专利名称：集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法
技术领域：
本发明涉及了一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法。
背景技术：
集成电光相位调制器是数字闭环光纤陀螺的核心器件，在调制电极上加载一定的电压可以使传播通过的光波产生相应的相位变化。当传播通过的光波产生 T相位变化时，加载在调制电极上的电压称为半波电压，记为νπ。半波电压与其他影响因子的关系表达式为V =bX λ/(η3εΧ y XLX Γ)，其中，b 为电极间距，λ为传播通过的光波波长，η e为铌酸锂晶体的折射率，γ为晶体电光系数， L为调制波导长度，Γ为光场与电场的有效重叠系数；由此可见，集成电光相位调制器的半波电压主要与材料特性和制作工艺有关，而材料本身的特性参数是随温度变化而变化的， 因此导致半波电压的数值随环境温度的变化而变化。根据光纤陀螺数字闭环调制的基本原理，阶梯波递增(或递减阶段)所产生的相移等于一个阶梯高度的变化量产生的相移Φω，而在复位阶段产生的相移却与阶梯波的整个高度有关，为了保证得到的干涉信号不出现跳变，在阶梯波的复位周期中，要求所产生的相移应为Φω "2 π ；否则，会产生一定的相位漂移，导致复位周期中检测的正负半周信号差值Δ I会出现一个大的跳变，从而导致整个闭环出现不稳定现象，使得陀螺输出信号的噪声增大，同时也会严重影响光纤陀螺的标度因数的稳定。要保证复位周期内产生的相移恰好等于Φω -2 π，必须要求集成电光相位调制器具有稳定的调制特性，而调制特性的稳定又由半波电压直接决定。因此，半波电压随环境温度变化的特性，直接影响了集成电光相位调制器的调制特性的稳定，产生相位漂移，从而影响了标度因数的稳定性。为了补偿集成电光相位调制器的相位漂移，提高标度因数的稳定性，需要对半波电压的温度特性进行一定的补偿。目前，在集成电光相位调制器的应用中，尚未形成对其半波电压的有效补偿方法。 根据实际的需求，很有必要提出有效的方法来补偿半波电压的温度特性，从而减小集成电光相位调制器的相位漂移。
发明内容
本发明的目的是针对目前集成电光相位调制器的研究中半波电压随温度变化而导致相位漂移的问题，提供一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法。集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法的步骤如下
(1)在tmin^ t ^ tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性， 确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aX t+b ；
(2)选取一个热敏电阻，记0°C时的阻值Rtl和温度系数TCR；
(3)根据R1= -bXTCRXR。/a-R。或 R1' = bXTCRXRQ/a-RQ 计算出电阻 R1 或 R1'的值；
(4)选用定值电阻K=Rc^R1, R3 =0.5父1 2或1 2，=R0+ R1'，R3' =0. 5XlV，构建调制电压温度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压V。ut，输出电压为补偿后的调制电压\T。ut，加
载到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。所述的在tmin彡t彡tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性，确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aX t+b的步骤为在tmin彡t彡tmax的范围内，以tstep为步长选定温度点序列为、t2, V·· tn，用温箱对集成电光相位调制器进行温度控制使其温度为^，测量出对应的半波电压值并记录下来， 在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1, V2, ν^··νη ；测量完成之后对 t1; t2,、…tn和V1, V2, \…Vn两个序列采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定温度系数a 和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aXt+b。所述的根据Ii1= -bXTCRXR。/a-R。或 R1' = b X TCR X R。/a_R。计算出 Ii1 或 R1'的值的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反时，由推算的关系式R1= _b X TCRX RcZa-Rtl计算出电阻R1的值；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相同时，由推算的关系式R/= bXTCRXR/a-礼计算出电阻R/的值。所述的选用定值电阻R2=RfR1, R3 =0. 5父1 2或1 2，=R0+ R/，IV =0. 5XR2’，构建调制电压温度补偿电路的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的
符号相反时，定值电阻民=R0+Ri;R3=0. 5XR2，使用热敏电阻RT、定值电阻RpRyR3以及运算
放大器N1，构建第一类调制电压温度补偿电路；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电
压温度系数a的符号相同时，定值电阻R2' =R0+ R/, R3' =0.5XR2’，使用热敏电阻Rt、定值
