CN1432793A - Y波导调制器半波电压测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设及一种Y波导调制器半波电压测试方法及装置。本发明将待测Y波导接入萨格纳克(Sagnac)干涉仪光路，形成完整的萨格纳克(Sagnac)干涉仪；将周期为4τ、阶梯高度相等，每个阶梯宽度为τ的数字阶梯波加在Y波导的调制电极上，用A/D技术将探测器输出波形上0～τ区间的电平V1和τ～4τ区间的电平V2的差作为判据；由低到高改变阶梯高度，用计算机计算V1和V2的差，当这个差为0时，记下阶梯高度值，根据阶梯高度值和半波电压的关系可准确得到Y波导的半波电压值。这种方法容易实现，精度高。光功率的变化、光路损耗和光路中存在的各种位相误差对测量的准确性都没有影响。可实现Y波导半波电压的高精度全自动测量。

Description

Y波导调制器半波电压测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种Y波导调制器半波电压测试方法及装置。

背景技术

Y波导电光调制器12(以下简称Y波导)是闭环光纤陀螺(FOG)中的重要元件之一，在FOG光路中起着滤模(偏振器)、分合光(耦合器)和相位调制(调制器)的作用，其基本结构如图1所示，图中波导1 4是用质子交换工艺在LiNbO₃晶体基片13上生成的光波导，电极16通过镀模工艺集成在波导两侧，光的输入和输出通过保偏光纤15耦合。给电极加上电调制波后，通过LiNbO₃的电光效应，实现对波导中传输光波相位的调制。作为一种电光器件，其特性参数有分光比、损耗、偏振串音、背向散射、半波电压、带宽和强度调制等，前四项为光特性，后三项为电特性，它们都直接或间接地影响FOG的性能，其中半波电压是Y波导的关键参数，指在调制光路中产生180度相移所需的调制电压。它的变化将直接引起FOG的标度因数的非线性，准确地测定并确定它的变化规律对提高陀螺的性能非常重要且必须的。目前对半波电压的测量方法有偏振干涉法和变振幅正弦波调制法两种，由耿凡、宋强、李彩芬等撰写的论文《偏振干涉法测量相位调制半波电压电压[R]》(耿凡，宋强，李彩芬.偏振干涉法测量相位调制半波电压电压[R].光纤陀螺论文集(一)，航空航天工业部，1990.)中公开了偏振干涉法的工作原理，它是基于波导中两个偏振模的干涉，当在调制臂上加上正弦波时，输出信号将会随正弦波的幅度变化，通过波形的变化便可确定半波电压值。现在，被测对象为质子交换工艺制成的Y波导，在波导中只有一个偏振模式传播，不可能发生偏振模的干涉，显然，这种方法不适用；而发表在《中国激光》(1994年第6期)由杨远洪、马静、张惟叙等合写的文献《PZT光纤相位调制器的变振幅调制测试技术》(YANG Yuan-hong，MA Jing，ZHANGWei-xu.The PZT optical fiber phase modulation testing with varyingamplitude modulation[J].CHINESE JOURNAL OF LASER，Vol.B3，No.6，Dec.1994.)中公开的是一种变振幅正弦波调制法，它是用调制器和光纤耦合器形成了一个马赫-曾德尔(MZ)干涉仪，在调制臂上加上变振幅的正弦波，经过专用的调制解调电路，测量输出信号的零点所对应的电压值，通过计算得到半波电压。虽然此种方法对调制器结构没有特殊的要求，也适合对Y波导的测量，但在这个方法中，由于它是基于MZ干涉仪的，测试过程比较复杂，而且这种干涉仪对环境变化很敏感，因此在这种方法也存在测量不稳定和精度低的问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种能精确测定Y波导调制器半波电压的方法和一种自动数字式的测量装置。本发明的技术解决方案是，由超辐射二极管(SLD)及其驱动电路4、探测器及前放电路5、数字信号发生电路6、接口、控制及信号采集电路3组成的专用电路2，与光纤环18、光纤耦合器9及微处理系统1及待测Y波导12组成萨格纳克(Sagnac)干涉仪，SLD及其驱动电路4内包括一个SLD，SLD发出的宽谱光经光纤耦合器9进入待测Y波导调制器12，光经Y波导分两路在光纤环18中沿相反的方向传输，这两路光再次在Y波导调制器12相遇并发生干涉，干涉光经耦合器9，光纤8进入探测器5；数字信号发生器6产生周期为4τ(τ为光在光纤环中的传播一圈所需时间，)、阶梯宽度为τ、阶梯高度相等的阶梯波21，加在待测Y波导12电极16上，对通过波导的光波相位进行调制；以探测器5输出波形23上0～τ区间的电平V1和τ～4τ区间的电平V2的差作为判据，在这个差首次为0时，记录阶梯高度值，这个值是半波电压的1/2，将此值乘2便得到半波电压值；通过A/D技术将V1和V2的值量化，通过标准接口送入微处理系统处理；微处理系统完成信号的收集、判断并控制阶梯波阶梯的高度和记录输出测量结果。微处理系统1的处理步骤包括：

