳定度通过改善集成电光相位调制器的偏置电路的稳定性实现。相位偏置通过电压偏置获得，利用一个稳定电压偏置，精确知道调制器的电光相位调制系数，即可准确计算得到什么样的电压偏置能够产生准确的π/2相位偏置，从而实现偏置的准确性，偏置的稳定度和准确度决定了微弱信号测试结果的稳定度和准确度。

现有的集成相位电光调制器电光相位调制系数测试方法，一般都是利用光学干涉仪中的马赫曾德干涉仪进行测试，但利用马赫曾德干涉仪的测量结果精度较差。随着传感技术的发展，在更精密的传感测试中，例如水声测量、振动测量等应用中，需要测量毫弧度甚至微弧度量级的相位，也即几十到几百个ppm

(百万分之一)的测量精度的量级，利用马赫曾德干涉仪得到的电光相位调制系数精度不能满足这种应用，需要一个相对测量精度可达几十到几百个ppm的新的电光相位调制系数测量方法。

发明内容

针对目前光纤传感技术研究中，原有集成电光调制器相位调制器电光相位调制系数测试方法精度较差，不能满足高精度传感测量中的应用，需要能够更准确地测量电光相位调制系数的新的测量方法，以满足高精度传感测量中应用的现状，本发明的目的在于提供一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，以实现电光相位调制系数的精密快速测量。

发明原理：

利用光学干涉仪中的赛格奈克光纤干涉仪测试被测集成电光相位调制器的电光相位调制系数：将被测集成电光相位调制器通过光纤环、光源、光电探测器构成赛格奈克光纤干涉仪，被测集成电光相位调制器起相位调制作用。

利用幅度为±V/2，周期T大于两倍赛格奈克干涉仪渡越时间tao，即T>2tao的方波作为系统的调制波，表示如下：

$\mathrm{mod}\_\mathrm{wave}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}+V/2..........\mathrm{kT}<t\&le;(k+1/2)T,& k\&Element;Z\\ -V/2..........(k+1/2)T<t\&le;(k+1)T,& k\&Element;Z\end{array}\right.---\left(1\right)$

赛格奈克光纤干涉仪的相位调制为时延差分调制，实际的调制电压为：

mod(t)＝mod_wave(t)-mod_wave(t-tao)          (2)

由于调制周期大于两倍系统特征周期，结合(1)(2)可得到：

$\mathrm{mod}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0..........\mathrm{kT}& <t\&le;(k+1/2)T-\mathrm{tao}\\ +V..........(k+1/2)T-\mathrm{tao}& <t\&le;(k+1/2)T\\ 0..........(k+1/2)T& <t\&le;(k+1)T-\mathrm{tao}\\ -V..........(k+1)T-\mathrm{tao}& <t\&le;(k+1)T\end{array}\right\}k\&Element;Z---\left(3\right)$

光纤赛格奈克干涉仪，在相位调制下的输出信号如下，其中K_oe即为所测的电光相位调制系数，mod(t)为相位调制的调制电压：

I(t)＝I₀{1+cos[K_oemod(t)]}             (4)

若T>2tao，则mod(t)取三个值：mod(T)＝0，±V，此时系统输出为：

$I\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}2I_0,& (p-1)T/2<t\&le;\mathrm{pT}/2-\mathrm{tao}\\ I_0(1+\cos K_{\mathrm{oe}}V),& \mathrm{pT}/2-\mathrm{tao}<t\&le;(1+p)T/2\end{array}\right\}$

p＝2k或2k+1，k∈Z(5)

从式子(5)可知此时系统输出I(t)为周期方波，方波的高低电平分别为I₁＝2I₀和I₂＝I₀(1+cos K_oeV)，该方波的周期为调制方波周期的一半：T/2。I₁和I₂分别对应于零相位调制和K_oeV相位调制下的输出，根据测量I₁和I₂即可计算得到获得电光相位调制系数K_oe。根据I₁和I₂的表达式可得：

$K_{\mathrm{oe}}=a\cos \left(\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}\right)/V---\left(6\right)$

电光相位系数的测量精度和分辨率由I₁和I₂的测量精度所决定，而I₁为零调制下的输出，为固定电平，而I₂不是固定电平，I₂的测量精度和误差决定了K_oe的测量精度&误差，为求I₂对K_oe的导数，可以得到测量的灵敏度为：

dI₂/dK_oe＝-VI₁/2*sinK_oeV         (7)

