CN103954369B - 一种电控相移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电控相移系统及方法，包括光谱产生模块、光谱监测模块、Sagnac光路、光信号调制器和射频信号发生器，所述Sagnac光路设有光信号输入端口、干涉光信号端口、光信号端口一和光信号端口二，所述Sagnac光路的光信号输入端口连接所述光谱产生模块，所述Sagnac光路的干涉光信号端口连接所述光谱监测模块，所述Sagnac光路的光信号端口一与所述Sagnac光路的光信号端口二之间串联所述光信号调制器，所述射频信号发生器与所述光信号调制器连接。本发明通过所述射频信号发生器输出频率的微小改变，在不改变所述Sagnac光路的干涉光信号端口输出的干涉信号光谱形状的情况下，改变其初始相位，因而可以实现快速、无机械运动、无偏振态变化的电可控光谱相移。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术测量领域，具体涉及一种电控、高精度的相移方法。
背景技术
光学相位测量作为一种高精度测量技术，被广泛应用于许多科学研究和工程应用领域。高精度的相位测量方法，是现代光学相位测量技术中的主要任务之一，由于光波的振动频率高达1014GHz，任何探测器都难以直接测量光相位及其变化，用双光束或多光束干涉方法，可以把参与干涉的光波之间的相位变化转换为强度随时间或空间缓慢变化的干涉谱，通过对干涉谱的测量和分析得到光波的相位或相位变化。
目前，提取干涉谱的相位通常有两种方式:方式一是对单幅干涉场通过预处理、极值点寻找、极值点判断、去噪补断、条纹级数确定、差值拟合等一系列步骤来提取相位信息；方式二是通过对干涉条纹的相位控制，得到多组不同初始相位的干涉谱，采用N步相移法、施密特正交化法等方法提取相位信息。然而，方式一由于一幅干涉谱中存在很多不确定的因素，导致提取相位的精度不高，一般只能达到1/10个条纹周期以内；方式二可以得到更高的相位提取精度，但对于干涉条纹的相位控制，需要有高精度的相移执行装置，如：PZT移动反射镜法、移动衍射光栅法、选择波片法、调谐LD法、液晶相移法、电光晶体法等，其中PZT移动反射镜法是目前使用最多的方法，通过PZT带动反射镜移动，人为的引入光程差，从而改变干涉条纹的初始相位。这种方法，受限于PZT位移的线性性，相位的变化是非线性的。同时，由于有空间光路的调整系统相对而言较复杂，且运行速度低，使得该方法易于受外界因素影响，造成光信号偏振态的改变，导致光谱形状的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以快速、无机械运动、无偏振态变化、电可控的光谱相移方法，应用于Sagnac光路中。
一种电控相移系统，包括光谱产生模块、光谱监测模块、Sagnac光路、光信号调制器和射频信号发生器，
所述光谱产生模块，用于产生光信号且将该光信号传输至所述Sagnac光路；
所述光谱监测模块，用于监测所述Sagnac光路中两路光信号发生干涉的频谱；
所述Sagnac光路，用于将所述光谱产生模块产生的光信号分解成两路光信号，并使两路光信号发生干涉，所述Sagnac光路设有光信号输入端口、干涉光信号端口、光信号端口一和光信号端口二，所述Sagnac光路的光信号输入端口连接所述光谱产生模块，所述Sagnac光路的干涉光信号端口连接所述光谱监测模块，所述Sagnac光路的光信号端口一与所述Sagnac光路的光信号端口二之间串联所述光信号调制器，所述射频信号发生器与所述光信号调制器连接；所述光信号调制器，用于对产生干涉的两路光信号进行调制；
所述射频信号发生器，用于产生调制信号。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步有技术方案是，所述Sagnac光路包括光纤耦合器和相位差产生模块，
所述光纤耦合器的端口一为所述Sagnac光路的光信号输入端口；
所述光纤耦合器的端口二为所述Sagnac光路的干涉光信号端口；
所述光纤耦合器的端口三串联所述相位差产生模块后的端口为所述Sagnac光路的光信号端口一；
所述光纤耦合器的端口四为所述Sagnac光路的光信号端口二。
进一步有技术方案是，所述相位差产生模块为能够产生色散的光波导。
基于上述一种电控相移系统的相移方法，它的实现过程如下:
所述光谱产生模块产出一路光信号Ein(t)经光纤耦合器的端口一进入所述Sagnac光路；
所述光信号Ein(t)经所述光纤耦合器后被分解成两路光信号Eout3和Eout4，所述光信号Eout3从所述光纤耦合器的端口三输出，所述光信号Eout4从所述光纤耦合器的端口四输出；
一路光所述光信号Eout3经过相位差产生模块和光信号强度调制器后进入光纤耦合器的端口四，
另一路光所述光信号Eout4经过光信号强度调制器和相位差产生模块后进入光纤耦合器的端口三；
两路光信号Eout3和Eout4在光纤耦合器中发生干涉，干涉信号通过光纤耦合器的端口二进入光谱监测模块；
所述相位差产生模块的光传播常数为β(ω)，在ω＝ω0处，对β(ω)展开为：
其中，β0＝β(ω0),β1＝τg(ω0),
以上公式中τg为群延时，D为群延时色散，S为频谱能量；
当群延时色散一定时，并且ωRF＜10GHz，则干涉光谱的相位表达式与射频信号发生器产生的射频信号ωRF之间的表达式为：
其中L为相位差产生模块的光学长度；
从公式中可以看出，前半部分反映干涉条纹的形状，而代表条纹的初始相位；
当ωRF做非常小的变化时，由于L的存在，则的变化比较剧烈，当ΔωRF≤ωRF时，色散条纹的形状不发生改变，相位的改变量为：
从而对ωRF做微小的频移，可以改变干涉条纹的相位，即通过对所述射频信号发生器输出频率的微小改变来改变所述Sagnac光路的用作干涉光信号端口的端口二输出的干涉信号的初始相位，实现光谱相移。
附图说明
图1为本发明一种电控相移系统的示意图；
图2为本发明一种电控相移系统以60Km G.652光纤作为相位差产生模块时的干涉光谱图；
