CN102193028A - 一种电光相位调制器谐振频率检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电光相位调制器谐振频率检测装置及利用该装置的检测方法。该检测装置包括相互电连接的供电电源、电光相位调制器调制电源、调制电源控制器以及电光相位调制器、光源和上位机。其中，上位机及其操作软件程序对整个系统进行操作及控制；光源与电光相位调制器匹配；电光相位调制器调制电源对输出的射频信号频率状态与电光相位调制器谐振频率进行比较并输出结果；调制电源控制器与上位机进行通讯，对电光相位调制器电源进行控制。

Description

一种电光相位调制器谐振频率检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种电光相位调制器谐振频率检测装置及检测方法。

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。

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，如图1所示。

若外加电场为：E＝E_msinω_mt，在晶体入射面的光场为E_i＝A_ccosω_ct，则输出光场(z＝L处)就变为：

$E_{\mathrm{output}}=A_c\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{c}(n_e-\frac{1}{2}{n}_e^3{r}_{33}{E}_m\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t)L]$

略去式中相角中的常数项(它对调制效果没有影响)，则上式可以写成：

公式1

式中，

称为相位调制系数。

由公式1可以看出经过相位调制器之后的调制光相位的变化与加载在电光相位调制晶体两端电场大小有关。电光相位调制器的等效电路如图2所示。其中，Vs和Rs分别表示调制电源电压和调制电源内阻，Co为电光相位调制器的等效电容，Re和R分别为导线电阻和晶体的直流电阻。由图2可知，加载到晶体上的实际电压

$V=\frac{V_s\left[\frac{1}{(1/R)+\mathrm{i\ω}{C}_o}\right]}{R_s+R_e+\frac{1}{(1/R)+\mathrm{i\ω}{C}_o}}=\frac{V_{s}R}{R_s+R_e+R+\mathrm{i\ω}{C}_o(R_{s}R+R_{e}R)}$

在低频调制时，一般有R＞＞R_s+R_e，iωC_o也较小，因此信号电压可以有效的加到晶体上。但是，当调制频率增高时，调制晶体的交流阻抗变小，当R_s′＞(iωC_o)^-1时，大部分调制电压就降到了Rs上，调制电源与晶体负载电路之间阻抗不匹配，这时调制效率就会大大降低，甚至不能工作。为解决该问题，美国专利US005189514A中提出的办法是在电光相位调制晶体两端并联一个电感L，构成一个并联谐振回路，其谐振频率为ω₀ ²＝(LC_o)^-1，当调制频率ω_m＝ω₀时，就可以使调制电压大部分加到晶体上，从而提高调制效率。

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，美国专利US005189514A中还增加相应的调节装置，如增加可调电感、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，使之回到初始的谐振频率，与调制电源匹配，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，出现的电光相位器调制电源与电光相位调制晶体之间阻抗失调不匹配造成的调制效率降低乃至影响调制效果的问题，现有的调整装置和调整方法费时费力的问题，提出一种电光相位调制器谐振频率检测装置及检测方法。通过实时调整电光相位调制器调制电源输出射频调制电源信号频率，并通过实时检测、采集、处理从电光相位调制器反射回来的反射信号的大小，判断电光相位调制器的谐振频率，并根据该判断结果，控制电光相位器调制电源输出射频调制电源信号频率，使之与电光相位调制器的谐振频率相匹配，从而达到提高调制效率的目的，而且，通过实时在线调整，可避免现有调整办法中需要系统停止工作及拆卸电光相位调制器之后才能调整的缺点，提高系统调整效率及使用效率。

本发明提出的电光相位调制器谐振频率检测装置，包括相互电连接的供电电源、电光相位调制器调制电源、调制电源控制器以及电光相位调制器、光源和上位机，其特征在于：

上位机及其操作软件程序对整个系统进行操作及控制；

光源与电光相位调制器匹配；

电光相位调制器调制电源对输出的射频信号频率状态与电光相位调制器谐振频率进行比较并输出结果；

调制电源控制器与上位机进行通讯，对电光相位调制器电源进行控制。

其中，光源是激光光源。

其中，电光相位调制器调制电源包括供电单元、射频信号产生模块、可变衰减单元、功率放大和输出模块、信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元，供电单元为电光相位调制器调制电源提供工作电源，射频信号产生模块产生可调的所需频段的射频信号，可变衰减单元实现其前端电路和后续电路之间的匹配，功率放大和输出模块放大并输出射频信号，信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元检测、采集从电光相位调制器反射回来的反射信号，实现功率检测及反馈控制。

