基于雙電光相位調(diào)制晶體的剩余幅度調(diào)制主動控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于雙電光相位調(diào)制晶體的剩余幅度調(diào)制主動控制裝置，涉及精密測量和激光頻率穩(wěn)定【技術(shù)領(lǐng)域】。本實用新型通過采用電壓反饋和溫度反饋相結(jié)合的方式來主動控制光相位調(diào)制過程中產(chǎn)生的剩余幅度調(diào)制效應(yīng)，以避免電壓反饋信號和調(diào)制信號相互干擾的現(xiàn)象；同時利用溫度反饋和電壓反饋的優(yōu)點，提高反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有效降低光相位調(diào)制中的剩余幅度調(diào)制。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，對電光晶體無特殊加工要求，易實現(xiàn)；可獲得較寬的控制帶寬，彌補了僅使用溫度環(huán)路進行剩余幅度調(diào)制溫度帶寬很低的缺點；同時使用溫度反饋控制和電壓反饋控制，使得系統(tǒng)控制的動態(tài)范圍大，鎖定穩(wěn)定可靠；該原理具有普遍適用性，可用于其他電光相位調(diào)制器。
【專利說明】基于雙電光相位調(diào)制晶體的剩余幅度調(diào)制主動控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及精密測量和激光穩(wěn)頻【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于雙電光相位調(diào)制晶體的剩余幅度調(diào)制主動控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相位調(diào)制和探測技術(shù)具有極高的探測靈敏度，廣泛應(yīng)用于精密光譜、光頻標(biāo)和激光干涉等領(lǐng)域；其中電光相位調(diào)制是實現(xiàn)光學(xué)相位調(diào)制的常用手段。在電光相位調(diào)制過程中以及調(diào)制后光束的傳播過程中，由于各種因素(如電光晶體雙折射效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)等)的影響導(dǎo)致調(diào)制后的光束會產(chǎn)生剩余幅度調(diào)制，該效應(yīng)成為影響光學(xué)相位調(diào)制和頻率或光譜探測靈敏度的一個重要因素。比如在激光的PDH穩(wěn)頻中，剩余幅度調(diào)制的存在會導(dǎo)致探測的誤差信號中存在與激光頻率無關(guān)的偏置電壓，使探測的頻率與真實頻率之間存在偏差。
[0003]對于剩余幅度調(diào)制效應(yīng)一般可以通過被動穩(wěn)定電光調(diào)制器的環(huán)境(溫度、氣流和/或氣壓等)來降低其影響。但是在對探測靈敏度要求較高的應(yīng)用中，被動的方式遠不能滿足要求，需要采用反饋控制的手段來主動補償，從而降低剩余幅度調(diào)制效應(yīng)的影響。
[0004]目前通用的反饋控制方式有溫度反饋和電壓反饋。溫度反饋是通過控制晶體溫度主動補償剩余幅度調(diào)制造成的直流漂移，其優(yōu)點是動態(tài)范圍大，不干擾晶體調(diào)制效果；但是由于改變晶體的溫度需要較長的響應(yīng)時間，導(dǎo)致該種方式的響應(yīng)速度慢，帶寬低。電壓反饋是通過控制施加在晶體上的電壓補償剩余幅度調(diào)制效應(yīng)，其優(yōu)點是響應(yīng)速度快，帶寬高；但是由于反饋電壓與調(diào)制電壓有共用極板，容易相互干擾，影響剩余幅度調(diào)制的控制效果和電光相位調(diào)制深度的穩(wěn)定性。另外由于一般晶體半波電壓較大，這導(dǎo)致電壓反饋的執(zhí)行動態(tài)范圍小，長期鎖定效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種剩余幅度調(diào)制主動控制裝置。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]通過采用電壓反饋和溫度反饋相結(jié)合的方式來主動控制光相位調(diào)制過程中產(chǎn)生的剩余幅度調(diào)制效應(yīng)，以避免電壓反饋信號和調(diào)制信號相互干擾的現(xiàn)象；同時利用溫度反饋和電壓反饋的優(yōu)點，提高反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有效降低光相位調(diào)制中的剩余幅度調(diào)制。
