RU2539130C1 - Fibre-optic device for measurement of electric field intensity - Google Patents

Fibre-optic device for measurement of electric field intensity Download PDF

Info

Publication number
RU2539130C1
RU2539130C1 RU2013136095/28A RU2013136095A RU2539130C1 RU 2539130 C1 RU2539130 C1 RU 2539130C1 RU 2013136095/28 A RU2013136095/28 A RU 2013136095/28A RU 2013136095 A RU2013136095 A RU 2013136095A RU 2539130 C1 RU2539130 C1 RU 2539130C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
input
output
optical
channel
Prior art date
Application number
RU2013136095/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013136095A (en
Inventor
Игорь Касьянович Мешковский
Владимир Евгеньевич Стригалев
Станислав Михайлович Аксарин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)
Priority to RU2013136095/28A priority Critical patent/RU2539130C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539130C1 publication Critical patent/RU2539130C1/en
Publication of RU2013136095A publication Critical patent/RU2013136095A/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: optimisation of sensor structure, providing for occurrence of dissimilar modulation of a refraction index in supply of a difference of single-polarity voltages phases to a double-channel modulator, results in the possibility to use for modulation of the phase of any frequency of a control signal and in absence of the necessity to develop a delay line. Repeated passage of light reflected from the mirror through an integral-optical sensitive element and the second supplying optic fibre with double beam refraction, and also rotation of the light polarisation plane in a Faraday rotator by 90 degrees and usage of the second photodetector provide for doubling of modulation amplitude, reduction of optical noise of the source.
EFFECT: increased accuracy of electric field intensity measurement and reduced frequency of signal modulation.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных устройств на основе волоконно-оптических фазовых поляриметрических датчиков интерферометрического типа и предназначено для измерения напряженности электрического поля, преобразуемого в интенсивность оптического сигнала.The invention relates to the field of fiber-optic measuring devices based on fiber-optic phase polarimetric sensors of interferometric type and is intended to measure the intensity of the electric field, converted into the intensity of the optical signal.

Принцип работы устройства основан на эффекте Поккельса и заключается в определении оптической разницы фаз как результата интерференции между двумя ортогональными линейно поляризованными модами, возникающей под воздействием измеряемой напряженности электрического поля на чувствительный элемент.The principle of operation of the device is based on the Pockels effect and consists in determining the optical phase difference as a result of interference between two orthogonal linearly polarized modes that occurs under the influence of the measured electric field strength on the sensitive element.

Известны волоконно-оптические устройства для измерения напряженности электрического поля (патенты US №6952107 B2, 04.10.2005, G01R 31/308, US №6380725, 30.04.2002, G01R 31/00, US №62522388, 26.01.2001, G01R 31/00, US №6140810, 31.10.2000, G01R 15/24; G01R 29/12, US №5029273, 02.07.1991, G01R 31/00; G01R 27/02, US №4524322, 18.06.1985, G01R 31/02; G01R 31/00, EP №0682261, 15.11.1995, G01D 5/26; G01J 4/00; G01M 11/00; G01N 21/23; G01R 15/24, EP №0826970 A2, 04.03.1998, G02F 1/01, RU №2032181, от 27.03.1995, G01R 13/40), которые изготавливают по принципу датчиков проходящего типа, в которых чувствительный элемент располагают между источником света и детектором. Оптическое волокно с двулучепреломлением в таких устройствах используется в качестве линии для передачи света и в некоторых устройствах также в качестве чувствительного элемента. Known fiber-optic devices for measuring electric field strength (US patents No. 6952107 B2, 04/10/2005, G01R 31/308, US No. 6380725, 04/30/2002, G01R 31/00, US No. 62522388, 01/26/2001, G01R 31 / 00, US No. 6140810, 10.31.2000, G01R 15/24; G01R 29/12, US No. 5029273, 07/02/1991, G01R 31/00; G01R 27/02, US No. 4524322, 06/18/1985, G01R 31/02 ; G01R 31/00, EP No. 0682261, 11/15/1995, G01D 5/26; G01J 4/00; G01M 11/00; G01N 21/23; G01R 15/24, EP No. 0826970 A2, 04.03.1998, G02F 1 / 01, RU No. 2032181, dated 03/27/1995, G01R 13/40), which are manufactured according to the principle of sensors of a passing type, in which a sensitive element is placed between the light source and the detector. Birefringent optical fiber in such devices is used as a line for transmitting light, and in some devices also as a sensing element.

Недостатком таких устройств является высокая степень зависимости изменения фазы оптического сигнала, распространяющегося по оптическому каналу, от внешних условий.The disadvantage of such devices is the high degree of dependence of the phase change of the optical signal propagating through the optical channel from external conditions.