当1₁/2*VsinK_oeV最大，即K_oeV＝π/2为时测量具有最大的灵敏度。此时有：

$\frac{{\mathrm{dK}}_{\mathrm{oe}}}{K_{\mathrm{oe}}}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{{\mathrm{dI}}_2}{I_2}---\left(8\right)$

式子(8)说明了两个关系：K_oe与I₂测量相对精度和分辨率的关系，K_oe和I₂之间的误差传递关系。首先K_oe的精度和相对分辨率为I₂精度和分辨率的1/2π倍，其次K_oe测量误差为I₂测量误差的1/2π倍，从而K_oe测量准确度为I₂的2π倍。对电压采用12位的模数转换器ADC，I₂的相对分辨率和相对误差为250ppm，从而K_oe则可获得40ppm的相对分辨率，对于典型集成电光相位调制器，半波电压在4伏左右，K_oe≈0.76弧度/V，用该方法测试可以获得0.16毫伏的半波电压的分辨率，相当0.03毫弧度/伏的分辨率。进一步采用更高位数的数模转换器，增加I₁和I₁的测量精度，可以进一步提高电光相位调制系数的精度。

最大灵敏度在K_oeV＝π/2获得，从而测试过程分为两部分进行，第一部分先对干涉仪进行相位调制，调制方波幅度从零开始，按照0.1伏的步长递增，同时检测输出方波信号的高低电平差，记下输出信号达到谷底时的电压为V_π/2，V_π/2为半波电压的粗略测试值；再用固定调制方波的幅值为V_π/2/2对干涉仪进行相位调制，由于时延差分调制的结果，此时调制相位在干涉仪灵敏度最高π/2相位处，具有最大的测量分辨率和最高测量精度。V_π，2和实际数值误差小于0.1伏，不影响最终测量结果的分辨率和测量精度。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

(1)构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的集成电光相位调制器作为光纤干涉仪中的相位调制器，对系统进行相位调制；

(2)在被测量的集成电光相位调制器的电极上加载周期方波信号，对光纤干涉仪进行相位调制，调制方波的周期大于赛格奈克干光纤涉仪渡越时间的两倍；

(3)赛格奈克光纤干涉仪在(2)步骤中方波调制信号下输出方波信号，通过采样电路采样该输出方波信号的高低电平的大小，相减得到输出方波电平差；

(4)重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，通过采样电路采样得到对应于每一调制方波幅度调制下输出信号高低电平，计算得到相应电平差，找出该电平差值最小时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；

(5)固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样此时系统的输出信号的高低电平数值，计算得到其电光相位调制系数值；通过改善输出信号测量的准确度和精度改进电光相位系数的测量精度和准确度。

构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的相位调制器作为干涉仪中的相位调制器，该赛格奈克光纤干涉仪由激光二极管、分束器、相位调制器、光电探测器和光纤环构成，其中相位调制器为被测集成电光相位调制器。

在被测试集成电光相位调制器电极上加载周期方波信号，对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，所加载方波信号的周期大于为赛格奈克光纤干涉仪渡越时间的两倍，且方波幅度可控，当方波周期为四倍干涉仪的渡越时间时具有最佳的测试结果。

赛格奈克光纤干涉仪在方波调制信号下输出信号为方波信号，方波信号高电平持续时间为调制方波周期一半与渡越时间的差，方波的低电平持续时间为光纤干涉仪的渡越时间；通过采样电路采样输出信号的高低电平的数值，相减得到输出方波电平差。

重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，采样光纤干涉仪输出信号中高低电平数值，相减得到对应与各个调制方波幅度的电平差，找出电平差最大时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；调制方波电平递增步长小于0.1伏；V_π/2为光纤干涉仪的半波电压的一半，V_π/2的测量精度不影响最终的电光相位调制系数测量精度。

固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样系统此时的输出信号的高低电平数值，分别记为I₁和I₂，按照如下公式计算得到电光相位调制系数值为 $K_{\mathrm{oe}}=a\cos \left(\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}\right)/V_{\mathrm{\&pi;}/2},$ 其中acos为反余弦函数。

测量结果的准确度和精度由I₁和I₂的测量准确度和精度决定；本发明中电光相位调制系数测量结果相对误差小于40ppm，绝对误差小于0.03毫弧度/伏；提高采样电路的采样精度，改善I₁和I₂测试结果的准确度和精度可提高电光相位调制系数的测量准确度和精度。

