CN107121585B - 一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法，包括脉冲激光器、环形器、分束器、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器、电压源和功率计，脉冲激光器与环形器连接，环形器与分束器连接，分束器与第一偏振控制器连接，第一偏振控制器与偏振选择装置连接，偏振选择装置与相位调制器连接，电压源与相位调制器连接，相位调制器与第二偏振控制器连接，第二偏振控制器与分束器的端口B3连接，环形器的端口C3与功率计连接，本发明降低测量成本,通过极值点优化并拟合曲线表达式达到提高系统测量精度的目的。

Description

一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及光通信行业，具体涉及一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法。

背景技术

电光相位调制器在光通信、微波光子学等领域有广泛的应用，特别是在近些年发展快速的量子通信系统中，对光相位调制普遍通过电光相位调制器实现。以光纤耦合的电光相位调制器为例，其基本原理利用光纤波导介质各向异性的光电效应,即通过改变光纤外加电压来使其折射率改变,从而改变光波相位。电光相位调制器的核心参数之一就是半波电压,它表征引起相位延迟为π时所需偏置电压的改变量。它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，常用的电光调制晶体半波电压测量方法之一是采用极值测量法，其基本原理是搭建一个光干涉仪装置，在干涉仪一臂放置相位调制器，并加载直流电压。所加电压的大小，决定了干涉仪两臂的相位差，进而使干涉仪输出光强变化。干涉仪输出光强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,但会有光路光程差敏感不稳定，易受外界环境影响等缺点。

近些年，研究者提出了基于萨格纳克光纤干涉仪的测量半波电压方法，在此方案中，由于干涉仪两臂传输光经历了相同的光程，所以系统较为稳定。但是此类装置和光通信模拟法一样，其测量精度依赖于极值点判断的精准。假若价值点的判断过于粗糙，就会使得测量数据精度不高。对于钛扩散型相位调制器，由于只在一个偏振方向光相位被调制，但是两个偏振方向都通光。未被调制的偏振光分量在接收端相干，会在极值上附加一个基底，使得干涉曲线极小值不能接近0，造成干涉曲线对比度降低；对于质子交换型相位调制器，由于只有一个偏振方向通过，当普通分束器等器件与其连接时，两者耦合损耗较大，造成整个光路通光强度减弱，进而使光强极值分辨率降低。对于现阶段基于Sagnac干涉仪干涉极值的测量系统，极大值和极小值都没有进行优化，使得干涉曲线对比度降低，从而使得测量精度受限。此外，由于现有的装置需要光电转换装置，示波器等贵重仪器，测量系统价格成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法，本电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法不需光电转换装置，示波器等贵重仪器,达到在方案优化的状态下,提高系统测量精度和降低测量成本的目的。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种电光相位调制器半波电压测量系统，包括脉冲激光器、环形器、分束器、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器、电压源和功率计，所述环形器包括端口C1、端口C2和端口C3，所述分束器为2×2的3dB分束器，所述分束器包括端口B1、端口B2、端口B3和端口B4，所述脉冲激光器与所述环形器的端口C1连接，所述环形器的端口C2与所述分束器的端口B1连接，所述分束器的端口B4与第一偏振控制器连接，所述第一偏振控制器与偏振选择装置连接，所述偏振选择装置与相位调制器连接，所述电压源与相位调制器连接，所述相位调制器与第二偏振控制器连接，所述第二偏振控制器与分束器的端口B3连接，所述环形器的端口C3与功率计连接，所述分束器的端口B2空置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述分束器的端口B4、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器和分束器的端口B3依次连接从而构成Sagnac环结构。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述偏振选择装置为偏振分束器，所述偏振分束器包括端口P1、端口P2和端口P3，所述第一偏振控制器与偏振分束器的端口P3连接，所述偏振分束器的端口P1与相位调制器连接，所述偏振分束器的端口P2空置，所述偏振分束器的端口P3为合束端，所述偏振分束器的P1端口输出的尾纤和相位调制器的尾纤类型相同。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述偏振选择装置为光纤检偏器，所述第一偏振控制器通过光纤检偏器与所述相位调制器连接，所述光纤检偏器的通光方向与所述相位调制器的调制偏振方向相同。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述环形器、分束器、第一偏振控制器和第二偏振控制器均为单模光纤尾纤器件。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种电光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：