电阻IV、IV、R/以及运算放大器N1,构建第二类调制电压温度补偿电路；两类调制电压温度补偿电路中，输入电压均为补偿前的调制电压，输出电压均为补偿后的调制电压，均加载到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。本发明在硬件上实现对于集成电光相位调制器半波电压温度特性的有效补偿，功能稳定可靠，有效地减小了集成电光相位调制器的相位漂移，当其应用在光纤陀螺中时，可以提高标度因数的稳定性。
图1是第一类调制电压温度补偿电路的示意图； 图2是第二类调制电压温度补偿电路的示意图3(a)是集成电光相位调制器半波电压(温度系数a>0)随温度变化的示意图； 图3(b)是集成电光相位调制器半波电压(温度系数a<0)随温度变化的示意图； 图4(a)是热敏电阻(温度系数TCR>0)阻值随温度变化的示意图； 图4(b)是热敏电阻(温度系数TCR<0)阻值随温度变化的示意图中RT为热敏电阻，RpR2^3和R/、IV、IV均为定值电阻，Ni为运算放大器，Vmit为补偿前的调制电压，VOut为补偿后的调制电压。
具体实施例方式集成电光相位调制器的半波电压随温度的变化而变化，即V =f (t)，若采用最小二乘法进行线性拟合可以得到其近似表达式如下
Y71= aXt+b(1)
其中，是半波电压，a为温度系数，量纲为V/°C ；b为常数，量纲为V。以上的表达式是近似于实际半波电压与温度的关系的，若采用高阶模型拟合 "V,=f (t)”关系式，将更加接近实际的变化规律。在集成电光相位调制器的调制电极上加载一定的电压，其中传播通过的光将产生对应的相位变化，结合式(1)可得对应关系如下
φ = ^ XV0Ut/V,= JT XVout/(aXt+b)(2)
其中，Φ为相位变化量，量纲为rachV^t为加载到调制电极上的调制电压，量纲为V; V,为集成电光相位调制器的半波电压；η为弧度常量。由上式可知，如果保持调制电SVollt不变，传播通过的光相位变化量Φ将会随着温度的变化而变化。本发明使用热敏电阻的温度特性来补偿集成电光相位调制器半波电压的温度特性，以保证传播通过的光相位变化量Φ保持与调制电压ν-对应不变，不受温度变化的影响。热敏电阻的阻值与温度的关系表达式为
Rt= (TCRXt+1) XR0= TCRXR0Xt+ R0(3)
其中，TCKRci均为常数，TCR为热敏电阻的温度系数，量纲为Ω/X5Rtl为0°C时的阻值， 量纲为Ω。在原调制电压加载电路的输出端增加一个调制电压温度补偿电路，其示意图见图 1、图2，分别表示了第一类和第二类调制电压温度补偿电路，均能实现补偿功能。其中&为
热敏电阻，R” R2> R3和R1'、IV、R3'均为定值电阻，N1为运算放大器；Vout为补偿前的调制电压，Wt为补偿后的调制电压，随着温度的变化而变化。以图1为例，当选用的热敏电阻的温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反时，构建第一类调制电压温度补偿电路，补偿后的调制电压值为
V，out= R2XVout/( Ri+Rx)(4)
结合式(2)、(3)和(4)可得补偿后的相位变化量为 Φ' =^ XV' 0Ut/X
=Ji XR2XVout/ [ ( + ) X (aXt+b)]
=Ji XR2XVout/ [ (TCRXR0Xt+R0+ R1) X (aXt+b)]
=Ji XR2XVout/ (AXt2+BXt+C)(5)其中，分母多项式二次项的系数为A= aXTCRXR0, 一次项的系数为 B=aX (Rc^R1)+b X TCRX R。，常数项为 C=bX (RjR1)。由此可知，|A/C|=a X TCR X R0/ [bX (^+R1) ] < | aX TCR/b |，一般情况下， a|<0. 005, TCRI <0. 005, b>3，所以 | A/C | <le_5，则二次项(AX t2)的绝对值占常数项 C 的
比例在e_2数量级以下，其对于整个多项式的值的影响可以忽略。而IB/CI = I a/b+TCRX R0/ (RfR1) | | a/b+TCR |，此式的值的数量级为 e_3，则一次项(BXt)的绝对值占常数项C的比例在？数量级以上，其对于整个多项式的值的影响不可忽略；需要消除一次项，设定B=0，推算得到
R1= -b X TCR X RcZa-Rtl(6)
消除温度的影响后，相位变化量与补偿前的调制电压的关系变为 Φ， π XR2XVout/ C(7)
显然，Φ ’与V。ut呈定值对应关系，只要给定Vout,无论温度是否变化，Φ ’都具有相对固定的值。以图2为例，当选用的热敏电阻的温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相同时，构建第二类调制电压温度补偿电路，补偿后的调制电压值为
V，OUt= ( V +RT) XVout/ R2'(8)
结合式(2)、(3)和(8)可得补偿后的相位变化量为 Φ' =^ XV' 0Ut/X
=Ji X (R1，+RT) XVout/ [R2' X (aXt+b)]
=3i X (TCRXR0Xt+R0+ R1' ) XVout/ [R2' X (aXt+b) ](9)
式中，分子分母均含有温度t的一次多项式，若消除温度的影响，显然需要满足以下关系:TCRXR0/a=(R0+ R1，)/b，由此推算得到
R1' = bXTCRXR0/a-R0(10)
消除温度的影响后，相位变化量与补偿前的调制电压的关系变为 Φ ‘ ^ π XTCRXR0XVout/ OV Xa)(11)
显然，Φ ’与V。ut呈定值对应关系，只要给定V。ut，无论温度是否变化，Φ，都具有相对固定的值。集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法的步骤如下
