一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法与流程

本发明涉及一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法，属于激光技术领域。

背景技术：

近年来，基于低噪声光源的高稳定时钟分布技术逐渐成为了一个新的研究热点。相比于传统的微波信号，飞秒(fs，10^-15s)激光器输出的超短脉冲序列具有脉冲宽度窄、频谱范围宽、时间抖动低等特点，以其作为时钟信号的载波，可以同时实现光频信号和射频信号的精度无损传输，是实现高稳定时钟分布的理想信号源。为了进一步提升时钟分布系统的整体稳定性，需要对泵浦功率波动、增益介质放大自发辐射、环境温度漂移、机械振动等多种因素引入的时间噪声进行进一步地补偿，这就对延时补偿系统的性能提出了非常高的要求：为了尽量抑制不同频段的噪声，要求延时补偿具有较宽的响应带宽；为了尽可能降低系统残余噪声的幅度，要求延时补偿具有较高的分辨率；为了获得长时间的锁定和同步，要求延时补偿具有较大的动态范围。

对于光学系统中常见的单个延时补偿器件，其带宽、分辨率的提升与动态范围的扩展往往无法同时实现。例如：步进电机的行程可达几十厘米甚至更高，但其带宽一般只能达到赫兹量级，最小步长大于微米量级；电光调制器的分辨率可以达到亚纳米量级，带宽可达兆赫兹量级，但其动态范围只有工作波长量级；压电陶瓷的各项指标介于上述两者之间，但随着行程的增加，其可分辨的最小位移量也会增加，同时响应带宽会随之降低。为了实现宽带宽高分辨率大动态范围的延时补偿，往往需要两种或两种以上具有不同带宽、分辨率和动态范围的延时补偿器件进行联合补偿。但是，现有的组合补偿系统中，各个器件往往处于独立工作的状态，虽然可以在一定程度上弥补单个器件的指标缺陷，却无法充分利用不同器件参数上的互补关系，从而无法进一步提高系统的整体性能。另一方面，现有的组合补偿系统中，并未对延迟补偿器件的排布和安装进行优化，随着器件数量的上升，系统的复杂程度会大幅增加，同时兼容性会明显降低。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，单个延时补偿器件带宽、精度和动态范围之间相互制约，多个器件组合补偿性能提升有限且结构复杂、兼容性差的问题，提出了一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，包括二分之一波片、电光相位调制器、全反射镜、压电陶瓷、步进电机、信号分束转换模块，其中：

二分之一波片：将入射光脉冲信号的偏振方向调整至与电光相位调制器的晶体光轴方向一致，并将调整后的入射光脉冲信号发送至电光相位调制器；

电光相位调制器：利用外部接口电缆接收的宽带高压电信号对当前晶体光轴方向的折射率进行调节，调节折射率后即对入射光脉冲信号进行延时补偿并获取补偿后的线偏振光脉冲信号；

信号分束转换模块沿输出光路设置于全反射镜与电光相位调制器之间，且于型号任务要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端不重合或偏振方向不同时开始工作，用于对入射光脉冲进行调制，将入射光脉冲信号由线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，同时将全反射镜反射后的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号，并沿垂直于原光路的方向输出；

全反射镜设置于电光相位调制器的输出光路上，对经过电光相位调制器的调制的输出光脉冲或信号分束转换模块的输出光脉冲进行反射，全反射镜与压电陶瓷均设置于步进电机内，全反射镜设置于靠近电光相位调制器输出端一侧，步进电机接收外部控制信号，带动设置于步进电机内部的压电陶瓷及全反射镜进行毫米至厘米量级动态范围延时补偿，同时压电陶瓷接收外部电压控制信号，带动全反射镜于入射光路径上进行纳米至微米量级的移动，进行纳米至微米量级动态范围延时补偿。

所述信号分束转换模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片，偏振分束棱镜沿光路设置于靠近电光相位调制器输出端一侧，其中：

偏振分束棱镜：将电光相位调制器输出的线偏振光脉冲信号完全透过并发送至四分之一波片，将全反射镜反射后再次经过四分之一波片的线偏振光脉冲信号沿垂直于原光路的方向输出；

四分之一波片：将经过偏振分束棱镜的线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，并将全反射镜反射的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号；

所述二分之一波片、电光相位调制器、偏振分束棱镜和四分之一波片的通光部位的表面增透膜均覆盖1500nm～1600nm波段。

所述二分之一波片、电光相位调制器、偏振分束棱镜和四分之一波片的且通光孔径中心高度均相同。

所述电光相位调制器为宽带直流耦合的非谐振型调制器，其内部电场方向与晶体光轴方向一致。

所述压电陶瓷为堆栈式结构，其最大补偿量为2μm～20μm，控制信号的最大电压幅度为50V～150V，最大工作带宽为5kHz～50kHz。

所述步进电机的最大补偿量为10mm～200mm，最大工作带宽为1Hz～10Hz。

当型号任务要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向相同时，信号分束转换模块不进行线偏振光脉冲信号处理，当型号任务要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端不重合或偏振方向不同时，信号分束转换模块对入射光脉冲进行处理。