[0008]具體地說，本實用新型的結(jié)構(gòu)是:
[0009]信號源和電光相位調(diào)制晶體連接，激光器、起偏器、電壓反饋晶體、電光相位調(diào)制晶體、光隔離器和偏振分光棱鏡依次連通，獲得光的相位調(diào)制光并分成兩路；
[0010]從上到下，銅塊、熱電制冷片和熱沉通過導(dǎo)熱硅脂依次緊密固定，電壓反饋晶體和電光相位調(diào)制晶體用膠粘在銅塊上面，構(gòu)成了剩余幅度調(diào)制主動控制的電壓反饋和溫度反饋的執(zhí)行器件；
[0011]光電探測器探測偏振分光棱鏡出來的一路光，并與混頻器的射頻端相連；信號源、移相器和混頻器的本底振蕩端依次相連；
[0012]PI電路、積分器、溫控電路和熱電制冷片輸入端依次連接；
[0013]PI電路、高壓放大器和電壓反饋晶體依次連接。
[0014]本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果:
[0015]①結(jié)構(gòu)簡單，對電光晶體無特殊加工要求，易實現(xiàn)；
[0016]②可獲得較寬的控制帶寬，控制頻率可達kHz甚至更高，彌補了僅使用溫度環(huán)路進行剩余幅度調(diào)制溫度帶寬很低的缺點；
[0017]③同時使用溫度反饋控制和電壓反饋控制，使得系統(tǒng)控制的動態(tài)范圍大，鎖定穩(wěn)
定可靠；
[0018]④該原理具有普遍適用性，可用于其他電光相位調(diào)制器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0020]圖中:
[0021]00—光源及光路，
[0022]01一激光器,02—起偏器,03—光隔離器，04—偏振分光棱鏡；
[0023]10 —電光相位調(diào)制模塊，
[0024]11 一電壓反饋晶體，12 一電光相位調(diào)制晶體，13 一銅塊，
[0025]14一熱電制冷片，15—熱沉；
[0026]20—探測模塊，
[0027]21 一移相器,22—光電探測器，23—混頻器；
[0028]30—伺服電路模塊，
[0029]31—PI電路,32—積分器，33—溫控電路，34 —聞壓放大器。
[0030]圖2是剩余幅度調(diào)制控制噪聲譜；
[0031]圖中:
[0032]橫軸為傅里葉頻率，縱軸為噪聲幅度譜密度；
[0033]I一測量儀器SR770噪聲本底，
[0034]2—混頻器和功分器的噪聲譜，
[0035]3—系統(tǒng)開環(huán)時剩余幅度調(diào)制噪聲譜，
[0036]4 一系統(tǒng)閉環(huán)時剩余幅度調(diào)制噪聲譜。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型詳細說明:
[0038]一、總體
[0039]如圖1，本裝置包括光源及光路00、電光相位調(diào)制模塊10、探測模塊20和伺服電路模塊30 ；
[0040]光源及光路00由激光器01、起偏器02、光隔離器03和偏振分光棱鏡04組成；[0041]電光相位調(diào)制模塊10由電壓反饋晶體11、電光相位調(diào)制晶體12、銅塊13、熱電制冷片14、熱沉15和信號源16組成；
[0042]探測模塊20由移相器21、光電探測器22和混頻器23組成；
[0043]伺服電路模塊30由PI電路31、積分器32、溫控電路33和高壓放大器34組成；
[0044]其連接關(guān)系是:
[0045]信號源16和電光相位調(diào)制晶體12連接，激光器01、起偏器02、電壓反饋晶體11、電光相位調(diào)制晶體12、光隔離器03和偏振分光棱鏡04依次連通(通過激光器01發(fā)出的激光)，獲得光的相位調(diào)制光并分成兩路，一路用于剩余幅度調(diào)制主動控制，另一路用于其他實驗；
[0046]從上到下，銅塊13、熱電制冷片14和熱沉15通過導(dǎo)熱硅脂依次緊密固定，電壓反饋晶體11和電光相位調(diào)制晶體12用膠粘在銅塊13上面，構(gòu)成了剩余幅度調(diào)制主動控制的電壓反饋和溫度反饋的執(zhí)行器件；
[0047]光電探測器22探測偏振分光棱鏡04出來的一路光，并與混頻器23的射頻端相連；信號源16、移相器21和混頻器23的本底振蕩端依次相連，則混頻器23的中頻端輸出剩余幅度調(diào)制信號；
