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CN111835432A - 用于光机械装置的噪声抑制 - Google Patents

用于光机械装置的噪声抑制 Download PDF

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CN111835432A CN202010106116.9A CN202010106116A CN111835432A CN 111835432 A CN111835432 A CN 111835432A CN 202010106116 A CN202010106116 A CN 202010106116A CN 111835432 A CN111835432 A CN 111835432A
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Abstract

本发明题为“用于光机械装置的噪声抑制”。本发明公开了一种光机械装置，该光机械装置包括电路，该电路被构造成使用调谐信号生成光信号，并且在对应于检测质量块组件的光学共振的半极大处全宽度(FWHM)的四分之一的频率下调制光信号以生成部分调制的光信号。电路被进一步构造成对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号；调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件的机械共振；并且使用调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。

Description

用于光机械装置的噪声抑制
技术领域
本公开涉及光机械装置，诸如被构造成使用调制光信号来测量加速度的加速度计。
背景技术
光机械装置包括用于检测加速度、速度、振动和其他参数的装置。例如，在光机械加速度计中，机械结构的共振频率在光机械装置中的加速度下偏移。可通过将近共振光施加到结构的光学共振并测量透射的或反射的光信号来用光学场读出机械共振频率。
发明内容
一般来讲，本公开涉及用于光机械装置的噪声抑制的装置、系统和技术。如本文所用，噪声抑制可以指减轻振幅或频率的波动(例如，小波动)的影响，该振幅或频率的波动使机械共振频率偏移(例如，经由光弹簧效应)。振幅或频率的此类波动可限制最终本底噪声并因此限制光机械装置的性能。具体地讲，光机械装置的电路可被构造成将光信号调制成对应于光学共振加上光学共振的半极大处全宽度(FWHM)的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。在该示例中，电路可使用调制光信号中的第一光学频率分量的直流(DC)强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成用于驱动发光模块的调谐信号。这样，电路可在频谱上分离每个光学频率分量的响应以减轻振幅和频率的波动的影响，这可减轻振幅或频率的波动的影响。
在一个示例中，用于跟踪检测质量块组件的机械共振的光机械装置包括检测质量块组件和电路。电路被构造成使用调谐信号生成光信号，该光信号包括对应于检测质量块组件的光学共振的中心载波；在对应于检测质量块组件的光学共振的FWHM的四分之一的频率下调制光信号以生成包括中心载波的部分调制的光信号，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量；对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号；调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件的机械共振；并且使用调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。
在另一个示例中，用于跟踪检测质量块组件的机械共振的方法包括通过电路使用调谐信号生成光信号，该光信号包括对应于检测质量块组件的光学共振的中心载波；通过电路在对应于检测质量块组件的光学共振的FWHM的四分之一的频率下调制光信号以生成包括中心载波的部分调制的光信号，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量；通过电路对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号；通过电路调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件的机械共振；并且通过电路使用调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。
在另一个示例中，用于跟踪检测质量块组件的机械共振的光机械系统，该光机械系统包括电路，该电路被构造成使用调谐信号生成光信号，该光信号包括对应于检测质量块组件的光学共振的中心载波；在对应于检测质量块组件的光学共振的FWHM的四分之一的频率下调制光信号以生成包括中心载波的部分调制的光信号，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量；对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号；调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件的机械共振；并且使用调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。
本发明内容旨在提供本公开中描述的主题的概述。不旨在提供以下附图和说明书中详细描述的系统、装置和方法的排他性或详尽的说明。本公开的一个或多个示例的另外的细节在以下附图和说明书中阐述。其他特征、目的和优点将从描述和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的电光机械系统的框图。
图2是更详细地示出根据本公开的一种或多种技术的图1的电路的框图。
图3示出了根据本公开的一种或多种技术的包括通过第一双端音叉(DETF)结构、第二DETF结构和一组拴系件来悬置在框架内的检测质量块的图1的检测质量块组件的概念图。
图4示出了根据本公开的一种或多种技术的图1的电光机械系统的概念图。
图5示出了根据本公开的一种或多种技术的图1的电光机械系统的附加方面。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的用于光机械装置的噪声抑制的示例性技术的概念图。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性光信号的概念图。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性部分调制的光信号的概念图。
图9是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性经滤波的光信号的概念图。
图10是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性调制光信号的概念图。
图11是示出根据本公开的一种或多种技术的作为光信号的波长的函数的反射中共振的示例性光学响应的概念图。
图12是示出根据本公开的一种或多种技术的第一光学频率分量和第二光学频率分量的示例性光学响应的概念图。
图13是示出根据本公开的一种或多种技术的用于跟踪检测质量块组件的机械共振的示例性过程的流程图。
类似的参考字符在整个说明书和附图中表示类似的元件。
具体实施方式
本公开描述用于噪声抑制以减轻振幅和/或频率的波动的影响的装置、系统和技术。例如，在光机械加速度计中，机械结构的共振频率可在光机械装置中的加速度下偏移。可通过将近共振光施加到结构的光学共振并测量透射的或反射的光来用光学场读出机械共振频率。然而，光学光场的施加也可以以与加速度无关的方式使机械共振频率偏移(经由光弹簧效应)。经由该机制，所施加的光场的振幅或频率的小波动可将机械频率噪声写入到装置上，该机械频率噪声继而可被读出为光机械装置上的加速度噪声。
