CN103730828A - 基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统，涉及精密测量和激光频率稳定技术领域。本发明通过采用电压反馈和温度反馈相结合的方式来主动控制光相位调制过程中产生的剩余幅度调制效应，以避免电压反馈信号和调制信号相互干扰的现象；同时利用温度反馈和电压反馈的优点，提高反馈系统的稳定性和可靠性，有效降低光相位调制中的剩余幅度调制。本发明结构简单，对电光晶体无特殊加工要求，易实现；可获得较宽的控制带宽，弥补了仅使用温度环路进行剩余幅度调制温度带宽很低的缺点；同时使用温度反馈控制和电压反馈控制，使得系统控制的动态范围大，锁定稳定可靠；该原理具有普遍适用性，可用于其他电光相位调制器。

Description

基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统

技术领域

本发明涉及精密测量和激光稳频技术领域，尤其涉及一种基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统。

背景技术

光学相位调制和探测技术具有极高的探测灵敏度，广泛应用于精密光谱、光频标和激光干涉等领域；其中电光相位调制是实现光学相位调制的常用手段。在电光相位调制过程中以及调制后光束的传播过程中，由于各种因素（如电光晶体双折射效应和标准具效应等）的影响导致调制后的光束会产生剩余幅度调制，该效应成为影响光学相位调制和频率或光谱探测灵敏度的一个重要因素。比如在激光的PDH稳频中，剩余幅度调制的存在会导致探测的误差信号中存在与激光频率无关的偏置电压，使探测的频率与真实频率之间存在偏差。

对于剩余幅度调制效应一般可以通过被动稳定电光调制器的环境（温度、气流和/或气压等）来降低其影响。但是在对探测灵敏度要求较高的应用中，被动的方式远不能满足要求，需要采用反馈控制的手段来主动补偿，从而降低剩余幅度调制效应的影响。

目前通用的反馈控制方式有温度反馈和电压反馈。温度反馈是通过控制晶体温度主动补偿剩余幅度调制造成的直流漂移，其优点是动态范围大，不干扰晶体调制效果；但是由于改变晶体的温度需要较长的响应时间，导致该种方式的响应速度慢，带宽低。电压反馈是通过控制施加在晶体上的电压补偿剩余幅度调制效应，其优点是响应速度快，带宽高；但是由于反馈电压与调制电压有共用极板，容易相互干扰，影响剩余幅度调制的控制效果和电光相位调制深度的稳定性。另外由于一般晶体半波电压较大，这导致电压反馈的执行动态范围小，长期锁定效果不佳。 

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

通过采用电压反馈和温度反馈相结合的方式来主动控制光相位调制过程中产生的剩余幅度调制效应，以避免电压反馈信号和调制信号相互干扰的现象；同时利用温度反馈和电压反馈的优点，提高反馈系统的稳定性和可靠性，有效降低光相位调制中的剩余幅度调制。

具体地说，本发明的结构是：

信号源和电光相位调制晶体连接，激光器、起偏器、电压反馈晶体、电光相位调制晶体、光隔离器和偏振分光棱镜依次连通，获得光的相位调制光并分成两路，一路用于剩余幅度调制主动控制，另一路用于其他实验；

从上到下，铜块、热电制冷片和热沉通过导热硅脂依次紧密固定，电压反馈晶体和电光相位调制晶体用胶粘在铜块上面，构成了剩余幅度调制主动控制的电压反馈和温度反馈的执行器件；