其中，供电单元包括过载和短路保护电路。

其中，调制电源控制器包括多路选通模块、ADC模块、中央处理器模块、DAC与IV转换模块以及通讯接口模块，多路选通模块根据实际需要选择相应的信号通道，ADC模块对选择的检测信号进行AD转换，并将转换结果发送到中央处理器模块中，中央处理器模块对其他各功能模块进行实时控制并存储所采集到的数据信息通过通讯接口发送给上位机，并根据从上位机下发过来的数据对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号进行相应的输出控制，DAC与IV转换模块对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号进行控制，通讯接口模块与上位机之间进行数据通讯。

其中，射频信号产生模块使用压控震荡器产生所需频段的信号，控制端用电压变化对频率进行调节。

其中，功率放大和输出模块由前置放大器、功率放大器及定向耦合器组成，利用定向耦合器将射频调制信号输出到外部电光相位调制器。

其中，调制电源控制器根据从电光相位调制器调制电源反馈回来的反射信号、失谐信号等对电光相位调制器调制电源与电光相位调制器之间的匹配状态进行判断。

其中，失谐信号直接以高、低电平来表征电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率与电光相位调制器谐振频率之间的比较结果，低电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率低于电光相位调制器谐振频率，高电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率高于电光相位调制器谐振频率。

其中，电光相位调制器调制电源与调制电源控制器之间的连接采用电连接，接口包括频率设置接口、功率设置接口、反射信号检测接口以及失谐信号接口。

其中，还包括电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号实际输出前向功率检测接口。

其中，电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的功率是可调的。

利用前述的任意一个检测装置进行检测的方法，具有如下步骤：

(a)上位机开始操作；

(b)电光相位调制器调制电源保持射频调制信号的幅值不变输出射频调制信号f_L；

(c)电光相位调制器调制电源实时采集电光相位调制器反射功率；

(d)电光相位调制器调制电源控制器接收电光相位调制器调制电源发出的反射功率信号，对该信号进行AD转换，并将该结果存到控制器相应寄存器中，由上层控制软件读取该数值并自动拟合、计算出当前反射功率曲线，并对反射功率值进行判断，若不满足要求则向上步进调整电光相位调制器调制电源输出射频调制信号频率并返回步骤(c)，若满足要求则继续；

(e)锁定输出。

本发明提出的检测装置和检测方法通过检测、寻找受电光相位调制器调制电源驱动的电光相位调制器的谐振频率，并使电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率保持在谐振频率点附近左右摆动，使之与电光相位调制器的谐振频率相匹配，以使得电光相位调制器造成的反射功率值降低到一定要求，使调制电压大部分加到电光相位调制晶体上，达到提高调制效率的目的。而且，该装置可实时在线进行检测及调整，节省时间，提高系统工作效率，同时，本电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率、幅值可调，可以配备不同的电光相位调制器，提高、扩大了装置的使用范围。

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为电光相位调制器的原理图；

图2为电光相位调制器的等效电路图；

图3为根据本发明的电光相位调制器谐振频率检测装置的结构框图；

图4、图5为电光相位调制器调制电源的结构框图；

图6为电光相位调制器调制电源控制器的结构框图；

图7为电光相位调制器谐振频率检测流程图；

图8为电光相位调制器谐振频率检测过程中反射功率值变化示意图；

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。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

图3所示为根据本发明的一个电光相位调制器谐振频率检测装置的结构框图。该检测装置主要包括供电电源6、调制电源控制器4、电光相位调制器调制电源3以及电光相位调制器2、激光光源1、上位机5。各组成环节之间按照图3所示连接关系进行相互之间的电连接。