所述四分之一波片的光轴方向与电光相位调制器(2)中晶体的光轴方向呈45°。

一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿方法，步骤如下：

(1)对入射光脉冲信号偏振方向进行调整，使入射光脉冲信号偏振方向与电光相位调制器的晶体光轴方向一致；

(2)利用宽带高电压信号对电光相位调制器晶体光轴的折射率进行调节，对入射光脉冲信号进行延时补偿并获取补偿后的线偏振光脉冲信号；

(3)对待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向进行判断，当型号任务要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向相同时，进入步骤(4)，当型号任务要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端不重合或偏振方向不同时，进入步骤(5)；

(4)沿入射光光路设置全反射镜，同时通过压电陶瓷、步进电机调整全反射镜于光路上的位置，对线偏振光脉冲信号进行延时补偿，并沿原光路方向输出；

(5)将线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，并在入射光光路终点设置全反射镜，同时通过压电陶瓷、步进电机调整全反射镜于光路上的位置，对光脉冲信号进行延时补偿，进入步骤(6)；

(6)将反射后的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号，并通过设置于入射光光路中的偏振分束棱镜将全反射后经过四分之一波片的线偏振光脉冲信号沿垂直于原光路的方向输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法，实现了各个器件之间带宽、分辨率和动态范围的有效衔接，在获得纳米量级高分辨率和兆赫兹量级宽带宽的同时，实现了厘米量级的大动态范围，有效缓解了单个延时补偿器件的带宽、分辨率和动态范围之间的相互制约。另外，本发明有效提升了多器件组合补偿的整体性能，对常见的线形和环形光路均有良好的兼容性。

附图说明

图1为发明提供的线形链路装置结构示意图；

图2为发明提供的环形链路装置结构示意图；

图3为发明提供的电光相位调制器单独工作及加入压电陶瓷辅助锁定时电光相位调制器的控制电压信号对比图；

图4为发明提供的压电陶瓷单独工作及电光相位调制器单独工作及二者配合工作的残余噪声频域分布曲线对比图

具体实施方式

一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，通过利用不同元器件间精度与动态范围的覆盖、工作带宽的衔接，在保证宽带宽和高分辨率的同时，大大扩展了延时补偿的动态范围，获得了单个元器件无法实现的延时补偿效果，同时提升了系统的兼容性。

其中，延时补偿系统具体包括二分之一波片、电光相位调制器、全反射镜、压电陶瓷、步进电机、信号分束转换模块，当型号任务需求具体为待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向相同时：

二分之一波片：将入射光脉冲信号的偏振方向调整至与电光相位调制器的晶体光轴方向一致，并将调整后的入射光脉冲信号发送至电光相位调制器；

电光相位调制器：利用外部接口电缆接收的宽带高压电信号对当前晶体光轴方向的折射率进行调节，调节折射率后即对入射光脉冲信号进行延时补偿并获取补偿后的线偏振光脉冲信号；

在线性链路中，入射光经过二分之一波片、电光相位调制器、全反射镜、电光相位调制器、二分之一波片的光路顺序，二分之一波片、电光相位调制器、步进电机分别沿光路进行设置，全反射镜与压电陶瓷均设置于步进电机内，全反射镜设置于靠近电光相位调制器输出端一侧；

全反射镜设置于电光相位调制器的输出光路上，对经过电光相位调制器的线偏振光脉冲信号进行反射，并沿原光路方向输出；

步进电机接收外部控制信号，带动设置于步进电机内部的压电陶瓷及全反射镜进行毫米至厘米量级动态范围延时补偿，同时压电陶瓷接收外部电压控制信号，带动全反射镜于入射光路径上进行纳米至微米量级的移动，进行纳米至微米量级动态范围延时补偿。

信号分束转换模块此时不工作。

当型号任务需求具体为待补偿脉冲序列的出射端与入射端不重合或偏振方向不同时，选用环形链路，信号分束转换模块沿输出光路设置于全反射镜与电光相位调制器之间，若待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向相同，则将入射光脉冲信号由线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，同时将全反射镜反射后的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号，并沿垂直于原光路的方向输出。

信号分束转换模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片，偏振分束棱镜沿光路设置于靠近电光相位调制器输出端一侧，其中：