光电探测器探测偏振分光棱镜出来的一路光，并与混频器的射频端相连；信号源、移相器和混频器的本底振荡端依次相连，则混频器的中频端输出剩余幅度调制信号；

PI电路、积分器、温控电路和热电制冷片输入端依次连接，用于产生剩余幅度调制的温度补偿信号；

PI电路、高压放大器和电压反馈晶体依次连接，用于产生剩余幅度调制的电压反馈的制动信号。

本发明具有以下优点和积极效果：

①结构简单，对电光晶体无特殊加工要求，易实现；

②可获得较宽的控制带宽，控制频率可达kHz甚至更高，弥补了仅使用温度环路进行剩余幅度调制温度带宽很低的缺点；

③同时使用温度反馈控制和电压反馈控制，使得系统控制的动态范围大，锁定稳定可靠；

④该原理具有普遍适用性，可用于其他电光相位调制器。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；  

图中：

00—光源及光路，

01—激光器，02—起偏器，03—光隔离器，04—偏振分光棱镜；

10—电光相位调制模块，

    11—电压反馈晶体，12—电光相位调制晶体，13—铜块，

14—热电制冷片，  15—热沉；

20—探测模块，

    21—移相器，22—光电探测器，23—混频器；

30—伺服电路模块，

    31—PI电路，32—积分器，    33—温控电路，34—高压放大器。

图2是剩余幅度调制控制噪声谱；

    图中：

横轴为傅里叶频率，纵轴为噪声幅度谱密度；

1—测量仪器SR770噪声本底，

2—混频器和功分器的噪声谱，

3—系统开环时剩余幅度调制噪声谱，

4—系统闭环时剩余幅度调制噪声谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细说明：

一、总体

如图1，本装置包括光源及光路00、电光相位调制模块10、探测模块20和伺服电路模块30；

光源及光路00由激光器01、起偏器02、光隔离器03和偏振分光棱镜04组成；

电光相位调制模块10由电压反馈晶体11、电光相位调制晶体12、铜块13、热电制冷片14、热沉15和信号源16组成；

探测模块20由移相器21、光电探测器22和混频器23组成；

伺服电路模块30由PI电路31、积分器32、温控电路33和高压放大器34组成；

其连接关系是：

信号源16和电光相位调制晶体12连接，激光器01、起偏器02、电压反馈晶体11、电光相位调制晶体12、光隔离器03和偏振分光棱镜04依次连通（通过激光器01发出的激光），获得光的相位调制光并分成两路，一路用于剩余幅度调制主动控制，另一路用于其他实验；

从上到下，铜块13、热电制冷片14和热沉15通过导热硅脂依次紧密固定，电压反馈晶体11和电光相位调制晶体12用胶粘在铜块13上面，构成了剩余幅度调制主动控制的电压反馈和温度反馈的执行器件；

光电探测器22探测偏振分光棱镜04出来的一路光，并与混频器23的射频端相连；信号源16、移相器21和混频器23的本底振荡端依次相连，则混频器23的中频端输出剩余幅度调制信号；

PI电路31、积分器32、温控电路33和热电制冷片14输入端依次连接，用于产生剩余幅度调制的温度补偿信号；

PI电路31、高压放大器34和电压反馈晶体11依次连接，用于产生剩余幅度调制的电压反馈的制动信号。

其工作原理是：

①光路部分

光路部分是激光器01发出的激光依次通过起偏器02、电压反馈晶体11、电光相位调制晶体12、光隔离器03和偏振分光棱镜04；

光路部分是使用电光相位调制晶体12对光进行相位调制，并通过光隔离器03来隔离其后面器件的反射光，保证光路中没有干涉效应；

电压反馈晶体11和电光相位调制晶体12是两块不同尺寸的铌酸锂晶体；两块晶体均沿光轴方向切割，两块晶体共用下极板，上极板则相互独立，因而两块晶体上所施加的电压信号互相独立，互不干扰；两块晶体安装间隔3～5mm，且相近的两通光面呈3～5°夹角，用于避免干涉效应；电压反馈晶体11的尺寸为3×4×5mm，用于剩余幅度调制稳定中的电压反馈控制环路的执行器件；电光相位调制晶体12的尺寸为3×4×35mm，当它被信号源16驱动后可用于产生光的相位调制。

②剩余幅度调制探测部分

剩余幅度调制探测部分由信号源16、移相器21、光电探测器22和混频器23组成；

剩余幅度调制探测部分的工作原理是利用光电探测器22将光信号转化为电信号，再利用混频器23对其进行解调，其中解调的本地振荡由信号源16经过移相器21移相后的信号提供。

③剩余幅度调制的温度反馈环路

剩余幅度调制的温度反馈环路由PI电路31、积分器32、温控电路33和热电制冷片14输入端依次连接组成；

其工作原理是利用晶体的折射率随温度变化从而降低剩余幅度调制，其优点是控制的动态范围较大，可以有效地补偿电压反馈环路在动态范围上的不足；由于温度控制是一个缓慢的过程，其控制带宽很窄，因而需对其进行多次积分滤波后再输入到执行器的热电制冷片14中。

④剩余幅度调制的电压反馈环路

剩余幅度调制的电压反馈环路由PI电路31、高压放大器34和电压反馈晶体11依次连接组成；

其工作原理是将探测到的剩余幅度调制信号经过PI电路31和高压放大器34进行放大滤波后加载在电压反馈晶体11的极板上，使通过晶体的光束沿晶体两光轴方向的分量产生一定的相位变化，从而抵消由电光相位调制晶体12在相位调制中产生的剩余幅度调制效应。