Лишенным этого недостатка и более перспективным для широкого практического использования за счет большей чувствительности к напряженности электрического поля является волоконно-оптическое устройство с чувствительным элементом отражательного типа. В таком устройстве промодулированные по фазе ортогонально поляризованные моды проходят через чувствительный элемент в двух направлениях - сначала в прямом направлении, а затем в обратном направлении за счет отражения от зеркального торца, после чего интерферируют. А за счет наличия фарадеевского вращателя плоскости поляризации, установленного до чувствительного элемента, происходит компенсация любых внешних воздействий, воздействующих на участок оптического тракта до фарадеевского вращателя. (Патенты US №8233754, 31.07.2012, G02B 6/00; G02B 6/02), US №7147388, 12.12.2006, G02B 6/255, US №6122415, 19.09.2000, G02B 6/00; G01R 31/00)Deprived of this drawback and more promising for widespread practical use due to its greater sensitivity to electric field strength is a fiber-optic device with a sensitive element of a reflective type. In such a device, phase-modulated orthogonally polarized modes pass through the sensing element in two directions - first in the forward direction, and then in the opposite direction due to reflection from the mirror end, and then interfere. And due to the presence of a Faraday rotator of the plane of polarization installed up to the sensitive element, any external influences acting on the section of the optical path to the Faraday rotator are compensated. (Patents US No. 8233754, July 31, 2012, G02B 6/00; G02B 6/02), US No. 7147388, 12/12/2006, G02B 6/255, US No. 6122415, 09/19/2000, G02B 6/00; G01R 31/00)

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля, в котором использован этот же интерференционный принцип измерения (K. Bohnert, S. Wildermuth, A. Frank, H. Brandle, Fiber-optic voltage sensor using fiber gyro technology. Procedia Engineering 5 (2010), 1091-1094), принятое в качестве прототипа.A fiber-optic device for measuring electric field strength is known which uses the same interference measurement principle (K. Bohnert, S. Wildermuth, A. Frank, H. Brandle, Fiber-optic voltage sensor using fiber gyro technology. Procedia Engineering 5 ( 2010), 1091-1094), adopted as a prototype.

Устройство-прототип состоит из деполяризованного низкокогерентного источника света, оптического волокна с двулучепреломлением в качестве среды для передачи оптического сигнала, Y-разветвителя, с одной стороны которого располагается источник и приемник оптического излучения. С другой стороны разветвителя друг за другом поляризатор, модулятор разности фаз (МРФ) между двумя ортогональными модами канального волновода, выполненного на основе интегрально-оптического канального волновода на подложке из кристалла LiNbO3, волоконная линия задержки, фарадеевский вращатель, чувствительный элемент и компенсационное волокно с размещенным на торце зеркалом.The prototype device consists of a depolarized low coherent light source, a birefringent optical fiber as a medium for transmitting an optical signal, a Y splitter, on one side of which there is an optical radiation source and receiver. On the other hand, a polarizer, a phase difference modulator (MRF) between two orthogonal modes of a channel waveguide made on the basis of an integrated optical channel waveguide on a substrate of a LiNbO 3 crystal, a fiber delay line, a Faraday rotator, a sensitive element, and a compensation fiber with end-mounted mirror.

Чувствительным элементом является оптическое волокно с двулучепреломлением, которое намотано на пьезоэлектрический цилиндр, диаметр которого изменяется под действием прикладываемого электрического поля и, как следствие, возникает дополнительная разность фаз в чувствительном оптическом волокне.The sensitive element is a birefringent optical fiber that is wound on a piezoelectric cylinder, the diameter of which changes under the influence of an applied electric field and, as a result, an additional phase difference arises in the sensitive optical fiber.

Оптическая ось волоконного поляризатора развернута под углом 45 градусов к осям двулучепреломления интегрального волновода для возбуждения двух ортогональных мод. В модуляторе разности фаз (МРФ) на фазы ортогональных мод воздействует модулирующее напряжение управляющего сигнала. За счет фарадеевского вращателя в обратном направлении происходит поворот плоскостей поляризации двух ортогональных мод, распространяющихся по волокну, на 90 градусов для каждой моды. Оси двулучепреломления чувствительного элемента и компенсационного участка волокна развернуты друг относительно друга на 90 градусов.The optical axis of the fiber polarizer is rotated at an angle of 45 degrees to the birefringence axes of the integrated waveguide to excite two orthogonal modes. In the phase difference modulator (MRF), the phases of the orthogonal modes are affected by the modulating voltage of the control signal. Due to the Faraday rotator in the opposite direction, the polarization planes of the two orthogonal modes propagating through the fiber rotate 90 degrees for each mode. The birefringence axes of the sensing element and the fiber compensation section are rotated 90 degrees relative to each other.

