CN102279477B - 具有自动调整谐振频率功能的电光相位调制器 - Google Patents

Abstract

一种电光相位调制器，包括电光相位调制晶体；功率提取单元，提取输入的调制信号的功率和驱动信号与相位调制器反射信号的相干信号的功率；调制功率检测单元，将提取到的调制信号的功率转换为电压值；相干功率检测单元，将提取到的相干信号的功率转换为电压值；反馈信号产生单元，根据调制功率检测单元和相干功率检测单元输出的信号提供一个反馈信号；电光相位调制晶体并联谐振电路；主控制器单元，采集、判断反馈信号产生单元所提供的反馈信号，并根据判断结果控制并联谐振电路的电感值，自动改变相位调制器的谐振频率点，使之与调制信号频率相匹配，相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率值始终保持相互之间的匹配；电光相位调制器屏蔽外壳，用于安装保护电光相位调制器内部各组成部分，并实现外部电磁干扰信号的隔离。

Description

具有自动调整谐振频率功能的电光相位调制器

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种电光相位调制器谐振频率检测装置及检测方法，其被应用于光电探测系统中电光相位调制器谐振频率检测及校准。

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_c cosω_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，A，E为振幅，ω为角频率，n_e为光子的折射率(更正为n_o)，r₃₃为线性电光系数，表征晶体感应极化强弱的量。

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，ω为调制电压V_s的角频率。由图2可知，加载到晶体上的实际电压即驱动信号电压V由如下公式获得：

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

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。但在使用过程中，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中还增加了相应的调节装置，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器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、办法费时费力的问题，提出一种具有自动调整谐振频率功能的电光相位调制器设计方案及装置，该装置通过检测当前电光相位器调制电源输出的频率与电光相位调制器谐振频率之间的相对关系，并根据检测结果实时调整电光相位调制器谐振频率，使之与电光相位调制电源输出信号频率匹配，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。

本发明提供的电光相位调制器，包括：

电光相位调制晶体，对通过该晶体的光束进行相位调制；

功率提取单元，提取输入的调制信号的功率和驱动信号与相位调制器反射信号的相干信号的功率；

调制功率检测单元，将提取到的调制信号的功率转换为电压值；

相干功率检测单元，将提取到的相干信号的功率转换为电压值；

反馈信号产生单元，根据调制功率检测单元和相干功率检测单元输出的信号提供一个反馈信号，该反馈信号表征调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的匹配关系；

谐振电路，与所述电光相位调制晶体并联；

主控制器单元，采集、判断反馈信号产生单元所提供的反馈信号，并根据判断结果控制并联谐振电路的电感值，自动改变相位调制器的谐振频率点，使之与调制信号频率相匹配，相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率值始终保持相互之间的匹配。

其中，该调制器能针对不同的调制电源设置不同的调制器谐振频率点。

其中，反馈信号产生单元是一比较单元，用于将调制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，反馈信号反应了调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系。

其中，当调制信号频率低于相位调制器谐振频率时，反馈信号值为一个低电平；当调制信号频率高于相位调制器谐振频率时，反馈信号值为一个高电平。

其中，通过调节可变电阻值改变并联谐振电路的电感值，继而改变并联谐振电路的谐振频率点。

其中，还包括电光相位调制器屏蔽外壳，用于安装保护电光相位调制器内部各组成部分，并实现外部电磁干扰信号的隔离。

本发明提供的电光相位调制器通过检测当前电光相位器调制电源输出的调制信号的频率与电光相位调制器谐振频率之间的相对关系，并根据检测结果实时调整电光相位调制器谐振频率，使之与电光相位调制电源输出信号频率匹配。

根据本发明，由于相位调制器能够自动检测并产生一个指示信号以指示调制电源调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的关系，并能根据该指示信号自动调整电光相位调制器谐振频率，使电光相位调制器谐振频率与调制电源调制信号的频率相互匹配。从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而导致调制效率降低的问题，提高系统的调制效率。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。