图3为本发明一种电控相移系统以60Km G.652光纤作为相位差产生模块时以π/10为间隔均匀移相25次得到的25组干涉光谱图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、光谱产生模块，2、光谱监测模块，3、Sagnac光路，4、光信号调制器，5、射频信号发生器，31、光纤耦合器，32、相位差产生模块，31_1、光纤耦合器的端口一，31_2、光纤耦合器的端口二，31_3、光纤耦合器的端口三，31_4、光纤耦合器的端口四。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种电控相移系统，包括光谱产生模块1、光谱监测模块2、Sagnac光路3、光信号调制器4和射频信号发生器5，
所述光谱产生模块1，用于产生光信号且将该光信号传输至所述Sagnac光路3；
所述光谱监测模块2，用于监测所述Sagnac光路3中两路光信号发生干涉的频谱；
所述Sagnac光路3，用于将所述光谱产生模块1产生的光信号分解成两路光信号，并使两路光信号发生干涉，所述Sagnac光路3设有光信号输入端口、干涉光信号端口、光信号端口一和光信号端口二，所述Sagnac光路3的光信号输入端口连接所述光谱产生模块1，所述Sagnac光路3的干涉光信号端口连接所述光谱监测模块2，所述Sagnac光路3的光信号端口一与所述Sagnac光路3的光信号端口二之间串联所述光信号调制器4，所述射频信号发生器5与所述光信号调制器4连接；
所述光信号调制器4，用于对产生干涉的两路光信号进行调制；
所述射频信号发生器5，用于产生调制信号。
所述Sagnac光路3包括光纤耦合器31和相位差产生模块32，
所述光纤耦合器31的端口一31_1为所述Sagnac光路3的光信号输入端口；
所述光纤耦合器31的端口二31_2为所述Sagnac光路3的干涉光信号端口；
所述光纤耦合器31的端口三31_3串联所述相位差产生模块32后的端口为所述Sagnac光路3的光信号端口一；
所述光纤耦合器31的端口四31_4为所述Sagnac光路3的光信号端口二。
所述相位差产生模块32为能够产生色散的光波导。
基于一种电控相移系统的相移方法，它的实现过程如下:
光谱产生模块1产出一路电场为Ein(t)的光信号经光纤耦合器31的端口一31_1进入Sagnac光路3；
所述光信号Ein(t)经所述光纤耦合器31后被分解成两路时域分别为Eout3和Eout4的光信号，所述光信号Eout3从所述光纤耦合器31的端口三31_3输出，所述光信号Eout4从所述光纤耦合器31的端口四31_4输出，
一路所述光信号Eout3经过相位差产生模块32和光信号强度调制器4后进入光纤耦合器31的端口四31_4，
另一路所述光信号Eout4经过光信号强度调制器4和相位差产生模块32后进入光纤耦合器31的端口三31_3；
两路光信号Eout3和Eout4在光纤耦合器31中发生干涉，干涉信号通过光纤耦合器31的端口二31_2进入光谱监测模块2；
所述相位差产生模块32的光传播常数为β(ω)，在ω＝ω0处，对β(ω)展开为：
其中，β0＝β(ω0),β1＝τg(ω0),
以上公式中τg为群延时，D为群延时色散，S为频谱能量；
当群延时色散一定时，并且ωRF＜10GHz，则干涉光谱的相位表达式与射频信号发生器5产生的射频信号ωRF之间的表达式为：
其中L为相位差产生模块的光学长度；
从公式中可以看出，前半部分反映干涉条纹的形状，而代表条纹的初始相位；
当ωRF做非常小的变化时，由于L的存在，则的变化比较剧烈，当ΔωRF≤ωRF时，色散条纹的形状不发生改变，相位的改变量为：
从而对ωRF做微小的频移，可以改变干涉条纹的相位，即通过对所述射频信号发生器5输出频率的微小改变来改变所述Sagnac光路3的用作干涉光信号端口的端口二31_2输出的干涉信号的初始相位，实现光谱相移。
如：以60Km G.652光纤作为相位差产生模块为例，为观察到明显的干涉条纹，ωRF设置为500MHz，干涉条纹如图2所示；当对射频信号发生器5做间距137Hz的频移20次，可以使干涉条纹相移一个周期以上(约2.5π)，如图3所示。选定的射频信号发生器5的最小移频间隔为5Hz，因而可以移频超过500次使光谱相位相移一个周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电控相移方法，其特征在于，该方法基于一种电控相移系统，所述电控相移系统包括光谱产生模块(1)、光谱监测模块(2)、Sagnac光路(3)、光信号调制器(4)和射频信号发生器(5)；
所述光谱产生模块(1)，用于产生光信号且将该光信号传输至所述Sagnac光路(3)；
所述光谱监测模块(2)，用于监测所述Sagnac光路(3)中两路光信号发生干涉的频谱；
所述Sagnac光路(3)，用于将所述光谱产生模块(1)产生的光信号分解成两路光信号，并使两路光信号发生干涉，所述Sagnac光路(3)设有光信号输入端口、干涉光信号端口、光信号端口一和光信号端口二，所述Sagnac光路(3)的光信号输入端口连接所述光谱产生模块(1)，所述Sagnac光路(3)的干涉光信号端口连接所述光谱监测模块(2)，所述Sagnac光路(3)的光信号端口一与所述Sagnac光路(3)的光信号端口二之间串联所述光信号调制器(4)；
所述光信号调制器(4)与所述射频信号发生器(5)连接，所述光信号调制器(4)，用于对产生干涉的两路光信号进行调制；
所述射频信号发生器(5)，用于产生调制信号；
其中，所述Sagnac光路(3)包括光纤耦合器(31)和相位差产生模块(32)，
所述光纤耦合器(31)的端口一(31_1)为所述Sagnac光路(3)的光信号输入端口；
所述光纤耦合器(31)的端口二(31_2)为所述Sagnac光路(3)的干涉光信号端口；
所述光纤耦合器(31)的端口三(31_3)串联所述相位差产生模块(32)后的端口为所述Sagnac光路(3)的光信号端口一；
所述光纤耦合器(31)的端口四(31_4)为所述Sagnac光路(3)的光信号端口二；
所述方法的实现过程如下:
