CN1751261B - 用于光纤信号传输或测量设备的高分辨率数字相位调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于具有预定总数的不同长度的电极(E₀到E₁₁)的光纤测量设备的数字相位调制器，其中所述电极被平行排列在光学基片之中或之片上的光导路径(L)的两边。本发明的目的在于显著增加这种数字相位调制器的分分辨率，而同时不增加调制器的总体长度。根据本发明，电极(E₀到E₁₁)沿着光导路径被排列在多组三元组中，由此特别在一组三元组中，每两个具有连续长度的电极具有相同的长度比率，其特定地被选择为v＝1.618。为了用能够更好地控制的技术来进一步改进该调制器的分辨率，特别是对于最低有效(LSB)电极，调制器可以被调整为以如下的方式选择所述三元组的电极长度，以致相位调制器的初始值范围的最小步长能够通过计算在至少两个更大电极之间的差来获得。利用相同的芯片尺寸，相位调制器的精度可以从9位提高到11位。

Description

用于光纤信号传输或测量设备的高分辨率数字相位调制器

本发明涉及一种用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器，其在光学基片中或光学基片上具有固定数量的、不同长度的电极，它们平行排列在光导路径的两端，在这种情况下最好可以向光导路径的两端的电极施加等同的控制电势，以便可以通过在预定值范围内改变电极组合的驱动选择来设置较大的数量的相位值。

为了驱动的目的，在相位调制器中的电极最好具有施加给它们的相同的电势，并且，取决于电极相对于光导路径的位置，这些电势在调制器的输出的光相位中引起正或负的移动。在下文中，所述电极被简称为“正”和“负”电极。

为了增加由用于光纤信号传输或测量设备，最好是用于光纤干涉仪的二进制加权的扁平电极(flat electrode)形成的数字相位调制器的精度，专利说明书DE19753427C1公开了一种经由具有下游驱动器的数字模拟转换器提供到其它数字相位调制器的特定的、分离的模拟电极的二进制驱动信号的低有效分量(low-significance component)。此外，该文档提供了要存储在存储器表中的校正值，它可以单独地和相位调制器中的电极相关，从而具体来说，能够对在电极长度和面积中由于生产造成的精度不足进行校正，进而对相位调制值进行校正。在所提及的DE专利说明书中所描述的解决方案诚然允许提高精度，但是技术上的复杂性相对较高，此外，更不用说作为需要使用具有驱动器的数模转换器的结果，其模拟输出值只在有限度的范围内在温度上是稳定的。特别是当在具有封闭的控制回路的光纤陀螺仪(FOGs)中使用这样的相位调制器时，在其中恢复电子设备以相对较高的精度产生一个数字恢复信号，例如一个用于陀螺仪恢复的12位的信号，而且其也可以用于其它光纤信号传输和测量设备，并期望该数字相位调制器的精度能够比已经能够在技术上与之竞争的其它数字相位调制器的精度更高。

制造能够被数字驱动的集成光学调制器的问题在于电极长度的可达到和/或可再生产的精度，所述集成光学调制器是例如用于在多功能集成光学芯片(MIOC)中实施的FOG的那些调制器。基于提供的U_∏电压以及大约40μm的长度最低有效(least significant，LSB)电极，这导致用于9位转换器的大约10mm的总体电极长度，而这在技术上可以被相对较好地实施。如果希望进一步减小LSB电极的最小长度，则作为已经无法解决的制造公差(productiontolerance)的结果，将导致作为场失真和LSB的相对精度的结果的显著的精度不足。基于这些对U_∏和最短电极的LSB长度的要求，将得到用于12位转换器的80mm的电极长度。这是不可行的，由于在物理长度上的显著增加，这也是不现实的。作为上述限制的结果，以及作为其它技术限制的范围，调制器的总体长度被限制在几个厘米之内。

这指出了一个目标，本发明针对该目标提供一个用于光纤信号传输或测量设备的数字相位调制器，利用这种数字相位调制器，精度可以显著提高而不用增加其物理长度。

基于本发明的第一基本概念，制造一个最初提到的通用类型的数字相位调制器，其特征在于，在光学集成芯片之中或之上，沿着光导路径方向，电极被排列成两个或更多三元组(triple)，在任何情况下，在三元组中连续长度的两个电极彼此之间相对具有相同的长度比率v。

