一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法技术方案

一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法，利用多个光程调节器件及相应的多层控制机制，将不同器件的量程和分辨率进行有效地衔接，从而实现高速、高分辨率、大动态范围的延时补偿机制，有效缓解了单个器件的带宽、分辨率和动态范围之间的矛盾，充分利用了不同器件之间精度和动态范围的覆盖与工作带宽的衔接关系，在保证宽带宽与高分辨率的同时，极大地扩展了延时补偿的范围，获得了单个器件无法实现的延时补偿效果，并且有效提升了系统的兼容性。

A Broadband High Resolution Large Dynamic Range Delay Compensation System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统及方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术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，本专利技术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为专利技术提供的线形链路装置结构示意图；图2为专利技术提供的环形链路装置结构示意图；图3为专利技术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为专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，其特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种宽带高分辨率大动态范围延时补偿系统，其特征在于：所述二分之一波片、电光相位调制器、偏振分...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦鹏，王思佳，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11