CN105717344A - 一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相位调制器半波电压测量系统，包括偏振控制器、环形器、偏振分束器、第一法拉第反射旋转镜、第二法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜、相位调制器、驱动电源、检偏器、光电转换器和示波器，环形器包括三个端口；偏振分束器包括四个端口；偏振控制器的输出端与环形器的端口A连接，环形器的端口B与偏振分束器的端口A连接，偏振分束器的端口B、端口D分别与第一法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜连接，偏振分束器的端口C与相位调制器的输入端连接，相位调制器与第二法拉第反射旋转镜连接，驱动电源与相位调制器的控制端连接；环形器的端口C与检偏器的输入端连接，检偏器的输出端通过光电转换器与示波器连接。

Description

一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤电路传感领域，更具体地，涉及一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法。

背景技术

相位调制器在光通信、微波光子学等领域有广泛的应用。电光相位调制器的基本原理利用晶体或各向异性聚合物的光电效应，即通过改变晶体或各向异性聚合物的外加电压来使其折射率改变，从而改变光波相位。半波电压是相位调制器最重要的参数之一，它表示相位调制器引起相位延迟为π时所对应的偏置电压的改变量，半波电压表征了相位调制器的调制效率和调制功耗，很大程度上决定相位调制器的性能。目前常见的4种测量电光调制晶体半波电压的方法是光通信模拟法，倍频调制法，光谱分析法和极值测量法。光通信模拟法是将调制信号转换为声音信号,在外调输入处连接放音机,当调制的正弦信号被切断时,输出信号通过功率输出端口的扬声器播放,音量由解调幅度控制,在直流电压逐渐增大的过程中,声音会出现两次音量最小并失真的现象,这两次电压的差值即为所测量的半波电压。该方法的优点是测量简单,但是由于在测量过程中对于最小值的判断过于粗糙,所以测量数据的精度不高。

倍频调制法的基本原理是同时加载直流电压和交流信号,当直流电压调到输出光强出现极值所对应的电压值时,输出的交流信号将出现倍频失真,出现倍频失真所对应的直流电压之差即为半波电压。测量方法比较精确，但是调制法对调节的的要求很高，很难调到最佳状态。

光谱分析法的基本原理是利用正弦信号对待测相位调制器的光波进行调制，并将相位调制器的输出光信号输入光谱分析仪进行分析，得到光波的边带和副载波的相对强度，并且由此计算出相位调制器的半波电压。但是该方法测量频率分辨率低，所得的半波电压测量值少，造成某些需要测量的功率点的半波电压无法通过直接测量得出。

极值测量法的基本原理是不在相位调制器上加载调制信号,只加载一个直流电压,当逐渐改变所加载直流电压的大小时,可以通过所设计的干涉仪光路的输出光强的大小来判断极值点,相邻极大值和极小值所对应的直流电压之差即为半波电压。这种测量方法相对也比较简便,但是由于光源等因素的不稳定性,使得这种方法的测量精度有限。极值法测量半波电压还会有光路光程差敏感不稳定，系统复杂，成本高，易受外界环境影响等缺点。基于萨尼亚克光纤干涉仪的测量半波电压方法解决了光路光程差敏感不稳定的问题，由于两路光所经过的光程一样，所以系统稳定，但是该系统对不对称度的要求很高，不易搭建。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺点，提供一种相位调制器半波电压测量系统，该系统光路结构简单，易于搭建，系统稳定，所涉及的光路可完美保证时域匹配，不受外界相位漂移和随机双折射的影响，能准确测量相位调制器的半波电压。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种相位调制器半波电压测量系统，包括偏振控制器、环形器、偏振分束器、第一法拉第反射旋转镜、第二法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜、相位调制器、驱动电源、检偏器、光电转换器和示波器，其中所述环形器包括三个端口，分别为端口A、端口B、端口C；所述偏振分束器包括四个端口，分别为端口A、端口B、端口C、端口D；

其中偏振控制器的输出端与环形器的端口A连接，环形器的端口B与偏振分束器的端口A连接，偏振分束器的端口B、端口D分别与第一法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜连接，偏振分束器的端口C与相位调制器的输入端连接，相位调制器的输出端与第二法拉第反射旋转镜连接，驱动电源与相位调制器的控制端连接；

环形器的端口C与检偏器的输入端连接，检偏器的输出端通过光电转换器与示波器连接。

其测量半波电压的具体过程包括以下步骤：

S1.输入光经过偏振控制器后输出45度线偏振光、135度线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光中其中一种；