电光相位调制器调制电源3与电光相位调制器2相互匹配，与电光相位调制器2之间采用阻抗匹配的射频输出电缆进行电连接。为了使电光相位调制器调制电源3输出的射频调制信号的频率与电光相位调制器2的谐振频率相匹配，提高电光相位调制器调制电源3使用范围，能针对不同的相位调制器2达到不同的调制效果，电光相位调制器调制电源3具有输出调制电源信号频率可调、幅值可调等功能，且能对输出的射频信号频率状态与目标频率之间进行比较并输出该结果，同时，电光相位调制器调制电源3也具备检测、采集从电光相位调制器2反射回来的反射信号的功能。

电光相位调制器调制电源3主要包括：供电单元、射频信号产生模块、可变衰减单元、功率放大和输出模块、信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元，它们的连接关系如图4、图5所示，其中图5是图4的详图。

供电单元为电光相位调制器调制电源3提供工作电源，电光相位调制器调制电源3是否输出由电光相位调制器调制电源使能端来控制。电光相位调制器调制电源3内部其它电源由输入的供电转换而来，以便减少外部接口数量。供电单元主要包括过载和短路保护电路。

射频信号产生模块直接使用高性能的压控震荡器(VCO)产生所需要频段的信号，压控震荡器(VCO)的控制端(即频率设置)用电压变化实现对频率的调节，压控震荡器(VCO)经过适当的隔离放大和衰减以实现适当的输出功率，利用可控的衰减器实现对前端电路的校准使之与后续电路输入范围等参数匹配。

功率放大和输出模块实现放大微波射频信号的功率使输出功率达到相应的额定输出功率，并采用定向耦合器将射频调制信号输出到外部电光相位调制器上去。该部分主要由前置放大器和功率放大器及定向耦合器组成。

信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元实现高速的功率检测及反馈控制。

调制电源控制器4主要是实现对电光相位调制器调制电源输出射频调制信号进行相应的频率设置控制、幅值设置控制及根据从电光相位调制器调制电源反馈回来的反射信号、失谐信号等对电光相位调制器调制电源与电光相位调制器之间的匹配状态进行判断等。调制电源控制器4可根据判断调整电光相位调制器调制电源输出射频调制信号频率等。

电光相位调制器调制电源3与调制电源控制器4之间的连接采用电连接，主要接口包括频率设置接口、功率设置接口、反射信号检测接口以及失谐信号接口。但两者之间的接口不仅仅包含上述四种接口，还包括其他有用的接口在这里没有表示出来，如光相位调制器调制电源3输出的射频调制信号实际输出前向功率检测接口等。

调制电源控制器4主要由多路选通模块、ADC模块、中央处理器模块、DAC与IV转换模块以及通讯接口模块组成，参见图6。

其中，多路选通模块主要是根据实际需要选择相应的信号通道；

ADC模块则对选择的检测信号进行AD转换，并将转换结果发送到中央处理器模块中；

中央处理器模块主要是对其他各功能模块进行实时控制并存储所采集到的数据信息通过通讯接口发送给上位机，并根据从上位机下发过来的数据对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号进行相应的输出控制；

DAC与IV转换模块则实现对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号的控制；

通讯接口模块则实现与上位机的数据通讯。

下面将详细描述根据本发明的电光相位调制器谐振频率检测方法，其流程如图7所示。电光相位调制器谐振频率检测过程也可认为是电光相位调制器调制电源的调谐过程。调谐过程是为了找到受电光相位调制器调制电源驱动的电光相位调制器的谐振频率点，并使电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率保持在谐振频率点附近，使之与电光相位调制器的谐振频率相匹配，以使得负载造成的反射功率值降低到一定要求，达到提高调制效率的目的。

首先保持电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的幅值不变，即射频调制信号输出功率值不变，调节频率设置信号，使射频调制信号频率从f_L开始往上调，频率调整步长可根据实际情况进行调整，例如100kHz/step，频率调整频次也可根据实际情况进行调整，例如200步/秒。

