專利名稱：Y波導調制器半波電壓測試方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種Y波導調制器半波電壓測試方法及裝置。
背景技術：
Y波導電光調制器12(以下簡稱Y波導)是閉環(huán)光纖陀螺(FOG)中的重要元件之一，在FOG光路中起著濾模(偏振器)、分合光(耦合器)和相位調制(調制器)的作用，其基本結構如圖1所示，圖中波導1 4是用質子交換工藝在LiNbO3晶體基片13上生成的光波導，電極16通過鍍模工藝集成在波導兩側，光的輸入和輸出通過保偏光纖15耦合。給電極加上電調制波后，通過LiNbO3的電光效應，實現對波導中傳輸光波相位的調制。作為一種電光器件，其特性參數有分光比、損耗、偏振串音、背向散射、半波電壓、帶寬和強度調制等，前四項為光特性，后三項為電特性，它們都直接或間接地影響FOG的性能，其中半波電壓是Y波導的關鍵參數，指在調制光路中產生180度相移所需的調制電壓。它的變化將直接引起FOG的標度因數的非線性，準確地測定并確定它的變化規(guī)律對提高陀螺的性能非常重要且必須的。目前對半波電壓的測量方法有偏振干涉法和變振幅正弦波調制法兩種，由耿凡、宋強、李彩芬等撰寫的論文《偏振干涉法測量相位調制半波電壓電壓[R]》(耿凡，宋強，李彩芬.偏振干涉法測量相位調制半波電壓電壓[R].光纖陀螺論文集(一)，航空航天工業(yè)部，1990.)中公開了偏振干涉法的工作原理，它是基于波導中兩個偏振模的干涉，當在調制臂上加上正弦波時，輸出信號將會隨正弦波的幅度變化，通過波形的變化便可確定半波電壓值?，F在，被測對象為質子交換工藝制成的Y波導，在波導中只有一個偏振模式傳播，不可能發(fā)生偏振模的干涉，顯然，這種方法不適用；而發(fā)表在《中國激光》(1994年第6期)由楊遠洪、馬靜、張惟敘等合寫的文獻《PZT光纖相位調制器的變振幅調制測試技術》(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.)中公開的是一種變振幅正弦波調制法，它是用調制器和光纖耦合器形成了一個馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀，在調制臂上加上變振幅的正弦波，經過專用的調制解調電路，測量輸出信號的零點所對應的電壓值，通過計算得到半波電壓。雖然此種方法對調制器結構沒有特殊的要求，也適合對Y波導的測量，但在這個方法中，由于它是基于MZ干涉儀的，測試過程比較復雜，而且這種干涉儀對環(huán)境變化很敏感，因此在這種方法也存在測量不穩(wěn)定和精度低的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提供一種能精確測定Y波導調制器半波電壓的方法和一種自動數字式的測量裝置。本發(fā)明的技術解決方案是，由超輻射二極管(SLD)及其驅動電路4、探測器及前放電路5、數字信號發(fā)生電路6、接口、控制及信號采集電路3組成的專用電路2，與光纖環(huán)18、光纖耦合器9及微處理系統(tǒng)1及待測Y波導12組成薩格納克(Sagnac)干涉儀，SLD及其驅動電路4內包括一個SLD，SLD發(fā)出的寬譜光經光纖耦合器9進入待測Y波導調制器12，光經Y波導分兩路在光纖環(huán)18中沿相反的方向傳輸，這兩路光再次在Y波導調制器12相遇并發(fā)生干涉，干涉光經耦合器9，光纖8進入探測器5；數字信號發(fā)生器6產生周期為4τ(τ為光在光纖環(huán)中的傳播一