用于光纤设备的数字相位调制器

摘要

一种提高用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器的分辨率的方法以及适合于其实施的电极布置，该相位调制器具有预定总数m个且长度不同的正和负电极，这些电极平行于光导路径地并且于光导路径两侧设置在光基座内或光基座上，该方法基于以下思想，将电极分为两组，其中第一组n个电极(E4至E11)构成具有二进位的且高有效位被加权的电极的粗调制器，其长度比为bn+1∶bn≈2，其最长的电极(E11)对应于整个调制器的所有其它电极的长度和，而第二组n0个非二进位的且低有效位被加权的电极(E0至E3)构成精调制器。在此，最小输出值不是通过控制精调制器的各个电极，而是通过产生每两个较大电极的差来形成。虽然相位调制器的结构长度较短，由于技术原因只允许9位的分辨率(电极比例大约为1∶2-9)，但用本发明的分配为两个不同调制器的概念可以使一个值域中的分辨率达到将近12位。特殊的优点是不需要校正表，或者在具有校正表的情况下当校正表出故障时可以保证在分辨率减小同时的故障运行。

权利要求

1.一种提高用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器的分辨率的方法，该相位调制器具有预定总数m个且长度不同的正和负电极，这些电极平行于光导路径地并且于光导路径两侧设置在光基座内或光基座上，对这些电极施加相同的控制电压，该控制电压根据电极相对于光导路径的不同位置而使得光相位在调制器的输出端发生正或负偏移，其中通过交替的控制选择和组合正负作用的电极而在预定值域内设置多个相位值，其特征在于，-将总数m个电极分为两组，其中

-由第一组n个电极构成具有二进位的且在对光相位偏移的贡献中被高有效加权的电极的粗调制器，其长度比为bi+1∶bi≈2，1≤i≤n-1，-由第二组n0个非二进位的且在对光相位偏移的贡献中被低有效加权的电极构成精调制器，其中在粗调制器的最长电极(E11)那一侧设置精调制器的至少一个电极，其中-设置在精调制器的不同侧的电极的长度及对光相位偏移的加权一方面选择得大于整个调制器的分辨率，另一方面通过同时控制精调制器或精调制器与粗调制器的正和负电极产生最小的相位调制步长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述粗调制器的电极数量选择为n＝

8，其中该第一组电极的最长电极设置在光导路径的一侧，而所有其它电极设置在光导路径的另一侧。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述精调制器的电极数量选择为n0＝4，其中所述第二组电极的最短电极和最长电极设置在粗调制器的一侧，而该第二组电极的两个中间电极设置在粗调制器的另一侧。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述精调制器的电极数量选择为n0＝4，其中所述第二组电极的最短电极和最长电极设置在粗调制器的其它电极那一侧，而该第二组电极的两个中间电极设置在粗调制器的最长电极(E11)那一侧。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述精调制器的第二组电极通过对应的长度和定位分配了所述值域的下列值：最短电极值＝7，

最高电极值＝10，

中间电极值的较小者＝-8，

中间电极值的较大者＝-9，

以及所述粗调制器的第一组电极(E4至E10)通过对应的长度和定位分配了所述值域的下列值：最短电极的二进位基本值b4＝13，

后面的6个电极的值bi+1∶bi＝2，4≤i≤9，最长电极(E11)的值＝-1652。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述精调制器的第二组电极通过对应的长度和定位分配了所述值域的下列值：最短电极值＝7，

最高电极值＝12，

中间电极值的较小者＝-8，

中间电极值的较大者＝-10，

以及所述粗调制器的第一组电极(E4至E10)通过对应的长度和定位分配了所述值域的下列值：最短电极的二进位基本值b4＝16，

后面的6个电极的值bi+1∶bi＝2，4≤i≤9，最长电极(E11)的值＝-2033。

说明书

用于光纤设备的数字相位调制器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器的分辨率的方法，该相位调制器具有预定总数且长度不同的电极，这些电极平行于光导路径地并且于光导路径两侧地设置在光基座内或光基座上，其中对光导路径两侧的电极施加优选相同的控制电压，使得通过交替的控制选择电极组合而在预定值域内设置多个相位值。

[0002] 为了进行控制而优选对相位调制器的电极施加相同的电位，该电位根据电极相对于光导路径的不同位置而使得光相位在调制器的输出端发生正或负偏移。下面还将电极简称为“正”或“负”电极。