在调谐过程中，电光相位调制器调制电源中的功率测量单元利用对数探测器进行测量从定向耦合器耦合过来的功率信号，测量所得的功率结果与设置点电压比较，两者的差值驱动积分器(通常是误差放大器)。当功率放大器的输出功率与设置点电压相符合时，放大器输出误差将不再升高或降低。

低频信号产生单元产生一个信号幅值比较小、信号频率小于2KHz的低频方波信号，将其叠加到频率设置信号上，实现对VCO输出信号的低频调制，使VCO输出信号产生大约200kHz的频率偏移。由于负载阻抗随频率而变，反射功率中也带有一个与该低频方波信号频率一致的频率成分。因此从功率测量单元输出的信号中也带有这样的成分。为了保留这个低频方波信号成分而将其他成分滤除，在失谐判定单元中增加一个低通滤波器，其截止频率设置在10kHz左右，低通滤波器输出信号经一个比较放大器后即可产生一个在0V和5V之间跳变的低频方波信号。此方波信号与低频信号产生单元产生的方波信号进行比较，可以产生一个能表征电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率与电光相位调制器谐振频率之间的比较结果的失谐信号，如图8所示。低电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率低于电光相位调制器谐振频率，高电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率高于电光相位调制器谐振频率。

在调谐初始阶段，电光相位调制器调制电源控制器检测到失谐信号为低电平，即当前电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率值低于电光相位调制器谐振频率值。

随着信号频率值上升，反射功率信号值开始下降。电光相位调制器调制电源控制器可实时检测反射功率信号值，当反射功率信号值低于某一个预定值(反射功率阈值)时即认为负载已经被锁定(反射功率值已满足要求)。反射功率阈值是一个先验的值，可由先前的调试经验中获得，或者根据实际的系统使用要求进行实时设置。此时失谐信号值仍为低电平。

在反射功率值满足要求后，继续增加信号频率。当电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率高于电光相位调制器谐振频率时，失谐信号跳变为高电平，则降低频率设置信号值，使电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率下降。当电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率低于电光相位调制器的谐振频率时，失谐信号跳变为低电平，则增加频率设置信号值，使电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率上升；如此往复，以使得输出电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率始终保持在负载谐振频率左右摆动。

在调谐过程中，电光相位调制器调制电源内部采集和反馈控制单元采集到从电光相位调制器反射回来的信号，并进行相应的滤波放大处理后将该信号传到电光相位调制器调制电源控制器，电光相位调制器调制电源控制器对该信号进行AD转换，并将该结果存到控制器相应的寄存器中，由上层控制软件读取该数值并自动拟和、计算出当前反射功率曲线，然后根据该曲线给电光相位调制电源控制器下发相应的控制命令及控制目标值，调节、控制电光相位调制器调制电源的频率设置信号，控制电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率，直到电光相位调制器调制电源检测到的从电光相位调制器反射回来的反射信号满足要求，则可认为此时已经检测到电光相位调制器的谐振频率，并使电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号频率保持在该频率或者在该频率左右摆动。

针对不同的电光相位调制器，第一次测量的时候需要按照上述步骤进行，实现对该电光相位调制器的反射功率与调制频率关系曲线模型测校及校准，建立该电光相位调制器反射功率与频率关系数据曲线模型。

第一次测量进行完成之后，在随后的频率检测过程中，若电光相位调制器谐振频率漂移量较大，则可根据测量的结果及电光相位调制器的反射系数计算公式，即可快速估算出该电光相位调制器此时的谐振频率点大致的位置，电光相位调制器的反射系数计算公式为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}=\frac{Z_0+\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}-Z_0}{Z_0+\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}+Z_0}=\frac{1}{1+j2Z_{0}C\frac{\mathrm{\ω}}{1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}}}=\frac{1}{1+j{k}_1\frac{\mathrm{\ω}}{1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}}}$