步骤1：打开脉冲激光器电源，激光脉冲依次经过环形器的端口C1、环形器的端口C2和分束器，分束器将激光脉冲分成顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号；

步骤2：通过调节第一偏振控制器从而调节顺时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第一偏振控制器；

步骤3：通过调节第二偏振控制器从而调节逆时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第二偏振控制器；

步骤4：微调第一偏振控制器和第二偏振控制器，观察功率计输出的示数，记录功率计输出的示数的最大值；

步骤5：停止调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，通过电压源给相位调制器加载脉冲电压，相位调制器调制顺时针光脉冲信号或逆时针光脉冲信号，在相位调制器工作电压区间，电压源从预先设定的电压值开始，以ΔV为间隔逐渐增加相位调制器的调制电压，分别记录调制电压V和功率计对应输出的光功率P；

步骤6：调节相位调制器的调制电压，使功率计输出的示数覆盖一次最大值，记作P_max，功率计输出的示数覆盖一次最小值，记作P_min，完成数据测量，执行步骤7或步骤8；

步骤7：根据测量的数据，读取P_max对应的调制电压，P_min对应的调制电压，P_max对应的调制电压和P_min对应的调制电压的电压差即为所测的半波电压V_π。；

步骤8：采用曲线拟合的方法测量半波电压，具体如下：当顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号经过Sagnac环结构从而在分束器处合束并发生干涉时，干涉强度表达式为：

其中为顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号在干涉时的相对相位差，满足：

式中，表示脉冲光程不同或者器件作用引入的相位差，/>表示相位调制器加载电压引入的相位差，V_π为半波电压，V为调制电压，由于顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号二者在Sagnac环结构内经过相同的光程和器件作用，因此/>所以：

故有：

考虑实际测量过程中偏振隔离功能的器件隔离度有限，所以极小值存在基底，拟合曲线表达式为：

其中P_max为功率计实测数据中的最大值，P_min为功率计实测数据中的最小值，通过调制电压V和功率计输出的光功率P的拟合曲线，获得半波电压V_π。

本发明提供的一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法，其光路结构简单,易于搭建,所涉及的Sagnac环结构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。通过在系统优化的加入第一偏振控制器，提高了相位调制器调制偏振方向的通光强度；通过加入偏振分束器实现偏振选择、偏振滤除，降低了相位调制器未被调制偏振光的干涉强度。通过上述作用，提高干涉极大值，降低干涉极小值，增强干涉曲线可见度，提高系统测量精度。同时，本测量系统不需光电转换装置，示波器等贵重仪器，降低测量成本,在方案优化的状态下,通过拟合曲线表达式达到提高系统测量精度的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的调制电压和光功率拟合曲线图。

具体实施方式

下面根据图1和图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1，一种电光相位调制器半波电压测量系统，包括脉冲激光器、环形器、分束器、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器、电压源和功率计，所述环形器包括端口C1、端口C2和端口C3，所述分束器为2×2的3dB分束器，所述分束器包括端口B1、端口B2、端口B3和端口B4，所述脉冲激光器与所述环形器的端口C1连接，所述环形器的端口C2与所述分束器的端口B1连接，所述分束器的端口B4与第一偏振控制连接，所述第一偏振控制器与偏振选择装置连接，所述偏振选择装置与相位调制器连接，所述电压源与相位调制器连接，所述相位调制器的输出端与第二偏振控制器连接，所述第二偏振控制器与分束器的端口B3连接，所述环形器的端口C3与功率计连接，所述分束器的端口B2空置。

所述分束器的端口B4、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器和分束器的端口B3依次连接从而构成Sagnac环结构。光脉冲经Sagnac环结构调制后，干涉脉冲从3dB分束器端口B1端返回入射光路。所述环形器、分束器、第一偏振控制器和第二偏振控制器均为单模光纤尾纤器件。

所述偏振选择装置可以为偏振分束器，所述偏振分束器包括端口P1、端口P2和端口P3，所述第一偏振控制器与偏振分束器的端口P3连接，所述偏振分束器的端口P1与相位调制器连接，所述偏振分束器的端口P2空置，所述偏振分束器的端口P3为合束端，所述偏振分束器的P1端口输出的尾纤和相位调制器的尾纤类型相同。