[0003] 本发明还涉及一种根据权利要求5的上位概念的、分辨率增加了的数字相位调制器。

背景技术

[0004] 专利文献DE19753427C1公开了用于提高用于光纤信号传输或测量设备(优选为光纤干涉仪)的、由二进制加权平面电极构造的数字相位调制器的精度的方法和装置，其中一个二进制控制信号的低有效位通过后面连接了驱动器的数字/模拟转换器输入一个数字相位调制器的特定的分立模拟电极中。此外，在那里将分别与相位调制器的电极对应的校正值存储在一个存储表中，从而尤其是可以校正由于制造产生的相位调制值的不精确性。在所述文献中描述的解决方法虽然可以提高分辨率，但技术代价较大，这一方面是由于采用了校正表，另一方面尤其是还由于需要采用具有驱动器的D/A转换器，并且这种转换器的模拟输出值只是有限地热稳定的。尤其是在将这种相位调制器用于具有封闭调节回路的光纤陀螺仪(FOG)时，当然还包括用于其它光纤信号传输和测量设备时，期望具有比当前占据统治地位的技术更高的分辨率，而无需转变为明显更大的基座尺寸。

发明内容

[0005] 因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器的分辨率的方法和装置，其中为了显著提高分辨率不需要数字/模拟转换器。

[0006] 在本文开始部分所述形式的方法中，本发明的目的是提高用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器的分辨率，其特征在于，将相位调制器的总数m个电极分为两组，其中

[0007] -第一组n个电极构成具有二进位的且被高有效加权的电极的粗调制器，其长度比为bn+1∶bn≈2，

[0008] -第二组n0个非二进位的且被低有效加权的电极构成精调制器，其中在粗调制器的最长电极(E11)的一侧设置精调制器的至少一个电极，其中

[0009] -设置在精调制器的不同侧的电极的长度及加权一方面大于粗调制器的分辨率(基本步长宽度)，另一方面通过同时控制精调制器或精调制器与粗调制器的正和负电极产生最小的相位调制步长。

[0010] 优选但非强制地，精调制器的电极数量n0是偶数，其中n0＜n。

[0011] 非强制地要求调制器的电极在空间上相对设置，该布置不仅仅由于更好的外观而成为惯例。精调制器还可以具有非对称数量的电极，也就是说精调制器的电极数不相等地分布在光导路径的两侧，为此下面还要给出例子。重要的是，在粗调制器的最长电极的一侧设置精调制器的至少一个电极，下面将在图1和图5的实施例中解释。

[0012] 用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器，具有不同长度的、总数m个平行于光导路径并于光导路径两侧设置在光基座内或光基座上的正和负电极，其中该电极在光导路径的两侧被施加了优选相同、但通过相反的电场强作用的控制电位，使得通过交替的控制选择电极组合而在预定的值域内设置多个相位值，其特征在于，

[0013] -第一组电极，构成具有二进位的且被高有效加权的电极的粗调制器，其长度比为bn+1∶bn≈2，

[0014] -第二组n0个非二进位的且被低有效加权的电极，它们构成精调制器，其中n+n0＝m；n0＜n；

[0015] -这样沿着光导路径设置第二组n0个电极及其相对长度，使得一方面在没有可能的电极组合时产生相位值抵消，另一方面对于通过电极的总数m给定的将近1∶2-m的分辨率来说，最小电极长度与最大电极长度之比尽可能的大。

[0016] 根据本发明的相位调制器一般作为一个单元实施在集成多功能的光芯片(MIOC)内或光芯片上，在其例如由铌酸锂(LiNbO3)制造的基座上或基座内可以实现具有极性的光导路径。在FOG的情况下，这种MIOC除了分束器之外例如还包括起偏振镜。相位调制器本身，也就是其不同长度的正和负电极影响两个相对设置的光路在分路之后的相位。由于集成了数字相位调制器的MIOC在原理上公知，因此只要对本发明没有意义的就不再详细讲述。

[0017] 当然可以在对电极进行纯粹的二进位加权时通过增大MIOC的总长度来实现所述类型的数字相位调制器的精度和分辨率，其中对于LSB电极必须设置大约40μm的最小长度，因为由于场失真和制造容差，更小的长度会导致不精确性很大。对于9位的转换器，总电极长度大约是10mm。如果打算在预先给定相同的特定调制电压范围(例如对于FOG是Uπ区域)和最小电极的所述LSB最小长度的条件下实现12位的转换器，则最长电极的长度大约是80mm，由于各种原因这是不现实的。

