CN113325216B - 电光相位调制器半波电压的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电光相位调制器半波电压的测量方法及系统，该方法包括：控制种子激光器启动，以将种子激光输入频移反馈腔；调整电光相位调制器的输入信号电压，以使频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号；获取输入信号电压、两个脉冲正弦调频信号的频率及频移反馈腔的参数；根据预设的两个脉冲正弦调频信号的频率、频移反馈腔的参数、半波电压及输入信号电压之间的关系，确定电光相位调制器的半波电压。本发明采用频移反馈腔作为测量系统，将待测量电光相位调制器接入反馈腔内，利用其时频特性实现相位调制器半波电压的测量，测量精度高、适合测量低频信号且不受外界抖动影响。

Description

电光相位调制器半波电压的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体而言，涉及一种电光相位调制器半波电压的测量方法及系统。

背景技术

电光相位调制器是利用电光晶体(如铌酸锂晶体LiNbO3)的电光效应制成的调制器。当外部电压施加至电光晶体上时，电光晶体的折射率发生改变，激光通过时，其相位也随之发生改变，进而实现了激光的调制。电光相位调制器作为最常用的调制器之一，其被广泛应用于相干光纤通信系统、光纤传感、微波光子雷达等系统中；除此之外，电光相位调制器也经常用于产生超短、超高重频脉冲激光或光孤子。

电光相位调制器的半波电压描述了其所加载的电信号和产生的光相位变化之间的光电响应特性，是调制器的核心指标，具体其等于产生π相位所需的电调制信号电压幅度。半波电压的精确测量与光纤传感系统的测量精度相关，特别是相位调制器作为反馈器件和调制器的系统，如数字闭环光纤陀螺和光纤水听器等，准确地测量半波电压是提高光纤传感器性能指标，特别是线性度指标的必然要求。

相位调制器半波电压测量方法总体上可以分为光学直接测量和射频拍频测量方法两种。光学直接测量方法是利用光谱分析仪测量相位调制器产生的各阶次谐波的相对强度，来反推调制器的半波电压。该方法具有操作简单，适合测量高频信号，但精度相对较低的特点。拍频测量法是将相位改变量转变为强度量，采用的典型实验装置为迈克尔逊干涉仪或Sagnac干涉仪，但其测量精度有限，易受环境影响。

发明内容

本发明解决的是现有测量相位调制器半波电压的方法精度有限的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种电光相位调制器半波电压的测量方法，待测量的电光相位调制器接入频移反馈腔，所述方法包括：控制种子激光器启动，以将种子激光输入所述频移反馈腔；调整所述电光相位调制器的输入信号电压，以使所述频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号；获取所述输入信号电压、所述两个脉冲正弦调频信号的频率及所述频移反馈腔的参数；根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压。

可选地，所述频移反馈腔内射频调制信号的频率、环路基频满足以下关系式时，所述频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号：

f_m＝pf_c+Δf (1)

其中，f_m为频移反馈腔内射频调制信号的频率，f_c为环路基频，p为整数，Δf为调频失谐量，Δf＜＜f_c。

可选地，预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，如下：

其中，V为输入信号电压，V_π为半波电压，第一个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₁，第二个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₂。

可选地，所述获取所述输入信号电压、所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数，包括：获取两个所述输入信号电压、两个所述输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率及所述频移反馈腔的参数；所述根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压，包括：根据两个所述输入信号电压、两个所述输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率，计算得到正比例函数的斜率k；

其中，

根据所述公式(3)，计算得到所述电光相位调制器的半波电压。

可选地，所述方法还包括：通过任意波形发生器调整所述电光相位调制器的输入信号电压为电压峰峰值随时间逐渐上升的正弦波；所述根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压，包括：获取不同输入信号电压V对应的最大瞬时频率之和F₁+F₂，通过线性拟合得到F₁+F₂与V的斜率k；

其中，

根据所述公式(3)，计算得到所述电光相位调制器的半波电压。

可选地，所述电光相位调制器连接有温控装置，所述方法还包括：通过所述温控装置控制所述电光相位调制器的温度，得到目标温度下所述电光相位调制器的半波电压；或者，通过所述温控装置控制所述电光相位调制器的温度，得到所述电光相位调制器的半波电压随温度的变化关系。

本发明提供一种电光相位调制器半波电压的测量系统，包括种子激光器、频移反馈腔、2×1耦合器、光电探测器、时频分析系统及控制器；所述种子激光器，用于向所述频移反馈腔输入种子激光；所述频移反馈腔包括依次连接的低噪光学放大器、光学窄带滤波器、偏振控制器及2×2耦合器；所述2×2耦合器与所述低噪光学放大器之间连接待测量的电光相位调制器；所述频移反馈腔还包括射频驱动器，所述射频驱动器与所述待测量的电光相位调制器连接；所述频移反馈腔的输出光与所述种子激光输入所述2×1耦合器，所述2×1耦合器的输出端与所述光电探测器连接，所述光电探测器与所述时频分析系统连接；所述控制器用于执行上述电光相位调制器半波电压的测量方法。

