波導式偏振調制測距系統(tǒng)

高超紀榮祎高書苑董登峰周維虎*

波導式偏振調制測距系統(tǒng)

高超1，2，紀榮祎1，2，高書苑3，董登峰1，2，周維虎1，2*

（1.中國科學院 微電子研究所，北京 100094；2.中國科學院大學，北京 100049；3.常州大學 機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213164）

為消除體相位調制器工作過程中熱效應對偏振調制測距精度的影響，提出了利用波導式相位調制器替代體相位調制器的全光纖波導式偏振調制測距方法。對波導式偏振調制測距系統(tǒng)進行原理分析，利用瓊斯矩陣得出傳輸過程中測量光偏振態(tài)的變化規(guī)律，建立調制信號頻率、偏振光強度與被測距離的函數關系。然后，進行了直波導相位調制器特性測試，驗證其半波電壓隨調制頻率在3.5～7 V之間變化，正反電光響應一致性為2%～3%。最后，構建波導式偏振調制測距系統(tǒng)裝置并進行實驗驗證，重復性測試實驗中測量平均誤差為0.44 mm，測量重復性為0.54 mm，變距離實驗中測量平均誤差為0.39 mm。波導式偏振調制測距系統(tǒng)能夠實現(xiàn)距離的有效測量，具有不產生熱效應，結構簡單等優(yōu)點，在激光測距方面具有應用價值。

激光測距；波導相位調制器；偏振調制；保偏光纖

1 引言

近年來，我國載人航天、大飛機、高能粒子加速器、500米口徑球面射電望遠鏡等大型裝備和大科學工程建設過程中的精密裝配，對大尺寸高精度測量技術提出了更高的要求，以激光跟蹤儀、全站儀、激光測距儀等為代表的大尺寸高精度幾何量測量裝備發(fā)揮了重要作用。這些測量裝備的關鍵是高精度激光絕對距離測量［1-2］。

激光絕對測距技術按原理可分為激光飛行時間測距和非飛行時間測距兩類。激光飛行時間測距法又分為脈沖式激光測距［3-4］、相位式激光測距［5-6］及干涉法激光測距［7-8］。其中，脈沖式激光測距和相位式激光測距受限于時間或相位測量精度，系統(tǒng)測距精度在毫米甚至厘米量級，無法滿足高精度測量需求。激光干涉測距法的測距精度可以達到微米量級，但系統(tǒng)復雜且對現(xiàn)場條件要求高，無法完全滿足大尺寸工業(yè)測量的現(xiàn)場需求。飛秒激光測距法具有測量精度高、量程大的優(yōu)點，但飛秒激光光源成本較高，且技術成熟度有待提升，在工業(yè)領域尚不能大范圍使用［9-11］。1988年，瑞士Kern公司借鑒斐索旋轉齒輪測光速原理提出偏振調制測距法，并在此基礎上研制出ME5000型精密激光測距儀，其測量范圍最遠可達8 000 m，測距精度為±（0.2 mm+0.2×106D）［12］。瑞士Leica公司收購Kern公司后推出μ-Base型高精度絕對激光測距儀，該儀器在160 m全量程范圍內的測量精度為±10 μm［13］。這兩款儀器利用體相位調制器對偏振光進行掃頻調制，通過檢測反射光強度極值點的調制頻率解算出被測距離。由于光強度測量精度高于時間和相位測量精度，且光偏振態(tài)在空間傳輸過程中受溫濕度等環(huán)境的影響較小，因此偏振調制測距方法在大尺寸高精度測量領域有著廣闊的應用前景。

目前，偏振測距技術專利主要掌握在瑞士Leica公司，國外研究多以設備測試和結構分析為主。國內2014年天津大學進行了偏振測距理論方法研究，使用NewPort公司4431型體相位調制器構建了空間光路測距系統(tǒng)，驗證了偏振調制測距方法的可行性，利用光纖延遲線測得該系統(tǒng)的測距精度為±10 μm［14-16］。然而，體相位調制器需要幾十伏的調制電壓，由此產生的熱效應會影響測距精度。2019年，中國科學院光電研究院基于QUBIG公司D7v-T3型體調制器研究了熱致相位差對測距精度的影響及其補償方法［17-18］，但該方法無法滿足偏振調制測距的高精度需求，且外加溫度控制裝置導致系統(tǒng)龐大，實用性受到限制。

本文研究利用波導式相位調制器替代體相位調制器的可行性，首先分析了波導式偏振調制測距原理，利用瓊斯矩陣推導了測量光偏振態(tài)變化，得出調制頻率與被測距離的函數關系，然后分別對波導式相位調制器和偏振調制測距系統(tǒng)進行了實驗驗證。實驗結果表明，波導式偏振調制測距系統(tǒng)可實現(xiàn)距離測量，具有結構簡單、無熱效應等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)小型化、低功耗設計。