在基片之上或之中，将各个三元组中最长的电极排列在所述光导路径的一侧，而把其它两个较短的电极排列在所述光导路径的另一侧是既便利又有优点的。

在一个有优点的和特别优选的细化布置中，在任何情况下，两个连续电极的长度比率为：

$v=\frac{1}{2}+\sqrt{\frac{5}{4}}\≈1.618$

本发明的一个修改的、但是独立的实施例变体提供的电极沿着所述光导路径被排列成两个或更多三元组，在任何情况下，在一个三元组中具有连续长度的两个电极彼此之间相对具有相同的长度比率，从第二到最高有效(mostsignificant，MSB)三元组，而选择第一、最低有效(LSB)三元组的电极，以致相位调制器的输出值范围的最小步宽，能够通过在至少两个更大的电极间相减来形成。

对于本发明的这个第二基本细化布置，同样也很便利把各个三元组中最长的电极排列在光导路径的一侧，而把其它两个较短的电极排列在光导路径的另一侧，使得在第一三元组中的两个较短电极的长度之和等于最长电极的长度。

对于本发明所针对的技术问题，第二基本解决方案的一个特定的有利的细化布置是在第一低有效三元组(first low signifocant triple)中的两个较短电极E0、E1具有各自的长度值a₁＝|5|和b₁＝|6|，而这个三元组中的最长电极(E2)具有长度值c₁＝|11|，而对于所有其它更多的有效电极E3到E11的电极长度(a₂到c₄)的长度比率v被选择为：

$v=\frac{1}{2}+\sqrt{\frac{5}{4}}\≈1.618$

如果根据本发明的相位调制器旨在使用二进制值来进行操作，则可以提供一个电子校正表，用于把二进制相位值转换为电极的非二进制的驱动值。这种转换表可以被设计为在存储器中可编程的：特别是，其还可包含用于校正在相位调制器中由于制造和/或由于操作造成的故障和错误。而提供至少两个不同的编程的校正表也是有优点的，并通过一个控制设备来在它们之间进行切换其中，例如温度等的外部参数的函数。

在下文将参照附图以示例的形式对本发明及其优点的细节进行更加详细说明，其中：

图1示出了用于根据本发明的非二进制相位调制器的电极的细分和布置的布置方案(作为此时的最佳实施例来实施)；

图2示出了集成光学芯片的布局，在这种情况下被图示为光纤陀螺仪的MIOC的子部分，之后在其左侧布置有一个分光器(Y分光器)；

图3示出了在根据本发明的相位调制器中的电子校正或将二进制值转换为施加给各个电极的非二进制值的基本布置的框图布局。

图4示出了用于具有外部校正能力的校正表的对应于图3所示的布局的框图布置；

图5示出了如图3所示的电路布置的改进的框图布局，其中能够选择性地在存储于在存储器中的两个或更多校正表间进行切换。

图1图示了具有根据本发明的特征的数字相位调制器的基本设计，其具有两个较短的电极A、B示出在左手侧，而该三元组中的最大电极C示出在右手侧的布置的电极三元组的详细部分，以便有助于识别光导路径L，其只是示意性地被指示在MIOC的基片中(图1中未示出)。

基于本发明的第一基本概念，在任何情况下，连续尺寸的两个电极需要具有彼此之间相对相同的尺寸比率。下面使用电极A、B、C的电极值a、b、c来分析具体部分的关系：

$\frac{b}{a}=\frac{c}{b}=v$

c＝a+b                                        (等式1)

从其可以导出：

c＝v²·a

1＝v²-v                                     (等式2)

从而尺寸比率为：

$v=\frac{1}{2}+\sqrt{\frac{5}{4}}\≈1.618$ (等式3)

如果值a₁、b₁、c₁、...a₄、b₄、c₄(见下面的值列表)被分配给在三元组中的电极E0到E11(包含在图1中的四组三元组1到4中)，则遵守上述要求，得出例如以下的条件a₂＝v·c₁。

例如，由于在图1中右手侧的电极(即，细节部分的电极C)的每一个以与排列在光导路径L的另一侧的电极A、B相反的算术符号作用于光的相位，所以由上得到的幂级数(power series)1、v、v²、v³...必须乘以在相位调制器中的场强方向的算术符号。

          表1：

   电极的值列表(见图1)

电极	三元组中分配的值
		E0	a1
E1	b1
		E2	c1
E3	a2
		E4	b2
E5	c2
		E6	a3
E7	b3
		E8	c3

 

E9	a4
		E10	b4
E11	c4

这导致在表2中列出的权重或值序列：

        表2：值列表

	1	1.00
				v	1.62
-	v<sup>2</sup>	-2.62
				v<sup>3</sup>	4.23
	v<sup>4</sup>	6.85
			-	v<sup>5</sup>	-11.09

	1	1.00
				v<sup>6</sup>	17.94
	v<sup>7</sup>	29.03
			-	v<sup>8</sup>	-46.97
	v<sup>9</sup>	75.99
				v<sup>10</sup>	122.96
-	v<sup>11</sup>	-198.96