光谱产生模块(1)产出一路光信号Ein(t)经光纤耦合器(31)的端口一(31_1)进入Sagnac光路(3)；
所述光信号Ein(t)经所述光纤耦合器(31)后被分解成两路光信号Eout3和Eout4，所述光信号Eout3从所述光纤耦合器(31)的端口三(31_3)输出，所述光信号Eout4从所述光纤耦合器(31)的端口四(31_4)输出，
一路所述光信号Eout3经过相位差产生模块(32)和光信号强度调制器(4)后进入光纤耦合器(31)的端口四(31_4)，
另一路所述光信号Eout4经过光信号强度调制器(4)和相位差产生模块(32)后进入光纤耦合器(31)的端口三(31_3)；
两路光信号Eout3和Eout4在光纤耦合器(31)中发生干涉，干涉信号通过光纤耦合器(31)的端口二(31_2)进入光谱监测模块(2)；
所述相位差产生模块(32)的光传播常数为β(ω)，在ω＝ω0处，对β(ω)展开为：
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其中，
以上公式中τg为群延时，D为群延时色散，S为频谱能量；
当群延时色散一定时，并且ωRF＜10GHz，则干涉光谱的相位表达式与射频信号发生器(5)产生的射频信号ωRF之间的表达式为：
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从公式中可以看出，前半部分反映干涉条纹的形状，而代表条纹的初始相位；
当ωRF做非常小的变化时，由于L的存在，则的变化比较剧烈，当ΔωRF≤ωRF时，色散条纹的形状不发生改变，相位的改变量为：
从而对ωRF做微小的频移，可以改变干涉条纹的相位，即通过对所述射频信号发生器(5)输出频率的微小改变来改变所述Sagnac光路(3)的用作干涉光信号端口的端口二(31_2)输出的干涉信号的初始相位，实现光谱相移。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20180528 Address after: 266000 Tokyo Road, bonded port area, Qingdao, Shandong Province, No. 52 Patentee after: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 430074 Wuhan 601 high tech Development Zone, East Lake, Hubei, No. 3, No. 3, A4 District, Longshan Innovation Park, the future city. Patentee before: WUHAN HONGTUO NEW TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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Denomination of invention: An electronically controlled phase shift method Effective date of registration: 20230303 Granted publication date: 20170825 Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch Pledgor: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980033984 |
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Granted publication date: 20170825 Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch Pledgor: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980033984 |
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Denomination of invention: A Method of Electric Control Phase Shift Granted publication date: 20170825 Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch Pledgor: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980006053 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20170825 Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch Pledgor: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980006053 |
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Denomination of invention: A method of electrically controlled phase shift Granted publication date: 20170825 Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch Pledgor: QINGDAO FREE TRADE LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980040985 |