第一偏振控制器和第二偏振控制器分别用于调制顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号的脉冲光偏振。其中，第一偏振控制器调整顺时针传输光偏振，使其最大效率耦合进入偏振分束器端口P1；第二偏振控制器调整逆时针传输光偏振，使偏振与相位调制器调制方向相同。通过调整第一偏振控制器和第二偏振控制器，使腔内运转光功率最大，输出相干光强最大。偏振分束器端口P3为合束端，尾纤为普通单模光纤。分束端口P2空置。分束端口P1、端口P2输出尾纤和相位调制器尾纤类型相同。当相位调制器尾纤为普通单模光纤(慢轴对准的保偏光纤)，则端口P1、端口P2也为普通单模光纤(慢轴对准的保偏光纤)。特别的，本实施例可以用光纤检偏器代替偏振分束器，当使用光纤检偏器时，其通光方向应调整为和相位调制器调制偏振方向相同。

对于此实施例所涉及的相位调制器，可以是基于钛扩散工艺或者质子交换工艺的。特别的，当相位调制器采用质子交换工艺时，由于相位调制器本身只能通过一种偏振光，具有偏振滤波作用，则方案中的偏振分束器可省去，也可保留，实现进一步偏振滤除作用。

所述相位调制器置于Sagnac环结构非对称位置。且顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号序列经过相位调制器的时域延迟大于相位调制器调制电压的上升沿和下降沿，本实施例的顺时针光脉冲信号较逆时针光脉冲信号序列经过相位调制器的时域延迟约20ns，相位调制器调制电压的上升沿和下降沿约2ns。相位调制器加载的电压脉冲宽度大于等于光脉冲宽度，本实施例的相位调制器加载的电压脉冲约12ns，光脉冲宽度1ns，重复频率1MHz，重复频率和光脉冲相同。电压源的电压脉冲加载在相位调制器的时间，与顺时针光脉冲信号或者逆时针光脉冲信号序列之一到达相位调制器时间上同步，只对顺时针光脉冲信号或者逆时针光脉冲信号之一的光脉冲实行相位调制。

所述环形器，从端口C1入射光从端口C2输出，从端口C2入射光从端口C3输出。环形器端口C3和高灵敏度功率计连接，用以观测Sagnac环结构输出的干涉脉冲强度。

针对上述结构的电光相位调制器半波电压测量系统提出的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：打开脉冲激光器电源，激光脉冲依次经过环形器的端口C1、环形器的端口C2和分束器，分束器将激光脉冲分成顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号；

步骤2：通过调节第一偏振控制器从而调节顺时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第一偏振控制器；获得相对极大值；

步骤3：通过调节第二偏振控制器从而调节逆时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第二偏振控制器；

步骤4：微调第一偏振控制器和第二偏振控制器，观察功率计输出的示数，使得功率计示数最大，记录功率计输出的示数的最大值；说明此时分束器输出顺时针光偏振信号和逆时针光偏振信号经过相位调制器时，其偏振方向均与相位调制器调制偏振方向相同，功率计测得的干涉输出结果最大。

步骤5：停止调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，通过电压源给相位调制器加载脉冲电压，相位调制器调制顺时针光脉冲信号或逆时针光脉冲信号，在相位调制器工作电压区间，电压源从预先设定的电压值(可以是负值)开始(一般从0开始)，以ΔV为间隔逐渐增加相位调制器的调制电压，分别记录调制电压V和功率计对应输出的光功率P；其中，调制电压间隔选择取决于测量灵敏度要求，电压调制范围至少覆盖一个半波电压，同时，为了保证测量精度，一般至少要求在0到V_π范围内至少取10至20个点。

步骤6：调节相位调制器的调制电压，使功率计输出的示数覆盖一次最大值，记作P_max，功率计输出的示数覆盖一次最小值，记作P_min，完成数据测量；即为了增加实验准确度，可继续增加相位调制器的调制电压，直至依次出现第二次最大值和第二次最小值，使第二次最大值和第二次最小值覆盖第一次最大值和第一次最小值，并记作P_max和P_min。

步骤7：根据测量的数据，读取P_max对应的调制电压，P_min对应的调制电压，P_max对应的调制电压和P_min对应的调制电压的电压差即为所测的半波电压V_π。；