Принцип работы прототипа заключается в следующем. От источника света по волокну через разветвитель, затем волоконный поляризатор проходит линейно-поляризованная мода, которая затем на стыке с модулятором разности фаз (МРФ) раскладывается на две ортогональные моды, которые проходят через МРФ и вводятся в линию задержки. Две ортогональные моды, по мере распространения в среде с двулучепреломлением (ДЛП) приобретают разницу фаз. Затем, после линии задержки свет проходит через фарадеевский вращатель и попадает на чувствительный элемент, в котором под действием напряженности электрического поля возникает индуцированная разность фаз. После чувствительного элемента свет проходит через компенсационный участок волокна с размещенным на торце зеркалом и возвращается обратно, за счет чего достигается удвоение воздействия измеряемой физической величины. А за счет взаимной ортогональной ориентации осей чувствительного элемента и компенсационного участка волокна происходит компенсация фазовой задержки в чувствительном элементе и других внешних воздействий (например, температуры, вибрации), приводящей к паразитной разности фаз. Далее, проходя через фарадеевский вращатель, плоскости поляризаций поворачиваются на 90 градусов. За счет этого происходит полная компенсация фазового набега, возникшего в МРФ и линии задержки. В обратном направлении свет проходит через МРФ, поляризатор и разветвитель, после чего интерференционный сигнал попадает на фотодетектор. В описанной выше конструкции по возвращении светового импульса на стык с поляризатором в 45 градусов останется разность фаз между ортогональными модами, приобретенная за счет воздействия на чувствительный элемент напряженности электрического поля. Результирующий фазовый сдвиг Δφ можно представить следующим выражением (1)The principle of operation of the prototype is as follows. A linearly polarized mode passes through the fiber from the light source through the splitter, then the fiber polarizer, which then splits into two orthogonal modes at the junction with the phase difference modulator (MRF), which pass through the MRF and are introduced into the delay line. Two orthogonal modes, as they propagate in a birefringent medium (Birefringence), acquire a phase difference. Then, after the delay line, the light passes through the Faraday rotator and falls on the sensitive element, in which the induced phase difference arises under the influence of the electric field strength. After the sensing element, the light passes through the compensation section of the fiber with a mirror placed at the end and returns back, thereby doubling the effect of the measured physical quantity. And due to the mutual orthogonal orientation of the axes of the sensing element and the compensation section of the fiber, the phase delay in the sensing element and other external influences (for example, temperature, vibration) are compensated, resulting in a stray phase difference. Further, passing through the Faraday rotator, the plane of polarization rotates 90 degrees. Due to this, there is a complete compensation of the phase incursion arising in the MYFF and the delay line. In the opposite direction, the light passes through the MYRF, the polarizer and the splitter, after which the interference signal hits the photodetector. In the design described above, upon returning the light pulse to the joint with a polarizer of 45 degrees, the phase difference between the orthogonal modes, acquired due to the action of the electric field on the sensitive element, will remain. The resulting phase shift Δφ can be represented by the following expression (1)

Δ ϕ = 2 S k l                                        ( 1 )

Figure 00000001
, Δ ϕ = 2 S k l ( one )
Figure 00000001
,

где S - параметр значения напряженности электрического поля, l - длина чувствительного элемента, k - коэффициент чувствительности изменения фазы от прикладываемой физической величины.where S is the parameter of the electric field strength value, l is the length of the sensitive element, k is the sensitivity coefficient of the phase change from the applied physical quantity.

Основным недостатком устройства-прототипа является необходимость производить смену полярности модуляции на высокой частоте fm, рассчитываемой по формуле (2), за счет короткой длины оптического тракта, чтобы не происходило компенсации приложенного модуляционного воздействия на фазу оптического сигнала.The main disadvantage of the prototype device is the need to change the modulation polarity at a high frequency f m , calculated by the formula (2), due to the short length of the optical path so that the applied modulation effect on the phase of the optical signal is not compensated.

f m = C 2 L n                                            ( 2 )

Figure 00000002
, f m = C 2 L n ( 2 )
Figure 00000002
,

где С - скорость света в вакууме, L - длина оптического тракта от МРФ до зеркала, n - показатель преломления света в волокне.where C is the speed of light in vacuum, L is the length of the optical path from the MRF to the mirror, n is the refractive index of light in the fiber.

Этот недостаток приводит к необходимости использовать сложные электрические схемы и дорогостоящие электронные компоненты для модуляции оптического сигнала, а также к увеличению длины линии задержки оптического тракта из дорогостоящих оптических компонентов. Другим недостатком является влияние нестабильности уровня мощности источника света, что приводит к ошибке и дрейфу интерференционного сигнала.This disadvantage leads to the need to use complex electrical circuits and expensive electronic components to modulate the optical signal, as well as to increase the length of the delay line of the optical path from expensive optical components. Another disadvantage is the influence of the instability of the power level of the light source, which leads to error and drift of the interference signal.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения напряженности электрического поля и понижение частоты модуляции сигналаThe technical problem to be solved by the claimed invention is directed is to increase the accuracy of measuring electric field strength and lowering the frequency of signal modulation

