CN104204843A - 电光距离测量装置 - Google Patents

Abstract

一种距离测量装置，包括发射光的光源（101）以及此类集成电光调制器（21、22、23），其被布置成使得发射光在被从距离测量装置发射之前在第一方向上通过电光调制器（21、22、23）的光学波导，并且在被从目标反射之后在与第一方向相反的第二方向上通过电光调制器（21、22、23）。电光调制器（21、22、23）的调制区（17）的正向电光响应与反向电光响应相同，并且调制的重心与调制频率无关。

Description

电光距离测量装置

技术领域

本发明涉及如在对应独立权利要求的前序中所述的电光距离测量装置。

背景技术

从例如EP 0 205 406、EP 0 313 518、EP-A-1 647 838、WO 97/18486和EP专利申请号10 405 078知道相关距离测量装置。所述申请的内容被整体地通过引用并入以便阐明用于绝对距离测量的Fizeau方法的运行。US 3,424,531描述了使用光调制器的距离测量装置，其将光透射开启和关闭，类似于旋转的齿轮。

图1示意性地示出了根据现有技术的用于测量绝对距离的距离测量装置：光源101通常在可见光或红外范围内发射光，具有中心波长λ，源的谱宽Δλ是足够宽的，以便确保低相干性光发射。由宽带源101发射的平行光束照亮偏振射束分离器102，其确保用于发射射束中的一个的线性偏振状态。偏振射束通过在相对侧具有电极104的电光晶体103。入射光束被以45°偏振至电光晶体103的主轴，称为慢（非寻常）和快（寻常）轴，分别地具有不同的折射率n_e＞n_o。从在入射光场的正交轴上的投影引起的两个波在其之间具有90°偏振角的情况下在电光晶体103中传播。所述电极104允许施加平行于电光晶体103的主结晶轴中的一个的电场。由信号源108生成具有频率f的正弦电信号并将其施加于电极104。此电场生成晶体的慢和快光轴之间的折射率差的修改。因此在两个正交波之间引入相位调制。相对于慢轴as和快轴af的调制指数的值取决于用于所考虑的晶体取向的电光系数r、分别地慢轴和快轴的折射率的立方、电极之间的距离间隙、晶体长度和光波长以及电信号的电压振幅。由小箭头来指示沿着光路径的一个或多个偏振方向。

在电光晶体103的输出端处，将四分之一波片105在其轴相对于电光晶体103的主轴以45°定向的情况下放置。光束在通过四分之一波片105之后沿着要测量的距离传递而到达目标。拐角反射镜106或其它反射元件被固定到目标，其将光反射回到光源。在第二次通过四分之一波片105之后，回光的两个正交波旋转90度并第二次穿过电光晶体103，现在是在相反的方向上。现在沿着快轴调制第一次沿着慢轴调制的波，同时现在沿着慢轴调制第一次沿着快轴调制的波。光所经历的调制对于在正向和反向方向上传递的光而言是相同的，但是在其到目标和返回的路上被延迟波的飞越时间。回光和发射光的一部分然后在第二起偏器输出端口处被重组。两个结果线性波现在可以相干涉。根据该干涉在振幅方面被调制的结果射束被光接收机107捕捉。

因此，基本上，生成来自激光器或来自宽带光源的光束并由聚焦光学单元引导到偏振射束分离器上以便使光线性偏振，并且随后被电光调制器、λ/4延迟器和出口光学单元引导到测量路径上。沿着测量路径返回的光通过所述的元件直到偏振射束分离器，并被后者引导到检测器上。评估单元用于基于检测器信号来确定测量路径的长度。

在本上下文中相关的是在这种方法中在调制器中对输出和返回测量光进行调制。通过所述调制的频率的变化，确定所检测测量光束的最小强度（或基本上同义地，强度的导数的零点交叉）。根据最小频率来确定测量装置与后向反射器或半合作目标之间的测量路径的长度。半合作目标例如通过漫反射而沿着入射光的方向返回入射光的至少一部分。

基于Fizeau原理（Fizeau-priciple）的当前实现的距离测量装置使用具有展示出Pockels效应的大块晶体的电光调制器。为了达到全调制所要求的几个100V（在～1mm的晶体宽度以上）的电压，调制器需要～1W的电驱动功率，并且将晶体被放置在电谐振器中。设置特别的调制频率要求谐振器的机械调谐，因此限制测量速率（至例如20 Hz）。