S2.输出的偏振光通过环形器进入偏振分束器，偏振光经过偏振分束器后被分成反射分量、投射分量；

S3.其中透射分量通过端口C进入相位调制器，透射分量经过相位调制器调制后进入第二法拉第反射旋转镜，经第二法拉第反射旋转镜反射后通过相位调制器首次进入偏振分束器，经偏振分束器反射后进入第一法拉第反射旋转镜，透射分量经第一法拉第反射旋转镜反射后第二次进入偏振分束器，经偏振分束器透射后进入第三法拉第反射旋转镜，经第三法拉第反射旋转镜反射后第三次进入偏振分束器，此时偏振分束器对透射分量起反射作用；

至于反射分量，其经偏振分束器反射后进入第三法拉第反射旋转镜，经第三法拉第反射旋转镜反射后首次进入偏振分束器，此时经偏振分束器透射后反射分量进入第一法拉第反射旋转镜，经第一法拉第反射旋转镜反射后第二次进入偏振分束器，经偏振分束器反射后通过相位调制器进入第二法拉第反射旋转镜，经第二法拉第反射旋转镜反射后通过相位调制器第三次进入偏振分束器，偏振分束器对反射分量起透射作用，此时反射与经历过同样长光路历程的透射分量进行偏振叠加，并通过端口A射出；

其中，相位调制器对经过其的反射分量或透射分量进行相位调制；

S4.叠加后的偏振光通过偏振分束器的端口A进入环形器，然后通过环形器的端口C进入检偏器，偏振光经过检偏器进行投影，形成光强的时域分布输出；

S5.光强的时域分布输出经过光电转换器后形成电信号的输出光强，输出光强通过示波器进行显示；

S6.按照等梯度值改变驱动电源向相位调制器输出的电压，然后重复S1～S5的操作，并记录输出光强；

S7.当输出光强出现极大值和极小值时，记录驱动电源所加载电压的大小，极大值、极小值所对应的驱动电源加载电压差的两倍为半波电压。

优选地，所述偏振分束器的端口B、端口C、端口D分别通过光纤与第一法拉第反射旋转镜、相位调制器、第三法拉第反射旋转镜连接，相位调制器的输出端通过光纤与第二法拉第反射旋转镜连接。

优选地，所述光纤为单模光纤或保偏光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种半波电压测量系统光路结构简单，易于搭建，系统稳定，所涉及的光路可完美保证时域匹配，不受外界相位漂移和随机双折射的影响，能准确测量相位调制器的半波电压。

附图说明

图1为测量系统的结构示意图。

图2为相位分布图，输入连续光时，当驱动电源脉宽小于两分量被调制的时间差时，两分量的相位改变以及产生的脉冲光强。

图3为相位分布图，输入连续光时，当驱动电源脉宽大于两分量被调制的时间差时，两分量的相位改变以及产生的脉冲光强。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本实施例采用脉冲光作为输入光，如图1所示，本实施例中半波电压测量系统包括偏振控制器1、偏振无关环形器2、偏振分束器3、第一法拉第反射旋转镜5、第二法拉第反射旋转镜7、第三法拉第反射旋转镜4、偏振无关相位调制器6、驱动电源8、检偏器9、光电转换器和示波器，其中所述环形器2包括三个端口，分别为端口A、端口B、端口C；所述偏振分束器3包括四个端口，分别为端口A、端口B、端口C、端口D；

其中偏振控制器1的输出端与环形器2的端口A连接，环形器2的端口B与偏振分束器3的端口A连接，偏振分束器3的端口B、端口D分别与第一法拉第反射旋转镜5、第三法拉第反射旋转镜4连接，偏振分束器3的端口C与相位调制器6的输入端连接，相位调制器6的输出端与第二法拉第反射旋转镜7连接，驱动电源8与相位调制器6的控制端连接；环形器2的端口C与检偏器9的输入端连接，检偏器9的输出端通过光电转换器与示波器连接。

测量方案如下，当输入脉冲光经过偏振分束器3后被等概率反射和透射形成水平分量和垂直分量，透射分量经过相位调制器6时开始加载矩形波电压进行相位调制，设置电压脉宽大于透射分量两次经过相位调制器6的时间差，并且小于透射分量和反射分量经过相位调制器6的时间差，同时调节其时间延迟以保证只对输入光的其中某一分量进行调制。两分量的电压差决定两分量的相位差，相位差的不同形成不同偏振态，输出的偏振态以及光在某一方向的分量的相位改变取决于相位调制器6加载相位，加载的相位取决于驱动电源所输入的电压，得到不同的输出光强。不断按照等梯度值改变驱动电源输出的矩形波高电平电压的数值V，即可以改变透射分量和反射分量的相位差当输出光强出现极大和极小值时，记录下所加载的电压大小，相邻两个光强极值所对应电压的差值即为半波电压。由于该系统的结构，在电压高电平期间下，脉冲光某一分量被相位调制器6调制了两次，所以所测得的输出光强极大值与极小值所对应电压差值的两倍是半波电压。