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

В волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее оптически соединенные деполяризованный низкокогерентный источник светового излучения, волоконный поляризатор, разветвитель, модулятор разности фаз (МРФ) выполнен интегрально-оптическим и расположен на подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3, фарадеевский вращатель, чувствительный элемент, компенсационное волокно, зеркало, фотодетектор, причем выход деполяризованного низкокогерентного источника светового излучения соединен с входом волоконного поляризатора, выход которого соединен с входом МРФ, причем в устройство введены оптически соединенные волоконный изолятор, второй фотодетектор, второй волоконный поляризатор, первое подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением (ДЛП), второе подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением (ДЛП), причем модулятор разности фаз (МРФ) выполнен двухканальным и состоит из двух одноканальных модуляторов разности фаз (МРФ), разветвитель выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода Х-образной топологии с двумя входными и двумя выходными каналами, изготовленного по технологии диффузии титана и размещенного на вышеуказанной подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3 и образует с указанным двухканальным модулятором разности фаз (МРФ) единую многофункциональную интегрально-оптическую схему (МИОС), причем электроды одноканальных МРФ расположены параллельно друг другу на двух входных каналах разветвителя и являются первым и вторым входным портом МИОС, причем центральные и наружные электроды одноканальных МРФ электрически соединены между собой соответственно, чувствительный элемент выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода, изготовленного по технологии диффузии титана, и размещен на второй подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3, выход источника светового излучения соединен с входом первого волоконного поляризатора, выход которого соединен с канальным интегрально-оптическим волноводом первого входного порта МИОС, причем угол между оптическими осями выходного волокна первого волоконного поляризатора и канального интегрально-оптического волновода первого входного порта МИОС составляет 45 градусов, ко второму входному порту МИОС подключен вход компенсационного волокна, выход которого соединен с входом второго волоконного поляризатора, причем угол между оптическими осями волокон составляет 45 градусов, а выход второго волоконного поляризатора соединен с входом первого фотодетектора, первый выходной порт МИОС соединен с входом первого подводящего оптического волокна с ДЛП, второй выходной порт МИОС соединен с входом волоконного изолятора, а его выход соединен с входом второго фотодетектора, выход первого подводящего оптического волокна с ДЛП соединен с входом фарадеевского вращателя, выход которого соединен с входом второго подводящего оптического волокна с ДЛП, выход которого соединен с входом чувствительного элемента, причем зеркало расположено на выходном торце чувствительного элемента, а длину компенсационного волокна рассчитывают по формуле (3)In a fiber-optic device for measuring electric field strength, containing optically coupled depolarized low-coherent light source, a fiber polarizer, a splitter, a phase difference modulator (MRF) is made integrally-optical and is located on a substrate of lithium niobate LiNbO 3 , a Faraday rotator, sensitive element, compensation fiber, mirror, photodetector, and the output of the depolarized low coherent light source is connected to the input of the wave a window polarizer, the output of which is connected to the input of the MPF, and optically coupled fiber insulator, a second photodetector, a second fiber polarizer, a first birefringent optical fiber, a second birefringent optical fiber, and a phase difference modulator are introduced into the device (МРФ) is made of two-channel and consists of two single-channel phase difference modulators (МРФ), the splitter is made in the form of a channel integrated optical fiber waveguide X-shaped topology with two I input and two outputs, produced by titanium diffusion technology and disposed on said substrate of a crystal of lithium niobate LiNbO 3 and forms with said dual phase difference modulator (MYFF) single multifunction integrated optic circuit (MIOS), wherein the single channel MYFF electrodes arranged parallel to each other on the two input channels of the splitter and are the first and second input port of the MIOS, and the central and external electrodes of the single-channel MRF are electrically interconnected ootvetstvenno sensitive element is a channel integrated optical waveguide produced by titanium diffusion technology, and is placed on the second substrate from the crystal niobate LiNbO 3, lithium output light radiation source connected to the input of the first fiber polarizer, whose output is connected with the channel integrated-optic the waveguide of the first input port of MIOS, the angle between the optical axes of the output fiber of the first fiber polarizer and the channel integrated optical waveguide the input MIOS input port is 45 degrees, the compensation fiber input is connected to the second MIOS input port, the output of which is connected to the input of the second fiber polarizer, the angle between the optical axes of the fibers being 45 degrees, and the output of the second fiber polarizer is connected to the input of the first photodetector, the first output the MIOS port is connected to the input of the first supplying optical fiber with DLP, the second MIOS output port is connected to the input of the fiber isolator, and its output is connected to the input of the second photodet ctor, the output of the first optical fiber with DLP is connected to the input of the Faraday rotator, the output of which is connected to the input of the second optical fiber with DLP, the output of which is connected to the input of the sensor, the mirror being located at the output end of the sensor, and the length of the compensation fiber is calculated by formula (3)

L c = 2 Δ d Λ λ c ( 3 )

Figure 00000003
, L c = 2 Δ d Λ λ c ( 3 )
Figure 00000003
,

где Δd - разность оптического хода между ортогональными модами, приобретенная за счет распространения света во втором подводящем оптическом волокне с ДЛП и чувствительном элементе, Λ - длина биений оптических элементов, λc - центральная длина волны деполяризованного низкокогерентного источника светового излучения.where Δd is the difference in the optical path between the orthogonal modes, acquired due to the propagation of light in the second supply optical fiber with DLP and a sensitive element, Λ is the beat length of the optical elements, λ c is the central wavelength of the depolarized low coherent light source.

Достигнутые с помощью изобретения преимущества состоят в том, что для модуляции фазы можно использовать любую частоту управляющего сигнала за счет того, что при подаче на двухканальный модулятор разности фаз напряжения одной полярности на двух соседних каналах разветвителя возникает разноименная модуляция показателя преломления, при этом отсутствует необходимость в создании линии задержки. Помимо этого, поскольку на фарадеевском вращателе происходит поворот поляризации на 90 градусов, то для света, прошедшего до зеркала и обратно, происходит удвоение амплитуды модуляции за один и тот же период модуляции, а использование второго фотодетектора позволяет снизить оптические шумы источника света, все это приводит к увеличению точности измеряемой физической величины.The advantages achieved by the invention are that any frequency of the control signal can be used for phase modulation due to the fact that when a phase difference of a voltage of the same polarity is applied to a two-channel modulator on two adjacent channels of the splitter, opposite modulation of the refractive index occurs, without the need for creating a delay line. In addition, since the polarization is rotated 90 degrees on the Faraday rotator, then for the light transmitted to the mirror and vice versa, the modulation amplitude is doubled for the same modulation period, and the use of a second photodetector can reduce the optical noise of the light source, all this leads to increase the accuracy of the measured physical quantity.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг.1. фиг.2, фиг.3, где на фиг.1 представлена схема устройства, на фиг.2 - схема чувствительного элемента с зеркалом, на фиг.3 - многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС).The essence of the invention is illustrated in figure 1. figure 2, figure 3, where figure 1 shows a diagram of the device, figure 2 is a diagram of a sensitive element with a mirror, figure 3 is a multifunctional integrated optical circuit (MIOS).