[0018] 本发明还存在另一条途径：建议将调制器配置组合起来而不需要校正表和延长总构造长度，其中组合二进位和非二进位的电极组。

[0019] 采用本发明的调制器配置可以满足以下要求：

[0020] (1)对于第一组电极的长度比例和加权以下式子成立：bn+1∶bn≈2，n＞n0。

[0021] (2)输出端的步长宽度直到还有待详细解释的输出值域的边界都等于|l|(＝基本步长宽度)。

[0022] (3)采用的最小电极在分辨率约为1∶2-11.5的情况下与相位调制器的总长度之比-9＜1∶2 。

[0023] (4)所有电极具有不同的长度，从而不产生场抵消。

[0024] 本发明采用以下思想作为核心：为了达到比通过最短的电极所能达到的更精准的分辨率，采用在其作用范围内交叠的正和负电极之间的值差。

[0025] 将电极的长度混合分配为多个组(也就是二进位和非二进位)具有如下优点：

[0026] -在“调制器长度与最短电极”的长度比例＜235∶1时分辨率可以＞3300∶1。

[0027] -在预定的整个地址空间上进行同等分配时可以使剩余误差最小(参见图4)。

[0028] -本发明的调制器可以按照公知方式用校正表来运行。但重要的是，也可以在没有校正表的情况下实现精确度仅稍微减小的运行。这减少了在安全性很重要的应用中的问题。

[0029] 相位调制器的整个分辨率明显优于总长与最短电极的长度之比。目前用12个电极可达到的有效分辨率是＞11.68位(≈log2(3300))。

附图说明

[0030] 下面参照附图以示例的实施方式详细解释本发明和其它优选细节。图中：

[0031] 图1示出本发明具有混合配置的相位调制器的电极分配和电极设置的第一实施变形的示意图；

[0032] 图2示出根据图1的本发明相位调制器的输出特性曲线的表格化的例子；

[0033] 图3示出用于清楚显示步长宽度的放大图作为图1中表格在零点左右的一段；

[0034] 图4示出清楚显示与图1的数字相位调制器的理想输出特性曲线之间的最大偏差的图表；

[0035] 图5示出本发明混合配置的12位相位调制器的电极目前作为最佳实施方式实现的第二分布和布置；

[0036] 图6示出在根据优化值表(表2)的值对应关系下图5中混合相位调制器的输出特性曲线的片断显示图；

[0037] 图7示出用于电校正二进位值或将二进位值换算为施加在本发明相位调制器的各个电极上的非二进位值的原理布置的框图；

[0038] 图8示出具有外部校正方法的校正表的结构的对应图7的框图；

[0039] 图9示出根据图7的电路设置的转换框图，其中可以选择在多个存储在存储器中的校正表之间转换。

具体实施方式

[0040] 图1以放大的示意图示出根据本发明的分辨率提高了的数字相位调制器的实施例。该相位调制器共包括12个不同长度和加权的电极，用E0，E1，...，E10，E11表示。为了显示出本发明的重要特征，也就是低有效位电极E0至E3的非二进位设置，将这些电极在图1中向左放大显示。如图所示，设置在光波导体L左边的电极E0，E1以及E4至E10占据值位置b0，b1和b4至b10，而设置在光波导体L右边的电极E2，E3以及E11占据值位置b2，b3和b11。

[0041] 因此，在图1的本发明的实施方式中给出了所谓的“8+4配置”，其中上面8个电极E4至E11被二进位加权，并构成一个称为“粗调制器”的第一电极组，而本发明用下面的电极E0至E3在合适互连中(尤其是通过形成场差)实现了所追求的更高分辨率。只要在有需求情况下用作校正表的查找RAM(LOOK-UP-RAM)出现故障，调制器就和以前一样可以按照减小了的8位分辨率继续运行。对于根据图1的本发明的第一实施例中的电极的尺寸，以下前提条件和考虑成立：

[0042] (1)第一二进位加权的电极组E4至E11的电极大小或者说电极长度之比bn+1∶bn对于n∈[4:10](大致上)应当等于2。

[0043] (2)分辨率应当尽可能同等精细，也就是说输出端的步长宽度大约为|l|(＝基本步长宽度)。

[0044] (3)采用的最小电极在给定分辨率下由于技术原因应当尽可能的大。具体地说，对-9于根据图1的相位调制器不应当低于最小和最大电极之间的大致比例1∶2 ，这和传统的
9位相位调制器相同。

[0045] (4)在所示“精调制器”的第二电极组例子中的所有4个电极应当具有不同的大小，否则可能出现抵消。

[0046] 从第(3)点可以得出，根据本发明最小可能的分辨率不是通过最小电极的长度给定的，而是通过在其作用范围内重叠的电极之间的差给定。如果首先将占据值位置b3的电极E3设置为最小电极，并引入下列关系式