本发明具有的有益效果是：提出采用光纤赛格奈克光纤干涉仪，测量集成电光相位调制器电光相位调制系数的方法，其测量结果相对误差小于40ppm，绝对误差小于0.03毫弧度/伏，并可进一步提高该精度，从而为光纤传感中检测微弱信号对电光相位调制系数测量准确度的要求提供一个测试方法，以满足高精密传感中的测试要求。

附图说明

图1是典型测试系统组成原理框图；

图2是赛格奈克光纤干涉仪输出归一化信号和调制相位的关系；

图3是赛格奈克光纤干涉仪的时延差分调制原理。

图中：11、光源，12、光电探测器，13、分束器，14、分束器，15后续的电路处理部分、，16集成电光相位调制器、，17光纤环，18调制信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是典型测试系统组成原理框图：被测试的集成电光相位调制器16和光源11、光电探测器12、分束器13和14及光纤环17构成了光学赛格奈克光纤干涉仪；光源11发出的光由系统第一个分束器13分为两束，其中一束通过光纤到达第二个分束器14，又被一分为二，并注入到光纤环17的两端中，分别沿着光纤环17的顺时针和逆时针方向传播，并受到集成电光相位调制器16的时延差分调制，调制的波形由调制信号发生器18所产生。经过时延差分调制的光，在分别传播以后重新汇合并相互干涉，干涉光从分束器14被反向分束，其中一部分沿光纤到达第一个分束器13，并再次被一分为二，部分光达到光电探测器12，由探测器光电转换实现光信号转换为电信号，而电信号则由后续的信号采集电路15进行信号滤波放大以及采样转换为数字信号。

该方法的步骤如下：

(1)构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的集成电光相位调制器作为光纤干涉仪中的相位调制器，对系统进行相位调制；

(2)在被测量的集成电光相位调制器的电极上加载周期方波信号，对光纤干涉仪进行相位调制，调制方波的周期大于赛格奈克干光纤涉仪渡越时间的两倍；

(3)赛格奈克光纤干涉仪在(2)步骤中方波调制信号下输出方波信号，通过采样电路采样该输出方波信号的高低电平的大小，相减得到输出方波电平差；

(4)重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，通过采样电路采样得到对应于每一调制方波幅度调制下输出信号高低电平，计算得到相应电平差，找出该电平差值最小时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；

(5)固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样此时系统的输出信号的高低电平数值，计算得到其电光相位调制系数值；通过改善输出信号测量的准确度和精度改进电光相位系数的测量精度和准确度。

构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的相位调制器作为干涉仪中的相位调制器，该赛格奈克光纤干涉仪由激光二极管、分束器、相位调制器、光电探测器和光纤环构成，其中相位调制器为被测集成电光相位调制器。

在被测试集成电光相位调制器电极上加载周期方波信号，对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，所加载方波信号的周期大于为赛格奈克光纤干涉仪渡越时间的两倍，且方波幅度可控，当方波周期为四倍干涉仪的渡越时间时具有最佳的测试结果。

赛格奈克光纤干涉仪在方波调制信号下输出信号为方波信号，方波信号高电平持续时间为调制方波周期一半与渡越时间的差，方波的低电平持续时间为光纤干涉仪的渡越时间；通过采样电路采样输出信号的高低电平的数值，相减得到输出方波电平差。

重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，采样光纤干涉仪输出信号中高低电平数值，相减得到对应与各个调制方波幅度的电平差，找出电平差最大时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；调制方波电平递增步长小于0.1伏；V_π/2为光纤干涉仪的半波电压的一半，V_π/2的测量精度不影响最终的电光相位调制系数测量精度。

固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样系统此时的输出信号的高低电平数值，分别记为I₁和I₂，按照如下公式计算得到电光相位调制系数值为 $K_{\mathrm{oe}}=a\cos \left(\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}\right)/V_{\mathrm{\&pi;}/2},$ 其中acos为反余弦函数。

测量结果的准确度和精度由I₁和I₂的测量准确度和精度决定；本发明中电光相位调制系数测量结果相对误差小于40ppm，绝对误差小于0.03毫弧度/伏；提高采样电路的采样精度，改善I₁和I₂测试结果的准确度和精度可提高电光相位调制系数的测量准确度和精度。

图2是赛格奈克光纤干涉仪输出归一化信号和调制相位的关系，其横坐标调制相位，纵坐标为归一化的强度。干涉仪的响应函数为余弦函数，在最大信号输出点1时，相位调制为π，对应的调制电压为被测试集成电光相位调制器半波的粗略值V_π；得到V_π以后再用V_π/2的电压对系统进行相位调制，并进行下一步的电光调制系数的测量，此时具有最大的测试精度。粗测过程中调制电压增加步长为0.1伏，从而V_π/2的误差值小于0.05伏，V_π/2和实际半波电压的值不影响系统的最终的测试精度。