圈所需時間，)、階梯寬度為τ、階梯高度相等的階梯波21，加在待測Y波導12電極16上，對通過波導的光波相位進行調制；以探測器5輸出波形23上0～τ區(qū)間的電平V1和τ～4τ區(qū)間的電平V2的差作為判據，在這個差首次為0時，記錄階梯高度值，這個值是半波電壓的1/2，將此值乘2便得到半波電壓值；通過A/D技術將V1和V2的值量化，通過標準接口送入微處理系統(tǒng)處理；微處理系統(tǒng)完成信號的收集、判斷并控制階梯波階梯的高度和記錄輸出測量結果。微處理系統(tǒng)1的處理步驟包括1)對光源驅動電路初始化的步驟；2)對A/D采集電路初始化的步驟；3)對數字信號發(fā)生器產生的階梯波進行初始化的步驟；4)使階梯波高度從0增加到1/2半波電壓的步驟；5)量化鋸齒波電平V1、V2，求出V1、V2的差值，并判斷差值是否為零，是，進入下一步，否，則重復第4的步驟；6)記錄階梯高度Vstep值的步驟；7)計算半波電壓Vπ的步驟；8)保存并輸出測量結果。
本發(fā)明采用由SLD及驅動電路4、探測器及前放電路5、數字信號發(fā)生電路6、接口、控制及信號采集電路3組成的專用電路2，與光纖環(huán)18、光纖耦合器9和微處理系統(tǒng)1及待測Y波導12組成薩格納克干涉儀，它是一種互易結構的干涉儀，此種干涉儀容易實現而且信號很穩(wěn)定，因此容易實現Y波導半波電壓的準確測量；本發(fā)明用探測器5的輸出波形23中電平V1和V2的差作為判據實現Y波導半波電壓的測量，光源SLD的光功率的變化和光路損耗的變化對測量的準確性沒有影響；本發(fā)明利用了薩格納克(Sagnac)干涉儀輸出信號的周期性，通過測量全波電壓實現半波電壓的測量，光路中的各種位相誤差對測量過程和結果都沒有影響；本發(fā)明采用周期為4τ的數字階梯波進行調制，在V1和V2的差近似為0時，V1和V2的差對階梯的高度的變化最敏感，在以V1和V2的差作為判據時，可非常精確地確定半波電壓值。本發(fā)明完全通過數字技術實現，可實現半波電壓的高精度全自動測量。


圖1為本發(fā)明測量裝置示意圖；圖2為本發(fā)明半波電壓測量波形圖；圖3為本發(fā)明信號處理流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的測量裝置由微處理系統(tǒng)1、專用電路2、光纖耦合器9、光纖環(huán)18、待測器件12組成。微處理系統(tǒng)1承擔測試流程控制和結果顯示記錄的工作，可以是計算機、單片機或其它具有上述功能的微處理系統(tǒng)，在本例中，采用了一臺計算機；專用電路2包括SLD及驅動電路4，探測器及前放電路5和數字信號發(fā)生電路6，接口、控制及信號采集電路3，這些部分連同電源都封裝在一起，并安裝在專用盒中；SLD及驅動電路4為系統(tǒng)提供寬譜穩(wěn)定光源，SLD為外購產品，驅動電路也為通用電路；探測器及前放電路5由帶前放的探測器組件實現；數字信號發(fā)生電路6可方便地由數字電路實現。