振幅噪声可来自若干来源，包括激光功率波动、光学耦合可变性和光接收器(例如，光电二极管)校准/老化效应。频率波动可经由光机械装置的光学共振的激光频率波动或偏移而产生。本公开描述了电路，该电路被构造成减小激光振幅噪声的影响，同时提供对光学共振进行频率稳定的过程。例如，通过生成包括具有相等强度但相对于光学共振具有相等但相反的失谐的第一光学频率分量和第二光学频率分量的光信号，几乎可以消除光学场的振幅依赖性。通过在频谱上分离每个光学频率的响应，可以以极大地增强光机械装置的性能的方式将光信号稳定到光学共振。尽管相对于加速度讨论了前述示例，但光机械装置可被构造成确定速度、振动或另一个参数。
例如，光机械装置可包括电光机械系统，该电光机械系统被构造成精确测量非常高的加速度值(例如，最高至500,000米每二次方秒(m/s2))。电光机械系统可使用电信号、光信号和机械信号的组合来确定物体的加速度。
光机械装置可被构造成实时地或近似实时地测量物体的加速度、速度、振动等，使得处理电路可分析物体在一个时间段内的加速度、速度、振动等，以确定该物体在该时间段期间的位置位移。例如，光机械装置可以是惯性导航系统(INS)的一部分，该惯性导航系统用于至少部分地基于物体的加速度来跟踪该物体的位置。另外，光机械装置可位于物体上或物体内，使得光机械装置与物体一起加速、移动、振动等。因此，当物体加速、移动、振动等时，光机械装置(包括检测质量块)与物体一起加速、移动、振动等。在一些示例中，由于随时间推移的加速度为随时间推移的速度的导数，并且随时间推移的速度为随时间推移的位置的导数，因此在一些情况下，处理电路可被构造成通过在一个时间段内执行物体的加速度的二重积分来确定物体的位置位移。使用定位在物体上的加速度计系统而不使用与物体分离的导航系统(例如，全球定位系统(GPS))来确定物体的位置可被称为“航位推测”。
光机械装置可被构造成实现高水平的灵敏度，以便提高加速度、速度、振动等值的准确性。高灵敏度可使得光机械装置能够检测到非常小的加速度、速度、振动等值，检测到加速度、速度、振动等值的非常小的变化，检测到大范围的加速度、速度、振动等值，或它们的任何组合。另外，在物体正经历高水平的加速度、速度、振动等的同时，光机械装置可被构造成准确地确定物体的加速度、速度、振动等。这样，光机械装置可被构造成使INS能够在物体的加速度、速度、振动等的量值非常高时准确地跟踪物体的位置。
在一些示例中，光机械装置可包括具有发光模块、电路和检测质量块组件的微机电系统(MEMS)加速度计，该检测质量块组件包括通过双端音叉(DETF)结构悬置在框架内的检测质量块。在一些示例中，光机械装置可包括单端音叉或另一种结构。
在一些示例中，DETF结构可被构造成承载光信号。另外，光信号可在该DETF结构中引起机械振动。在一些情况下，加速度导致检测质量块相对于框架发生位移，该位移影响对应于DETF结构的机械振动频率(机械共振频率)。这样，在加速度和DETF结构的机械振动频率之间可存在数学关系。因此，可利用该数学关系来确定加速度。在一些示例中，加速度计装置使用光信号和电信号的组合来测量对应于DETF结构的机械振动频率，并且基于该机械振动频率来计算加速度。
尽管相对于示例性加速度计描述了光机械装置的示例，但是本文所述的用于噪声抑制的技术可应用于被构造成测量各种参数(包括但不限于加速度、速度、振动和其他参数)的光机械装置。此外，尽管相对于包括DETF结构的示例性检测质量块组件描述了光机械装置的示例，但也可使用其他结构，例如但不限于单端音叉结构或另一种结构。
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的电光机械系统10的框图。图1仅为可利用本公开的技术进行噪声抑制的一个非限制性示例性系统架构。如图1所示，系统10包括发光模块12A、12B(统称为“发光模块12”)、电路14和检测质量块组件16。另外，在图1所示的示例中，电路14包括电光调制器(EOM)22A、22B(统称为“EOM 22”)，光接收器24A、24B(统称为“光接收器24”)，反馈单元26A、26B(统称为“反馈单元26”)，频率计数器28A、28B(统称为“频率计数器28”)和处理电路30。虽然图1的示例包括两个EOM、两个光接收器和两个频率计数器，但在一些示例中，电光机械系统可仅包括一个EOM、一个光接收器和一个频率计数器或多于两个EOM、两个光接收器和两个频率计数器。
在图1的示例中，发光模块12A、检测质量块组件16、EOM 22A、光接收器24A、反馈单元26A和频率计数器28A形成第一正反馈回路。另外，在图1的示例中，发光模块12B、检测质量块组件16、EOM 22B、光接收器24B、反馈单元26B和频率计数器28B形成第二正反馈回路。在一些示例中，可省略第二正反馈回路。
系统10可被构造成基于检测质量块组件的音叉结构的所测量的振动频率来确定与物体(在图1中未示出)相关联的加速度。例如，系统10可被构造成基于一组双端音叉(DETF)结构的测量的振动频率来确定与物体(在图1中未示出)相关联的加速度，该组DETF结构悬置检测质量块组件16的检测质量块，其中该DETF结构的振动由通过发光模块12发射的光信号引起。在一些示例中，第一正反馈回路生成表示第一DETF结构的振动频率的第一频率值，并且第二正反馈回路生成表示第二DETF结构的振动频率的第二频率值。基于第一振动频率和第二振动频率，系统10可分别确定第一加速度值和第二加速度值。在一些示例中，系统10基于第一加速度值和第二加速度值来确定物体的加速度。在一些示例中，系统10仅基于第一加速度值来确定物体的加速度(例如，省略第二正反馈回路)。在一些示例中，系统10仅基于第二加速度值来确定物体的加速度(例如，省略第一正反馈回路)。
发光模块12可各自包括激光装置(本文中也简称为“激光器”)，其被构造成发射形成光信号的光子。在一些示例中，发光模块12以介于0.1微瓦(μW)和100μW之间的范围内的光学功率来发射光子。在一些示例中，发光模块12各自包括具有激光二极管的半导体激光器。
在一些示例中，电路14可包括用于处理并分析由光接收器24接收的电信号的一组电子部件。下面进一步详细描述电路14的部件。
EOM 22可表示被构造成基于由电路14产生并处理的电信号来调制由发光模块12发射的光信号的光学装置。例如，EOM 22A可包括一组晶体(例如，铌酸锂晶体)，其中该组晶体的折射率随着邻近该组晶体的电场而变化。晶体的折射率可确定EOM 22A调制光信号的方式。例如，EOM 22A的晶体可接收来自发光模块12的光信号，同时EOM 22A也正接收来自电路14的反馈单元26A的电信号。因此，电信号可影响邻近EOM 22A的晶体的电场，从而使得EOM 22A调制光信号。在一些示例中，EOM 22A通过使用电信号调制晶体的折射率来调制光信号。在一些情况下，EOM 22A可将调制光信号发送到检测质量块组件16。在一些示例中，EOM 22B基本上类似于EOM 22A，其中EOM 22B由来自反馈单元26B的电信号控制。
光接收器24可各自包括被构造成吸收光信号的光子并响应于吸收光子而输出电信号的一个或多个晶体管。这样，光接收器24可被构造成将光信号转换为电信号。例如，光接收器24A可包括p-n结，该p-n结将光信号的光子转换为电信号，其中电信号保留光信号的至少一些参数。响应于光接收器24A接收光信号，与光信号相关联的一个或多个频率值和强度值可以反映在由光接收器24A产生的电信号中。例如，响应于接收较强(例如，较大功率)的光信号，光接收器24A可产生较强的电信号(例如，较大电流量值)。另外，在一些情况下，光接收器24A可产生电信号以反映对应于所接收的光信号的一个或多个频率值。换句话讲，处理电路(例如，处理电路30)可分析电信号以确定对应于光信号的一个或多个频率值。光接收器24A可包括半导体材料，诸如砷化铟镓、硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、锗或硫化铅的任何组合。在一些示例中，光接收器24B基本上类似于光接收器24A。