[0047] u＝b1-b0

[0048] c＝b0

[0049] l＝b3+b2 (1)

[0050] 其中“l”表示精调制器的总长，则根据第1点的要求会得出：

[0051] u＝l (2)

[0052] 由于值c涉及占据零位置(b0)的最小电极，因此b1涉及精调制器的最大电极(参见图1)，也就是说下式成立：

[0053] l＜c＜b3，b2＜b1 (3)

[0054] 如果为了满足前提条件(1)和(3)设置l≈16，则导致下式成立：

[0055] c＝b0＝7

[0056] b1＝c+u＝8 (5)

[0057] 为了满足前提条件(4)，假定

[0058] b2＝b1+1＝9 (6)

[0059] 这导致

[0060] l＝b1+b0＝17 (7)

[0061] 并且由于等式(1)导致：

[0062] b3＝1-c＝10 (8)

[0063] 利用这些加权对具有两种符号的值或数字以及零都可以显示。

[0064] 1，2，∪，∪，∪，∪7，8，9，10，∪，∪，∪，∪，17 (9)[0065] 为了填补“2”和“7”之间的空隙，对粗调制器的最小电极E4(位置b4)必须满足：

[0066] b4+10＝13 (10)

[0067] 由此可以显示直到“15”的值。类似地，对于值“16”要求：

[0068] b5-x＝16，x∈[7，8，9，10] (11)

[0069] 如果选择x＝10，则导致b5＝2·b4。由于粗调制器的其它电极的值同样形成两个电位，因此对于粗调制器来说构成期望的“经典”8位结构。

[0070] 由此得出的电极E0至E11在位置b0至b11上的电极分布和加权在下面的表1中11.5
构成输出动态范围＞1∶2 的所构建的电极长度序列的例子。

[0071] 表1

[0072]位置 值
b0 7
b1 -8
b2 -9
b3 10
b4 13
b5 26
b6 52
b7 104
b8 208
b9 416
b10 832
b11 -1652

[0073] 具有b11＝-1652的电极E11的长度或加权恰好对应于在光波导体L的对面占据位置b4至b10+|l|的电极E4至E10的加权总和。

[0074] 图2所示的图1数字相位调制器的输出特性曲线的例子示出-1650至+1650的值域，具有由控制逻辑组成的对应分配的地址。相位特性很明显是完全线性的。

[0075] 从图2中一段放大的围绕零点上下的特性曲线可以清楚地识别出，一个为|l|的值的步长宽度显著小于最短电极b0＝7的长度或加权。

[0076] 图4的图针对图1的电极配置示出与线性变化的偏差范围，也就是与理想特性曲线之间的剩余偏差。

[0077] 迄今所示的针对本发明混合电极结构的推导涉及关于电极长度的可能测定和布置的第一验证例子。为此，对应的是先前所示的对整个调制器的前提和条件，以及在所采用的地址空间(例如11.7位)内对数字组合不出现空隙的要求。

[0078] 总之，根据需要满足哪些相应的边界条件，根据本方法基本上可以装配任意的电极配置。下面是具有决定意义的边界条件：

[0079] ·以基本步长宽度距离为单位的输出值的最大追求和可能的值；

[0080] ·最长电极与最短电极的至少可能的长度比例，该比例在实际中由最大可能的建造长度确定；

[0081] ·可能电极的数字，该数字限制了组合可能并因此将最大动态性限制为2n；

[0082] ·可控制的制造过程的精度或者换句话说是电极长度差异的精细确定；

[0083] ·相位调制器在不采用校正表或校正表出现故障时的故障状态性能。

[0084] 根据哪些要求或边界条件是最重要的，合适的是例如将精调制器的电极与粗调制器的电极重叠，为此参考图5给出的一个例子。

[0085] 可以显示状况或者说电极配置，其中精调制器在最长电极所在的光导体的同一侧只具有一个负电极，为此要具有3个正电极。

[0086] 对于专业人员来说可以看出，用精调制器中额外的电极可以使分辨率继续增大，前提是有合适的制造过程。

[0087] 目前针对具有基本步长宽度|l|的12位调制器的最可能电极组合在图5中示出，其中对应的针对电极E0至E11的参考说明和在图1中一样，并且对应的电极值又以b0至b11给出。下面的表2示出目前最可能的值组合或长度组合。

[0088] 表2

[0089]位置 值
b0 7.00
b1 -8.00
b2 -10.00
b3 12.00
b4 16.00
b5 32.00
b6 64.00
b7 128.00
b8 256.00
b9 512.00
b10 1024.00
b11 -2033.00