2 電光偏振調制測距原理

2.1　鈮酸鋰晶體電光調制效應

偏振調制測距利用鈮酸鋰晶體電光效應對光的偏振態(tài)進行調制。電光效應是指電光晶體折射率在電場作用下變化導致透射光的傳輸特性發(fā)生改變，電光晶體折射率是外加電場的函數，其在0附近的泰勒級數展開式為：

式中：為線性電光系數（Pockels系數），為平方電光系數（Kerr系數）。

偏振調制測距利用電光效應中的一次線性關系，當施加電場與通光方向垂直進行橫向調制時，線偏振光相移如下：

式中：為加載電壓，為沿通光方向的晶體長度，為晶體沿電場方向的長度，0為真空中波長。

當線偏振光的偏振方向與調制電場成45°角時，只對平行于電場方向的偏振光分量調制，因此兩偏振光分量經過電光晶體調制后會產生相位差Δ，即：

通常將Δπ時所需的電壓定義為半波電壓π，π與材料性質、光波長和晶體外形尺寸有關，是衡量調制器的重要參數。

對調制器施加正弦調制信號，測量光往返兩次通過電光晶體時產生的相位差分別為：

式中：Δ1和Δ2為測量光往返通過調制器的調制時間，Δ為測量光在測距空間往返飛行過程中調制信號的相位變化量。利用鈮酸鋰晶體的晶體對稱性，合理設計系統(tǒng)測量光偏振態(tài)的變化，使光電探測器檢測到的相位變化只與Δ相關，再利用Δ包含的飛行時間信息即可實現(xiàn)距離解算。

2.2　直波導相位調制器

基于鈮酸鋰電光晶體制成的相位調制器是偏振調制測距系統(tǒng)的核心器件，可分為體相位調制器和波導相位調制器，二者工作原理相同，但制作工藝不同。波導相位調制器是基于半導體工藝制成的集成光學器件，主要應用在光發(fā)射機、光纖陀螺及光纖傳感等領域。這些領域中只需要單向通光，而偏振測距在測量光收發(fā)過程中需要正反雙向通光，因此需要選取滿足偏振調制測距系統(tǒng)使用需求的波導相位調制器。

波導相位調制器的制作工藝有質子交換法和鈦擴散法兩種，質子交換法只能工作在單偏振狀態(tài)，鈦擴散工藝調制器能夠實現(xiàn)兩種偏振態(tài)通光，具有低偏振相關損耗，滿足偏振測距對兩個偏振態(tài)分量進行調制的需求［19］。根據電極結構可分為集總參數電極、行波電極等，集總參數電極結構和電氣參數具有對稱性［20］，能夠最大限度地保證正反通光過程中光電響應的一致性，因此選取基于鈦擴散工藝制成的集總參數電極直波導相位調制器用于偏振調制測距系統(tǒng)，其結構如圖1所示。在鈮酸鋰晶體襯底上擴散鈦增加折射率，制成寬度為的波導帶，集總參數單電極相對于波導中截面鏡像對稱，正負電極相對于波導鏡像對稱，利用T型耦合器將電極與調制信號源連接，施加電場可對波導內光信號的偏振態(tài)進行調制。電極自身阻抗很小，可等效為15～20 pF電容，需外接終端電阻實現(xiàn)調制器與信號源間的阻抗匹配。

圖1　直波導式相位調制器示意圖

與體相位調制器需要對整個鈮酸鋰晶體進行調制不同，波導相位調制器只需對波導內光信號進行調制，波導寬度為微米量級，長度為厘米量級。根據式（3）可知，波導相位調制器具有較小的半波電壓，商用產品的半波電壓多在4 V左右，可避免熱效應產生，降低系統(tǒng)功耗。

3 波導式偏振調制測距系統(tǒng)

結合直波導相位調制器工作原理，設計的波導式偏振調制測距系統(tǒng)結構如圖2所示。該系統(tǒng)由光源、光纖隔離器、保偏光纖環(huán)形器、直波導相位調制器（EOM）、光纖1/4波片、準直擴束器、保偏光纖分束器（Polarized Beam Splitter，PBS）和光電探測器（Photodetector，PD）等構成。

圖2　波導式偏振調制測距系統(tǒng)結構

光電探測器檢測到的偏振光光強如下［22］：

式（6）表明，光強度只與測距飛行過程中的調制信號相位變化量Δ成三角函數關系。為提升測距精度，避免進行反三角函數運算，選取Δ2π時刻光能量極值點進行空間距離解算。由于存在多周期導致的模糊距離問題，掃頻調制得到連續(xù)兩個光強極值點頻率1，2，聯(lián)立方程即可得到空間距離的計算公式：