反馈单元26可各自包括用于处理电信号的一组电路部件。在一些示例中，包括在反馈单元26A中的该组电路部件可包括带通滤波器、移相器、电子放大器和电压限制器的任何组合。此类部件可处理或滤波电信号，使得可更有效地测量电信号的某些方面(例如，频率值或强度值)。在图1的示例中，反馈单元26A可从光接收器24A接收电信号并将经处理的电信号输出到EOM 22A、频率计数器28A和发光模块12A。这样，反馈单元26A通过处理电信号来充当第一正反馈回路的一部分，EOM 22A使用该电信号来调制由发光模块12A发射的光信号，其中调制光信号在返回电路14由反馈单元26A处理之前穿过检测质量块组件16。第一正回路可被构造成提供用于将发光模块12A驱动至中心频率的调谐信号，这可有助于抑制噪声，该噪声引起由发光模块12A输出的光信号的频率和/或振幅的波动。
反馈单元26B可基本上类似于反馈单元26A，因为反馈单元26B从光接收器24B接收电信号，并且将经处理的电信号递送到频率计数器28B、EOM 22B和发光模块12B。因此，反馈单元26B以类似于反馈单元26A在第一反馈回路内操作的方式在第二反馈回路内操作。同样，可省略反馈单元26B。
频率计数器28为各自被构造成用于测量电信号的频率的电路部件。例如，频率计数器28A可确定对应于由反馈单元26A产生的经处理的电信号的一个或多个频率值。频率计数器28A可实时地或近似实时地测量对应于该经处理的电信号的频率值，使得频率计数器28A跟踪随着时间变化的频率值。频率计数器28B可基本上类似于频率计数器28A，不同的是频率计数器28B从反馈单元26B而不是从反馈单元26A接收电信号。
处理电路30和电路14通常可包括被构造成实现用于在系统10内执行的功能和/或处理指令的一个或多个处理器。例如，处理电路30能够处理存储在存储装置(在图1中未示出)中的指令。处理电路30可包括例如微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者等效的离散或集成逻辑电路或者前述任何装置或电路的组合。因此，处理电路30可包括任何合适的结构，无论是在硬件、软件、固件，或它们的任何组合中，以执行本文赋予处理电路30的功能。处理电路30和电路14可包括仅模拟电路、仅数字电路、或模拟电路和数字电路的组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以指单独地或与其他逻辑电路组合的前述模拟电路和/或数字电路中的任一个，或任何其他等效电路。
检测质量块组件16可包括检测质量块、框架、一组拴系件和一组DETF结构。在一些示例中，检测质量块通过该组拴系件和该组DETF结构悬置在框架内。例如，检测质量块组件16可包括一组DETF结构，该组DETF结构可相对于框架以第一方向悬置检测质量块。另外，该组拴系件可相对于框架以第二方向和第三方向悬置检测质量块。第一方向、第二方向和第三方向可表示笛卡尔空间的三个轴线(例如，x轴线、y轴线和z轴线)。在一些情况下，该组DETF结构使得检测质量块能够以第一方向位移。另外，在一些情况下，该组拴系件防止检测质量块以第二方向和第三方向位移。这样，质量块组件16可仅允许检测质量块沿单个轴线(例如，位移轴线)位移。由于检测质量块的位移可确定由电路14测量的加速度，因此系统10可被构造成确定相对于位移轴线的加速度。
在一些示例中，第一正反馈回路(例如，发光模块12A、检测质量块组件16、EOM22A、光接收器24A、反馈单元26A和频率计数器28A)和第二正反馈回路(例如，发光模块12B、检测质量块组件16、EOM 22B、光接收器24B、反馈单元26B和频率计数器28B)被构造成独立地确定表示包括系统10的物体的加速度的加速度值。例如，发光模块12可发射光信号，EOM22A可调制光信号以获得第一调制光信号，并且EOM 22A可将第一调制光信号发送到检测质量块组件16。光接收器24A可从检测质量块组件16接收第一调制光信号，其中由光接收器24A接收的第一调制光信号的属性可能受到检测质量块组件16的第一DETF结构的机械振动的影响。光接收器24A将第一调制光信号转换为第一电信号，并且将该第一电信号发送到反馈单元26A。
反馈单元26A可处理第一电信号以获得第一经处理的电信号。例如，反馈单元26A可使用第一带通滤波器、第一移相器、第一电子放大器和第一电压限制器的任何组合来处理第一电信号。频率计数器28A可接收第一经处理的电信号并确定对应于该第一经处理的电信号的第一频率值。在一些情况下，第一频率值表示检测质量块组件16的第一DETF结构的机械振动频率，该第一DETF结构承载最终由光接收器24A接收的第一调制光信号。
除了将第一经处理的电信号发送到频率计数器28A之外，反馈单元26A还可将该第一经处理的电信号发送到EOM 22A。继而，EOM 22A可基于第一经处理的电信号来调制由发光模块12发射的光信号，其中第一调制光信号经由检测质量块组件16的第一DETF结构发送到光接收器24A，从而完成第一正反馈回路。因此，第一DETF结构的未来机械振动频率至少部分地取决于该第一DETF结构的当前机械振动频率。
另外，在一些示例中，第二正反馈回路可确定第二频率值。例如，发光模块12可发射光信号，EOM 22B可调制光信号以获得第二调制光信号，并且EOM 22B可将第二调制光信号发送到检测质量块组件16。光接收器24B可从检测质量块组件16接收第二调制光信号，其中由光接收器24B接收的第二调制光信号的属性可能受到检测质量块组件16的第二DETF结构的机械振动的影响。光接收器24B将第二调制光信号转换为第二电信号，并且将该第二电信号发送到反馈单元26B。
在一些示例中，反馈单元26B处理第二电信号以获得第二经处理的电信号。例如，反馈单元26B可使用第二带通滤波器、第二移相器、第二电子放大器和第二电压限制器的任何组合来处理第二电信号。频率计数器28B可接收第二经处理的电信号并确定对应于该第二经处理的电信号的第二频率值。在一些情况下，第二频率值表示检测质量块组件16的第二DETF结构的机械振动频率，该第二DETF结构承载最终由光接收器24B接收的第二调制光信号。
除了将第二经处理的电信号发送到频率计数器28B之外，反馈单元26B还可将该第二经处理的电信号发送到EOM 22B。继而，EOM 22B可基于第二经处理的电信号来调制由发光模块12发射的光信号，其中第二调制光信号经由检测质量块组件16的第二DETF结构发送到光接收器24B，从而完成第二正反馈回路。因此，第二DETF结构的未来机械振动频率至少部分地取决于该第二DETF结构的当前机械振动频率。
处理电路30可被构造成基于第一频率值来计算第一加速度值。在一些示例中，为了计算第一加速度值，处理电路30可从第一频率值中减去基线频率值以获得第一频率差值。该基线频率值可表示当检测质量块未沿检测质量块位移轴线从静止点位移时检测质量块组件16的第一DETF结构的共振机械频率。换句话讲，当检测质量块未沿检测质量块位移轴线从静止点位移时，由EOM 22A发射的调制光信号可引起第一DETF结构以该基线频率值振动。因此，当物体未在加速时，第一频率差值可等于零，因为表示第一DETF结构的机械频率的第一加速度值等于当检测质量块未位移(例如，承载系统10的物体未在加速)时的基线频率值。在一些示例中，第一频率差值可与物体的加速度相关。换句话讲，第一频率差值量值的增大可指示物体加速度的增大，并且第一频率差值量值的减小可指示物体加速度的减小。
另外，处理电路30可被构造成基于第二频率值来计算第二加速度值。在一些示例中，为了计算第二加速度值，处理电路30可从第二频率值中减去基线频率值以获得第二频率差值。在一些示例中，第二频率差值可与物体的加速度相关。换句话讲，第二频率差值量值的增大可指示物体加速度的增大，并且第二频率差值量值的减小可指示物体加速度的减小。在一些情况下，由处理电路30计算的第一加速度值和第二加速度值可近似相等。
图2是更详细地示出根据本公开的一种或多种技术的图1的电路14的框图。如图1所示，电路14包括EOM 22、光接收器24、反馈单元26、频率计数器28和处理电路30。反馈单元26可各自包括带通滤波器40A、40B(统称为“带通滤波器40”)，移相器42A、42B(统称为“移相器42”)，电子放大器44A、44B(统称为“电子放大器44”)，噪声抑制模块45A、45B(统称为“噪声抑制模块45”)和驱动器47A、47B(统称为“驱动器47”)。第一反馈回路包括带通滤波器40A、移相器42A、电子放大器44A、噪声抑制模块45A和驱动器47A。第二反馈回路包括带通滤波器40B、移相器42B、电子放大器44B、噪声抑制模块45B和驱动器47B。