Устройство (фиг.1) содержит оптически соединенные деполяризованный низкокогерентный источник светового излучения 1, первый волоконный поляризатор 2, многофункциональную интегрально-оптическую схему (МИОС) 3, состоящую из двухканального модулятора разности фаз (МРФ) 4 и разветвителя 5, первое подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением (ДЛП) 6, фарадеевский вращатель 7, второе подводящее оптическое волокно с ДЛП 8, чувствительный элемент 9, зеркало 10, компенсационное волокно 11, второй волоконный поляризатор 12, первый фотодетектор 13, волоконный изолятор 14, второй фотодетектор 15. Выход источника светового излучения 1 соединен с входом первого волоконного поляризатора 2, выход которого соединен с первым входным портом МИОС, причем угол между оптическими осями выходного волокна первого волоконного поляризатора 2 и интегрально-оптического канального волновода первого входного порта МИОС составляет 45 градусов, первый выходной порт МИОС соединен с входом первого подводящего оптического волокна с двулучепреломлением (ДЛП) 6, выход которого соединен с входом фарадеевского вращателя 7, а его выход соединен с входом второго подводящего оптического волокна с двулучепреломлением (ДЛП) 8, выход которого соединен с входом чувствительного элемента 9, на торце чувствительного элемента расположено зеркало 10, второй входной порт МИОС соединен с входом компенсационного волокна 11, выход которого соединен с входом второго волоконного поляризатора 12, причем угол между оптическими осями волокон составляет 45 градусов, причем выход второго волоконного поляризатора соединен с входом первого фотодетектора 13, а второй выходной порт МИОС соединен с входом волоконного изолятора 14, выход которого соединен с входом второго фотодетектора 15.The device (Fig. 1) contains optically coupled depolarized low coherent light source 1, a first fiber polarizer 2, a multifunctional integrated optical optical circuit (MIOS) 3, consisting of a two-channel phase difference modulator (MRF) 4 and a splitter 5, the first optical fiber with birefringence (DLP) 6, a Faraday rotator 7, a second optical fiber with DLP 8, a sensing element 9, a mirror 10, a compensation fiber 11, a second fiber polarizer 12, the first photodetector 13, in a curl insulator 14, a second photodetector 15. The output of the light source 1 is connected to the input of the first fiber polarizer 2, the output of which is connected to the first input port of the MIOS, and the angle between the optical axes of the output fiber of the first fiber polarizer 2 and the integrated optical channel waveguide of the first input port MIOS is 45 degrees, the first MIOS output port is connected to the input of the first birefringent optical fiber (DLF) 6, the output of which is connected to the input of the Faraday the carrier 7, and its output is connected to the input of the second birefringent optical fiber (DLF) 8, the output of which is connected to the input of the sensing element 9, a mirror 10 is located at the end of the sensitive element, the second MIOS input port is connected to the input of the compensation fiber 11, the output of which connected to the input of the second fiber polarizer 12, and the angle between the optical axes of the fibers is 45 degrees, and the output of the second fiber polarizer is connected to the input of the first photodetector 13, and the second output MIOS port coupled to an input fiber of the insulator 14, the output of which is connected to the input of the second photodetector 15.

На фиг.2 чувствительный элемент 9 выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода 16, изготовленного по технологии диффузии титана и размещенного на второй подложке 17 из электрооптического кристалла ниобата лития LiNbO3, на торце волновода расположено зеркало 10.In Fig. 2, the sensing element 9 is made in the form of a channel integrated optical waveguide 16 made by titanium diffusion technology and placed on the second substrate 17 from an electro-optical lithium niobate crystal LiNbO 3 , a mirror 10 is located at the end of the waveguide.

Разветвитель 5 и двухканальный МРФ 4 образуют единую многофункциональную интегрально-оптическую схему (МИОС) 3.Splitter 5 and two-channel MPF 4 form a single multifunctional integrated optical-optical circuit (MIOS) 3.

На фиг.3 разветвитель 5 выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода на подложке из электрооптического кристалла ниобата лития LiNbO3 и имеет Х-образную топологию с двумя входными и двумя выходными каналами, двухканальный МРФ 4 выполнен интегрально-оптическим и состоит из двух одноканальных МРФ 4а и 4б, электроды которых расположены параллельно друг другу на двух входных каналах разветвителя одновременно являющимися первым и вторым входным портом МИОС, причем центральные и наружные электроды одноканальных МРФ электрически соединены между собой соответственно.Figure 3 splitter 5 is made in the form of a channel integrated optical waveguide on a substrate of an electro-optical crystal of lithium niobate LiNbO 3 and has an X-shaped topology with two input and two output channels, two-channel MRF 4 is made integral optical and consists of two single-channel MRF 4a and 4b, the electrodes of which are parallel to each other on the two input channels of the coupler, which are simultaneously the first and second input port of the MIOS, with the central and external electrodes of the single-channel MPF electrically interconnected respectively.