附图说明

图1所示为电光相位调制原理图；

图2所示为电光相位调制器等效电路图；

图3所示为一种应用电光相位调制器的系统结构；

图4所示为根据本发明的一个具体实施例的电光相位调制器的模块框图；

图5所示为并联谐振可调电感模拟电路组成框图；

图6所示为电光相位调制晶体的电学模型；

图7所示为驱动功率检测单元和相干功率检测单元功能电路框图；

图8所示为反馈信号产生单元电路框图；

图9所示为主控制器(自动调节控制)第一实施方案的结构示意图；

图10所示为主控制器(自动调节控制)第二实施方案的结构示意图。

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。

图4所示为根据本发明一个具体实施例的电光相位调制器的模块框图。该电光相位调制器包括电光相位调制晶体25，用于对通过该晶体的光束进行相位调制；功率提取单元21，用于提取输入的调制信号的功率和驱动信号与相位调制器反射信号的相干信号的功率；调制功率检测单元22、相干功率检测单元23，分别用于将提取到的调制信号的功率和相干信号的功率转换为电压值；比较单元24，用于将调制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，该反馈信号反应了调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系；电光相位调制晶体并联谐振电路26；主控制器单元27，用于采集、判断比较单元24所提供的反应了调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系的指示信号，并根据判断结果控制并联谐振电路26的电感值，改变相位调制器的谐振频率点；以及电光相位调制器屏蔽外壳28，主要用于安装保护电光相位调制器内部各组成部分，并实现外部电磁干扰信号的隔离。

功率提取单元21，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相干信号的功率。

调制功率检测单元22，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。其具体实现方式之一可参考图7。

相干功率检测单元23，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相干信号功率值转换为相应的电压值。其具体实现方式与调制功率检测单元22类似，可参考图7。

反馈信号产生单元，即比较单元24，包含一个比较电路，用于比较调制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主控制器单元27。其具体实现方式之一可参考图8。

电光相位调制晶体25，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。相位调制晶体的电学模型如图6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：

$Z_L=\frac{{\mathrm{RZ}}_{\mathrm{LC}}}{R+Z_{\mathrm{LC}}}=\frac{Z_0{Z}_{\mathrm{LC}}}{Z_0+Z_{\mathrm{LC}}}$

其中R为所示电阻的阻值，在设计中保证等于传输线特性阻抗Z₀；为电容C与电感L的并联阻抗；S＝jω，ω为输入调制信号的频率(调制信号频率与驱动信号频率相等)，j是复数(j²＝-1)。

由

可知，当即时，Z_LC→∞，因而Z_L→R，因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，Z_L≠Z₀，晶体阻抗与传输线阻抗之间存在失配，因而存在反射信号。反射系数Γ₀表达式如下：

${\mathrm{\Γ}}_0=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}=\frac{-Z_0}{{2Z}_{\mathrm{LC}}+Z_0}$

在谐振频率附件，Z_LC＞＞Z₀，因而上式可简化为：

${\mathrm{\Γ}}_0=\frac{{-Z}_0}{{2Z}_{\mathrm{LC}}}=\frac{(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC})Z_0}{2\mathrm{\ωL}}j$

因而对于一个加载到相位调制晶体上的驱动信号v_i，其反射信号为v_r＝v_iΓ₀。当

即

时，

则v_r相位比v_i滞后90°；当

即f＜f₀时，

则v_r相位比v_i超前90°。反映到的相干功率检测端，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，因此检测到的相干信号电压值大于检测到的调制信号电压值；当相位差为180度时，反射信号对驱动信号有减弱作用，因此检测到的相干信号电压值小于检测到的调制信号电压值。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。

并联谐振电路26为模拟阻抗变换器，主要包括一个阻抗变换电路及电阻，阻抗变换电路全部由电阻、电容以及运算放大器组成，避免了使用电感体积过大的缺点。模拟的是一个接地电感，可以根据需要调节其中的电阻，如Z₄(也可以改变其他电阻)来改变它的电感值，从而可以改变整个相位调制器的谐振频率点。