电路14可被构造成：从检测质量块组件16接收调制光信号；将该光信号转换为电信号；处理该电信号；分析经处理的电信号以确定加速度值；并且使用经处理的电信号来调制光信号并抑制噪声，从而完成第一反馈回路和第二反馈回路。例如，光接收器24A可从检测质量块组件16的第一DETF结构接收第一调制光信号。第一调制光信号可包括与第一DETF结构本身相关的频率分量，诸如第一DETF结构的振动频率。光接收器24A可将第一调制光信号转换为第一组电信号，从而为噪声抑制模块45A和驱动器47A保持指示第一DETF结构的振动频率的频率分量。光接收器24A可将第一组电信号发送到反馈单元26A，该反馈单元包括带通滤波器40A、移相器42A、电子放大器44A、噪声抑制模块45A和驱动器47A。
带通滤波器40A可以为使频率范围之外的频率衰减并且使频率范围内的频率“通过”的电子滤波器。在一些示例中，带通滤波器40A包括无源滤波器、有源滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器、有限脉冲响应(FIR)滤波器、巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器、高斯滤波器、勒让德滤波器或林克威治-瑞利滤波器的任何组合。在一些示例中，带通滤波器40A包括通过高于高通截止点的频率的高通滤波器和通过低于低通截止点的频率的低通滤波器的组合。在一些情况下，带通滤波器40A通过介于100千赫兹(kHz)和10,000kHz之间的范围内的频率。
移相器42A可被构造成偏移第一电信号和第二电信号的相位。相位可被表征为周期波形的波形周期上的瞬时位置。例如，第一电信号可包括表示第一电信号的频率分量的周期波形。正弦波的最大峰例如可处于与正弦波的最小峰或零交叉不同的相位。在一些示例中，移相器42A可将第一电信号“延迟”一定时间值，以便偏移其中第一电信号的频率分量振荡的时间轴，并且将第二电信号延迟一定时间值，以便偏移其中第二电信号的频率分量振荡的时间轴。
电子放大器44A可放大第一电信号和/或第二电信号，使得第一电信号的振幅被增益因数增大。换句话讲，电子放大器44A可增大第一电信号和第二电信号的功率。通过使用电子放大器44A来放大第一电信号和第二电信号，电路14可改善处理电路30分析第一电信号和第二电信号并使用EOM 22A来调制由发光模块12发射的光信号的能力。
在一些情况下，电子放大器44A可包括功率放大器、运算放大器或晶体管放大器或它们的任何组合。另外，在一些示例中，电子放大器44A被构造成将第一电信号和第二电信号的电压限制为最大电压值。换句话讲，电子放大器44A可防止第一电信号和第二电信号超过最大电压值，这意味着由反馈单元26A产生的第一经处理的电信号和第二经处理的电信号可不超过最大电压值。
在一些示例中，第一组电信号可以以从带通滤波器40A到移相器42A、到电子放大器44A、并且到噪声抑制模块45A和驱动器47A的次序穿过反馈单元26A，如图1所示。然而，图1所示的次序不是限制性的。带通滤波器40A、移相器42A和电子放大器44A可被布置为以任何次序处理第一电信号和第二电信号。
噪声抑制模块45A可被构造成减轻振幅和/或频率的波动的影响。例如，噪声抑制模块45A可被构造成使用第一调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与第一调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号，该第一光学频率分量对应于检测质量块组件16的光学共振加上光学共振的半极大处全宽度(FWHM)的四分之一，该第二光学频率分量对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一。因为两个光学频率是以固有对称的方式产生的，所以噪声抑制模块45A可被构造成在第一光学频率分量和第二光学频率分量的每个光学频率下保持相等强度，使得发光模块12A输出被驱动至检测质量块组件16的光学共振的光信号，同时抑制由例如光接收器老化产生的频率和/或振幅波动。
驱动器47A可被构造成使EOM 22A将光信号驱动至检测质量块组件16的机械共振。例如，驱动器47A可被构造成生成机械共振反馈信号，该机械共振反馈信号使EOM 22A在检测质量块组件16的机械共振附近或其处操作。例如，驱动器47A可使用设置为检测质量块组件16的机械共振的信号发生器来生成机械共振反馈信号。
驱动器47A可将机械共振反馈信号发送到频率计数器28A。频率计数器28A可确定第一频率值，并且处理电路30可基于该第一频率值确定第一加速度值。另外，驱动器47A可将机械共振反馈信号发送到EOM 22A，并且EOM 22A可基于机械共振反馈信号来调制由发光模块12A发射的光信号。这样，检测质量块组件16、光接收器24A、带通滤波器40A、移相器42A、电子放大器44A、噪声抑制模块45A、驱动器47A、EOM 22A和频率计数器28A为第一正反馈回路的一部分，该第一正反馈回路产生与包括系统10的物体相关联的第一加速度值。
反馈单元26B的部件(例如，带通滤波器40B、移相器42BN、电子放大器44B、噪声抑制模块45B和驱动器47B)可基本上类似于反馈单元26A的相应部件。因此，第二正反馈回路可基本上类似于第一正反馈回路。
图3示出了根据本公开的一种或多种技术的包括通过第一DETF结构54、第二DETF结构58和一组拴系件62A–62R悬置在框架52内的检测质量块50的检测质量块组件16的概念图。如图3所示，检测质量块组件16包括检测质量块50，框架52，包括第一对机械梁56A、56B(统称为“第一对机械梁56”)的第一DETF结构54，包括第二对机械梁60A、60B(统称为“第二对机械梁60”)的第二DETF结构58、拴系件62A至62R(统称为“拴系件62”)，第一远侧尖齿64和第二远侧尖齿68。检测质量块组件16相对于检测质量块位移轴线72和检测质量块静止平面74对准，如图3所示。
检测质量块组件16为电光机械系统10的机械部件。由于系统10测量加速度，该加速度为物体的速度随时间推移而变化的速率，因此包括检测质量块组件16可能是有益的，使得可基于物理物体诸如检测质量块50来测量加速度。例如，包括检测质量块组件16的系统10可被固定到或包括在物体内。因此，当物体以一个加速度值加速时，检测质量块组件16也可以该加速度值加速。加速度可影响检测质量块50在框架52内相对于检测质量块位移轴线72和检测质量块静止平面74的位置。例如，非零加速度可导致检测质量块50沿检测质量块位移轴线72从检测质量块静止平面74位移。如本文所述，如果检测质量块50“位移”，则检测质量块50的质量块中心相对于框架52位移。增大加速度量值可导致检测质量块50沿检测质量块位移轴线72的位移增大。另外，减小加速度量值可导致检测质量块50沿检测质量块位移轴线72的位移减小。
在一些示例中，检测质量块50采取图案化薄膜的形式，其中该薄膜具有介于100纳克(ng)和10,000ng之间的范围内的质量。另外，在一些情况下，薄膜具有介于1nm和5,000nm之间的范围内的厚度。检测质量块50可通过第一DETF结构54和第二DETF结构58(统称为“DETF结构54、58”)沿检测质量块位移轴线72悬置在框架52内。第一DETF结构54和第二DETF结构58可各自具有高水平的刚度。例如，第一DETF结构54和第二DETF结构58中的每一者的比例因子可介于百万分之0.1每克(ppm/g)和10ppm/g之间的范围内。这样，检测质量块组件16可包括由非常刚性的DTEF结构54、58固定的非常轻的检测质量块50。因此，非常高的加速度(例如100,000m/s2)可导致检测质量块50沿检测质量块位移轴线72位移例如非常小的位移值。在一些示例中，检测质量块50沿检测质量块位移轴线72位移最高至100nm的位移值。