(1)在tmin^ t ^ tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性， 确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aX t+b ；
(2)选取一个热敏电阻，记0°C时的阻值Rtl和温度系数TCR；
(3)根据R1= -bXTCRXR。/a-R。或 R1' = bXTCRXRQ/a-RQ 计算出电阻 R1 或 R1'的值；
(4)选用定值电阻K=Rc^R1,R3=O. 5父1 2或1 2，=R。+IV，R/ =0. 5X&’，构建调制电压温
度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压V。ut，输出电压为补偿后的调制电压\”。ui，加载
到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。所述的在tmin彡t彡tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性，确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aX t+b的步骤为在tmin彡t彡tmax的范围内，以tstep为步长选定温度点序列为、t2, V·· tn，用温箱对集成电光相位调制器进行温度控制使其温度为^，测量出对应的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1, V2, V^Vn ；测量完成之后对 t1; t2,、…tn和V1, V2, V^ Vn两个序列采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定温度系数a 和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式VzaXt+b。所述的根据R1= -bXTCRXR。/a_R。或 R/ = b X TCR X R。/a_R。计算出 R1 或 R1'的值的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反时，由推算的关系式R1= -bXTCRXR0/a-R0计算出电阻R1的值；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相同时，由推算的关系式R/= bXTCRXRQ/a-RQ计算出电阻R/的值。所述的选用定值电阻K=RfR1, R3 =0.5X1^ IV =R0+ R/，R3，=0. 5X&’，构建调制电压温度补偿电路的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的
符号相反时，定值电阻R2= R0+Ri;R3=0. 5XR2,使用热敏电阻Rt、定值电阻RpRyR3以及运算
放大器N1，构建第一类调制电压温度补偿电路；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电
压温度系数a的符号相同时，定值电阻R2' =R0+ R/, R3' =0.5XR2’，使用热敏电阻:RT、定值
电阻IV、IV、R/以及运算放大器N1,构建第二类调制电压温度补偿电路；两类调制电压温度补偿电路中，输入电压均为补偿前的调制电压，输出电压均为补偿后的调制电压，均加载到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。下面结合附图和实例对本发明进一步说明
图1是第一类调制电压温度补偿电路的示意图热敏电阻Rt和定值电阻R1串联后连接到运算放大器Ni的“-”端，定值电阻&两端分别连接运算放大器Ni的“-”端和电压输出端，定值电阻R3连接运算放大器Ni的“+”端和地；Vout为补偿前的调制电压，作为输入电压为补偿后的调制电压，作为输出电压。首先，选用一个集成电光相位调制器，测试其半波电压的温度特性，假定其工作环境温度范围是彡t彡100°C，以tstep=l ！为步长选定温度点序列为-55 °C，-54 -53t>"100°C，用温箱对集成电光相位调制器进行温度控制使其温度为45°C，测量出对应的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为3. 469V，3. 466V，3. 464V…3. 021V ；测量完成之后对-55°C，-54°C，-53°C …100°C和 3. 469V，3. 466V，3. 464V... 3. 021V 两个序列采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定系数a=-0. 0029和b=3. 31，得到半波电压与温度的关系表达式 νπ=-0. 0029 X t+3. 31。然后，选用一个符合使用要求的热敏电阻&，即可得到0°C时的阻值Rtl=IOO Ω以及温度系数TCR=+0. 003851 Ω/°C，其中TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反。因为TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反，由推算的关系式R1= -b X TCRX R。/a-R。计算出电阻队的值为340 Ω。定值电阻礼+礼=440 0，R3=O. 5 X Ι 2=220 Ω，使用热敏电阻RT、定值电阻礼、R2,
R3以及运算放大器N1，按照图1所示电路图构建第一类调制电压温度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压，输出电压为补偿后的调制电压，加载到集成电光相位调制器的电极上，