偏振分束棱镜：将电光相位调制器输出的线偏振光脉冲信号完全透过并发送至四分之一波片，将全反射镜反射后再次经过四分之一波片的线偏振光脉冲信号沿垂直于原光路的方向输出；

四分之一波片：将经过偏振分束棱镜的线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，并将全反射镜反射的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号；偏振分束棱镜：将电光相位调制器输出的线偏振光脉冲信号完全透过并发送至四分之一波片，将全反射镜反射后再次经过四分之一波片的线偏振光脉冲信号沿垂直于原光路的方向输出；

四分之一波片：将经过偏振分束棱镜的线偏振光脉冲信号转换为圆偏振光脉冲信号，并将全反射镜反射的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号；

利用上述系统进行工作的方法，具体步骤如下：

根据型号任务需求，当要求待补偿脉冲序列的出射端与入射端重合且偏振方向相同时，提出方法步骤如下：

(1)对入射光脉冲信号偏振方向进行调整，使入射光脉冲信号偏振方向与电光相位调制器的晶体光轴方向一致；

(2)利用宽带高电压信号对电光相位调制器晶体光轴的折射率进行调节，从而对入射光脉冲信号进行延时补偿并获取补偿后的线偏振光脉冲信号；

(3)沿入射光光路设置全反射镜，同时通过压电陶瓷、步进电机调整全反射镜于光路上的位置，对光脉冲信号进行延时补偿，并沿原光路方向由延时补偿系统输出；

当待补偿脉冲序列的出射端与入射端不重合或偏振方向不同时，提出方法步骤如下：

(1)对入射光脉冲信号偏振方向进行调整，使入射光脉冲信号偏振方向与电光相位调制器的晶体光轴方向一致；

(2)利用宽带高电压信号对电光相位调制器晶体光轴的折射率进行调节，从而对入射光脉冲信号进行延时补偿并获取补偿后的线偏振光脉冲信号；

(3)沿入射光光路设置全反射镜，同时通过压电陶瓷、步进电机调整全反射镜于光路上的位置，对线偏振光脉冲信号进行延时补偿，并沿原光路方向输出；

(4)将反射后的圆偏振光脉冲信号转换为偏振方向与电光相位调制器晶体光轴方向垂直的线偏振光脉冲信号，并通过设置于入射光光路中的偏振分束棱镜将全反射后经过四分之一波片的线偏振光脉冲信号沿垂直于原光路的方向输出。

当选用线形链路时，延时补偿系统的工作流程如下：

二分之一波片位于系统输入端，入射的线偏振光脉冲信号经过二分之一波片后，其偏振方向被调整为与电光相位调制器中的晶体光轴方向一致；电光相位调制器位于二分之一波片后方，其通光孔径的中心高度与二分之一波片相同，在外加电压的作用下，晶体光轴方向的折射率发生变化，同时光程也随之变化，使其中传输的光脉冲产生宽带宽的延时；全反射镜位于电光相位调制器的后方，其中心高度与二分之一波片相同，由电光相位调制器出射的光脉冲在其前表面反射后，再次通过电光相位调制器和二分之一波片，沿原路返回到入射端；压电陶瓷的固定端安装在步进电机上，全反射镜安装在其移动端，在外加电压的作用下，压电陶瓷移动端带动全反射镜沿激光传输方向移动，使光脉冲产生中等带宽的延时，作为电光相位调制器行程的扩展；步进电机的固定端安装在链路系统的底板上，在外加控制信号的作用下，其移动端带动全反射镜沿激光传输方向进行慢速移动，使光脉冲产生窄带宽的延时，作为压电陶瓷行程的扩展；

当选用环形链路时，延时补偿系统的工作流程如下：

相较于线形链路，偏振分束棱镜位于电光相位调制器与全反射镜之间，其通光孔径中心高度与二分之一波片相同，其透射偏振方向与电光相位调制器中的晶体光轴方向一致，入射光脉冲的全部能量可以正向通过偏振分束棱镜；四分之一波片位于偏振分束棱镜与全反射镜之间，其通光孔径中心高度与二分之一波片相同，其光轴方向与电光相位调制器中的晶体光轴方向呈45°夹角，入射的线偏振光正向经过四分之一波片后，变为圆偏振光脉冲信号；该圆偏振光经全反射镜反射后，以相同的偏振态反向经过四分之一波片，变为偏振方向与电光调制器中晶体光轴垂直的线偏振光；该线偏振光在反向经过偏振分束棱镜时，光脉冲的全部能量被反射出光路，传输方向垂直于原激光传输方向；延时补偿系统的输入信号为宽带反馈控制信号，该信号经宽带直流电压放大器放大后，驱动电光相位调制器，实现宽带高分辨率延时补偿；延时补偿系统同时监测上述反馈控制信号，计算生成中等带宽的控制信号，经宽带直流电压放大器放大后，驱动压电陶瓷，提供额外的延时补偿，使电光相位调制器始终工作在其平衡位置附近；延时补偿系统同时监测压电陶瓷的反馈控制信号，计算生成控制命令，驱动步进电机，提供额外的延时补偿，使压电陶瓷始终工作在其中心位置附近，从而实现大动态范围的延时补偿。