[0090] 用290∶1的最长电极与最短电极之比达到步长宽度为1∶±2029的线性输出值域。也就是说输出动态性为±2029∶l＝11.986位。

[0091] 因此图5示出总的电极结构，其中图5中又在左边放大示出的精调制器不是对称的。

[0092] 图6示出针对根据表2的优化电极值的一段输出特性曲线。与图3的片段显示不同，如果转换器的地址范围被限制为可得到的输出状态的数量，则对这种情况得到的是无平顶的特性曲线。相反，如果尽量将整个地址范围(在这种情况下是12位)用于进行控制，则在一些位置上出现类似于图3所示的输出特性曲线的平顶，因为例如用表2的电极配置对每种符号只能得到连贯的2029而非2048个输出状态。可能平顶的数量由差(4096-“输出状态的数量”)来估计。运用哪种可能取决于相应的要求。

[0093] 下面给出几个针对精调制器的不同配置的例子，必要时与粗调制器共同作用。

[0094] 例子1

[0095] 下面的表3示出精调制器的最小配置的例子，其中只有一个电极设置在粗调制器的最长电极(MSB)一侧。

[0096] 表3

[0097]位置 值 精调制器
b0 -3.00 F
b1 2.00
b2 4.00
b3 8.00
b4 16.00
b5 32.00
b6 64.00
b7 128.00
b8 256.00
b9 512.00
b10 1024.00
b11 -2043.00

[0098] 利用该电极配置可以覆盖具有基本步长宽度的4088个值的范围，其中比例“分辨率与结构长度之比”约为1∶2046。表中的说明“F”表示精调制器的哪个电极位于粗调制器的最长电极的一侧。

[0099] 例子2

[0100] 下面的表4示出精调制器的非对称配置的例子。其中精调制器的一个电极位于“负”的一侧，3个电极位于“正”的一侧。

[0101] 表4

[0102]位置 值 精调制器
b0 7.00 F
b1 11.00 F
b2 13.00 F
b3 15.00
b4 -16.00 F
b5 30.00
b6 60.00
b7 120.00
b8 240.00
b9 480.00
b10 960.00
b11 -1920.00

[0103] 利用该电极配置可以覆盖分别具有基本步长宽度的3806个值的值域。“分辨率与结构长度之比”约为1∶276。

[0104] 例子3

[0105] 下面的表5给出长度比例剧烈减小且精调制器的电极数n0为奇数的电极配置的例子。

[0106] 表5

[0107]位置 值 精调制器
b0 14.00 F
b1 -13.00 F
b2 -15.00 F
b3 -19.00 F
b4 22.00 F
b5 30.00
b6 60.00
b7 120.00
b8 240.00
b9 480.00
b10 960.00
b11 -1879.00

[0108] 用该电极配置覆盖的范围是3744个值，分别具有基本步长宽度。比例“分辨率与结构长度之比”约为1∶137。说明“F”又表示哪些电极属于精调制器。

[0109] 表5的配置是非常有意义的，因为该表显示了将相位调制器扩展为例如13位的基础，然后在长度比为272∶1(这对应于表2中配置的长度比)的情况下可以实现＞12.8位(＞7450个值)的分辨率。

[0110] 只要在用于本发明相位调制器的控制电路内设置二进位的信号处理(一般情况下都这样)，则根据本发明可以借助校正表来采用非二进位的相位调制器，该校正表将所计算的数字值转换为非二进位的值。该校正表可以存储器可编程的设置，并且除了将二进位值转换为非二进位值之外还校正相位调制器中由制造或运行产生的错误。图7示出基本电路结构。由控制装置(控制器)30输入换算或校正表31的对应于一个特定相位值的二进位值，该换算或校正表控制后面的开关32，通过该开关控制相位调制器33的具有与该非二进位值对应的信号组合的各个电极E0至E11。

[0111] 图8的转换或校正电路的实施变形使得可以在校正表上输入一个外部信号，例如温度信号或将由于老化引起的变化考虑为后校正的信号。

[0112] 在图9的转换和校正电路中，在所示例中具有多个(例如4个)校正表KT1至KT4，它们可以集成到ASIC中，也可以根据一个外部信号分别连接一个优化的校正表。

[0113] 根据本发明可以制造分辨率明显提高的数字相位调制器，而无需要求长度比例如12
对应于1∶2 。由此给出很明显的技术优点。

[0114] 根据本发明的所有可能的电极配置的总思想是：

[0115] 1.分为一个二进位和一个非二进位的调制器部分，以及

[0116] 2.通过形成电极值的差产生精细分级，由此调制器的最短电极不会限制分辨率。