Работа устройства, представленного на фиг.1, заключается в следующем: свет от деполяризованного низкокогерентного источника излучения 1 проходит через первый волоконный поляризатор 2, который преобразует деполяризованный свет в линейно-поляризованный, и плоскость поляризации вводится под углом 45 градусов к осям двулучепреломления канального интегрально-оптического волновода входного порта МИОС 3. В МИОС возбуждаются две ортогональные моды, направляемые по «быстрой» и «медленной» оптической оси интегрально-оптического волновода. Далее «быстрая» и «медленная» мода проходит через первый одноканальный МРФ 4а, разветвитель 5, первое подводящее оптическое волокно с ДЛП 6 и попадает на фарадеевский вращатель 7, в котором плоскости поляризаций «быстрой» и «медленной» мод поворачиваются на 45 градусов и вводится второе подводящее оптическое волокно с ДЛП 8 в одноименные оптические оси. Затем свет поступает в размещенный на подложке 17 канальный интегрально-оптический волновод 16 чувствительного элемента 9 и попадает на зеркало 10, после чего отражается и вновь проходит через канальный интегрально-оптический волновод 16 чувствительного элемента 9, второе подводящее оптическое волокно с ДЛП 8 и возвращается к фарадеевскому вращателю 7, где плоскости поляризаций мод снова поворачиваются на 45 градусов. The operation of the device shown in Fig. 1 is as follows: the light from the depolarized low coherent radiation source 1 passes through the first fiber polarizer 2, which converts the depolarized light to linearly polarized, and the plane of polarization is introduced at an angle of 45 degrees to the birefringence axes of the channel integral the optical waveguide of the MIOS input port 3. Two orthogonal modes are excited in the MIOS, guided along the “fast” and “slow” optical axis of the integrated optical waveguide. Next, the “fast” and “slow” mode passes through the first single-channel MRF 4a, splitter 5, the first optical fiber with DLP 6, and falls on the Faraday rotator 7, in which the plane of polarization of the “fast” and “slow” modes rotate 45 degrees and introduces a second supply optical fiber with DLP 8 in the same optical axis. Then the light enters the channel integrated optical-optical waveguide 16 of the sensing element 9 located on the substrate 17 and enters the mirror 10, after which it is reflected and again passed through the channel integrated optical-optical waveguide 16 of the sensing element 9, the second optical fiber with DLP 8 and returns to Faraday rotator 7, where the plane of polarization of the modes again rotate 45 degrees.

В сумме поворотов на фарадеевском вращателе 7 плоскости поляризаций отраженных мод вводятся под углом 90 градусов к осям первого подводящего оптического волокна с ДЛП 6. Таким образом, свет из «быстрой» оси вводится в «медленную» и наоборот. За счет смены осей происходит компенсация разности фаз между ортогональными модами, приобретенной за счет распространения света в МИОС 3 и первом подводящем оптическом волокне с ДЛП 6. Далее свет проходит через разветвитель 5, второй одноканальный МРФ 46 и попадает на компенсационное волокно 11, где происходит компенсация разности фаз между ортогональными модами, приобретенной за счет распространения света в канальном интегрально-оптическом волноводе 16 и втором подводящем оптическом волокне с ДЛП 8. После этого две скомпенсированные по фазе ортогональные моды вводятся под 45 градусов к оптической оси второго волоконного поляризатора 12, в результате чего на поляризаторе возникает интерференционный сигнал. Далее интерференционный сигнал попадает на фотодетектор 13. Для снижения влияния оптических шумов источника света при измерении интерференционного сигнала на первом фотодетекторе 13 используется второй выходной порт МИОС 3, из которого излучение через волоконный изолятор 14 попадает на второй фотодетектор 15.In the sum of the turns on the Faraday rotator 7, the planes of polarization of the reflected modes are introduced at an angle of 90 degrees to the axes of the first optical fiber with DLP 6. Thus, the light from the "fast" axis is introduced into the "slow" and vice versa. Due to the change of axes, the phase difference between the orthogonal modes, acquired due to the propagation of light in MIOS 3 and the first optical fiber with DLP 6, is compensated for. Next, the light passes through a splitter 5, the second single-channel MRF 46 and enters the compensation fiber 11, where compensation occurs the phase difference between the orthogonal modes, acquired due to the propagation of light in the channel integrated optical waveguide 16 and the second supply optical fiber with DLP 8. After that, two phase-compensated e orthogonal fashion are introduced at 45 degrees to the optical fiber axis of the second polarizer 12, the interference signal occurs resulting in a polarizer. Next, the interference signal enters the photodetector 13. To reduce the influence of optical noise of the light source when measuring the interference signal at the first photodetector 13, the second MIOS 3 output port is used, from which the radiation through the fiber insulator 14 enters the second photodetector 15.