接口、控制及信號采集電路3完成專用電路2與微處理系統(tǒng)1的數據和信息的傳輸和波形23上電平V1和V2的量化，在本例中使用標準RS232接口實現數據交換，采用通用12位A/D轉換器實現V1和V2的量化；SLD發(fā)出光經光纖7進入耦合器9，耦合器為光纖耦合器，分光比為50∶50，經過耦合器后光被一分為二，一部分從空頭10輸出，另一部分經光纖11進入待測Y波導調制器12；光經Y波導后被分為兩等分并被調制，從Y波導傳出的兩束光通過光纖17a和17b進入光纖環(huán)18；光纖環(huán)18是將光纖纏繞在骨架上形成的，其長度根據Y波導的使用場合決定，一般可為500米到1000米，進入光纖環(huán)的光沿相反的方向傳輸，光在光纖環(huán)中的傳輸時間為τ(τ＝nL/C，n為光纖的等效折射率，L為光纖環(huán)長度，C為真空中的光速)，通過光纖17a和17b再次在Y波導12中會合并發(fā)生干涉；干涉光經光纖11、耦合器9、光纖8進入探測器及前放電路5，探測器及前放電路5的輸出電信號送入信號采集電路3，測量波形23中V1和V2的量化值通過接口3實時送入計算機進行處理；數字信號發(fā)生電路6產生波階梯波21，給調制器提供調制信號，信號周期為4τ，階梯寬度τ，階梯高度相等，其高度通過數字方法精確調節(jié)，數字信號發(fā)生電路6的輸出通過電纜19連接Y波導12的待測電極。
由SLD及驅動電路4、探測器及前放電路5、數字信號發(fā)生電路6、接口、控制及信號采集電路3組成的專用電路2，與光纖環(huán)18、光纖耦合器9和微處理系統(tǒng)1及待測Y波導12組成薩格納克干涉儀，在干涉儀工作時，探測器的輸出可表示為v＝K(l+cosφs) (1)其中K為與入射到探測器上的光強I0和探測器組件增益有關的系數，φs為薩格納克(Sagnac)干涉儀中的非互易相移，在沒有非互易調制和噪聲時，它一般為零。v隨φ的變化為圖2中波形24。當給待測Y波導12一個調制臂加上周期為4τ，階梯寬度為τ，階梯高度為Vstep的數字階梯波21時，由于該調制臂處在非互易位置，光纖環(huán)提供時間延遲，使順時針和逆時針傳播的光在不同的時間通過調制器而被調制，在薩格納克(Sagnac)干涉儀中產生非互易相移。這可等效為相向傳播的兩束光的調制相位在時間軸上發(fā)生了相對移動，移動的時間差為τ(如圖2波形22所示)。這種移動(或延遲)產生的非互易相移可用下式計算φ＝φm(t)-φm(t-τ) (2)其中φm(t)為調制波，在這里它為數字階梯波21，圖2波形21表示φm(t)，波形22表示φm(t-τ)，波形20表示得到的非互易相移為φ。設待測半波電壓為Vπ，則調制系數Kp為Kp=π/Vπ---(3)]]>于是，在一個調制周期內，當0＜t＜τ時，如波形20所示，其非互易相移為φ1＝-Kp·3VStep(4)探測器及前放電路5輸出對應波形24上P1點，其值為V1＝K[l+cos(φ1)] (5)當τ＜t＜4τ時，如波形20所示，其非互易相移為φ2＝Kp·VStep(6)探測器及前放電路5輸出對應波形24上P2點，其值為V2＝K[l+cos(φ2)] (7)從圖2中波形23和可直觀地得到上述結果。若令V1＝V2，聯立方程(3)～(7)可得Vπ的第一個非零解Vπ＝2VStep(8)Vstep是在V1＝V2時，階梯波一個階梯的高度。讀出階梯高度Vstep值，便可確定半波電壓Vπ。在用上述裝置進行半波電壓測量時，首先設定階梯波的周期為4τ，然后從小到大調節(jié)階梯高度，同時監(jiān)測V1和V2的變化，當V1＝V2時，階梯的幅度便是的半波電壓Vπ值的1/2，讀出階梯高度Vstep，最后用式(8)便可簡單算出所測的半波電壓Vπ值。在上述情況下，φ1＝-3π/2，φ2＝π/2，它們相差2π且都位于干涉輸出波形斜率最大點，此時V1、V2對鋸齒波幅度的變化最敏感，因而可實現半波電壓的高精度測量。