实施例2

采用连续光作为输入光，本实施例的半波电压测量系统和实施例1的一致。所输入的连续光经过偏振分束器3后分为两个方向上的分量：透射分量和反射分量，当驱动电源8的脉宽设置为不同特征取值时，其调制效果不同。

当驱动电源8的脉宽设置为大于同一时刻进入偏振分束器3的两个分量先后经过相位调制器6的时间差。两方向上的分量都会受同一周期的矩形波电压调制，每个分量都会受到相位调制器6调制两次，产生两次相同的相位改变，后被调制的反射分量会出现时间延迟。同一时间点的两个分量会出现相位差，如图2的b、c所示。

当设置调制电压脉宽小于同一时刻进入偏振分束器3的两个分量先后经过相位调制器6的时间差，两分量的相位变化如图3的b、c所示。这种情况下，一个周期的矩形波电压只能调制某一个方向的分量两次，另一个分量不受此周期的电压调制。

有相位差的地方会使输出光强形成时域脉冲分布，如图2的d和图3的d所示。根据该系统的以上输出特点,可以不断改变矩形波高电平电压的数值V，即可以改变透射分量和反射分量的相位差当输出光强出现最大和最小值时,记录下所加载的电压大小，相邻两个光强极值所对应电压的差值的两倍即为半波电压。根据出现最大干涉光强和最小干涉光强的输出位置，通过记录最大光强和最小光强所对应的调制电压，即可得到相位调制器6的半波电压。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：包括偏振控制器、环形器、偏振分束器、第一法拉第反射旋转镜、第二法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜、相位调制器、驱动电源、检偏器、光电转换器和示波器，其中所述环形器包括三个端口，分别为端口A、端口B、端口C；所述偏振分束器包括四个端口，分别为端口A、端口B、端口C、端口D；

其中偏振控制器的输出端与环形器的端口A连接，环形器的端口B与偏振分束器的端口A连接，偏振分束器的端口B、端口D分别与第一法拉第反射旋转镜、第三法拉第反射旋转镜连接，偏振分束器的端口C与相位调制器的输入端连接，相位调制器的输出端与第二法拉第反射旋转镜连接，驱动电源与相位调制器的控制端连接；

环形器的端口C与检偏器的输入端连接，检偏器的输出端通过光电转换器与示波器连接。

2.根据权利要求1所述的相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：所述偏振分束器的端口B、端口C、端口D分别通过光纤与第一法拉第反射旋转镜、相位调制器、第三法拉第反射旋转镜连接，相位调制器的输出端通过光纤与第二法拉第反射旋转镜连接。

3.根据权利要求2所述的相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：所述光纤为单模光纤或保偏光纤。

4.一种根据权利要1~3任一项所述相位调制器半波电压测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.输入光经过偏振控制器后输出45度线偏振光、135度线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光中其中一种；

S2.输出的偏振光通过环形器进入偏振分束器，偏振光经过偏振分束器后被分成反射分量、投射分量；

S3.其中透射分量通过端口C进入相位调制器，透射分量经过相位调制器调制后进入第二法拉第反射旋转镜，经第二法拉第反射旋转镜反射后通过相位调制器首次进入偏振分束器，经偏振分束器反射后进入第一法拉第反射旋转镜，透射分量经第一法拉第反射旋转镜反射后第二次进入偏振分束器，经偏振分束器透射后进入第三法拉第反射旋转镜，经第三法拉第反射旋转镜反射后第三次进入偏振分束器，此时偏振分束器对透射分量起反射作用；

至于反射分量，其经偏振分束器反射后进入第三法拉第反射旋转镜，经第三法拉第反射旋转镜反射后首次进入偏振分束器，此时经偏振分束器透射后反射分量进入第一法拉第反射旋转镜，经第一法拉第反射旋转镜反射后第二次进入偏振分束器，经偏振分束器反射后通过相位调制器进入第二法拉第反射旋转镜，经第二法拉第反射旋转镜反射后通过相位调制器第三次进入偏振分束器，偏振分束器对反射分量起透射作用，此时反射与经历过同样长光路历程的透射分量进行偏振叠加，并通过端口A射出；

其中，相位调制器对经过其的反射分量或透射分量进行相位调制；

S4.叠加后的偏振光通过偏振分束器的端口A进入环形器，然后通过环形器的端口C进入检偏器，偏振光经过检偏器进行投影，经过光电转换器后形成电信号的输出光强，输出光强通过示波器进行显示，形成光强的时域分布输出；

S5.按照等梯度值改变驱动电源向相位调制器输出的电压，然后重复S1~S4的操作，并记录输出光强；

S6.当输出光强出现极大值和极小值时，记录驱动电源所加载电压的大小，极大值、极小值所对应的驱动电源加载电压差的两倍为半波电压。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述输入光可为脉冲光或连续光。