7以补偿它的半波电压的温度特性。图2是第二类调制电压温度补偿电路的示意图，构建步骤与图1所示的第一类调制电压温度补偿电路类似，在此不加赘述。图3(a)是集成电光相位调制器半波电压(温度系数a>0)随温度变化的示意图， 其横坐标为温度t，纵坐标为集成电光相位调制器的半波电压值^ ；图3(b)是集成电光相位调制器半波电压(温度系数a<0)随温度变化的示意图，其横坐标为温度t，纵坐标为集成电光相位调制器的半波电压值。图4(a)是热敏电阻(温度系数TCR>0)阻值随温度变化的示意图，其横坐标为温度t，纵坐标为热敏电阻的阻值4(b)是热敏电阻(温度系数TCR<0)阻值随温度变化的示意图，其横坐标为温度t，纵坐标为热敏电阻的阻值&。
权利要求
1.集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法，其特征在于它的步骤如下(1)在tmin^ t ^ tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性， 确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式V^aX t+b ；(2)选取一个热敏电阻，记0°C时的阻值Rtl和温度系数TCR；(3)根据R1= -bXTCRXR。/a-R。或 R1' = bXTCRXRQ/a-RQ 计算出电阻 R1 或 R1'的值；(4)选用定值电阻R2=RfR1, R3 =0. 5X&或 R2’ =R0+ R1'，R3’ =0. 5X&’，构建调制电压温度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压V。ut，输出电压为补偿后的调制电压加载到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。
2.根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法，其特征在于所述的在tmin ^ t ^ tmax的范围内测试选用的集成电光相位调制器半波电压的温度特性，确定温度系数a和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式VzaXt+b的步骤为在tmin彡t彡tmax的范围内，以tstep为步长选定温度点序列为、t2, V·· tn，用温箱对集成电光相位调制器进行温度控制使其温度为^，测量出对应的半波电压值并记录下来， 在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1, V2, V^Vn ；测量完成之后对 t1; t2,、…tn和V1, V2, V^ Vn两个序列采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定温度系数a 和常数项b，得到半波电压与温度的关系表达式VzaXt+b。
3.根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法，其特征在于所述的根据R1= -bXTCRXR。/a-R。或R1' = b X TCRX R。/a-R。计算出R1或R1'的值的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反时，由推算的关系式R1= -bXTCRXRcZa-Rtl计算出电阻R1的值；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相同时，由推算的关系式R/= bXTCRXRQ/a-RQ计算出电阻R/的值。
4.根据权利要求1所述的一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法，其特征在于所述的选用定值电阻K=RfR1, R3 =0.5X1^ IV =R0+ V，R3，=0. 5XIV，构建调制电压温度补偿电路的步骤为当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相反时，定值电阻RJR1, R3=O. 5XR2，使用热敏电阻HT、定值电阻Ri、R2、R3以及运算放大器N1，构建第一类调制电压温度补偿电路；当热敏电阻温度系数TCR的符号与半波电压温度系数a的符号相同时，定值电阻R2' =R0+ R1', R3' =0.5XIV，使用热敏电阻Rt、定值电阻 R1'、IV、IV以及运算放大器N1,构建第二类调制电压温度补偿电路；两类调制电压温度补偿电路中，输入电压均为补偿前的调制电压，输出电压均为补偿后的调制电压，均加载到集成电光相位调制器的电极上，以补偿它的半波电压的温度特性。
全文摘要
本发明公开了一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法。通过使用热敏电阻构建调制电压温度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压，输出电压为补偿后的调制电压，加载到集成电光相位调制器的电极上，对它的半波电压的温度特性进行补偿，从而提高集成电光相位调制器的调制稳定度，减小相位漂移，当其应用在光纤陀螺中时，可以提高标度因数的稳定性。本发明在硬件上实现对于集成电光相位调制器半波电压温度特性的有效补偿，功能稳定可靠，有效地减小了集成电光相位调制器的相位漂移。
文档编号G02F1/03GK102253503SQ20111009059
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者刘承, 周虎, 王磊, 薛宁, 陈杏藩 申请人:浙江大学