期望的是通过使用距离测量装置中的集成光学调制器来加速测量。然而，由于距离测量装置的测量原理要求光在相反的方向上两次通过调制器，所以已知单通过调制器是不合适的。

发明内容

因此本发明的目的是使用由输出和返回光穿过的集成光学调制器来创建距离测量装置。

本发明的进一步的目的是创建具有电光调制器的距离测量装置，该电光调制器可以以与已知调制器相比较低的调制电压和较低的功率消耗来操作。

这些目的由根据权利要求1所述的距离测量装置实现。

电光距离测量装置因此包括集成电光调制器，其转而包括非线性光学材料的光学波导以及行波电极，该行波电极被布置成当向电极施加电压时在波导的调制区中生成（行进）电场，从而对通过波导的光的相位进行调制。其中

调制区的正向电光响应与反向电光响应相同（换言之，对在一个方向上通过调制器和在相反方向上通过的光的影响（诸如相移）是相同的）。

在实施例中，所使用调制频率范围内的电光响应具有（例如低通或带通）特性。在实施例中，这意味着在125 MHz以上的带宽上面，电光响应的损耗小于25%，并且在125 MHz以上的带宽上面，电光响应变化小于25%。

这允许其中两个光束在相反的方向上通过调制器的应用中使用该调制器，且其中重要的是，以本质上相同的方式用高频（例如在GHz范围内）来调制两个射束。

注意：“带通特性”如一般已知的那样意指当向电极线施加DC电压时电光响应本质上是零，并且其中增加的频率上升至最大值且然后再次下降至少一次。类似地，“低通特性”意指电光响应在向电极线施加DC电压时本质上处于其最大值（“初始最大值”），并且其中增加的频率连续地下降，或者针对所有频率或仅达到特别的频率，在该特别的频率下其在其再次上升至另一最大值、通常至低于初始最大值的水平且再次下降之后到达最小值。此下降和上升本身可针对增加的频率进行重复，通常具有减小的最大值高度。

注意：光学波导是在光谱中引导电磁波的物理结构。普通类型的光学波导包括光纤和矩形波导。在光学波导中，光的仅有选择模式可沿着波导的长度传播，因为波导的横向尺寸（亦即，与波导的长度正交的尺寸，光沿着该波导长度传播）在光的几个波长范围内。

与此相反，在大块晶体或体积晶体中，横向尺寸显著大于光的波长或通过晶体的光束的直径，并且光的不同模式的传播不受晶体尺寸的影响。根据晶体的类型，光当然可受晶体的其它性质（反射、色散等）的影响。不同于波导，大块晶体或体积晶体不具有光引导功能。

在用具有非常小的波导和电极分离的此类集成光学调制器，因此以仅几伏的调制电压达到全调制所需要求的场强，导致驱动功率的急剧下降且不再需要外部谐振器及其耗时的机械调谐。

在实施例中，调制的重心与调制频率无关。调制的重心是沿着波导的点。其位置y _COG 被限定为每单位长度相位调制a与位置y的乘积在沿着波导的位置上面的积分除以相位调制在沿着波导的位置上面的积分。亦即

其中，y1和y2是沿着波导轴Y的调制区的起始和结束位置。结果，调制重心将波导划分成两个区段，两个区段中的光的总调制是相同的（一个区段中的总调制是沿着该区段的调制的积分）。

距离测量装置包括电光调制器。这允许距离测量装置在高测量速率下以高准确度和低功耗执行。

在实施例中，距离测量装置包括发射光的光源，其中电光调制器被布置在距离测量装置中，使得由光源发射的光在被从距离测量装置发射之前在第一方向上通过电光调制器，并且此类发射光在被从在距离测量装置外部的目标反射之后在与第一方向相反的第二方向上通过电光调制器。

在实施例中，调制区包括第一子区和第二子区且电极线能够对在一个方向上通过第一子区的光实现与在相反方向上通过第二子区的光相同的调制。

影响调制区的来自两个线区段的电场的叠加导致波导中的电场，其像驻波一样振荡，沿着线的长度是对称的，这转而引起对称光学响应。

在实施例中，电极包括第一分支和第二分支以及两个分支之间的中点，其中，电极在被连接到电微波信号源时能够在波导中生成相对于中点对称的电场分布。

结果，在一个方向上沿着调制区段的长度通过波导的光经历与同时在相反方向上通过的光相同的总相移（其是沿着调制区段的时间相关和位置相关的电压引起的相移的积分）。换言之，正向电光响应与反向电光响应相同。

关于分支的电气性质的此类对称配置允许在光学电路中的光的正向和反向传播方向上得到相同的电光响应。可以由分支的几何对称来获得关于电气性质的对称配置。

因此，在实施例中，包括第一和第二分支的电极线的形状相对于中点是对称的。电极线的形状可以相对于通过中点且垂直于波导的平面是镜像对称的。替换地，电极线的形状可以围绕着通过中点且垂直于电极线所在的平面的轴而具有旋转对称。