式中：［］表示取整運算，為光速，1為零相差時半波長數。由式（7）可知，系統(tǒng)的測距精度和測量范圍由極值點頻率決定，因此光強極值點調制頻率檢測的準確性和調制信號源頻率的穩(wěn)定性對測距精度有重要影響。

4 實驗與結果

4.1　直波導相位調制器特性測試

通過分析瓊斯矩陣可知，調制器正反光電響應的一致性直接影響推導結果，選取的直波導相位調制器具有很好的結構對稱性，但仍需對其電光響應特性進行實驗驗證。由于偏振調制測距只利用電光晶體的一次特性，因此可通過半波電壓測試反映其電光響應特性。

由于對調制器進行高頻信號調制時，信號源的輸出功率會受到限制，因此實驗系統(tǒng)利用正弦信號對電光調制器進行相位調制時在頻譜上會產生邊帶，即光頻梳［23-24］，如圖3（a）所示。載波光能量、邊帶光能量與調制深度符合貝塞爾函數關系，如圖3（b）所示。測得載波0和邊帶1的能量占比后，即可得到當前調制電壓對應的調制深度，進而計算得到半波電壓值，實現(xiàn)利用低壓信號源測得高頻調制下的半波電壓。

圖3　相位調制器調制波形

直波導相位調制器特性測試系統(tǒng)如圖4所示，它由1 550 nm超窄線寬激光器（RIO MP-RIO-1550）、掃描式法布里珀羅干涉儀（Thorlabs SA210-12B）和射頻模擬信號發(fā)生器（Keysight N5171B）等構成。

圖4　相位調制器特性測試實驗裝置

由信號發(fā)生器在20，50，100，200，300，400，500，550 MHz固定頻率點輸出正弦信號，利用法布里珀羅干涉儀測量載波0和邊帶1的能量占比，計算得到半波電壓，結果如圖5所示。實驗過程中用熱成像儀（Fluke Ti110）監(jiān)測調制器的殼體溫度。

圖5　相位調制器特性測試實驗結果

由圖5可知，相位調制器的半波電壓隨調制信號頻率在3～7 V間變化，同頻率下正反光電響應一致性為2%～3%，實驗過程中殼體溫度在28.9～29.2 ℃之間變化。實驗結果表明，直波導相位調制器工作過程中未產生熱效應，具有較低的半波電壓和較好的正反電光響應一致性，能夠滿足測距系統(tǒng)的使用要求。但由于半波電壓隨調制器頻率變化，為保證調制效果，需結合器件特性對調制信號進行分段設計輸出。

4.2　測距實驗

測距實驗裝置如圖6（a）所示，以10 kHz步進在100～200 MHz內進行調制測試，測得實驗數據如圖6（b）所示，光強度與調制頻率呈正弦關系。

圖6　偏振調制測距系統(tǒng)及掃頻波形

保證實驗條件不變，利用固定長度光纖反射鏡進行系統(tǒng)重復性測試。調制器到反射鏡的光纖長度為8.15 m，光纖折射率為1.46～1.47，等效空間距離為11.899 0～11.980 5 m，實驗過程中信號源以10 kHz步進在150～250 MHz輸出正弦調制信號。本實驗為單次重復性測距實驗，在其他條件不變的情況下，重復掃描3次，如圖6（b）所示，在100 MHz掃描區(qū)間有8個極大值，根據偏振測距計算公式，每相鄰兩個極值點即可得到一個距離值，因此每次掃描可以得到7個測量距離值，測試結果如表1所示。

表1150～200 MHz重復測試實驗結果

Tab.1　Result of repeated test at 150-200 MHz

3次重復測量結果相對獨立，對21個實測距離值進行計算得到距離的算術平均值為11.941 47 m，以此為基礎計算得到的殘余誤差如表1所示。系統(tǒng)測量平均誤差為0.44 mm，重復性標準差為0.54 mm。

調制器特性測試實驗表明，不同頻率段器件電光響應不同，為驗證調制頻率對測距系統(tǒng)精度的影響，保持12 dBm的輸出功率不變，以50 MHz間隔在100～500 MHz區(qū)間分頻率段輸出調制信號，測試結果如表2所示。

表2分區(qū)間測試實驗結果

Tab.2　Result of different frequency separation test

為驗證調制頻率對測距精度的影響，未進行重復性測試。每個掃頻區(qū)間只測得3個距離值，誤差分析過程中用8個頻率段的24次測量結果計算得到算術平均值為14.913 69 m，并在此基礎上進行殘余誤差和標準差計算，以增加樣本容量。表2表明，相同條件下，不同頻率區(qū)間段測得的數據標準差不同，其中200～250 MHz區(qū)間段標的準差最小為0.01 mm，350～4 000 MHz區(qū)間段的標準差最大為0.69 mm，兩個區(qū)間段的測試數據對比如圖7所示。為便于比較，橫坐標統(tǒng)一為頻率調制范圍0～50 MHz，圖7顯示在350～400 MHz區(qū)間段波形畸變比較嚴重，影響了極值點頻率確定以及最終的距離解算精度。