1)对光源驱动电路初始化的步骤；

2)对A/D采集电路初始化的步骤；

3)对数字信号发生器产生的阶梯波进行初始化的步骤；

4)使阶梯波高度从0增加到1/2半波电压的步骤；

5)量化锯齿波电平V1、V2，求出V1、V2的差值，并判断差值是否为零，是，进入下一步，否，则重复第4的步骤；

6)记录阶梯高度V_step值的步骤；

7)计算半波电压V_π的步骤；

8)保存并输出测量结果。

本发明采用由SLD及驱动电路4、探测器及前放电路5、数字信号发生电路6、接口、控制及信号采集电路3组成的专用电路2，与光纤环18、光纤耦合器9和微处理系统1及待测Y波导12组成萨格纳克干涉仪，它是一种互易结构的干涉仪，此种干涉仪容易实现而且信号很稳定，因此容易实现Y波导半波电压的准确测量；本发明用探测器5的输出波形23中电平V1和V2的差作为判据实现Y波导半波电压的测量，光源SLD的光功率的变化和光路损耗的变化对测量的准确性没有影响；本发明利用了萨格纳克(Sagnac)干涉仪输出信号的周期性，通过测量全波电压实现半波电压的测量，光路中的各种位相误差对测量过程和结果都没有影响；本发明采用周期为4τ的数字阶梯波进行调制，在V1和V2的差近似为0时，V1和V2的差对阶梯的高度的变化最敏感，在以V1和V2的差作为判据时，可非常精确地确定半波电压值。本发明完全通过数字技术实现，可实现半波电压的高精度全自动测量。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明半波电压测量波形图；

图3为本发明信号处理流程图。

具体实施方式

本发明的测量装置由微处理系统1、专用电路2、光纤耦合器9、光纤环18、待测器件12组成。微处理系统1承担测试流程控制和结果显示记录的工作，可以是计算机、单片机或其它具有上述功能的微处理系统，在本例中，采用了一台计算机；专用电路2包括SLD及驱动电路4，探测器及前放电路5和数字信号发生电路6，接口、控制及信号采集电路3，这些部分连同电源都封装在一起，并安装在专用盒中；SLD及驱动电路4为系统提供宽谱稳定光源，SLD为外购产品，驱动电路也为通用电路；探测器及前放电路5由带前放的探测器组件实现；数字信号发生电路6可方便地由数字电路实现。接口、控制及信号采集电路3完成专用电路2与微处理系统1的数据和信息的传输和波形23上电平V1和V2的量化，在本例中使用标准RS232接口实现数据交换，采用通用12位A/D转换器实现V1和V2的量化；SLD发出光经光纤7进入耦合器9，耦合器为光纤耦合器，分光比为50∶50，经过耦合器后光被一分为二，一部分从空头10输出，另一部分经光纤11进入待测Y波导调制器12；光经Y波导后被分为两等分并被调制，从Y波导传出的两束光通过光纤17a和17b进入光纤环18；光纤环18是将光纤缠绕在骨架上形成的，其长度根据Y波导的使用场合决定，一般可为500米到1000米，进入光纤环的光沿相反的方向传输，光在光纤环中的传输时间为τ(τ＝nL/C，n为光纤的等效折射率，L为光纤环长度，C为真空中的光速)，通过光纤17a和17b再次在Y波导12中会合并发生干涉；干涉光经光纤11、耦合器9、光纤8进入探测器及前放电路5，探测器及前放电路5的输出电信号送入信号采集电路3，测量波形23中V1和V2的量化值通过接口3实时送入计算机进行处理；数字信号发生电路6产生波阶梯波21，给调制器提供调制信号，信号周期为4τ，阶梯宽度τ，阶梯高度相等，其高度通过数字方法精确调节，数字信号发生电路6的输出通过电缆19连接Y波导12的待测电极。

由SLD及驱动电路4、探测器及前放电路5、数字信号发生电路6、接口、控制及信号采集电路3组成的专用电路2，与光纤环18、光纤耦合器9和微处理系统1及待测Y波导12组成萨格纳克干涉仪，在干涉仪工作时，探测器的输出可表示为：

                v＝K(l+cosφ_s)          (1)其中：K为与入射到探测器上的光强I₀和探测器组件增益有关的系数，φ_s为萨格纳克(Sagnac)干涉仪中的非互易相移，在没有非互易调制和噪声时，它一般为零。v随φ的变化为图2中波形24。当给待测Y波导12一个调制臂加上周期为4τ，阶梯宽度为τ，阶梯高度为V_step的数字阶梯波21时，由于该调制臂处在非互易位置，光纤环提供时间延迟，使顺时针和逆时针传播的光在不同的时间通过调制器而被调制，在萨格纳克(Sagnac)干涉仪中产生非互易相移。这可等效为相向传播的两束光的调制相位在时间轴上发生了相对移动，移动的时间差为τ(如图2波形22所示)。这种移动(或延迟)产生的非互易相移可用下式计算：