在实施例中，与波导和电极线被布置在该处的表面（顶面）相对的基板的底面并不平行于顶面，或者换言之，该底面相对于相对的顶面是倾斜的（楔形形状）。基板因此具有楔形的一部分的形状。这减少或消除了可由于压电效应而出现在基板中的声学谐振。

总而言之，电光调制器包括以下特征中的一个或多个：

● 双折射电光晶体。　

● 寻常和非寻常轴与光的传播方向正交。　

● 光的传播方向平行于寻常轴中的一个。　

● 对称构造允许在光学电路中的光的正向和反向传播方向上得到相同的电光响应。

附图说明

在下文中将参考在附图中图示的优选示例性实施例来更详细地解释本发明的主题，附图示意性地示出了：

图1　用于测量绝对距离的光学距离测量装置的结构；

图2a、2b　在距离测量装置中测量的信号的频率相关性；

图3a、3b　具有对称电极的集成相位调制器；以及

图4　图3的调制器的电光相位调制的振幅的频率响应。

原则上，在图中为相同的部分提供相同的附图标记。

具体实施方式

惯例：相位调制器使用电光晶体。调制指数将限定所谓的半波电压Vπ。该半波电压是电光调制器的特性且对应于需要被施加于晶体以便以π弧度修改透射光的光学相位的电压。

电光调制器的导波配置如下：在晶体表面中对笔直光学波导进行成形，允许将光限制在小的通道中，其截面在宽度和高度方面为几微米。共面电极被布置在波导附近，其具有几微米的间隙，允许向波导施加强电场。可以将半波电压减小至几伏，比用于大块晶体调制器的半波电压小得多。

由于此低压配置，采用例如铌酸锂的导波调制器能够在非常高的频率下工作。由共面波导（CPW）微波线制成的特殊行波电极允许得到在波导中传播的光波与在CPW线中传播的微波之间的相位匹配条件，两个波都在相同的方向上且以相同的速度行进。一般地，在高速行波集成光学调制器中，微波电信号被调制器的一侧馈送到CPW线的输入条，其接近于波导的光学输入端。微波线的末端被设置在光学波导输出端附近。

通过使用如图1中的测距仪布置中的集成相位调制器，可以示出的是，作为调制频率的函数的光接收机107的输出端处的平均电功率P(f)的形状类似于图2a中所示的曲线。主要性质是P(f)的零保持在适当的位置。理想地，曲线是对称的，这是用于距离测量的前提，所述距离测量需要确定曲线的零点。在用于确定零点的一个方法中，不是确定零点本身，而是确定到零点的左侧和右侧的具有相同功率P(fka)=P(fkb)的两个点。通过假设曲线的对称性，然后将零点的频率计算为(fka+fkb)/2。然而，根据微波电极的几何和物理性质，零点周围的曲线的形状可变成不对称的。这在图2b中示出。这转而使距离测量失真。在用准则P(fka)=P(fkb)的情况下，不对称能够引起结果(fka+fkb)/2不同于正确的fk，从而在绝对距离L的确定中引入误差。

此外，可以举例说明如果仅仅由电极线的中间来对电极进行馈送，P(f)变成等于零，并且针对光的正向和反向传播方向两者恢复调制器的响应的完美对称性。此外，调制的重心保持在相同位置处，与调制频率无关。

可能的设计因此是由设置在电极的精确中心处的输入电条对两个平行线进行馈送，从而向装置产出完美对称性，所述装置响应完全独立于光的传播方向。

图3a在顶视图中且图3b在截面图中示出了具有此类对称电极的此类集成相位调制器：在衬底21中，嵌入了波导22，并且共面电极对23被布置成向波导22施加场。由输入条24或第一接触区段从例如信号发生器26对电极对23中的一个电极进行馈送，由输出条25或第二接触区段将另一电极连接到例如终止电阻器布置27。

电极23包括第一分支3a和第二分支3b。这些分支3a、3b两者都在第一和第二接触区段处开始，即在输入条24和输出条25（两者都是例如微条类型的）处开始，但是在相反方向上沿着波导22延伸。分支3a、3b中的每一个包括在一端处被连接到输入条24且沿着波导22行进的第一电极区段11以及在一端处被连接到输出条25且沿着波导22行进的第二电极区段12。可以将第一和第二电极区段11、12相对于波导22对称地布置。分支3a、3b中的每一个在对应分支端点9a、9b处结束。输入条24被电连接到信号发生器26且由其进行供电，输出条25被电连接到终止元件，诸如电阻器27，其阻抗可以与电极的特性阻抗匹配。输入条24和输出条25位于沿着电极的长度的中点16处且优选地被对称地成形且每一个被T型耦合器8分别地附着于第一线区段11和第二线区段12的开头。

电极23为电光调制响应提供低通滤波器特性且因此并不理想地适合于在高频（例如在GHz范围内）下工作。可通过缩短电极长度来将此效果减小至有限程度，但是这转而增加所要求的半波电压Vπ。