初始条件(等式1)意味着所有的组合a+b+c＝0消失了。因此，这导致用于每个电极三元组的7个不同的输出值。由于相同的组合作为关系式v³＝v²+n的结果出现，则12个不同状态导致4组电极三元组。在最长和最短电极之间的长度比率为1∶259。

相对电极的条件a+b＝c(等式1)限制了输出值的最大数量，该输出值能够由彼此之间相对独立的三元组的长度比率的12个位来描述。由于在每个三元组中用两个不同的位组合[000]和[111]来产生零，可以表示7个不同的值。对于在图1中所示的4组电极三元组，这导致7⁴＝2041个值，即一个大约10位的精度。

本发明的第二个基本实施例再次基于图1中所示的电极配置和细化，即，这种方法同样地是基于非二进制的1.618配置，但是避免了在各个电极三元组之间的值的范围的交迭。

如果希望依照这种要求，则这将导致下面的等式4，其指出了在三元组中的最小电极应当比所有更小的电极三元组的总和大一个单位步宽|1|。

$a_x=l_{x,0}=\left(\underset{i=0}{\overset{x-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\right|l_{i,j}\left|\right)\right)+1$ 对于x∈{1，2，3}(等式4)

变量l_i，j表示电极长度，并且

·指数“i”表示三元组号{0、1、2、3...}，和

·指数“j”指示在相应三元组中的电极号{0、1、2}。

换句话说，因此“l_i，j”表示在第i个三元组中的第j个电极的长度。

相应中心电极b_x的长度是a_x的两倍，即：

b_x＝2a_x

在三元组中的最大电极长度c_x是通过b_x和a_x的长度和给出的，即：

c_x＝a_x+b_x。

在下面表4中，通过示例总结出的结果位的权重。在电极标示l和三元组内部电极标示a、b、c之间的对应关系是为了更好地说明状况，并为了避免对于位置关联进行双重指定。

表4：根据等式4的方案的值序列

             表4

变量	位置	值
			l<sub>0.0</sub>	a<sub>0</sub>	1
l<sub>0.1</sub>	b<sub>0</sub>	2
			l<sub>0.2</sub>	c<sub>0</sub>	-3
l<sub>1.0</sub>	a<sub>1</sub>	7
			l<sub>1.1</sub>	b<sub>1</sub>	14
l<sub>1.2</sub>	c<sub>1</sub>	-21

变量	位置	值
			l<sub>2.0</sub>	a<sub>2</sub>	49
l<sub>2.1</sub>	b<sub>2</sub>	98
			l<sub>2.2</sub>	c<sub>2</sub>	-147
l<sub>3.0</sub>	a<sub>3</sub>	343
			l<sub>3.1</sub>	b<sub>3</sub>	686
l<sub>3.2</sub>	c<sub>3</sub>	-1029

[0052]在这种情况下LSB和MSB组合之间的尺寸比率是1∶1029。在表4中所示的位组合的总数导致2400个不同的输出值。因此，在这种电极配置中的所述最大可能的输出值数量显著大于本发明的第一实施例变型。

相邻值之间的间隔按照尺寸来说为“0”或“1”。在这样的分布上没有其它的间隔出现。因此，对所覆盖的值的范围来说精度是大约11位。

基于上述技术原因，为了进一步改善在最长电极和最短电极之间的尺寸比率，可以基于表4延长在LSB三元组l中的电极，如下面表5中的例子所示。

根据本发明的第二基本实施例变型的再一个同类，最小输出值现在不再通过驱动单个电极来形成，而是通过在至少两个更大电极之间相减形成。

因此，以线性形式覆盖的值的范围只发生不显著的变动，但是在最小电极和最大电极之间的尺寸比率现在只是5∶1029＝1∶206，这从表5中通过示例可见。

表5：基于等式4的方法的改进的LSB三元组的值序列(见图1)

位置	值
		a<sub>0</sub>	5
b<sub>0</sub>	6
		c<sub>0</sub>	-11
a<sub>1</sub>	7
		b<sub>1</sub>	14
c<sub>1</sub>	-21
		a<sub>2</sub>	49
b<sub>2</sub>	98
		c<sub>2</sub>	-147
a<sub>3</sub>	343
		b<sub>3</sub>	686
c<sub>3</sub>	-1029

对于更大电极三元组的电极的长度比率，这等于是说从第二最低有效电极三元组来说，使用等式4，最小电极a_x现在又一次被相应地计算为：

${\mathrm{\α}}_z=\left(\underset{i=0}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\right|l_{i,j}\left|\right)\right)+1$