图3是赛格奈克光纤干涉仪的时延差分调制原理，其中横坐标对应于时间。曲线3为在被测集成电光相位调制器调制电极上所加的调制电压信号，其周期大于四倍赛格奈克干涉仪的渡越时间，幅度为V_π/4。曲线4为调制电压信号曲线3的时延信号，时延大小为2，等于赛格奈克干涉仪的渡越时间。曲线5为干涉仪受到的时延差分调制信号，其值等于调制信号3和调制信号3的时延信号4的差值。调制信号周期大于四倍光纤陀螺的渡越时间，可知此时时延差分调制信号5有四个区间，分别为0调制的51区间，V_π/2调制的52区间，0调制的53区间，-V_π/2调制的54区间。曲线6为在时延差分调制信号下5的干涉仪输出信号，由于余弦函数为偶函数，52和54区间输出的信号相同，从而此时系统的输出信号为方波信号，且方波信号周期为调制信号3的一半。0相位调制对应的为高电平区61，±V_π/2调制输出的为低电平区62。对高电平区61和低电平区62分布进行采样得到I₁和I₂，结合此时的调制电压为V_π/2，通过上述公式即可获得系统的电光相位调制系数为：

$K_{\mathrm{oe}}=a\cos \left(\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}\right)/V$

Claims (6)

1、集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：

(1)构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的集成电光相位调制器作为赛格奈克光纤干涉仪中的相位调制器，对系统进行相位调制；

(2)在被测量的集成电光相位调制器的电极上加载周期调制方波，对赛格奈克光纤干涉仪进行相位调制，调制方波的周期大于赛格奈克光纤干涉仪渡越时间的两倍；

(3)赛格奈克光纤干涉仪在(2)步骤中调制方波下输出输出方波，通过采样电路采样该输出方波的高低电平的大小，相减得到输出方波的电平差；

(4)重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，通过采样电路采样得到对应于每一调制方波幅度调制下输出方波高低电平，计算得到相应电平差，找出该电平差值最小时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；

(5)固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样此时系统的输出方波的高低电平数值，计算得到其电光相位调制系数值；通过改善输出信号测量的准确度和精度改进电光相位调制系数的测量精度和准确度；

固定调制方波电压为V_π/2/2对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，采样系统此时的输出方波的高低电平数值，分别记为I₁和I₂，按照如下公式计算得到电光相位调制系数值为 $K_{\mathrm{oe}}=a\cos \left(\frac{2I_2-I_1}{I_1}\right)/V_{\mathrm{\&pi;}/2},$ 其中acos为反余弦函数。

2、根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于：构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的相位调制器作为赛格奈克光纤干涉仪中的相位调制器，该赛格奈克光纤干涉仪由激光二极管、分束器、相位调制器、光电探测器和光纤环构成，其中相位调制器为被测集成电光相位调制器。

3、根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于：在被测试集成电光相位调制器电极上加载周期调制方波，对赛格奈克光纤干涉仪进行调制，所加载调制方波的周期大于赛格奈克光纤干涉仪渡越时间的两倍，且调制方波信号幅度可控，当调制方波周期为四倍赛格奈克光纤干涉仪的渡越时间时具有最佳的测试结果。

4、根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于：赛格奈克光纤干涉仪在调制方波下输出输出方波，输出方波高电平持续时间为调制方波周期一半与渡越时间的差，输出方波的低电平持续时间为赛格奈克光纤干涉仪的渡越时间；通过采样电路采样输出方波的高低电平的数值，相减得到输出方波高低电平差。

5、根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于：重复(2)、(3)步骤，调制方波幅度从零开始，按照一定步长增加，采样赛格奈克光纤干涉仪输出信号中的高低电平数值，相减得到对应于各个调制方波幅度的电平差，找出电平差最大时对应的调制方波幅度，记为V_π/2；调制方波电平递增步长小于0.1伏；V_π/2为赛格奈克光纤干涉仪的半波电压的一半，V_π/2的测量精度不影响最终的电光相位调制系数测量精度。

6、根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，其特征在于：测量结果的准确度和精度由I₁和I₂的测量准确度和精度决定；所述电光相位调制系数测量结果相对误差小于40ppm，绝对误差小于0.03毫弧度/伏；提高采样电路的采样精度，改善I₁和I₂测量结果的准确度和精度可提高电光相位调制系数的测量准确度和精度。

Images