[0048]PI電路31、積分器32、溫控電路33和熱電制冷片14輸入端依次連接，用于產(chǎn)生剩余幅度調(diào)制的溫度補償信號；
[0049]PI電路31、高壓放大器34和電壓反饋晶體11依次連接，用于產(chǎn)生剩余幅度調(diào)制的電壓反饋的制動信號。
[0050]其工作原理是:
[0051]①光路部分
[0052]光路部分是激光器01發(fā)出的激光依次通過起偏器02、電壓反饋晶體11、電光相位調(diào)制晶體12、光隔離器03和偏振分光棱鏡04 ；
[0053]光路部分是使用電光相位調(diào)制晶體12對光進行相位調(diào)制，并通過光隔離器03來隔離其后面器件的反射光，保證光路中沒有干涉效應(yīng)；
[0054]電壓反饋晶體11和電光相位調(diào)制晶體12是兩塊不同尺寸的鈮酸鋰晶體；兩塊晶體均沿光軸方向切割，兩塊晶體共用下極板，上極板則相互獨立，因而兩塊晶體上所施加的電壓信號互相獨立，互不干擾；兩塊晶體安裝間隔3?5mm，且相近的兩通光面呈3?5°夾角，用于避免干涉效應(yīng)；電壓反饋晶體11的尺寸為3X4X5mm，用于剩余幅度調(diào)制穩(wěn)定中的電壓反饋控制環(huán)路的執(zhí)行器件；電光相位調(diào)制晶體12的尺寸為3X4X35mm，當(dāng)它被信號源16驅(qū)動后可用于產(chǎn)生光的相位調(diào)制。
[0055]②剩余幅度調(diào)制探測部分
[0056]剩余幅度調(diào)制探測部分由信號源16、移相器21、光電探測器22和混頻器23組成；
[0057]剩余幅度調(diào)制探測部分的工作原理是利用光電探測器22將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再利用混頻器23對其進行解調(diào)，其中解調(diào)的本地振蕩由信號源16經(jīng)過移相器21移相后的信號提供。
[0058]③剩余幅度調(diào)制的溫度反饋環(huán)路
[0059]剩余幅度調(diào)制的溫度反饋環(huán)路由PI電路31、積分器32、溫控電路33和熱電制冷片14輸入端依次連接組成；[0060]其工作原理是利用晶體的折射率隨溫度變化從而降低剩余幅度調(diào)制，其優(yōu)點是控制的動態(tài)范圍較大，可以有效地補償電壓反饋環(huán)路在動態(tài)范圍上的不足；由于溫度控制是一個緩慢的過程，其控制帶寬很窄，因而需對其進行多次積分濾波后再輸入到執(zhí)行器的熱電制冷片14中。
[0061]④剩余幅度調(diào)制的電壓反饋環(huán)路
[0062]剩余幅度調(diào)制的電壓反饋環(huán)路由PI電路31、高壓放大器34和電壓反饋晶體11依次連接組成；
[0063]其工作原理是將探測到的剩余幅度調(diào)制信號經(jīng)過PI電路31和高壓放大器34進行放大濾波后加載在電壓反饋晶體11的極板上，使通過晶體的光束沿晶體兩光軸方向的分量產(chǎn)生一定的相位變化，從而抵消由電光相位調(diào)制晶體12在相位調(diào)制中產(chǎn)生的剩余幅度調(diào)制效應(yīng)。
[0064]二、功能部件
[0065]O、光源及光路00
[0066]光源及光路00構(gòu)成了系統(tǒng)的主要光路部分，其功能在于為裝置提供光源，同時避免光路之間形成干涉，和輸出光分束分別用于剩余幅度調(diào)制穩(wěn)定和其他實驗所需。
[0067]所述的激光器01是一種通用的激光器，如選用Nd:YAG激光器。
[0068]所述的起偏器02是一種格蘭泰勒棱鏡,用于過濾透過光束的偏振態(tài),使透過光束為線偏振光，本裝置中透過光束的偏振方向與電光晶體主軸夾角為2?3度。
[0069]所述的光隔離器03是一種普通的光隔離器，用于隔離反向傳播的光束，如其他器件的反射光束或者雜散光，避免反射光束干擾與晶體界面形成干涉，干涉調(diào)制信號；光隔離器03的隔離度為30dB。
[0070]1、電光相位調(diào)制模塊10
[0071]電光相位調(diào)制模塊10包含的電光相位調(diào)制晶體12以及剩余幅度調(diào)制的溫度反饋環(huán)路和電壓反饋環(huán)路是反饋控制的執(zhí)行器件熱電制冷片14和電壓反饋晶體11，其功能在于對光進行相位調(diào)制和電信號到光信號的轉(zhuǎn)化。
[0072]前述，電光相位調(diào)制模塊10連接了系統(tǒng)的電路部分(包括剩余幅度調(diào)制的溫度反饋環(huán)路與電壓反饋環(huán)路)和光路部分，是系統(tǒng)的電信號到光信號的轉(zhuǎn)化模塊。