步骤8：当步骤7中的极值点附近功率值相近，难以精准判断极值点对应的调制电压时，可以通过绘制调制电压VS输出功率曲线，根据拟合曲线获得相邻极大值、极小值电压，提高测量准确度。对于半波电压的测量，也可以通过曲线拟合获得，相对步骤7，曲线拟合法可以提高测量精度。同时，对电压调节范围有限致使输出功率不能覆盖最大值和最小值的情形，曲线拟合的方法也同样适用。

对步骤1至步骤8测试过程，其理论分析过程如下：当顺时针、逆时针脉冲经过Sagnac环结构重新在3dB分束器处合束并发生干涉时，干涉强度表达式为：

其中为顺时针、逆时针光脉冲在干涉时的相对相位差，P′为功率，满足：

式中，表示脉冲光程不同或者器件作用引入的相位差，/>表示相位调制器加载电压引入的相位差，V_π为半波电压，V为调制电压，π为圆周率，由于顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号二者在Sagnac环结构内经过相同的光程和器件作用，因此/>此时相位调制器引入相位差也为/>故两者相对相位差为/>获得干涉极大值。

由于顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号二者在Sagnac环结构内经过相同的光程和器件作用，因此所以：

故有：

考虑实际测量过程中偏振隔离功能的器件隔离度有限，所以极小值存在基底，拟合曲线表达式为：

其中P_max为功率计实测数据中的最大值，P_min为功率计实测数据中的最小值，通过调制电压V和功率计输出的光功率P的拟合曲线，获得半波电压V_π。本实施例通过拟合曲线对极大值和极小值进行优化，获得准确的半波电压。

本实施例中，相位调制器工作电压为-15V～15V，给相位调制器加载的脉冲电压，从-4.5V起，以0.5V为间隔逐渐增加相位调制器调制电压，至4.5V，记录调制电压和功率计相应输出结果。

如图2所示，绘制调制电压VS输出功率曲线，实验过程中，所得光强最大值为1137nW，最小值为18nW，带入公式(6)。曲线拟合表达式为：

即半波电压约为5.02V，与相位调制器出厂测试结果5.0V一致。

特别的，当电压源的电压不足以覆盖一个半波电压时，可以采用曲线拟合的方式，获得极值点对应电压值，以此求得半波电压。

第二个实施例，在原有结构的基础上修改为：输出位置可以选择在3dB分束器端口B2处直接输出，并将环形器省去，此时由于分束器耦合臂和直通臂存在相位延迟叠加，使得顺时针光脉冲信号、逆时针光脉冲信号在干涉时具有相位差π，即测试过程和上述测试过程中光强度变化趋势相反，在不加电压时获得极小值，加载半波电压时获得极大值。此实施例中，其理论分析过程如下。

由于分束器的直通臂和耦合臂存在相对π/2相位差，故顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号二者经过Sagnac环结构后在分束器的端口B2输出时，所以：

故有：

实际操作中，由于具有偏振隔离功能的器件隔离度有限，所以极小值很难打到完美0光强，所以考虑到极值基底的存在，拟合曲线表达式为：

其中，P_max为功率计实测数据中的最大值，P_min为功率计实测数据中的最小值，通过调制电压V和功率计输出的光功率P的拟合曲线，获得半波电压V_π。

针对本实施例二，由于在未加电压时，输出功率为输出极小值，难以确定偏振控制器1和偏振控制器2的调节效果，所以需要先在相位调制器上施加一工作范围内电压(最好半波电压附近)，使得输出功率不为0。此后可执行实施例一的步骤1至步骤8，并按照公式(10)拟合曲线。