电极分支3a、3b上的电信号在分支3a、3b附近生成电场。其中此场影响沿着波导22通过的光的波导22的区段应称为调制区17。其长度本质上是沿着波导22的电极的长度，换言之，第一和第二分支3a、3b的延伸部分的和。针对每一个分支3a、3b，两个区段11、12的电场被叠加，结果叠加或总场影响调制区17。第一分支3a影响调制区17的第一子区17a中的光，第二分支3b影响调制区17的第二子区17b中的光。在本申请中呈现的实施例中，电极长度本质上等于调制区17的长度，并且每一个分支3a、3b的延伸部分等于对应子区17a、17b的长度。

图3b示出了沿着图3a的集成相位调制器的XZ平面的截面。除已经描述的元件之外，此图示意性地示出了与携带电极线的面相对且具有倾斜或楔形表面的底面15。这消除或至少减少了当向电极23施加电信号时可生成的声学谐振。

图4示意性地示出了电光相位调制Df(f)的振幅的频率响应：施加于在波导22中传播的光波的相位调制的振幅遵循低通函数。也就是说，振幅在零的频率下具有其最大值，对于非零频率而言具有较低值，并且单调地下降至某个频率，然后其重复地再次上升和下降，但是仅仅达到随着频率增加而一个接一个地减小的最大值。给定调制器且特别是电极的几何结构，可以模拟频率响应。相反，给定关于频率响应的特定要求，诸如关于特定频率范围内的响应的平坦度的条件，设计调制器且特别是电极的尺寸是简单的。

利用如在前述内容中提出的集成调制器的距离测量装置优选地具有类似于图1的距离测量装置的结构且像其一样操作，但是大块电光晶体103替换集成调制器21、22、23，如本文所述。

在实施例中，微波信号的中心频率例如在2和3 GHz之间的范围内。调制带宽例如在几百MHz的范围内。这很适合于距离测量应用。

虽然在本实施例中已描述了本发明，但应清楚地理解的是本发明不限于此，而是可在权利要求的范围内而另外不同地体现和实施。例如，虽然到目前为止所示的实施例使用被连接到输入条的单个源极和被连接到输出端的终止电阻，但替换实施例可以具有广义阻抗或被连接到输出端的第二源极。

Claims (13)

1.一种包括电光调制器的电光距离测量装置，其特征在于所述电光调制器是集成电光调制器，其包括非线性光学材料的光学波导（22）和电极（23），所述电极（23）被布置成当向电极（23）施加电压时在所述波导（22）的调制区（17）中生成电场，且从而对通过波导（22）的光的相位进行调制，并且其中 

调制区（17）的正向电光响应与反向电光响应相同。

2.权利要求1所述的距离测量装置，其中，所述调制区（17）的电光响应具有平坦特性。

3.权利要求1或2所述的距离测量装置，其中，所述调制区（17）的电光响应具有低通特性。

4.权利要求1或2所述的距离测量装置，其中，所述调制区（17）的电光响应具有带通特性。

5.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，包括发射光的光源（101），所述电光调制器被布置在所述距离测量装置中，使得由所述光源（101）发射的光在被从所述距离测量装置发射之前在第一方向上通过所述电光调制器，并且此类发射光在被从在距离测量装置外部的目标反射之后在与所述第一方向相反的第二方向上通过所述电光调制器。

6.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，其中，所述调制的重心与调制频率无关。

7.权利要求6所述的距离测量装置，其中，调制的重心将波导划分成两个区段，其中两个区段中的所述光的总调制是相同的。

8.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，其中 

调制区（17）包括第一子区（17a）和第二子区（17b），且电极（23）能够对在一个方向上通过所述第一子区（17a）的光实现与在相反方向上通过所述第二子区（17b）的光相同的调制。

9.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，其中，所述电极（23）包括第一分支（3a）和第二分支（3b）以及两个分支之间的中点（16），其中，所述电极（23）能够在被连接到电微波信号源时在波导（22）中生成相对于所述中点（16）对称的电场分布。

10.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，其中，包括第一和第二分支（3a、3b）的所述电极（23）的形状相对于所述中点是对称的。

11.权利要求10所述的电光调制器，其中，所述电极（23）的形状相对于通过所述中点且垂直于所述波导（22）的平面是镜像对称的。

12.权利要求10所述的距离测量装置，其中，所述电极（23）的形状在通过所述中点且垂直于电极线（3）所在的平面的轴周围具有旋转对称性。

13.前述权利要求中的一项所述的距离测量装置，其中，与在其处布置有波导（22）和电极线（3）的表面相对的所述衬底（1）的底面（15）是楔形的，即相对于相对表面是倾斜的。