所述电光相位调制器为宽带直流耦合的非谐振型调制器，外加电场方向与晶体光轴方向一致，由宽带的高压信号直接驱动，晶体光轴方向的折射率与外加电压的幅度一一对应。所述压电陶瓷为线性促动结构，由中等带宽的高压信号直接驱动，其移动端相对于固定端的伸缩量与外加电压的幅度一一对应。所述步进电机由对应的控制程序驱动，移动的方向、幅度、频率由驱动程序中的具体参数决定。所述偏振分束棱镜的透过率由入射光的偏振态决定。所述延时补偿系统为偏振相关系统，其入射光与出射光均为线偏振光，其中线形链路装置中出射光的偏振方向与入射光一致，环形链路装置中出射光的偏振方向与电光相位调制器中晶体光轴方向垂直。

延时补偿系统的控制信号为电光相位调制器外接电缆处输入的宽带高电压信号，该信号直接驱动电光相位调制器，实现宽带、高分辨率延时补偿。在延时补偿系统内部，结合上述电压信号的幅度实时计算生成中等带宽的控制信号，放大后输出到压电陶瓷外接电缆，直接驱动压电陶瓷，为入射光脉冲提供微米量级动态范围的中等带宽补充延时，使电光相位调制器外接电缆处控制信号的电压值保持在其变化范围的中点附近，从而保证电光相位调制器始终工作在其平衡位置附近。在此基础上，同时监测压电陶瓷的反馈控制信号，计算生成控制命令，输出到步进电机外接电缆驱动步进电机，提供厘米量级动态范围的低带宽补充延时，使压电陶瓷外接电缆处控制信号的电压值同样保持在其变化范围的中点附近，从而保证压电陶瓷始终工作在其中心位置附近。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

根据任务型号设定两种链路系统，分别为线形链路或环形链路，其中：

线形链路结构如图1所示，包括二分之一波片、电光相位调制器、全反射镜、压电陶瓷、步进电机及接收外部信号用电缆。

环形链路结构如图2所示，包括二分之一波片、电光相位调制器、偏振分束棱镜、四分之一波片、全反射镜、压电陶瓷、步进电机及接收外部信号用电缆。

其中，二分之一波片、电光相位调制器、全反射镜、偏振分束棱镜、四分之一波片的中心波长均为1550nm。电光相位调制器的最大补偿量为775nm，电光相位调制器外接电缆处控制信号的最大电压幅度为200V，最大工作带宽为0400kHz。压电陶瓷的最大补偿量为15μm，压电陶瓷外接电缆处控制信号的最大电压幅度为100V，最大工作带宽为30kHz。步进电机的最大补偿量为13mm，最大工作带宽为5Hz。

在延时补偿系统工作过程中，电光相位调制器单独工作和电光相位调制器与压电陶瓷协同工作的条件下，电光相位调制器外接电缆处的控制电压信号分别如图3中11、12所示。当电光相位调制器单独工作时，为了补偿各种噪声源引入的扰动，电光相位调制器外接电缆处的控制信号在秒量级的时间内即出现了40V左右的变化。当电光相位调制器与压电陶瓷协同工作时，电光相位调制器外接电缆处的控制信号在相同时间内的漂移量小于2V。由此可见，本发明提出的多层控制可以有效地扩展延时补偿系统的动态范围，从而避免了因电光相位调制器行程过小导致失锁。

在延时补偿系统工作过程中，压电陶瓷单独工作、电光相位调制器单独工作和电光相位调制器与压电陶瓷协同工作的条件下，延时补偿系统的残余噪声如图4中13、14、15所示。当压电陶瓷单独工作时，由锁定谐振峰位置可知最大锁定带宽约为30kHz。当电光相位调制器单独工作时，最大锁定带宽可达400kHz，且锁定带宽以内的残余噪声可进一步降低40dB左右。当电光相位调制器与压电陶瓷协同工作时，最大锁定带宽与电光相位调制器单独工作时相同。由此可见，电光相位调制器的工作带宽远远大于压电陶瓷，且短期工作状态不受后者的影响。结合图3中的结果可以看出，本发明提出的多层控制机制可以充分发挥不同器件在带宽、分辨率和动态范围方面的优势，从而实现宽带高精度大动态范围的延时补偿。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应该视为本发明的保护范围。