为了生成指示系统10所固定到的物体的加速度的加速度值，系统10可使用光信号来量化检测质量块50在框架52内的位移。为了量化检测质量块50的位移，系统10可测量并分析DETF结构54、58的机械属性，诸如对应于DETF结构54、58的机械振动频率值。实际上，由于DETF结构54、58悬置检测质量块50，所以DETF结构54、58的机械振动频率可由于检测质量块50的位移而受到影响。例如，检测质量块50朝向第一DETF结构54并远离第二DETF结构58的位移可导致检测质量块50向第一DETF结构54施加压缩力并且向第二DETF结构58施加张力。此类压缩力可导致第一DETF结构54的机械振动频率减小，并且此类张力可导致第二DETF结构58的机械振动力增大。在一些示例中，DETF结构54、58的机械振动频率的变化可与检测质量块50相对于框架52以检测质量块位移轴线72的方向的位移成比例。在一些示例中，系统10可通过经由DETF结构54、58发送调制光信号来测量DETF结构54、58的机械振动频率的变化。
第一DETF结构54可包括例如由间隙隔开的第一对机械梁56。该第一对机械梁56可包括光子晶体机械梁，该光子晶体机械梁被构造成用于在第一DETF结构54以第一机械振动频率振荡时承载第一调制光信号。在一些情况下，第一调制光信号由发光模块12(在图1中示出)发射，并且该第一调制光信号本身在第一DETF结构54中引起振动。另外，第一DETF结构54的振动可影响第一调制光信号的某些属性，使得第一DETF结构54的机械振动频率被反射在该第一调制光信号中。这样，第一调制光信号可导致第一DETF结构54中的机械振动，并且使得系统10能够基于该第一调制光信号来测量第一DETF结构54的机械振动频率。
另外，第二DETF结构58可包括例如由间隙隔开的第二对机械梁60。该第二对机械梁60可包括光子晶体机械梁，该光子晶体机械梁被构造成用于在第二DETF结构58以第二机械振动频率振荡时承载第二调制光信号。在一些情况下，第二调制光信号由发光模块12(在图1中示出)发射，并且该第二调制光信号本身在第二DETF结构58中引起振动。另外，第二DETF结构58的振动可影响第二调制光信号的某些属性，使得第二DETF结构58的机械振动频率被反射在该第二调制光信号中。这样，第二调制光信号可导致机械振动在第二DETF结构58中发生，并且使得系统10能够基于该第二调制光信号来测量第二DETF结构58的机械振动频率。
检测质量块50可通过拴系件62固定到框架52。在一些示例中，拴系件62可将检测质量块50悬置在检测质量块静止平面74中，使得检测质量块50的质量块中心不在检测质量块静止平面74内相对于框架52移动。检测质量块位移轴线72可表示笛卡尔空间的单个轴线(例如，x轴线)，并且检测质量块静止平面74可表示笛卡尔空间的两个轴线(例如，y轴线和z轴线)。由于拴系件62可限制检测质量块50相对于检测质量块静止平面74位移，所以在一些示例中，检测质量块50可仅沿检测质量块位移轴线72位移。系统10可基于DETF结构54、58的机械振动频率来测量加速度，其中该机械振动频率与检测质量块50沿检测质量块位移轴线72的位移量相关。这样，由系统10确定的加速度可以为相对于检测质量块位移轴线72的加速度。
第一DETF结构54可包括邻近检测质量块50的近侧端部和通过第一间隙66与框架52分离的远侧端部。第一远侧尖齿64可有助于将第一DETF结构54悬置在框架52内，使得第一DETF结构54垂直于检测质量块静止平面74。在一些示例中，第一远侧尖齿64垂直于框架52的两个侧壁之间的检测质量块位移轴线72延伸。光信号可经由第一光纤(在图3中未示出)行进穿过框架52，该光信号跨过第一间隙66耦合到第一DETF结构54。
第二DETF结构58可包括邻近检测质量块50的近侧端部和通过第二间隙70与框架52分离的远侧端部。第二远侧尖齿68可有助于将第一DETF结构58悬置在框架52内，使得第二DETF结构58垂直于检测质量块静止平面74。在一些示例中，第二远侧尖齿68垂直于框架52的两个侧壁之间的检测质量块位移轴线72延伸。光信号可经由第二光纤(在图3中未示出)行进穿过框架52，该光信号跨过第二间隙70耦合到第二DETF结构58。
图4示出了根据本公开的一种或多种技术的系统10的概念图。图4的概念图包括发光模块12、电路14的部件和检测质量块组件16。
在一些示例中，物体可固定到系统10。在一些情况下，该物体可加速。包括检测质量块组件16的系统10可与物体一起加速。当检测质量块组件16加速时，检测质量块50可相对于框架52位移。在图4所示的示例中，如果检测质量块组件16以方向78加速，则检测质量块50以方向78位移。在一些示例中，方向78与检测质量块位移轴线(例如，图3的检测质量块轴线72)对准。当检测质量块50相对于框架52以方向78位移时，检测质量块50向第一DETF结构54施加压缩力，并且检测质量块50向第二DETF结构58施加张力。此类力可影响DETF结构54、58的机械振动频率，其中电光调制器22A和电光调制器22B分别在第一DETF结构54和第二DETF结构58中引起机械振动。例如，施加到第一DETF结构54的压缩力可导致第一DETF结构54的机械振动频率减小，并且施加到第二DETF结构58的张力可导致第二DETF结构58的机械振动频率增大。
发光模块12可向EOM 22发射光信号。例如，发光模块12A可发射第一光信号，该第一光信号包括对应于第一DETF结构54的光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于第一DETF结构54的光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。在一些示例中，发光模块12B可发射第一光信号，该第一光信号包括对应于第二DETF结构58的光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于第二DETF结构58的光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。
继而，EOM 22A和EOM 22B可根据分别由反馈单元26A产生的第一经处理的电信号和由反馈单元26B产生的第二经处理的电信号来调制光信号。因此，EOM 22A可产生第一调制光信号并且EOM 22B可产生第二调制光信号。例如，EOM 22A可将第一调制光信号发送到检测质量块组件16。第一调制光信号可跨过框架52。在一些示例中，框架52包括孔或由允许第一调制光信号通过的第一光纤桥接的另一个开口。另外，第一调制光信号可跨过第一间隙66耦合到第一DETF结构54。第一调制光信号可通过第一DETF结构54传播，从而在第一DETF结构54中引起机械振动。在一些示例中，第一调制光信号沿机械梁56A朝向检测质量块50传播第一DETF结构54的长度，并且随后沿机械梁56B远离检测质量块50传播第一DETF结构54的长度。在一些示例中，第一调制光信号沿机械梁56B朝向检测质量块50传播第一DETF结构54的长度，并且随后沿机械梁56A远离检测质量块50传播第一DETF结构54的长度。在任何情况下，通过传播第一DETF结构54的长度，第一调制光信号可保持指示第一DETF结构54的机械属性(例如，机械振动频率)的信息。在第一调制光信号通过第一DETF结构54传播之后，第一调制光信号可经由第一间隙66和框架52的第一光纤离开检测质量块组件16。
在离开检测质量块组件16之后，第一调制光信号(其可包括振幅和/或频率的波动)可到达光接收器24A。光接收器24A将第一调制光信号转换成用于抑制发光模块12A中的噪声并且用于将EOM 22A驱动至检测质量块组件16的机械共振的一组电信号。频率计数器28A可确定对应于该第一经处理的电信号的第一频率值，其中该第一频率值指示第一DETF结构54的机械振动频率。处理电路30可从第一频率值中减去基线频率值以获得第一频率差值，并且基于该第一频率差值计算第一加速度值。EOM 22A可使用第一经处理的电信号来调制由发光模块12发射的光信号。
反馈单元26A(例如，噪声抑制模块45A)可被构造成驱动发光模块12A以减轻振幅和/或频率的波动的影响。例如，反馈单元26A可被构造成使用第一光学频率分量的DC强度电平与第二光学频率的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。这样，反馈单元26A可有助于驱动发光模块12A以输出被驱动至检测质量块组件16的光学共振的光信号，同时抑制由例如光接收器老化产生的频率和/或振幅波动。