相应中心电极b_x的长度为a_x的两倍，即：

b_x＝2a_x

在三元组中的最大电极长度c_x是通过b_x和a_x的长度的总和给出的，即：

c_x＝a_x+b_x。

在最低三元组中的电极被精确地延长“5”，这主要是因为以这种方法实现的长度比率(≈1∶206)是处在能够在技术上应付的范围之内的。

基本上，所追求的这种在电极结构的制造能力上的改进需要考虑到以下几点：三元组结构(c＝a+b)应该在设计中被保留，并且作为结果的输出特性应当在中心区域不具有连续性。后者要求能够产生值0、±1、±2...。

能够由最低三元组上面的那个三元组产生的最小值是在表5中所示的例子中的±7。因此，从1到6的值必须通过更低的三元组的连接产生。例如，-1是作为6、14和-21的和形成的。

作为一般的结论，必要的是：

●从1到6的所有值能够通过在最低三元组中最多两个电极之间的相加或相减与在下一个三元组中的电极的幅值或零来构成。

●任何电极的权重都不被使用两次。

对最低三元组中的电极的延长的一般限制是：

新电极长度l’_ij能够由先前选择的电极长度和在另一个三元组中的电极长度的组合(线性组合)来产生。

l′_i，j＝±l_i，j±l_k，l其中i≠k                    (等式5)

指数“i”再次表示三元组号{1、2、3...}，而指数“j”表示在各个三元组中的相应电极号{0、1、2}。与“i”类似地，指数“k”表示三元组号。该三元组号是可以提取第二电极长度的三元组号。

此外，新长度仍需满足条件a+b＝(-)c。

如果这个条件不被满足，则在最低三元组中的最长电极(l_3，2)的长度必须用根据下面关系式的适当差来调节：

$\left(l_{\mathrm{3,2}}^{\′}\right)=l_{\mathrm{3,2}}+\left(\underset{j=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{0,j}^{\′}\right)$                                 (等式6)

通过示例，这允许下面的组合被表示为最低三元组：

●1、2、-3(输出分布：表4)

●2、4、-6

●2、8、-10

●3、5、-8

●3、6、-9

●5、6、-11(表5)

●5、10、-15

●6、10、-16

●6、12、-18

●8、9、-17

在最后一个例子中，具有值a_x的电极已经大于下面三元组中的最小电极，以至于任何关于对长度比率的减少的对更低三元组的进一步的延长都不会产生更多的好处。

在表5中作为开始值的“5”如上所述是这样选择的：由于最长电极对最短电极的长度比率已经被足够地缩短。而且，这种组合能够容易地通过持续增加原始长度值a₀和b₀的长度(来自表4)来产生。

可以看出，大体上，第一描述实施例的基本三元组结构应用于本发明的第二基本实施例，并且从第二电极三元组，长度比率被转换到二进制形式。

由基本步宽(例如|1|)线性覆盖的区域的尺寸扩展到从-1192到+1194。再一次，精度为(大约)11位。

如果二进制处理是为了被提供在根据本发明的相位调制器的驱动电子设备中(drive electronics)，如一般情况，则借助于将计算的数字值转换为非-二进制值的矫正表来使用根据本发明的非-二进制相位调制器。该校正表可以被设计为可在存储器中编程，并且除了能够把二进制值转换为非-二进制值外，还能够校正在相位调制器中由于制造或由于操作造成的故障和错误。图3示出了基本的电路设计：对应于特定相位值的二进制值被从控制设备(控制器)30提供给转换或校正表31，所述转换表或校正表控制下游切换开关32，经由该下游切换开关32，相位调制器33中的各个电极E0到E11被对应于所述非-二进制值的信号组合驱动。

图4所示的转化和校正电路的改进的实施例变型允许外部信号作为再调整校正被提供给校正表，例如温度信号或考虑到由于老化而发生的变化的信号。

图5所示的转换和校正电路的说明示例有两个或更多，例如4个校正表KT1到KT4，它们可以被集成到一个ASIC中，并同样可以使其在任何情况下作为外部信号的函数使用优化的校正表。

本发明使得能够制造具有显著增加的精度的数字相位调制器，而不需要对例如对应于1∶2¹¹的值的长度比率进行要求。这带来了显著的技术优势。

图2示出了关于具有封闭控制回路的光纤陀螺仪的MIOC的发明的一个特定示例实施例。在分光器22(Y分光器)之后，两个平行光导路径L1、L2在MIOC20的基片中分别作为偏振光波的前向路径和后向路径，其穿过FOG的测量线圈(coil)，并且以在前向路径和后向路径上具有相同相位和相反的算术符号，在具有平行双重配置的数字相位调制器上作用。根据本发明，所述具有平行双重版本形式的相位调制器被分成四组电极三元组，它们被标注为如图1所示的参考标号1到4。电极的驱动连接沿着图2中MIOC基片的低沿被提供，并且以和图1相对应的方式被标注为E₀到E₁₁。这个在MIOC芯片上的相位调制器布置的总体长度是例如大约10mm(毫米)。