         φ＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)          (2)其中：φ_m(t)为调制波，在这里它为数字阶梯波21，图2波形21表示φ_m(t)，波形22表示φ_m(t-τ)，波形20表示得到的非互易相移为φ。设待测半波电压为Vπ，则调制系数Kp为： $K_p=\mathrm{\π}/V_{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$ 于是，在一个调制周期内，当0＜t＜τ时，如波形20所示，其非互易相移为：

       φ₁＝-K_p·3V_Step              (4)探测器及前放电路5输出对应波形24上P1点，其值为：

        V₁＝K[l+cos(φ₁)]               (5)当τ＜t＜4τ时，如波形20所示，其非互易相移为：

             φ₂＝K_p·V_Step                        (6)探测器及前放电路5输出对应波形24上P2点，其值为：

              V₂＝K[l+cos(φ₂)]                      (7)从图2中波形23和可直观地得到上述结果。若令V1＝V2，联立方程(3)～(7)可得V_π的第一个非零解：

              V_π＝2V_Step                            (8)V_step是在V1＝V2时，阶梯波一个阶梯的高度。读出阶梯高度V_step值，便可确定半波电压V_π。在用上述装置进行半波电压测量时，首先设定阶梯波的周期为4τ，然后从小到大调节阶梯高度，同时监测V1和V2的变化，当V1＝V2时，阶梯的幅度便是的半波电压V_π值的1/2，读出阶梯高度V_step，最后用式(8)便可简单算出所测的半波电压V_π值。在上述情况下，φ1＝-3π/2，φ2＝π/2，它们相差2π且都位于干涉输出波形斜率最大点，此时V1、V2对锯齿波幅度的变化最敏感，因而可实现半波电压的高精度测量。

测试时，先将待测Y波导12用熔接的方法接入光路，C点接光纤11，A、B两点分别接光纤17a和17b；接通计算机1及专用电路2的电源，此时计算机1将对系统进行必要的初始化，包括SLD及驱动电路4初始化、接口、控制及信号采集电路3初始化、数字信号发生电路6初始化等；初始完成后，干涉仪开始工作，周期为4τ阶梯波已形成，当阶梯高度从零升高时，V1和V2的值发生变化并被实时量化，量化值被送入计算机，计算机计算其差值并实时调整阶梯高度，这个过程形成一个闭环回路，一旦差值为0，计算机便记下V_step值，用式(8)算出所测的半波电压值并显示输出，自动完成测量，并记录和显示结果。

Claims (4)

1、一种Y波导调制器半波电压的测试方法，其特征是，将待测Y波导接入光路，与光纤、光纤环及专用电路组成萨格纳克干涉仪，专用电路发出周期为4τ、阶梯宽度为τ、阶梯高度相等的阶梯波加在待测Y波导电极上，由小到大增加阶梯高度，以输出波形上0～τ区间的电平和τ～4τ区间的电平的差作为判据，在这个差首次为0时，记录阶梯高度值，将此值乘以2得到半波电压值。

2、一种Y波导调制器半波电压测试装置，其特征是，萨格纳克干涉仪由驱动电路、探测器、前放电路、数字信号发生电路、接口、控制及信号采集电路组成的专用电路与光纤、光纤环、光纤耦合器、微处理系统及待测Y波导组成，驱动电路内包括一个超辐射二极管(SLD)，超辐射二极管发出的宽谱光源经光纤耦合器进入待测Y波导调制器，经Y波导分两路在光纤环沿相反的方向传输，这两路光再次在Y波导调制器相遇并发生干涉，干涉光经耦合器进入探测器，探测器的输出由接口、控制及信号采集电路组成的专用电路量化并送入微处理系统处理，微处理系统完成信号的收集、判断并控制阶梯波阶梯的高度和记录输出测量结果。

3、根据权利要求1所述的Y波导调制器半波电压测试装置方法，其特征是，微处理计算机的处理步骤包括：

1)对光源驱动电路初始化的步骤；

2)对A/D采集电路初始化的步骤；

3)对数字信号发生器产生的阶梯波进行初始化的步骤；

4)使阶梯波高度从0增加到1/2半波电压的步骤；

5)量化锯齿波电平V1、V2，求出V1、V2的差值，并判断差值是否为零，是，进入下一步，否，则重复第4)的步骤；

6)记录阶梯高度V_step值的步骤；

7)计算半波电压V_π的步骤；

8)保存并输出测量结果。

4、根据权利要求2所述的Y波导调制器半波电压测试装置，其特征是，微处理系统可以是计算机或单片机。

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