[0073]所述的電壓反饋晶體11和電光相位調(diào)制晶體12都是通用的鈮酸鋰晶體。
[0074]所述的熱電制冷片14是一種通用的熱電制冷片TEC。
[0075]2、探測模塊20
[0076]剩余幅度調(diào)制探測部分由信號源16和探測模塊20組成，連接了光源及光路00和探測模塊20，用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并從中解調(diào)出剩余幅度調(diào)制信號。
[0077]探測模塊20由移相器21、光電探測器22和混頻器23組成，移相器21和光電探測器22分別與混頻器23連接。
[0078]所述的移相器21是一種通用的有源移相電路，延遲相位可以在O?180度之間連
續(xù)調(diào)整。
[0079]所述的光電探測器22是通用的光電轉(zhuǎn)換電路，其響應(yīng)帶寬大于相位調(diào)制的頻率。
[0080]所述的混頻器23為一種通用的無源混頻器，如選用SRA-1-1，本地振蕩端口輸入解調(diào)功率為_6dBm，電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.8。[0081]3、伺服電路模塊30
[0082]伺服電路模塊30是剩余幅度調(diào)制的溫度反饋環(huán)路和電壓反饋環(huán)路的主要組成部分。
[0083]PI電路31將接收到剩余幅度調(diào)制信號(混頻器23的輸出)進行放大濾波后分別送給溫度反饋環(huán)路中的積分器32和電壓反饋電路中的高壓放大器34 ;積分器32對信號進行進一步的濾波和放大后反饋給溫控電路33對電光相位調(diào)制晶體12進行溫度控制，穩(wěn)定系統(tǒng)的直流工作點；高壓放大器34對PI電路31的輸出信號也進行進一步的放大，用于驅(qū)動電壓反饋晶體11，產(chǎn)生補償?shù)膱?zhí)行信號，在較寬的帶寬范圍內(nèi)對剩余幅度調(diào)制進行補償。
[0084]所述的PI電路31是一種通用的比例積分電路。
[0085]所述的積分器32是一種通用的積分電路，具有很長的積分時間。
[0086]所述的高壓放大器34是由高壓運放芯片構(gòu)成的通用的反相放大器，放大倍數(shù)為-20，為電壓反饋晶體提供驅(qū)動電壓。
[0087]三、實際測量所得到的結(jié)果如下:
[0088]圖2顯示了本裝置的方案后，閉環(huán)控制前后的剩余幅度調(diào)制的噪聲譜。其中曲線I為測量儀器SR770噪聲本底，曲線2是本測試實例中所使用混頻器和功分器的噪聲，曲線3是系統(tǒng)開環(huán)運轉(zhuǎn)時的剩余幅度調(diào)制噪聲譜，曲線4是系統(tǒng)閉環(huán)控制后的環(huán)內(nèi)探測的剩余幅度調(diào)制噪聲譜。
[0089]從圖中可以看出反饋控制系統(tǒng)在500Hz以下具有很明顯的壓制效果，尤其是在
0.1Hz以前有100倍的壓制效果，其壓制后的噪聲譜可以接近測量儀器的噪聲本底，達到儀器所能測量的極限。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙電光相位調(diào)制晶體的剩余幅度調(diào)制主動控制裝置，其特征在于: 信號源(16)和電光相位調(diào)制晶體(12)連接，激光器(01)、起偏器(02)、電壓反饋晶體(11)、電光相位調(diào)制晶體(12)、光隔離器(03)和偏振分光棱鏡(04)依次連通； 從上到下，銅塊(13)、熱電制冷片(14)和熱沉(15)通過導(dǎo)熱硅脂依次緊密固定，電壓反饋晶體(11)和電光相位調(diào)制晶體(12 )用膠粘在銅塊(13 )上面； 光電探測器(22)探測偏振分光棱鏡(04)出來的一路光，并與混頻器(23)的射頻端相連；信號源(16)、移相器(21)和混頻器(23)的本底振蕩端依次相連； PI電路(31)、積分器(32)、溫控電路(33)和熱電制冷片(14)輸入端依次連接； PI電路(31 )、高壓放大器(34 )和電壓反饋晶體(11)依次連接。
【文檔編號】H01S3/115GK203722050SQ201420024563
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】李劉鋒, 沈輝, 陳李生, 王春 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所