由图5所示等效电路等效出来的阻抗可知，可根据Z₁～Z₅不同的元器件类型来将电路组成各种不同的阻抗类型。在本发明中，采用的方案为：

电路中，除了Z₂是电容以外，其他Z都是电阻，R₁、R₃、R₄、R₅分别为Z₁、Z₃、Z₄、Z₅的电阻值，且令

则可得

$Z=\frac{R_1{R}_3{R}_5}{(1/{\mathrm{j\ωC}}_2)R_4}=\mathrm{j\ωL}$

$L=\frac{R_1{R}_3{R}_5{C}_2}{R_4}$

由此可知，该电路模拟的是一个接地电感，可以根据需要调节其中的电阻，如R₄来改变它的电感值，从而可以改变整个相位调制器的谐振频率点。

本发明所采用的可变电阻为高精度连续可调电阻，可实现电光相位调制器谐振频率点的高精度连续可调。

主控制器单元27根据比较单元24提供的信号，判断当前电光相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率之间的差异之后，输出相应的控制信号控制并联谐振电路26对应的电感阻抗，使电感阻抗发生变化，从而实现调整电光相位调制器谐振频率。

主控制器单元27主要由一个D触发器、一个异或门以及方波信号发生器以及两个逻辑电平转换电路组成。其中，D触发器、异或门实现采集、判断比较单元24所提供的反应了调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系的指示信号，并根据判断结果输出一个控制信号控制并联谐振电路26的可调电阻(Z₄)阻值，从而调整并联谐振电路26电感值，改变相位调制器的谐振频率点。方波信号发生器以及两个逻辑电平转换电路则根据需要产生相应的触发方波及控制电平，实现整个控制单元的逻辑触发控制。

电光相位调制器屏蔽外壳28，电光相位调制器屏蔽外壳28上对边有各有一个通光孔，使被调制光能直线通过装配在电光相位调制器屏蔽外壳28内部的电光相位晶体，实现被调制。电光相位调制器屏蔽外壳28还用于安装保护电光相位调制器内部各组成部分，并实现外部电磁干扰信号的隔离。

整个工作过程如下：

功率提取单元21，提取调制信号的功率以及驱动信号与反射信号的相干信号的功率；

调制功率检测单元22、相干功率检测单元23分别将功率提取单元21提取到的调制信号功率值以及驱动信号和反射信号的相干信号功率值转换为相应的电压值；

反馈信号产生单元24，比较调制功率检测单元22、相干功率检测单元23采集到的调制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主控制器单元27。

当调制信号频率低于相位调制器谐振频率时，相干信号功率小于调制信号功率，因此反馈信号值为一个低电平，因此主控制器单元27可根据该指示信号，按照一定的步长，一定的速率调整电光相位调制晶体并联谐振电路26相应的阻值，使电光相位调制晶体谐振频率点发生一定变化，使之与调制信号频率相匹配。通过这样的调整，相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率值始终保持相互之间的匹配。

当调制信号频率高于相位调制器谐振频率时，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，因此主控制器单元27可根据该指示信号，按照一定的步长，一定的速率调整电光相位调制晶体并联谐振电路26相应的阻值，使电光相位调制晶体谐振频率点发生一定变化，使之与调制信号频率相匹配。通过这样的调整，相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率值始终保持相互之间的匹配。