Claims (19)

1.一种用于光纤信号发送或测量设备的数字相位调制器，其具有预定总数的不同长度的电极，这些电极被平行排列在光学基片之中或之上的光导路径的两边，在这种情况下相同的控制电压能够被施加到在光导路径的两边的电极上，这样通过在预定值范围之内改变电极组合的驱动选择来设置正在所述光导路径上通过的光波的大量相位值，其特征在于：

电极(E0到E11)被沿着光导路径(L)被排列成两组或更多三元组，在任何情况下，在三元组中连续长度的两个电极具有彼此之间相对相同的长度比率v。

2.如权利要求1所述的相位调制器，其特征在于：在各个三元组(A、B、C)中最长的电极(C)被排列在基片之上或之中的光导路径的一侧，而其它两个较短的电极(A、B)被排列在基片之上或之中的光导路径的另一侧。

3.如权利要求1所述的相位调制器，其特征在于所述长度比率为：

$v=\frac{1}{2}+\sqrt{\frac{5}{4}}\≈1.618.$

4.一种用于光纤信号发送或测量设备的数字相位调制器，其具有预定总数的不同长度的电极，这些电极被平行排列在光学基片之中或之上的光导路径的两边，在这种情况下相同的控制电压能够被施加到在光导路径的两边的电极上，这样通过在预定值范围之内改变电极组合的驱动选择来设置正在所述光导路径上通过的光波的大量相位值，其特征在于：

其中

-电极沿着光导路径(L)被排列成两组或更多三元组，并且

-电极三元组的电极长度比率被如下定义，以致相应最短的电极值的长度l_x，0为：

其中x∈{1，2，3}，

其中，l_i，j表示电极长度，指数“i”表示三元组号{0、1、2、3...}，而指数“j”指示三元组中的相应电极号{0、1、2}，并且

·相应中心电极的长度l_x，1由关系式l_x，1＝2l_x，0来决定，以及

·相应最长电极的长度l_x，2由关系式l_x，2＝l_x，0+l_x，1来决定，并且

-第一最低有效(LSB)三元组的电极长度被这样选择，以致该相位调制器的输出值范围中的光相位的最小步宽能够通过在至少两个更大电极的相关联的相位值之间相减来形成，以及

-为了减小在调制器中最长与最短电极的长度比率，在最低三元组中，其电极被相对延长，以致两个较短电极(E₀、E₁)的值的相加组合导致在该最低三元组中的最长电极(E2)的长度值。

5.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在各个三元组(A、B、C)中最长的电极(C)被排列在光导路径(L)的一侧，而其它两个较短的电极(A、B)被排列在光导路径(L)的另一侧，并且其中两个较短的电极(A、B)的长度总和等于最长电极(C)的长度。

6.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|5|和b₀＝|6|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|11|。

7.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|2|和b₀＝|4|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|6|。

8.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|2|和b₀＝|8|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|10|。

9.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|3|和b₀＝|5|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|8|。

10.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|3|和b₀＝|6|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|9|。

11.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|5|和b₀＝|10|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|15|。

12.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|6|和b₀＝|10|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|16|。

13.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|6|和b₀＝|12|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|18|。

14.如权利要求4所述的相位调制器，其特征在于：在最低三元组中的两个较短电极(E₀、E₁)分别具有长度值a₀＝|8|和b₀＝|9|，而在这个三元组中的最长电极(E₂)具有长度值C₀＝|17|。

15.如权利要求4至14之一所述的相位调制器，其特征在于：具有一个和相位调制器相关联的电子校正表，用于将二进制相位值转换为用于电极的非二进制驱动值。

16.如权利要求15所述的相位调制器，其特征在于：所述校正表被设计为可在存储器中编程。

17.如权利要求15所述的相位调制器，其特征在于：除了二进制/非二进制转换，所述校正表还包含用于校正在相位调制器中由于制造和/或由于操作造成的故障和错误。

18.如权利要求9所述的相位调制器，其特征在于：提供至少两个不同编程的校正表(KT1到KT4)作为外部参数的函数，在该两个校正表之间可以通过一个控制设备(30)来进行切换。

19.如权利要求18所述的相位调制器，其特征在于：所述外部参数为温度。

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