測試時，先將待測Y波導12用熔接的方法接入光路，C點接光纖11，A、B兩點分別接光纖17a和17b；接通計算機1及專用電路2的電源，此時計算機1將對系統(tǒng)進行必要的初始化，包括SLD及驅動電路4初始化、接口、控制及信號采集電路3初始化、數字信號發(fā)生電路6初始化等；初始完成后，干涉儀開始工作，周期為4τ階梯波已形成，當階梯高度從零升高時，V1和V2的值發(fā)生變化并被實時量化，量化值被送入計算機，計算機計算其差值并實時調整階梯高度，這個過程形成一個閉環(huán)回路，一旦差值為0，計算機便記下Vstep值，用式(8)算出所測的半波電壓值并顯示輸出，自動完成測量，并記錄和顯示結果。
權利要求
1.一種Y波導調制器半波電壓的測試方法，其特征是，將待測Y波導接入光路，與光纖、光纖環(huán)及專用電路組成薩格納克干涉儀，專用電路發(fā)出周期為4τ、階梯寬度為τ、階梯高度相等的階梯波加在待測Y波導電極上，由小到大增加階梯高度，以輸出波形上0～τ區(qū)間的電平和τ～4τ區(qū)間的電平的差作為判據，在這個差首次為0時，記錄階梯高度值，將此值乘以2得到半波電壓值。
2.一種Y波導調制器半波電壓測試裝置，其特征是，薩格納克干涉儀由驅動電路、探測器、前放電路、數字信號發(fā)生電路、接口、控制及信號采集電路組成的專用電路與光纖、光纖環(huán)、光纖耦合器、微處理系統(tǒng)及待測Y波導組成，驅動電路內包括一個超輻射二極管(SLD)，超輻射二極管發(fā)出的寬譜光源經光纖耦合器進入待測Y波導調制器，經Y波導分兩路在光纖環(huán)沿相反的方向傳輸，這兩路光再次在Y波導調制器相遇并發(fā)生干涉，干涉光經耦合器進入探測器，探測器的輸出由接口、控制及信號采集電路組成的專用電路量化并送入微處理系統(tǒng)處理，微處理系統(tǒng)完成信號的收集、判斷并控制階梯波階梯的高度和記錄輸出測量結果。
3.根據權利要求1所述的Y波導調制器半波電壓測試裝置方法，其特征是，微處理計算機的處理步驟包括1)對光源驅動電路初始化的步驟；2)對A/D采集電路初始化的步驟；3)對數字信號發(fā)生器產生的階梯波進行初始化的步驟；4)使階梯波高度從0增加到1/2半波電壓的步驟；5)量化鋸齒波電平V1、V2，求出V1、V2的差值，并判斷差值是否為零，是，進入下一步，否，則重復第4)的步驟；6)記錄階梯高度Vstep值的步驟；7)計算半波電壓Vπ的步驟；8)保存并輸出測量結果。
4.根據權利要求2所述的Y波導調制器半波電壓測試裝置，其特征是，微處理系統(tǒng)可以是計算機或單片機。
全文摘要
本發(fā)明設及一種Y波導調制器半波電壓測試方法及裝置。本發(fā)明將待測Y波導接入薩格納克(Sagnac)干涉儀光路，形成完整的薩格納克(Sagnac)干涉儀；將周期為4τ、階梯高度相等，每個階梯寬度為τ的數字階梯波加在Y波導的調制電極上，用A/D技術將探測器輸出波形上0～τ區(qū)間的電平V1和τ～4τ區(qū)間的電平V2的差作為判據；由低到高改變階梯高度，用計算機計算V1和V2的差，當這個差為0時，記下階梯高度值，根據階梯高度值和半波電壓的關系可準確得到Y波導的半波電壓值。這種方法容易實現，精度高。光功率的變化、光路損耗和光路中存在的各種位相誤差對測量的準確性都沒有影響?？蓪崿FY波導半波電壓的高精度全自動測量。
文檔編號G01C19/58GK1432793SQ0310524
公開日2003年7月30日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權日2003年2月26日
發(fā)明者楊遠洪, 張惟敘, 馬靜 申請人:北京航空航天大學