圖7　不同頻率段測試波形對比

在光路系統(tǒng)中接入光纖延遲線，通過光纖延遲模擬空間距離變化，測試系統(tǒng)對距離變化的響應。延遲線采用萊特索斯LT-ODL-1500-1550型電動光纖延遲線，測量結果如表3所示。

表3變距離測試實驗結果

Tab.3　Result of different distance test

測量結果表明，波導式偏振調制測距系統(tǒng)能夠準確測量光纖延遲線等效的空間距離變化。由于光纖延遲線精度為1.5 μm，高于本系統(tǒng)測量精度，以光纖延遲量作為距離變化的實際值，得到本系統(tǒng)空間距離測量的平均誤差為0.39 mm。

5 結　論

針對偏振測距系統(tǒng)中體相位調制器在工作過程中產生熱效應影響測距精度的問題，本文提出利用波導式相位調制器代替體相位調制器構建掃頻偏振調制測距系統(tǒng)，對系統(tǒng)器件及測量光的偏振態(tài)變化進行了理論分析，得出調制頻率、被測光強和被測距離的函數關系，通過實驗驗證了直波導相位調制的特性以及測距系統(tǒng)的可行性。波導式偏振調制測距實驗裝置的測量分辨率可以達到亞毫米量級，重復測量平均誤差為0.44 mm，重復性標準差為0.54 mm，變距離測量的平均誤差為0.39 mm。研究表明，波導式偏振調制測距系統(tǒng)在實現(xiàn)距離測量功能的同時，可以有效避免熱效應對測量精度的影響，簡化了系統(tǒng)結構，降低了系統(tǒng)功耗。

實驗數據表明，掃描頻率對測量結果有直接影響，因此接下來工作擬對調制器特性進行深入研究，合理匹配調制信號，優(yōu)化極值點頻率查找算法，提高系統(tǒng)測量精度，進一步提升波導式偏振調制測距系統(tǒng)的工程應用價值。

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Polarization modulation range-finding system based on waveguide phase modulator

GAO Chao1，2，JI Rongyi1，2，GAO Shuyuan3，DONG Dengfeng1，2，ZHOU Weihu1，2*

（1，，100094，；2，100049，；3，，213164，），：

To improve the range-finding accuracy of a polarization modulation range-finding method and eliminate the thermal effect of bulk phase modulators， we propose waveguide phase modulators to substitute the bulk phase modulators. First， the polarization modulation range-finding method and system based on waveguide phase modulator were studied. The functional relationship between the frequency of the modulation signal， the intensity of the polarization light， and the distance was established by analyzing the polarization state change of light in the transmitted path of the system with the Jones matrix. Then， the characteristics of the waveguide phase modulator were tested. The test results show that the half-wave voltage ranges in 3.5-7 V and the consistency of the forward half-wave and backward half-wave voltages ranges in －2%-3%. Finally， a polarization modulation range-finding system with straight waveguide phase modulator was set up to verify the operation of the polarization modulation range-finding system. The average measurement error of the fixed-length fiber is 0.46 mm， and its measurement repeatability is 0.54 mm. The average measurement error is 0.39 mm according to a variable distance test. The experimental results demonstrate that this system can be employed for laser ranging. The system presents a simple structure that can help realize low power consumption and miniaturization.

laser ranging； waveguide phase modulator； polarization modulation； polarization maintaining fiber

O436.3；TH741.1

A

10.37188/OPE.2021.0381

1004-924X（2022）03-0246-10

2021-06-25；

2021-07-29.

國家重點研發(fā)計劃資助項目（No.2019YFB1310100,No.2017YFF0107300）

高超（1983），男，河北秦皇島人，博士研究生，高級工程師，2002年于北京航空航天大學獲得學士學位，2009年于中國航空研究院獲得碩士學位，主要從事光電精密檢測、光纖傳感等方面的研究。E-mail：gaochao@ime.ac.cn

周維虎（1962），男，安徽無為人，博士，研究員，博士生導師，1983年、2000年于合肥工業(yè)大學分別獲得學士、博士學位，現(xiàn)為中國科學院微電子研究所光電研發(fā)中心主任，主要從事光電檢測、光電系統(tǒng)總體設計與集成測試、光電精密測量技術與儀器等方面的研究。E-mail：zhouweihu@ime.ac.cn