可选地，还包括1×2耦合器，所述1×2耦合器的输入端连接所述种子激光器，第一输出端连接所述2×2耦合器的输入端。

可选地，还包括可调功率衰减器，所述1×2耦合器的第二输出端通过所述可调功率衰减器连接所述2×1耦合器。

可选地，还包括控温系统、半导体制冷器及热敏电阻，所述半导体制冷器及所述热敏电阻与所述待测量的电光相位调制器接触设置。

本发明实施例采用频移反馈腔作为测量系统，将待测量电光相位调制器接入反馈腔内，利用相位调制频移反馈腔产生的双脉冲宽带正弦调频信号，建立双脉冲调频信号带宽、调频失谐量、环路基频、待测量电光相位调制器的调制频率、输入射频信号电压与半波电压的对应关系，实现相位调制器任意频率半波电压的测量，测量精度高、适合测量低频信号且不受外界抖动影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电光相位调制器半波电压的测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电光相位调制器半波电压的测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的输入信号电压与最大瞬时频率之和的线性关系示意图；

图4为本发明实施例提供的不同射频电压下的时域图和时频图。

附图标记说明：

1-单频连续激光；2-1×2耦合器；3-2×2耦合器；4-电光相位调制器；5-射频驱动器；6-低噪光学放大器；7-光学窄带滤波器；8-偏振控制器；9-可调功率衰减器；10-2×1耦合器；11-光电探测器；12-时频分析系统；13-半导体制冷器TEC；14-热敏电阻；15-控温系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种电光相位调制器半波电压的测量系统，采用频移反馈腔作为测量系统，将待测相位调制器接入反馈腔内，利用其时频特性实现相位调制器半波电压的实时测量，具有精度高、适合测量低频信号、不受外界抖动的影响的优点。

上述测量系统，包括种子激光器、频移反馈腔、2×1耦合器、光电探测器、时频分析系统及控制器。

其中，种子激光器，用于向频移反馈腔输入种子激光；频移反馈腔包括依次连接的低噪光学放大器、光学窄带滤波器、偏振控制器及2×2耦合器；2×2耦合器与低噪光学放大器之间连接待测量的电光相位调制器；频移反馈腔还包括射频驱动器，射频驱动器与待测量的电光相位调制器连接；频移反馈腔的输出光与种子激光输入2×1耦合器，2×1耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器与时频分析系统连接；控制器用于执行电光相位调制器半波电压的测量方法。

可选地，上述测量系统还可以包括1×2耦合器，1×2耦合器的输入端连接种子激光器，第一输出端连接2×2耦合器的输入端。

可选地，上述测量系统还可以包括可调功率衰减器，1×2耦合器的第二输出端通过可调功率衰减器连接2×1耦合器。

可选地，上述测量系统还可以包括控温系统，控温系统与待测量的电光相位调制器接触设置。

参见图1所示的电光相位调制器半波电压的测量系统的结构示意图，示出了测量系统包括：单频连续激光器1；1×2耦合器2；2×2耦合器3；电光相位调制器4；射频驱动器5；低噪光学放大器6；光学窄带滤波器7；偏振控制器8；可调功率衰减器9；2×1耦合器10；光电探测器11；时频分析系统12；半导体制冷器13；热敏电阻14；控温系统15。

单频连续激光器1输出激光经1×2耦合器2分为两束，一束注入到光学频移反馈腔中，另一束经可调功率衰减器9注入2×1耦合器10。

注入光学频移反馈腔的激光依次经过2×2耦合器3、电光相位调制器4(射频驱动器5提供外部驱动信号)、低噪光学放大器6、光学窄带滤波器7和偏振控制器8后再次反馈至2×2耦合器3的输入端。

注入可调功率衰减器9的激光，与2×2耦合器3的另一输出端同时注入到2×1耦合器10中，2×1耦合器10的输出连接光电探测器11，输出的电信号通过时频分析系统12得到宽带调频信号的带宽。半导体制冷器13、热敏电阻14和控温系统15构成温度反馈，通过在控温系统上设定温度值，控制电光相位调制器的实际温度。