例如，EOM 22B可将第二调制光信号发送到检测质量块组件16。第二调制光信号可跨过框架52。在一些示例中，框架52包括孔或由允许第二调制光信号通过的第二光纤桥接的另一个开口。另外，第二调制光信号可跨过第二间隙70耦合到第二DETF结构58。第二调制光信号可通过第二DETF结构58传播，从而在第二DETF结构58中引起机械振动。在一些示例中，第二调制光信号沿机械梁60A朝向检测质量块50传播第二DETF结构58的长度，并且随后沿机械梁60B远离检测质量块50传播第二DETF结构58的长度。在一些示例中，第二调制光信号沿机械梁60B朝向检测质量块50传播第二DETF结构58的长度，并且随后沿机械梁60A远离检测质量块50传播第二DETF结构58的长度。在任何情况下，通过传播第二DETF结构58的长度，第二调制光信号可保持指示第二DETF结构58的机械属性(例如，机械振动频率)的信息。在第二调制光信号通过第二DETF结构58传播之后，第二调制光信号可经由第二间隙70和框架52的第二光纤离开检测质量块组件16。
在离开检测质量块组件16之后，第二调制光信号(其可包括热噪声)可到达光接收器24B。光接收器24B将第二调制光信号转换成用于抑制发光模块12B中的噪声的一组电信号，以及用于将EOM 22B驱动至检测质量块组件16的机械共振的第二电信号。频率计数器28B可确定对应于该第二经处理的电信号的第二频率值，其中该第二频率值指示第二DETF结构58的机械振动频率。处理电路30可从第二频率值中减去基线频率值以获得第二频率差值，并且基于该第二频率差值计算第二加速度值。EOM 22B可使用第二经处理的电信号来调制由发光模块12发射的光信号。
反馈单元26B(例如，噪声抑制模块45B)可被构造成驱动发光模块12B以减轻振幅和/或频率的波动的影响。例如，反馈单元26A可被构造成使用第一光学频率分量的DC强度电平与第二光学频率的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。这样，反馈单元26B可有助于驱动发光模块12B以输出被驱动至检测质量块组件16的光学共振的光信号，同时抑制由例如光接收器老化产生的频率和/或振幅波动。
图5示出了根据本公开的一种或多种技术的系统10的附加方面。例如，图5示出了包括第一对机械梁56的第一DETF结构54。由发光模块12发射的光信号可在第一对机械梁56之间引起力，并且该力可由弹簧力模拟。图5示出了由激光在DETF结构54的光子晶体机械梁56A、56B之间的间隙中的光学拉链中的光束之间提供的弹簧力(502)，在一个共同方向上一起在光学拉链中的光束中的振动模式的透视图描绘(504)，以及在振荡的相反方向上在光学“拉链”中的光束中的振动模式的透视图描绘(506)。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的用于光机械装置的噪声抑制的示例性技术的概念图。如图所示，电光机械系统610(其可为系统10的示例)可包括发光模块612、EOM 622、光循环器672、检测质量块组件616(本文中也称为“拉链616”)和反馈单元626。
发光模块612可包括激光器611、信号发生器615、EOM 613、隔离器617、光纤布拉格光栅滤波器619和强度稳定器680。激光器611在光机械装置(例如，检测质量块组件616的DETF结构或检测质量块组件616的另一种结构)的光学共振频率下产生光束或光信号。例如，激光器611可被构造成使用由反馈单元626输出的调谐信号来生成包括对应于检测质量块组件616的光学共振的中心载波的光信号。
EOM 613在光学共振的宽度的四分之一的频率(Γ/4，其中Γ是光学共振的FWHM)下调制光信号。例如，EOM 613调制10GHz的范围内的光信号。例如，EOM 613可被构造成在对应于检测质量块组件616的光学共振的FWHM的四分之一的频率下调制光信号以生成包括中心载波的部分调制的光信号，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。
部分调制的光信号经过隔离器617，该隔离器可被构造成防止光信号从光纤布拉格光栅滤波器619发送到EOM 613并且允许光信号从EOM 613发送到光纤布拉格光栅滤波器619。这样，隔离器617可减轻不期望的反馈。
部分调制的光信号经过窄共振陷波滤波器，此处是光纤布拉格光栅滤波器619，其抑制中心载波。例如，光纤布拉格光栅滤波器619可被构造成对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号。虽然图6的示例使用光纤布拉格光栅滤波器，但在其他示例中，可使用其他滤波器来抑制中心载波。因此，光纤布拉格光栅滤波器619以相等的强度输出包括光场中的两个频率的光的部分调制的光信号。例如，光纤布拉格光栅滤波器619输出部分调制的光信号，该部分调制的光信号包括对应于光学共振频率加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振频率减去没有中心载波的光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。
强度稳定器680可被构造成调节经滤波的光信号的强度，将经滤波的光信号的强度调节至预定的光强度值。例如，经滤波的光信号经过可变光衰减器(VOA)671，该可变光衰减器可被构造成衰减光信号的一部分。抽头673可被构造成将从VOA 671输出的光信号的第一部分输出至光接收器675，并且将从VOA 671输出的光信号的第二部分输出至EOM 622。在该示例中，光接收器675可被构造成稳定经滤波的光信号的总体光水平。因为第一光学频率分量和第二光学频率分量的两个光学频率均以固有对称的方式产生，所以强度伺服677可被构造成在第一光学频率分量和第二光学频率分量的每个光学频率下保持相等强度。然而，本文所述的过程对较小强度变化或对光接收器老化具有抵抗性或不受其影响，因为小强度光弹簧偏移可能是常见的并且被另一种音调抵消。
经滤波的光信号经过EOM 622，该EOM被构造成驱动检测质量块组件616的机械共振。例如，EOM 622可被构造成调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件616的机械共振。EOM 622可在闭环操作(如图所示)中或在开环“扫描”操作中被驱动，并且EOM 622可在每个音调上提供调制。
光循环器672可被构造成将调制光信号输出至检测质量块组件16并且接收从检测质量块组件16反射的调制光信号。例如，调制光信号传递到光循环器672的端口“1”中并且从光循环器672的端口“2”离开，其中调制光信号与检测质量块组件616(在这种情况下是以反射测量的拉链腔)相互作用。这样，第一光学频率分量和第二光学频率分量共享从产生到检测质量块组件616的公共路径，这有助于确保由对光学路径的环境扰动引起的光场中的任何波动将为共同模式。
在反射回光循环器672的端口“2”中之后，调制光信号从光循环器672的端口“3”输出至反馈单元626。反馈单元626可被构造成使用在调制光信号从检测质量块组件616反射之后的调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与在调制光信号从检测质量块组件616反射之后的调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号。如图所示，反馈单元626可包括二向色684、光接收器624A、624B(统称为“光接收器624”)、分光器686、驱动器647、数据采集模块628、衰减器688、噪声抑制模块645和频率伺服694。驱动器647(其可为驱动器47A、47B的示例)可包括高通滤波器(HPF)646、增益模块674和相位模块676。噪声抑制模块645(其可为噪声抑制模块45A、45B的示例)可包括低通滤波器(LPF)690A、690B(统称为“LPF 690”)和比较器692。
由于调制光信号的两个光学频率为基本上不同的光学频率，因此二向色684(或另一个光纤布拉格光栅或其他波长选择性光分离元件)可将调制光信号的两个光学频率分离成调制光信号的第一部分和调制光信号的第二部分。例如，二向色684可被构造成在调制光信号从检测质量块组件616反射之后，将调制光信号分离成调制光信号的第一部分和调制光信号的第二部分。