此处提供两种主控制器单元27的实施方式，如图9、图10所示。

实施方式一：

如图9所示，电光相位调制器主控制器单元27根据反馈信号产生单元24的反馈信号来跟踪相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率之间的匹配情况，实时调整相位调制器谐振频率点。从反馈信号产生单元24的反馈信号输送到电光相位调制器主控制器单元27的D触发器中，由D触发器的时钟端(CLK端)触发输送到输出端，D触发器的输出端与从反馈信号产生单元24的反馈信号通过一个异或门电路进行异或运算，实现对调制信号频率与相位调制器谐振频率匹配状态的判断并输出运算结果到可调电阻Z₄的使能端(CS/端)，同时，从反馈信号产生单元24的反馈信号直接电连接到可调电阻Z₄的调整方向控制端(U&D/端)控制可调电阻Z₄的调整方向。可调电阻Z₄在使能端有效情况下，根据调整方向控制端(U&D/端)指示的方向，在调整端(INC/端)脉冲控制下逐步调整可调电阻Z₄的阻值。从而调整相位调制器的谐振频率值，使之与调制信号频率匹配。

实施方式二：

由于可调电阻Z₄为数字控制方式，不是连续可调的，因而可根据实际需要选用多个可调电阻串联采用多级控制，由多个不同可调电阻组成多通道串联调整，从而实现高精度大范围可调，达到提高调整精度目的。但是图9所示的方式采用多级控制方式则会增加器件数量，从而增加控制电路器件数量及版面面积，使相位调制器体积增大。

如图10所示，电光相位调制器主控制器单元27主要由可编程逻辑器件(PLD)组成，可编程逻辑器件(如FPGA芯片、单片机芯片等)能提供多路IO，可实现多通道控制。整个工作过程中，从反馈信号产生单元24的反馈信号输送到电光相位调制器主控制器单元27的可编程逻辑器件中，可编程逻辑器件采集到从反馈信号产生单元24的反馈信号并在器件内部进行相关运算之后，完成对调制信号频率与相位调制器谐振频率匹配状态的判断并输出运算结果到可调电阻Z₄的使能端(CS/端)，同时，输出相应的控制信号控制可调电阻Z₄的调整方向控制端(U&D/端)控制可调电阻Z₄的调整方向。可调电阻Z₄在使能端有效情况下，根据调整方向控制端(U&D/端)指示的方向，在调整端(INC/)脉冲控制下逐步调整可调电阻Z₄的阻值。从而调整相位调制器的谐振频率值，使之与调制信号频率匹配。

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 (6)

1.一种电光相位调制器，包括：

电光相位调制晶体，对通过该晶体的光束进行相位调制；

功率提取单元，提取输入的调制信号的功率和调制信号与相位调制器反射信号的相干信号的功率；

调制功率检测单元，将提取到的调制信号的功率转换为电压值；

相干功率检测单元，将提取到的相干信号的功率转换为电压值；

反馈信号产生单元，根据调制功率检测单元和相干功率检测单元输出的信号提供一个反馈信号，该反馈信号表征调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的匹配关系；

谐振电路，与所述电光相位调制晶体并联；

主控制器单元，采集、判断反馈信号产生单元所提供的反馈信号，并根据判断结果控制并联谐振电路的电感值，自动改变相位调制器的谐振频率点，使之与调制信号频率相匹配，相位调制器谐振频率与调制电源输出的调制信号频率值始终保持相互之间的匹配。

2.根据权利要求1所述的调制器，其中，该调制器能针对不同的调制电源设置不同的调制器谐振频率点。

3.根据权利要求1所述的调制器，其中，反馈信号产生单元是一比较单元，用于将调制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，反馈信号反应了调制信号频率与相位调制器谐振频率之间的大小关系。

4.根据权利要求3所述的调制器，其中，当调制信号频率低于相位调制器谐振频率时，反馈信号值为一个低电平；当调制信号频率高于相位调制器谐振频率时，反馈信号值为一个高电平。

5.根据权利要求1～4中任意一个所述的调制器，其中，通过调节可变电阻值改变并联谐振电路的电感值，继而改变并联谐振电路的谐振频率点。

6.根据权利要求1～4中任意一个所述的调制器，其中，还包括电光相位调制器屏蔽外壳，用于安装保护电光相位调制器内部各组成部分，并实现外部电磁干扰信号的隔离。

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