二、功能部件

0、光源及光路00

光源及光路00构成了系统的主要光路部分，其功能在于为装置提供光源，同时避免光路之间形成干涉，和输出光分束分别用于剩余幅度调制稳定和其他实验所需。

所述的激光器01是一种通用的激光器，如选用Nd：YAG激光器。

所述的起偏器02是一种格兰泰勒棱镜，用于过滤透过光束的偏振态，使透过光束为线偏振光，本装置中透过光束的偏振方向与电光晶体主轴夹角为2～3度。

所述的光隔离器03是一种普通的光隔离器，用于隔离反向传播的光束，如其他器件的反射光束或者杂散光，避免反射光束干扰与晶体界面形成干涉，干涉调制信号；光隔离器03的隔离度为30dB。

1、电光相位调制模块10

电光相位调制模块10包含的电光相位调制晶体12以及剩余幅度调制的温度反馈环路和电压反馈环路是反馈控制的执行器件热电制冷片14和电压反馈晶体11，其功能在于对光进行相位调制和电信号到光信号的转化。

前述，电光相位调制模块10连接了系统的电路部分（包括剩余幅度调制的温度反馈环路与电压反馈环路）和光路部分，是系统的电信号到光信号的转化模块。

所述的电压反馈晶体11和电光相位调制晶体12都是通用的铌酸锂晶体。

所述的热电制冷片14是一种通用的热电制冷片TEC。

2、探测模块20

剩余幅度调制探测部分由信号源16和探测模块20组成，连接了光源及光路00和探测模块20，用于将光信号转化为电信号并从中解调出剩余幅度调制信号。

探测模块20由移相器21、光电探测器22和混频器23组成，移相器21和光电探测器22分别与混频器23连接。

所述的移相器21是一种通用的有源移相电路，延迟相位可以在0～180度之间连续调整。

所述的光电探测器22是通用的光电转换电路，其响应带宽大于相位调制的频率。

所述的混频器23为一种通用的无源混频器，如选用SRA-1-1，本地振荡端口输入解调功率为-6dBm，电压转换系数为0.8。

3、伺服电路模块30

伺服电路模块30是剩余幅度调制的温度反馈环路和电压反馈环路的主要组成部分。

PI电路31将接收到剩余幅度调制信号（混频器23的输出）进行放大滤波后分别送给温度反馈环路中的积分器32和电压反馈电路中的高压放大器34；积分器32对信号进行进一步的滤波和放大后反馈给温控电路33对电光相位调制晶体12进行温度控制，稳定系统的直流工作点；高压放大器34对PI电路31的输出信号也进行进一步的放大，用于驱动电压反馈晶体11，产生补偿的执行信号，在较宽的带宽范围内对剩余幅度调制进行补偿。

所述的PI电路31是一种通用的比例积分电路。

所述的积分器32是一种通用的积分电路，具有很长的积分时间。

所述的高压放大器34是由高压运放芯片构成的通用的反相放大器，放大倍数为-20，为电压反馈晶体提供驱动电压。

三、实际测量所得到的结果如下：

图2显示了本装置的方案后，闭环控制前后的剩余幅度调制的噪声谱。其中曲线1为测量仪器SR770噪声本底，曲线2是本测试实例中所使用混频器和功分器的噪声，曲线3是系统开环运转时的剩余幅度调制噪声谱，曲线4是系统闭环控制后的环内探测的剩余幅度调制噪声谱。

从图中可以看出反馈控制系统在500Hz以下具有很明显的压制效果，尤其是在0.1Hz以前有100倍的压制效果，其压制后的噪声谱可以接近测量仪器的噪声本底，达到仪器所能测量的极限。

Claims (1)

1.一种基于双电光相位调制晶体的剩余幅度调制主动控制系统，其特征在于：

信号源（16）和电光相位调制晶体（12）连接，激光器（01）、起偏器（02）、电压反馈晶体（11）、电光相位调制晶体（12）、光隔离器（03）和偏振分光棱镜（04）依次连通，获得光的相位调制光并分成两路，一路用于剩余幅度调制主动控制，另一路用于其他实验；

从上到下，铜块（13）、热电制冷片（14）和热沉（15）通过导热硅脂依次紧密固定，电压反馈晶体（11）和电光相位调制晶体（12）用胶粘在铜块（13）上面，构成了剩余幅度调制主动控制的电压反馈和温度反馈的执行器件；

光电探测器（22）探测偏振分光棱镜（04）出来的一路光，并与混频器（23）的射频端相连；信号源（16）、移相器（21）和混频器（23）的本底振荡端依次相连，则混频器（23）的中频端输出剩余幅度调制信号；

PI电路（31）、积分器（32）、温控电路（33）和热电制冷片（14）输入端依次连接，用于产生剩余幅度调制的温度补偿信号；

PI电路（31）、高压放大器（34）和电压反馈晶体（11）依次连接，用于产生剩余幅度调制的电压反馈的制动信号。

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