CN102129133B - 具有频率状态反馈功能的电光相位调制器 - Google Patents
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Abstract
一种电光相位调制器，包括功率提取单元、功率检测单元、反馈信号产生单元和电光相位调制晶体，其中电光相位调制晶体对输入的光束进行相位调制；功率提取单元提取调制信号源输出的驱动信号中的功率信号和驱动信号与驱动信号经电光相位调制晶体反射的反射信号的干涉信号的功率信号；功率检测单元将功率信号转换为电信号；反馈信号产生单元根据电信号产生反馈信息反馈到调制信号源；调制信号源根据反馈信号调节驱动信号，使驱动信号频率值保持在相位调制器的谐振频率附近。
Description
技术领域
本发明涉及一种电光相位调制器，尤其涉及一种应用于光电探测领域的电光相位调制器。
背景技术
在微弱光电探测领域，由于光束在光学系统传输的过程中不可避免地存在一定数量的多阶反射鬼像光束，经过多次反射后产生的鬼像光束其相位、频率和处于同一点的主光束相位、频率完全相同，从而使鬼像光束与主光束之间发生干涉，导致探测到的光信号与理想光信号出现偏差，使实际测量结果出现相应测量误差。为降低、乃至避免鬼像对主光束的干扰，在很多微弱光电探测系统中采用相位调制技术，人为地破坏主光束的时间相干性，使主光束相位(频率)被调制，这样不同时间进入光学系统中的主光束频率是不同的，因此在光学系统中经过多次反射后产生的鬼像光束其相位、频率和处于同一点的主光束相位、频率完全相同的几率就会大大降低，从而从根本上避免了鬼像对主光束的干扰。
如图1所示，光学中的相位调制主要是利用在具有电光效应的特殊光学晶体上施加周期变化的射频电压，使电光晶体内折射率发生相应变化从而导致经过电光晶体后光束相位发生变化来实现对入射光束相位的调制的。
相位调制器的调制效率与输入到相位调制器上的射频驱动信号有关。当相位调制器的调制信号源输出到相位调制器上的射频信号频率等于相位调制器的谐振频率时，没有信号发生反射，因而调制效率较高；当调制信号源输出到相位调制器上的射频信号频率偏离相位调制器的谐振频率时，部分信号发生反射，因而调制效率较低。因此正常工作情况下要求射频调制信号源输出到相位调制器上的驱动信号频率尽量保持在相位调制器的谐振频率附件。
一般情况下，电光相位调制器的谐振频率由电光相位调制晶体本身特性决定。但在使用过程，随着温度、环境等发生变化，电光相位调制器的谐振频率会发生漂移，因而会影响调制效率。通常所用的相位调制器的谐振频率在GHz量级，而其温漂大约为几兆赫兹每摄氏度。对于一般的相位调制器，其几兆赫兹的频率偏移将会导致反射信号功率达到驱动信号功率的一半甚至一半以上。为了解决该问题，美国专利US005189514A描述了在相位调制器上增加可调电感、可调电容等，通过手动调节电感、电容值来调整电光相位调制器的谐振频率的方法。但这种方法的缺点是不能实时进行调整，若电光相位调制器集成到设备上之后需要停止设备相关系统工作状态并将电光相位调制器拆卸下来之后才能进行调整，调整费时费力。
发明内容
本发明针对现有电光相位调制技术应用过程中，电光相位调制晶体的谐振频率漂移问题，提出了一种相位调制器的设计方案，该相位调制器可根据输入驱动信号的频率，反馈一个信号以指示当前驱动信号的频率与相位调制器谐振频率之间的关系，以利于调制信号源跟踪相位调制器的谐振频率，从而减小因阻抗失配带来的影响。
本发明提供一种电光相位调制器，包括功率提取单元、功率检测单元、反馈信号产生单元和电光相位调制晶体，其中电光相位调制晶体对输入的光束进行相位调制；功率提取单元提取调制信号源输出的驱动信号中的功率信号和驱动信号与驱动信号经电光相位调制晶体反射的反射信号的干涉信号的功率信号；功率检测单元将功率信号转换为电信号；反馈信号产生单元根据电信号产生反馈信息反馈到调制信号源；调制信号源根据反馈信号调节驱动信号，使驱动信号频率值保持在相位调制器的谐振频率附近。
其中，功率检测单元包括驱动功率检测单元和相干功率检测单元；驱动功率检测单元将所述驱动信号的功率信号转换为第一电信号；相干功率检测单元将干涉信号的功率信号转换为第二电信号。
其中，反馈信号产生单元是一比较器，对第一电信号和第二电信号进行比较。
其中，比较器是一减法器。