例如，二向色684可被构造成分离调制光信号，使得调制光信号的第一部分包括与调制光信号的第二部分的一组频率分量不同的一组频率分量。例如，二向色684可被构造成分离调制光信号，使得调制光信号的第一部分包括小于(或大于)中心载波的一组频率分量，并且调制光信号的第二部分包括大于(或小于)中心载波的一组频率分量。在一些示例中，二向色684可被构造成分离调制光信号，使得调制光信号的第一部分包括对应于光学共振加上(或减去)光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，并且调制光信号的第二部分包括对应于光学共振减去(或加上)光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量。
光接收器624A可被构造成将调制光信号的第一部分转换为第一电信号。类似地，光接收器624B可被构造成将调制光信号的第二部分转换为第二电信号。反馈单元626可被构造成基于第一电信号生成机械共振反馈信号，并且基于第一电信号和第二电信号生成调谐信号，如下所述。
驱动器647可被构造成使用由每个单独的光学频率分量形成的高频拍音符与每个单独的光学频率分量的调制边带(在机械共振频率下)，来驱动EOM 622(例如，在闭环操作中)，以及读出加速度。例如，反馈单元626可被构造成基于经由分光器686从光接收器624A接收的第一电信号来生成机械共振反馈信号，并且驱动EOM 622以基于机械共振反馈信号来调制经滤波的光信号。如图所示，反馈单元626可包括衰减器688以匹配由分光器686产生的衰减(例如，-3dB)。
数据采集模块628可被构造成使用机械共振反馈信号来测量检测质量块组件616处的加速度。数据采集模块628可包括或执行频率计数器28A的一个或多个功能。例如，数据采集模块628可被构造成使用由光接收器624产生并被HPF 646滤波的电信号来估计检测质量块组件616的机械共振频率。
例如，HPF 646可被构造成对第一电信号进行滤波以从第一电信号移除DC强度电平。在该示例中，增益模块674可被构造成在由HPF 646进行滤波之后，向第一电信号施加增益，并且相移模块676可被构造成在由HPF 646进行滤波之后，向第一电信号施加相移以生成驱动信号。在该示例中，EOM 622可被构造成使用驱动信号来调制经滤波的光信号。
噪声抑制模块645可被构造成使用每个单独的光学频率分量的DC电平来稳定激光器611的频率，例如以相对于检测质量块组件616的光学共振将激光器611保持在期望的频率。在单独光学频率中的每个下反射回的光信号根据来自检测质量块组件616的光学共振的单独光学频率中的每个下的失谐而变化。例如，LPF 690A可被构造成经由衰减器688对从光接收器624A接收的第一电信号进行滤波以生成对应于第一光学频率的DC强度电平的第一经滤波的电信号，并且LPF 690B可被构造成对从光接收器624B接收的第二电信号进行滤波以生成对应于第二光学频率的DC强度电平的第二经滤波的电信号。在该示例中，比较器692可被构造成比较第一经滤波的电信号和第二经滤波的电信号并且生成调谐信号。频率伺服694可被构造成使用调谐信号将激光器611驱动至中心载波。这样，与省略的系统相比，反馈单元626可抑制噪声并因此改善光机械装置的性能。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性光信号702的概念图。图7仅出于示例目的而参考图1-图6讨论。图7的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图7的纵轴(例如，垂直轴)表示由激光器611输出的光信号702的归一化强度。如图所示，光信号702包括中心载波712，该中心载波可表示检测质量块组件616的光学共振。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性部分调制的光信号804的概念图。图8仅出于示例目的而参考图1-图7讨论。图8的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图8的纵轴(例如，垂直轴)表示由EOM 613输出的部分调制的光信号804的归一化强度。如图所示，部分调制的光信号804包括中心载波812，该中心载波可表示检测质量块组件616的光学共振，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量816，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量814。
图9是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性经滤波的光信号906的概念图。图9仅出于示例目的而参考图1-图8讨论。图9的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图9的纵轴(例如，垂直轴)表示由光纤布拉格光栅滤波器619输出的经滤波的光信号906的归一化强度。如图所示，经滤波的光信号906包括对应于光学共振加上检测质量块组件616的光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量916，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量914。也就是说，光纤布拉格光栅滤波器619从部分调制的光信号804移除中心载波，以生成经滤波的光信号906。
图10是示出根据本公开的一种或多种技术的示例性调制光信号1008的概念图。图10仅出于示例目的而参考图1-图9讨论。图10的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图10的纵轴(例如，垂直轴)表示由EOM 622输出的调制光信号1008的归一化强度。如图所示，调制光信号1008包括对应于光学共振加上检测质量块组件616的被驱动到检测质量块组件616的机械共振的光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量1016，以及对应于光学共振减去被驱动到检测质量块组件616的机械共振的光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量914。
图11是示出根据本公开的一种或多种技术的作为光信号的波长的函数的反射中共振的示例性光学响应1109的概念图。图11仅出于示例目的而参考图1-图10讨论。图11的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图11的纵轴(例如，垂直轴)表示由检测质量块组件616输出的调制光信号1109的归一化反射。在图11的示例中，调制光信号1109的归一化反射在对应于检测质量块组件616的光学共振的频率1110下共振。
图12是示出根据本公开的一种或多种技术的第一光学频率分量1222和第二光学频率分量1220的示例性光学响应的概念图。图12仅出于示例目的而参考图1-图11描述。图12的横坐标轴(例如，水平轴)表示波长，以纳米(nm)为单位，并且图12的纵轴(例如，垂直轴)表示由检测质量块组件616输出的调制光信号的归一化反射1209。在图12的示例中，调制光信号的归一化反射1209在对应于检测质量块组件616的光学共振的频率1210下共振。
通过测量每个DC电平并对其进行比较，可调谐激光器611以将激光器的频率锁定到检测质量块组件616的光学共振。例如，第一光学频率分量1222和第二光学频率分量1220的两个相等强度音调经由光弹簧效应来消除共模振幅波动，否则这将会将噪声写入检测质量块组件616的所测量的机械共振中。例如，响应于第一光学频率分量1222的DC强度电平大于第二光学频率分量1220的DC强度电平，比较器692可生成调谐信号以驱动频率伺服694，以使激光器611降低由激光器611输出的光信号的中心载波的频率。然而，响应于第一光学频率分量1222的DC强度电平小于第二光学频率分量1220的DC强度电平，比较器692可生成调谐信号以驱动频率伺服694，以使激光器611增加由激光器611输出的光信号的中心载波的频率。在一些示例中，响应于第一光学频率分量1222的DC强度电平对应于(例如，等于)第二光学频率分量1220的DC强度电平，比较器692可生成调谐信号以驱动频率伺服694，以使激光器611维持由激光器611输出的光信号的中心载波的频率。这样，噪声抑制模块645可减小激光振幅噪声的影响，同时提供对光学共振进行频率稳定的过程。