具体地，光学窄带滤波器7的中心波长与单频连续激光1的波长相同，起到光谱滤波、提高环路自激阈值的作用。低噪声放大器6用于补偿腔损耗，提高移频阶次。电光相位调制器4用于产生多边带调制，通过循环反馈产生宽带正弦调频信号。偏振控制器8用于控制反馈腔内的偏振态，提高拍频效率。耦合器2分出一路经过可调功率衰减器9，然后再与输出的频移反馈腔的输出光合束，其目的是提高频移反馈腔输出信号的强度，并且通过可调功率衰减器9控制本振单频连续激光的功率，合理控制本振光(单频连续光)和信号(频移反馈腔输出光)的功率比例。

参见图2所示的一种电光相位调制器半波电压的测量方法的流程示意图，待测量的电光相位调制器接入频移反馈腔，该方法包括以下步骤：

S202，控制种子激光器启动，以将种子激光输入频移反馈腔。

S204，调整电光相位调制器的输入信号电压，以使频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号。

频移反馈腔内射频调制信号的频率、环路基频满足以下关系式时，频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号：

f_m＝pf_c+Δf (1)

其中，f_m为频移反馈腔内射频调制信号的频率，f_c为环路基频，p为整数，Δf为调频失谐量，Δf＜＜f_c。环路基频f_c由环路长度决定：f_c＝1/τ＝c/L，L为环路光学长度。

在满足上述关系式时，频移反馈腔的输出端在一个调制周期内将产生两个脉冲，且两个脉冲的时频分布均为正弦调频信号。两个脉冲的时间间隔由种子激光频率决定。输出信号的瞬时频率为

f_t＝|f_p+f_i|＝|kf_msin(2πf_mt-πΔfτ)+f_i| (2)

其中，k＝δ/(2πΔfτ)＝V/(2πΔfτV_π)，δ＝V/V_π，V为射频信号的输入电压，V_π为半波电压，k为正弦调频信号的调频指数，δ为相位调制器的调制深度，f_i为射频载波频率，f_p为正弦调频信号的瞬时偏移频率。

S206，获取输入信号电压、两个脉冲正弦调频信号的频率及频移反馈腔的参数。

S208，根据预设的两个脉冲正弦调频信号的频率、频移反馈腔的参数、半波电压及输入信号电压之间的关系，确定电光相位调制器的半波电压。

假设第一个脉冲的最大瞬时频率为F₁，第二个脉冲的最大瞬时频率为F₂。那么根据理论模型推导，两个脉冲的最大瞬时频率之和F₁+F₂与频移反馈腔参数、半波电压和输入信号电压的关系可以表示为：

其中，V为输入信号电压，V_π为半波电压，第一个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₁，第二个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₂。

根据上述关系，两个脉冲的最大瞬时频率之和与输入信号的电压幅度成正比，通过解算一组脉冲信号瞬时频率之和F₁+F₂，利用已知参数V，f_c，Δf和f_m，代入上述公式(3)即可获得该调制频率下的半波电压值V_π。

本实施例提供的电光相位调制器半波电压的测量方法，其采用频移反馈腔作为测量系统，将待测量电光相位调制器接入反馈腔内，利用相位调制频移反馈腔产生的双脉冲宽带正弦调频信号，建立双脉冲调频信号带宽、调频失谐量、环路基频、待测量电光相位调制器的调制频率、输入射频信号电压与半波电压的对应关系，实现相位调制器任意频率半波电压的测量，测量精度高、适合测量低频信号且不受外界抖动影响。

考虑到进一步提高测量精度，在上述方法的基础上可以采集多个输入信号电压，通过计算斜率确定半波电压。具体地，上述步骤S206可以包括：获取两个输入信号电压、两个输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率及频移反馈腔的参数。

根据上述两个输入信号电压、两个输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率，计算得到正比例函数的斜率k。上述公式(3)可以看作以输入电压V为自变量，最大瞬时频率之和F₁+F₂为应变量的正比例函数，那么如果测量得到两个不同输入电压，及其对应的瞬时频率之和，即可求得正比例函数的斜率k，如下：

根据公式(4)，计算得到电光相位调制器的半波电压。该方式采用两组数据得到半波电压值，相比单组数据直接计算方法的精度高。

考虑到进一步提高测量精度，还可以采用拟合方式确定上述斜率k。具体地，上述步骤S206可以包括：通过任意波形发生器调整电光相位调制器的输入信号电压为电压峰峰值随时间逐渐上升的正弦波。然后，获取不同输入信号电压V对应的最大瞬时频率之和F₁+F₂，通过线性拟合得到F₁+F₂与V的斜率k，如上述公式(4)所示；根据公式(4)，计算得到电光相位调制器的半波电压，可进一步提高半波电压的测量精度。