其中，功率提取单元包含一定向耦合器。
其中，驱动功率检测单元和相干功率检测单元都包含一适当倍数的衰减电路和对数检测芯片。
本发明提供的相位调制器，由于相位调制器提供了一个反馈信号以指示驱动信号频率与相位调制器谐振频率之间的关系，因而调制信号源能够根据该信号随时调制输出信号的频率，使输出驱动信号的频率一直保持在相位调制器频率附件，所以当相位调制器频率发生漂移时也能跟踪到。因而可以避免相位调制器谐振频率漂移带来的阻抗失配问题，提高调制效率。
附图说明
通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1所示为电光相位调制原理图；
图2所示为根据本发明的电光相位调制器的原理框图；
图3所示为根据本发明的电光相位调制器的优选实施例的原理框图；
图4所示为相位调制晶体的电学模型；
图5所示为功率检测单元的结构原理图；
图6所示为根据本发明的第一实施例的反馈信号产生单元的结构原理图；
图7所示为根据本发明的第二实施例的反馈信号产生单元的结构原理图。
具体实施方式
下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。
本发明提供了一种相位调制器，如图2所示，该相位调制器10可以根据输入的电源驱动信号，给出一个反馈信号，该反馈信号用于告知调制信号源6，当前输入的驱动信号的频率与该相位调制器10的谐振频率之间的大小关系，以利于调制信号源6随时更新驱动信号的频率，以跟踪相位调制器10的谐振频率。
根据本发明的相位调制器包括一个电光相位调制晶体5，用于对通过该晶体的光束进行相位调制；一个功率提取单元1，用于提取输入的驱动信号的功率和该驱动信号与相位调制器反射信号的相干信号的功率；一个功率检测单元2，用于将提取到驱动信号的功率和相干信号的功率转换为电压值；一个反馈信号产生单元4，用于将驱动信号功率对应的电压值与相干信号对应的电压值进行比较，以提供一个反馈信号，该反馈信号反应了驱动信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系。如图3所示，优选地，本发明中的功率检测单元包括一个驱动功率检测单元2a和一个相干功率检测单元2b，其中驱动功率检测单元2a用于将驱动信号的功率转换为电压值，相干功率检测单元2b用于将相干信号的功率转换为电压值。
反馈信号的产生原理如下：
相位调制晶体5的电学模型如图4所示。其对于频率为ω的驱动信号所表现出的阻抗可表示为：
其中R为图中所示电阻的阻值，在设计中保证其等于传输线特性阻抗
为电容C与电感L的并联阻抗；S＝jω，ω为输入驱动信号的频率。
由
可知，当
即时，ZLC→∞，因而ZL→R，从而相位调制晶体的阻抗与传输线的阻抗相匹配。f0被称作相位调制晶体的谐振频率。
当f≠f0时，ZL≠Z0，晶体阻抗与传输线阻抗之间存在失配，从而存在反射信号。反射系数表达式如下：
在谐振频率附近，ZLC＞＞Z0，因而上式可简化为：
因而对于一个加载到相位调制晶体上的驱动信号vi，其反射信号为vr＝viΓ0。当
即f＞f0时，
则vr相位比vi滞后90°；当
即f＜f0时，
则vr相位比vi超前90°。反映到相干功率检测端，在不同的频率状态下，驱动信号与反射信号的相位差相差180度。通过设计可以保证在驱动信号频率略高于谐振频率时，驱动信号与反射信号的相位差为0度，因而在驱动信号频率略低于谐振频率时，驱动信号与反射信号的相位差为180度。由于相干作用，当相位差为0度时，反射信号对驱动信号有增强作用，因此检测到的电压值大于检测到的电压值；当相位差为180度时，反射信号对驱动信号有减弱作用，因此检测到的电压值小于检测到的电压值。因而在f＜f0和f＞f0两种不同状态下比较电路可以输出0与1两种不同状态。
第一实施例：
根据本发明的第一实施例的相位调制器包括：
功率提取单元1，包含一个定向耦合器，可以是微带电路结构或其他结构形式的定向耦合器，用于提取驱动信号的功率和驱动信号与反射信号的干涉信号的功率。
驱动功率检测单元2a，包含一个适当倍数的衰减电路与对数检测芯片。用于将功率提取单元提取到的驱动信号功率值转换为相应的电压值。所述衰减器可以是由三个电阻组成的π型衰减器或者T型衰减器。所述对数检测芯片可选用现有的IC芯片，如AD8313等。其具体实现方式之一可参考图5。