其中：

k₁＝2Z₀C；

Z₀为连接射频源与相位调制器中的晶振的传输线的特性阻抗；

Z_L为电光相位调制器阻抗；

L为电光相位调制晶体两端并联电感；

C为电光相位调制晶体等效电容。

并根据估算的结果在该结果附近进行精测。

由于电光相位调制器及其调制电源可实时在线进行谐振频率扫描检测，在光刻机对准过程中，在进行对准扫描之前，可以先对对准系统中的电光相位调制器进行谐振频率扫描，以保证每次对准扫描时电光相位调制器及其调制电源处于匹配状态，达到最佳调制效果。

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 (13)

1.一种电光相位调制器谐振频率检测装置，包括相互电连接的供电电源、电光相位调制器调制电源、调制电源控制器以及电光相位调制器、光源和上位机，其特征在于：

上位机及其操作软件程序对整个系统进行操作及控制；

光源与电光相位调制器匹配；

电光相位调制器调制电源对输出的射频信号频率状态与电光相位调制器谐振频率进行比较并输出结果；

调制电源控制器与上位机进行通讯，对电光相位调制器电源进行控制。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，光源是激光光源。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，电光相位调制器调制电源包括供电单元、射频信号产生模块、可变衰减单元、功率放大和输出模块、信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元，供电单元为电光相位调制器调制电源提供工作电源，射频信号产生模块产生可调的所需频段的射频信号，可变衰减单元实现其前端电路和后续电路之间的匹配，功率放大和输出模块放大并输出射频信号，信号检测和采集反馈单元及闭环调幅控制单元检测、采集从电光相位调制器反射回来的反射信号，实现功率检测及反馈控制。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，供电单元包括过载和短路保护电路。

5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，调制电源控制器包括多路选通模块、ADC模块、中央处理器模块、DAC与IV转换模块以及通讯接口模块，多路选通模块根据实际需要选择相应的信号通道，ADC模块对选择的检测信号进行AD转换，并将转换结果发送到中央处理器模块中，中央处理器模块对其他各功能模块进行实时控制并存储所采集到的数据信息通过通讯接口发送给上位机，并根据从上位机下发过来的数据对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号进行相应的输出控制，DAC与IV转换模块对电光相位调制器调制电源的频率设置信号及功率设置信号进行控制，通讯接口模块与上位机之间进行数据通讯。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，射频信号产生模块使用压控震荡器产生所需频段的信号，控制端用电压变化对频率进行调节。

7.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，功率放大和输出模块由前置放大器、功率放大器及定向耦合器组成，利用定向耦合器将射频调制信号输出到外部电光相位调制器。

8.根据权利要求1～7中任意一个所述的检测装置，其特征在于，调制电源控制器根据从电光相位调制器调制电源反馈回来的反射信号、失谐信号等对电光相位调制器调制电源与电光相位调制器之间的匹配状态进行判断。

9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，失谐信号直接以高、低电平来表征电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率与电光相位调制器谐振频率之间的比较结果，低电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率低于电光相位调制器谐振频率，高电平表示电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的频率高于电光相位调制器谐振频率。

10.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，电光相位调制器调制电源与调制电源控制器之间的连接采用电连接，接口包括频率设置接口、功率设置接口、反射信号检测接口以及失谐信号接口。

11.根据权利要求10所述的检测装置，其特征在于，还包括电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号实际输出前向功率检测接口。

12.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于电光相位调制器调制电源输出的射频调制信号的功率是可调的。

13.一种利用权利要求1～12中任意一个所述的检测装置进行检测的方法，具有如下步骤：

(a)上位机开始操作；

(b)电光相位调制器调制电源保持射频调制信号的幅值不变输出射频调制信号f_L；

(c)电光相位调制器调制电源实时采集电光相位调制器反射功率；

(d)电光相位调制器调制电源控制器接收电光相位调制器调制电源发出的反射功率信号，对该信号进行AD转换，并将该结果存到控制器相应寄存器中，由上层控制软件读取该数值并自动拟合、计算出当前反射功率曲线，并对反射功率值进行判断，若不满足要求则向上步进调整电光相位调制器调制电源输出射频调制信号频率并返回步骤(c)，若满足要求则继续；

(e)锁定输出。

Images