参见图3所示的输入信号电压与最大瞬时频率之和的线性关系示意图，图3(a)示出了f_c＝14.605MHz，T＝17℃，不同调制频率(5KHz、10KHz、20KHz、50KHz、100KHz)下，输入信号电压与最大瞬时频率之和之间的线性关系；图3(b)示出了调制频率f_m＝40kHz，f_c＝14.605MHz时，不同温度(17℃、20℃、23℃)下，输入信号电压与最大瞬时频率之和之间的线性关系。基于图3中各直线的斜率，结合上述公式(4)可计算得到电光相位调制器的半波电压。

由于电光相位调制器极易受到温度影响，在本实施例中还设置有温控装置，从而可以准确得到固定温度下的半波电压值，减少外界因素对相位调制器半波电压测量结果的影响；也可以通过设定温度值，得到不同温度下相位调制器的半波电压随温度的变化趋势。基于此，上述方法还可以包括以下步骤：通过温控装置控制电光相位调制器的温度，得到目标温度下电光相位调制器的半波电压；或者，通过温控装置控制电光相位调制器的温度，得到电光相位调制器的半波电压随温度的变化关系。

参见图4所示的不同射频电压下的时域图和时频图，示出了在调制频率f_m＝30kHz，f_c＝14.605MHz，T＝17℃时，不同射频信号电压下的时域图和时频图。其中，图(a)-(b)的射频信号电压为4v；(c)-(d)的射频信号电压为6v；(e)-(f)的射频信号电压为8v；(g)-(h)的射频信号电压为10v。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电光相位调制器半波电压的测量方法，其特征在于，待测量的电光相位调制器接入频移反馈腔，所述方法包括：

控制种子激光器启动，以将种子激光输入所述频移反馈腔；

调整所述电光相位调制器的输入信号电压，以使所述频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号；

获取所述输入信号电压、所述两个脉冲正弦调频信号的频率及所述频移反馈腔的参数；

根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压；

所述频移反馈腔内射频调制信号的频率、环路基频满足以下关系式时，所述频移反馈腔在一个调制周期内输出两个脉冲正弦调频信号：

f_m＝pf_c+Δf (1)

其中，f_m为频移反馈腔内射频调制信号的频率，f_c为环路基频，p为整数，Δf为调频失谐量，Δf＜＜f_c；

预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，如下：

其中，V为输入信号电压，V_π为半波电压，第一个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₁，第二个脉冲正弦调频信号的最大瞬时频率为F₂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述输入信号电压、所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数，包括：

获取两个所述输入信号电压、两个所述输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率及所述频移反馈腔的参数；

所述根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压，包括：

根据两个所述输入信号电压、两个所述输入信号电压分别对应的两个脉冲正弦调频信号的频率，计算得到正比例函数的斜率k；

其中，

根据所述公式(3)，计算得到所述电光相位调制器的半波电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过任意波形发生器调整所述电光相位调制器的输入信号电压为电压峰峰值随时间逐渐上升的正弦波；

所述根据预设的所述两个脉冲正弦调频信号的频率、所述频移反馈腔的参数、半波电压及所述输入信号电压之间的关系，确定所述电光相位调制器的半波电压，包括：

获取不同输入信号电压V对应的最大瞬时频率之和F₁+F₂，通过线性拟合得到F₁+F₂与V的斜率k；

其中，

根据所述公式(3)，计算得到所述电光相位调制器的半波电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电光相位调制器连接有温控装置，所述方法还包括：

通过所述温控装置控制所述电光相位调制器的温度，得到目标温度下所述电光相位调制器的半波电压；或者，

通过所述温控装置控制所述电光相位调制器的温度，得到所述电光相位调制器的半波电压随温度的变化关系。

5.一种电光相位调制器半波电压的测量系统，其特征在于，包括种子激光器、频移反馈腔、2×1耦合器、光电探测器、时频分析系统及控制器；

所述种子激光器，用于向所述频移反馈腔输入种子激光；

所述频移反馈腔包括依次连接的低噪光学放大器、光学窄带滤波器、偏振控制器及2×2耦合器；所述2×2耦合器与所述低噪光学放大器之间连接待测量的电光相位调制器；所述频移反馈腔还包括射频驱动器，所述射频驱动器与所述待测量的电光相位调制器连接；

所述频移反馈腔的输出光与所述种子激光输入所述2×1耦合器，所述2×1耦合器的输出端与所述光电探测器连接，所述光电探测器与所述时频分析系统连接；

所述控制器用于执行权利要求1-4任一项所述的电光相位调制器半波电压的测量方法。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括1×2耦合器，所述1×2耦合器的输入端连接所述种子激光器，第一输出端连接所述2×2耦合器的输入端。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括可调功率衰减器，所述1×2耦合器的第二输出端通过所述可调功率衰减器连接所述2×1耦合器。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括控温系统、半导体制冷器及热敏电阻，所述半导体制冷器及所述热敏电阻与所述待测量的电光相位调制器接触设置。

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