相干功率检测单元2b，包含一个适当倍数的衰减电路与对数检测芯片。用于将功率提取单元提取到的驱动信号和反射信号的干涉信号功率值转换为相应的电压值。其具体实现方式与驱动功率检测单元类似，可参考图5。
反馈信号产生单元4，包含一个比较电路，用于比较驱动信号功率和相干信号功率，产生一个低电平或者高电平，并将比较结果作为反馈信息反馈到调制信号源6。其具体实现方式之一可参考图6。
相位调制晶体5，用于对输入的光束进行相位调制。具体实现方式可参考通用的相位调制晶体产品。
根据本实施例的实现方式，调制信号源6可根据反馈信号来跟踪相位调制器10谐振频率的变化：当驱动信号频率低于相位调制器10谐振频率时，相干信号功率小于驱动信号功率，因此反馈信号值为一个低电平，因此调制信号源6可按一定步长，一定速率增加驱动信号的频率；当驱动信号频率高于相位调制器10谐振频率时，相干信号功率大于驱动信号功率，因此反馈信号值为一个高电平，因此调制信号源6可按一定步长，一定速率减小驱动信号的频率。通过这样的调整，调制信号源6输出的驱动信号频率值始终保持在相位调制器10谐振频率附近。
第二实施例：
根据本发明的第二实施例的相位调制器包括：
功率提取单元1，包含一个定向耦合器，可以是微带电路结构或其他结构形式的定向耦合器，用于提取驱动信号的功率和驱动信号与反射信号的干涉信号的功率。
驱动功率检测单元2a，包含一个适当倍数的衰减电路与对数检测芯片。用于将功率提取单元提取到的驱动信号功率值转换为相应的电压值。所述衰减器可以是由三个电阻组成的π型衰减器或者T型衰减器。所述对数检测芯片可选用现有的IC芯片，如AD8313等。其具体实现方式之一可参考图5。
相干功率检测单元2b，包含一个适当倍数的衰减电路与对数检测芯片。用于将功率提取单元提取到的驱动信号和反射信号的干涉信号功率值转换为相应的电压值。其具体实现方式与驱动功率检测单元类似，可参考图5。
反馈信号产生单元4，包含一个减法电路，用于比较驱动信号功率和相干信号功率，并将比较的差值作为反馈信息反馈到调制信号源6。其传递函数为：反馈信号＝相干信号-驱动信号。其具体实现方式之一可参考图7。
相位调制晶体5，用于对输入的光束进行相位调制。具体实现方式可参考通用的相位调制晶体产品。
根据本实施例的实现方式，调制信号源6可根据反馈信号来跟踪相位调制器10谐振频率的变化：当驱动信号频率低于相位调制器10谐振频率时，相干信号功率小于驱动信号功率，因此反馈信号值为一个负值电平，因此调制信号源6可将该负值电压通过一个积分器加载到其压控振荡器上，使得其压控振荡器输出信号频率持续增高，直到此反馈信号趋于0；当驱动信号频率高于相位调制器10谐振频率时，相干信号功率大于驱动信号功率，因此反馈信号值为一个正值电平，因此调制信号源6可将该负值电压通过一个积分器加载到其压控振荡器上，使得其压控振荡器输出信号频率持续降低，直到此反馈信号趋于0。
本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (5)
1.一种电光相位调制器，包括功率提取单元、功率检测单元、反馈信号产生单元和电光相位调制晶体，其中电光相位调制晶体对输入的光束进行相位调制；功率提取单元提取调制信号源输出的驱动信号中的功率信号和驱动信号与驱动信号经电光相位调制晶体反射的反射信号的干涉信号的功率信号；功率检测单元将所述驱动信号中的功率信号和所述干涉信号的功率信号转换为电信号；反馈信号产生单元根据电信号产生反馈信号反馈到调制信号源；调制信号源根据反馈信号调节驱动信号，使驱动信号的频率值保持在电光相位调制器的谐振频率附近。
2.根据权利要求1所述的电光相位调制器，其中，所述功率检测单元包括驱动功率检测单元和相干功率检测单元；所述驱动功率检测单元将所述驱动信号的功率信号转换为第一电信号；所述相干功率检测单元将干涉信号的功率信号转换为第二电信号。
3.根据权利要求2所述的电光相位调制器，其中，所述反馈信号产生单元是一比较器，对第一电信号和第二电信号进行比较。
4.根据权利要求3所述的电光相位调制器，其中，所述比较器是一减法器。
5.根据权利要求1所述的电光相位调制器，其中，所述功率提取单元包含一定向耦合器。
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