图13是示出根据本公开的一种或多种技术的用于跟踪检测质量块组件的机械共振的示例性过程的流程图。图13仅出于示例目的而相对于图1-图12描述。
激光器611使用调谐信号生成包括对应于检测质量块组件616的光学共振的中心载波的光信号(1302)。EOM 613在对应于检测质量块组件616的光学共振的FWHM的四分之一的频率下调制光信号以生成包括中心载波的部分调制的光信号，对应于光学共振加上光学共振的FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于光学共振减去光学共振的FWHM的四分之一的第二光学频率分量(1304)。
光纤布拉格光栅滤波器619对部分调制的光信号进行滤波以从部分调制的光信号移除中心载波，以生成经滤波的光信号(1306)。EOM 622调制经滤波的光信号以生成调制光信号，该调制光信号被驱动到检测质量块组件616的机械共振(1308)。光循环器672将调制光信号输出至检测质量块组件并且接收从检测质量块组件反射的调制光信号(1310)。
噪声抑制模块645使用调制光信号中的第一光学频率分量的DC强度电平与调制光信号中的第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成调谐信号(1312)。HPF 646利用分光器686、光接收器624A和二向色684，基于调制光信号生成机械共振反馈信号，并且数据采集模块628使用机械共振反馈信号来测量检测质量块组件616处的加速度(1314)。例如，HPF 646通过从由光接收器624A输出的电信号移除低频分量(例如，DC分量)来生成机械反馈信号，并且数据采集模块628可从机械反馈信号测量一个或多个频率值。
本文所述的光机械装置可包括仅模拟电路、仅数字电路、或模拟电路和数字电路的组合。数字电路可包括例如单个集成电路上的微控制器，其包含处理器内核、存储器、输入和输出。例如，本文所述的光机械装置的数字电路可包括一个或多个处理器，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其他等效集成或分立逻辑电路，以及此类部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以指单独地或与其他逻辑电路组合的前述模拟电路和/或数字电路中的任一个，或任何其他等效电路。
数字电路可利用硬件、软件、固件或它们的任何组合来实现所述功能。在软件中实现的那些功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或经由计算机可读介质发送，并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括对应于有形介质诸如数据存储介质的计算机可读存储介质，或者包括例如根据通信协议促进计算机程序从某个地方传输到另一个地方的任何介质的通信介质。这样，计算机可读介质通常可对应于：(1)非暂态的有形计算机可读存储介质，或者(2)通信介质诸如信号或载波。数据存储介质可以是可以由一个或多个计算机或一个或多个处理器访问以检索用于实现本公开中描述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。
本公开的技术可以在包括集成电路(IC)或一组IC(例如，芯片组)的各种装置或设备中实现。在本公开中描述了各种部件、模块或单元，以强调被构造成执行所公开的技术的装置的功能方面，但是不一定需要通过不同的硬件单元来实现。相反，各种单元可与结合合适的软件和/或固件的互操作硬件单元(包括如上所述的一个或多个处理器)的集合进行组合或由其提供。

Claims (10)

1.一种用于跟踪检测质量块组件的机械共振的光机械装置，所述光机械装置包括：
所述检测质量块组件；和
电路，所述电路被构造成：
使用调谐信号生成包括对应于所述检测质量块组件的光学共振的中心载波的光信号；
在对应于所述检测质量块组件的所述光学共振的半极大处全宽度(FWHM)的四分之一的频率下调制所述光信号以生成包括所述中心载波的部分调制的光信号，对应于所述光学共振加上所述光学共振的所述FWHM的四分之一的第一光学频率分量，以及对应于所述光学共振减去所述光学共振的所述FWHM的四分之一的第二光学频率分量；
对所述部分调制的光信号进行滤波以从所述部分调制的光信号移除所述中心载波，以生成经滤波的光信号；
调制所述经滤波的光信号以生成调制光信号，所述调制光信号被驱动到所述检测质量块组件的所述机械共振；以及
使用所述调制光信号中的所述第一光学频率分量的直流(DC)强度电平与所述调制光信号中的所述第二光学频率分量的DC强度电平之间的差值来生成所述调谐信号。
2.根据权利要求1所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
将所述调制光信号输出至所述检测质量块组件并且接收从所述检测质量块组件反射的所述调制光信号，
其中为了生成所述调谐信号，所述电路被构造成在所述调制光信号从所述检测质量块组件反射之后基于所述调制光信号来生成所述调谐信号。
3.根据权利要求2所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
在所述调制光信号从所述检测质量块组件反射之后，将所述调制光信号分离成所述调制光信号的第一部分和所述调制光信号的第二部分，其中所述调制光信号的所述第一部分包括与所述调制光信号的所述第二部分的一组频率分量不同的一组频率分量，并且
其中为了生成所述调谐信号，所述电路被构造成基于所述调制光信号的所述第一部分和所述调制光信号的所述第二部分来生成所述调谐信号。
4.根据权利要求3所述的光机械装置，
其中在所述调制光信号从所述检测质量块组件反射之后，所述调制光信号的所述第一部分包括所述第一光学频率分量；或者
其中在所述调制光信号从所述检测质量块组件反射之后，所述调制光信号的所述第一部分包括所述第二光学频率分量。
5.根据权利要求3所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
将所述调制光信号的所述第一部分转换为第一电信号；以及
将所述调制光信号的所述第二部分转换为第二电信号，
其中为了生成所述调谐信号，所述电路被构造成基于所述第一电信号和所述第二电信号来生成所述调谐信号。
6.根据权利要求5所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
对所述第一电信号进行滤波以生成对应于所述第一光学频率的所述DC强度电平的第一经滤波的电信号；以及
对所述第二电信号进行滤波以生成对应于所述第二光学频率的所述DC强度电平的第二经滤波的电信号，
其中为了生成所述调谐信号，所述电路被构造成基于所述第一经滤波的电信号和所述第二经滤波的电信号的比较来生成所述调谐信号以进行驱动。
7.根据权利要求5所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
基于所述第一电信号来生成机械共振反馈信号，
其中为了调制所述经滤波的光信号，所述电路被构造成基于所述机械共振反馈信号来调制所述经滤波的光信号。
8.根据权利要求7所述的光机械装置，其中所述电路被构造成：
使用所述机械共振反馈信号来测量所述检测质量块组件处的加速度。
9.根据权利要求7所述的光机械装置，其中为了生成所述机械共振反馈信号，所述电路被构造成：
对所述第一电信号进行滤波以从所述第一电信号移除DC强度电平。
10.根据权利要求9所述的光机械装置，其中为了调制所述经滤波的光信号，所述电路被构造成：
在滤波后对所述第一电信号施加增益和相移以生成驱动信号；以及
使用所述驱动信号调制所述经滤波的光信号。
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