本发明涉及一种电光相位调制器半波电压测量系统和测量方法。本电光相位调制器半波电压测量系统的第一偏振控制器和第二偏振控制器用以调制3dB分束器输出光偏振，使顺时针光脉冲和逆时针的光脉冲偏振和相位调制器调制方向相同，提高系统被调制的光功率，获得干涉极大值。偏振分束器用于实现偏振选择作用，将未被调制的偏振分量滤除，降低干涉最小值。通过对极值点优化控制，本发明提高了极值法测量的灵敏度，且系统不涉及光电转换器、示波器等贵重设备，达到提高系统测量精度和降低测量成本的目的。本发明可适用于钛扩散和质子交换两种不同工艺相位调制器半波电压测量。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电光相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：包括脉冲激光器、环形器、分束器、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器、电压源和功率计，所述环形器包括端口C1、端口C2和端口C3，所述分束器为2×2的3dB分束器，所述分束器包括端口B1、端口B2、端口B3和端口B4，所述脉冲激光器与所述环形器的端口C1连接，所述环形器的端口C2与所述分束器的端口B1连接，所述分束器的端口B4与第一偏振控制器连接，所述第一偏振控制器与偏振选择装置连接，所述偏振选择装置与相位调制器连接，所述电压源与相位调制器连接，所述相位调制器与第二偏振控制器连接，所述第二偏振控制器与分束器的端口B3连接，所述环形器的端口C3与功率计连接，所述分束器的端口B2空置；

所述分束器的端口B4、第一偏振控制器、偏振选择装置、相位调制器、第二偏振控制器和分束器的端口B3依次连接从而构成Sagnac环结构；

第一偏振控制器用于调节顺时针光脉冲信号的偏振态，第二偏振控制器用于调节逆时针光脉冲信号的偏振态，相位调制器置于Sagnac环结构非对称位置；

所述偏振选择装置为偏振分束器，所述偏振分束器包括端口P1、端口P2和端口P3，所述第一偏振控制器与偏振分束器的端口P3连接，所述偏振分束器的端口P1与相位调制器连接，所述偏振分束器的端口P2空置，所述偏振分束器的端口P3为合束端，所述偏振分束器的P1端口输出的尾纤和相位调制器的尾纤类型相同；

或者，

所述偏振选择装置为光纤检偏器，所述第一偏振控制器通过光纤检偏器与所述相位调制器连接，所述光纤检偏器的通光方向与所述相位调制器的调制偏振方向相同。

2.根据权利要求1所述的电光相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：所述环形器、分束器、第一偏振控制器和第二偏振控制器均为单模光纤尾纤器件。

3.一种如权利要求1所述的电光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：

步骤1：打开脉冲激光器电源，激光脉冲依次经过环形器的端口C1、环形器的端口C2和分束器，分束器将激光脉冲分成顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号；

步骤2：通过调节第一偏振控制器从而调节顺时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第一偏振控制器；

步骤3：通过调节第二偏振控制器从而调节逆时针光脉冲信号的偏振态，观察功率计输出的示数，在功率计输出的示数达到最大值时，固定第二偏振控制器；

步骤4：微调第一偏振控制器和第二偏振控制器，观察功率计输出的示数，记录功率计输出的示数的最大值；

步骤5：停止调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，通过电压源给相位调制器加载脉冲电压，相位调制器调制顺时针光脉冲信号或逆时针光脉冲信号，在相位调制器工作电压区间，电压源从预先设定的电压值开始，以ΔV为间隔逐渐增加相位调制器的调制电压，分别记录调制电压V和功率计对应输出的光功率P；

步骤6：调节相位调制器的调制电压，使功率计输出的示数覆盖一次最大值，记作P_max，功率计输出的示数覆盖一次最小值，记作P_min，完成数据测量，执行步骤7或步骤8；

步骤7：根据测量的数据，读取P_max对应的调制电压，P_min对应的调制电压，P_max对应的调制电压和P_min对应的调制电压的电压差即为所测的半波电压V_π；

步骤8：采用曲线拟合的方法测量半波电压，具体如下：当顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号经过Sagnac环结构从而在分束器处合束并发生干涉时，干涉强度表达式为：

其中为顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号在干涉时的相对相位差，满足：

式中，表示脉冲光程不同或者器件作用引入的相位差，/>表示相位调制器加载电压引入的相位差，V_π为半波电压，V为调制电压，由于顺时针光脉冲信号和逆时针光脉冲信号二者在Sagnac环结构内经过相同的光程和器件作用，因此/>所以：

故有：

考虑实际测量过程中偏振隔离功能的器件隔离度有限，所以极小值存在基底，拟合曲线表达式为：

其中P_max为功率计实测数据中的最大值，P_min为功率计实测数据中的最小值，通过调制电压V和功率计输出的光功率P的拟合曲线，获得半波电压V_π。