В качестве конкретного выполнения устройства предлагается использовать деполяризованный низкокогерентный источник светового излучения в виде суперлюминесцентного диода с центральной длиной волны 1550 нм и шириной спектра 30 нм, волоконный поляризатор, изготовленный на основе одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA, второй волоконный поляризатор, изготовленный на основе одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA, разветвитель выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода Х-образной топологии с двумя входными и двумя выходными каналами, изготовленного по технологии диффузии титана и размещенного на подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3, и образует с двухканальным модулятором разности фаз (МРФ), состоящим из двух одноканальных модуляторов разности фаз, каждый из которых выполнен в виде двух параллельных друг другу электродов, представляющих собой две расположенные параллельно друг другу полоски из золота и размещенные по обеим сторонам от интегрально-оптического канального волновода на некотором расстоянии от него, единую многофункциональную интегрально-оптическую схему (МИОС), причем электроды одноканальных МРФ расположены параллельно друг другу на двух входных каналах разветвителя и являются первым и вторым входным портом МИОС, причем центральные и наружные электроды одноканальных МРФ электрически соединены между собой соответственно, фарадеевский вращатель, изготовленный на основе одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA и магнитооптической ячейки Фарадея, фотодетектор в виде фотодиода на основе InGaAs, второй фотодетектор в виде фотодиода на основе InGaAs, чувствительный элемент, выполненный в виде канального интегрально-оптического волновода, выполненного по технологии диффузии титана на подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3 и с напылением на торце кристалла зеркала, волоконный изолятор на основе одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA, компенсационное волокно в виде отрезка оптического волокна типа PANDA, первое подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением (ДЛП) в виде отрезка одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA, второе подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением (ДЛП) в виде отрезка одномодового оптического волокна с двулучепреломлением типа PANDA.As a specific embodiment of the device, it is proposed to use a depolarized low coherent light source in the form of a superluminescent diode with a central wavelength of 1550 nm and a spectrum width of 30 nm, a fiber polarizer made on the basis of a single-mode birefringent optical fiber like PANDA, and a second fiber polarizer made on the basis of a single-mode optical fiber with birefringence type PANDA, the splitter is made in the form of a channel integrated optical waveguide X- shaped topology with two input and two output channels, made using titanium diffusion technology and placed on a substrate of lithium niobate crystal LiNbO 3 , and forms with a two-channel phase difference modulator (MRF), consisting of two single-channel phase difference modulators, each of which is made in in the form of two electrodes parallel to each other, which are two strips of gold located parallel to each other and placed on both sides of the integrated optical channel waveguide at some distance From it, a single multifunctional integrated optical-optical circuit (MIOS), the electrodes of single-channel MRFs being parallel to each other on the two input channels of the splitter and are the first and second input port of MIOS, the central and outer electrodes of single-channel MRFs being electrically connected to each other, respectively, Faraday a rotator made on the basis of a single-mode birefringent optical fiber of the PANDA type and a Faraday magneto-optical cell, a photodetector in the form of an InGaAs-based photodiode, Ora photodetector a photodiode based on InGaAs, the sensor element formed as a channel of an integrated optical waveguide made of titanium diffusion techniques on a substrate of a crystal of lithium niobate LiNbO 3 and plated on the face of the crystal mirrors, fiber isolator based single-mode optical fiber birefringent type PANDA, compensation fiber in the form of a segment of an optical fiber type PANDA, the first supply optical fiber with birefringence (DLP) in the form of a segment of a single-mode optical PANDA birefringent fibers, a second birefringent optical fiber (DLP) as a segment of a single-mode birefringent PANDA fiber.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что для модуляции фазы нет необходимости использовать высокую частоту управляющего сигнала и использовать линию задержки за счет того, что при подаче напряжения одной полярности на двух соседних каналах разветвителя возникает разноименная модуляция показателя преломления для «быстрой» оси волновода. При этом компенсации фазы для прошедшего туда и обратно отраженного сигнала не возникает. Помимо этого, поскольку на фарадеевском вращателе происходит поворот поляризации на 90 градусов, то для света, прошедшего до зеркала и обратно, происходит удвоение амплитуды модуляции, что позволяет использовать пониженные уровни напряжения для модуляции света.Thus, the above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of the technical result, namely, that for modulating the phase there is no need to use a high frequency of the control signal and use the delay line due to the fact that when applying voltage of the same polarity to two adjacent channels of the splitter the opposite modulation of the refractive index arises for the “fast” axis of the waveguide. In this case, phase compensation does not occur for the reflected signal passed back and forth. In addition, since the polarization is rotated 90 degrees on the Faraday rotator, then for the light transmitted to the mirror and back, the modulation amplitude is doubled, which allows the use of lower voltage levels to modulate the light.

Claims (1)

Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее оптически соединенные деполяризованный низкокогерентный источник светового излучения, волоконный поляризатор, разветвитель, модулятор разности фаз, выполненный в виде интегрально-оптического канального волновода, размещенного на подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3, фарадеевский вращатель, чувствительный элемент, компенсационное волокно, зеркало, фотодетектор, причем выход деполяризованного низкокогерентного источника светового излучения соединен с входом волоконного поляризатора, выход которого соединен с входом модулятора разности фаз, отличающееся тем, что в устройство введены оптически соединенные волоконный изолятор, второй фотодетектор, второй волоконный поляризатор, первое подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением, второе подводящее оптическое волокно с двулучепреломлением, причем модулятор разности фаз выполнен двухканальным и состоит из двух одноканальных модуляторов разности фаз, разветвитель выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода Х-образной топологии с двумя входными и двумя выходными каналами, изготовленного по технологии диффузии титана и размещенного на вышеуказанной подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3 и образует с двухканальным модулятором разности фаз единую многофункциональную интегрально-оптическую схему, причем электроды одноканальных модуляторов разности фаз расположены параллельно друг другу на двух входных каналах разветвителя и являются первым и вторым входным портом многофункциональной интегрально-оптической схемы, причем центральные и наружные электроды одноканальных модуляторов разности фаз электрически соединены между собой соответственно, чувствительный элемент выполнен в виде канального интегрально-оптического волновода, изготовленного по технологии диффузии титана и размещенного на второй подложке из кристалла ниобата лития LiNbO3, выход источника светового излучения соединен с входом первого волоконного поляризатора, выход которого соединен с канальным интегрально-оптическим волноводом первого входного порта многофункциональной интегрально-оптической схемы, причем угол между оптическими осями выходного волокна первого волоконного поляризатора и канального интегрально-оптического волновода первого входного порта многофункциональной интегрально-оптической схемы составляет 45 градусов, ко второму входному порту многофункциональной интегрально-оптической схемы подключен вход компенсационного волокна, выход которого соединен с входом второго волоконного поляризатора, причем угол между оптическими осями волокон составляет 45 градусов, а выход второго волоконного поляризатора соединен с входом первого фотодетектора, первый выходной порт многофункциональной интегрально-оптической схемы соединен с входом первого подводящего оптического волокна с двулучепреломлением, второй выходной порт многофункциональной интегрально-оптической схемы соединен с входом волоконного изолятора, а его выход соединен с входом второго фотодетектора, выход первого подводящего оптического волокна с двулучепреломлением соединен с входом фарадеевского вращателя, выход которого соединен с входом второго подводящего оптического волокна с двулучепреломлением, выход которого соединен с входом чувствительного элемента, причем зеркало расположено на выходном торце чувствительного элемента, а длина компенсационного волокна рассчитывается по формуле:
Figure 00000004
,
где Δd - разность оптического хода между ортогональными модами, приобретенная за счет распространения света во втором подводящем оптическом волокне с двулучепреломлением и чувствительном элементе, Λ - длина биений оптических элементов, λc - центральная длина волны деполяризованного низкокогерентного источника светового излучения.
Fiber-optic device for measuring electric field strength, containing optically coupled depolarized low-coherent light source, fiber polarizer, splitter, phase difference modulator, made in the form of an integrated optical channel waveguide placed on a substrate of lithium niobate LiNbO 3 crystal, Faraday rotator, sensitive element, compensation fiber, mirror, photodetector, and the output of a depolarized low coherent light source is connected to the input of a fiber polarizer, the output of which is connected to the input of a phase difference modulator, characterized in that the device is equipped with optically coupled fiber insulator, a second photodetector, a second fiber polarizer, a first birefringent optical fiber, a second birefringent optical fiber, the phase difference modulator is made two-channel and consists of two single-channel phase difference modulators, the splitter is made in the form of a channel integrated optical Skog waveguide X-shaped topology with two input and two output channels, made according to the technology diffusion of titanium and disposed on said substrate of a crystal of lithium niobate LiNbO 3 and forms a two-channel phase difference modulator single multifunction integrated optic circuit, wherein the electrodes are single-channel phase difference modulators located parallel to each other on the two input channels of the splitter and are the first and second input port of a multifunctional integrated optical circuit, m the central and external electrodes of single-channel phase difference modulators are electrically interconnected, respectively, the sensitive element is made in the form of a channel integrated optical fiber waveguide made by titanium diffusion technology and placed on a second substrate of lithium niobate LiNbO 3 , the output of the light source is connected to the input the first fiber polarizer, the output of which is connected to the channel integrated optical waveguide of the first input port a non-optical circuit, the angle between the optical axes of the output fiber of the first fiber polarizer and the channel integrated optical waveguide of the first input port of the multifunctional integrated optical circuit is 45 degrees, the compensation fiber input is connected to the second input port of the multifunctional integrated optical circuit, the output of which is connected with the entrance of the second fiber polarizer, and the angle between the optical axes of the fibers is 45 degrees, and the output of the second fiber polar the isator is connected to the input of the first photodetector, the first output port of the multifunctional integrated optical fiber circuit is connected to the input of the first supplying optical fiber with birefringence, the second output port of the multifunctional integrated optical circuit is connected to the input of the fiber insulator, and its output is connected to the input of the second photodetector, the output of the first birefringent optical fiber connected to the input of the Faraday rotator, the output of which is connected to the input of the second optical fiber birefringent fiber, the output of which is connected to the input of the sensitive element, and the mirror is located on the output end of the sensitive element, and the length of the compensation fiber is calculated by the formula:
Figure 00000004
,
where Δd is the difference in the optical path between the orthogonal modes, acquired due to the propagation of light in the second birefringent optical fiber with a sensitive element, Λ is the beat length of the optical elements, λ c is the central wavelength of the depolarized low coherent light source.
RU2013136095/28A 2013-07-31 2013-07-31 Fibre-optic device for measurement of electric field intensity RU2539130C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013136095/28A RU2539130C1 (en) 2013-07-31 2013-07-31 Fibre-optic device for measurement of electric field intensity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013136095/28A RU2539130C1 (en) 2013-07-31 2013-07-31 Fibre-optic device for measurement of electric field intensity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2539130C1 true RU2539130C1 (en) 2015-01-10
RU2013136095A RU2013136095A (en) 2015-02-10

Family

ID=53281648

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013136095/28A RU2539130C1 (en) 2013-07-31 2013-07-31 Fibre-optic device for measurement of electric field intensity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539130C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579541C1 (en) * 2015-02-25 2016-04-10 Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" Voltage meter based on pockels effect
RU2796527C1 (en) * 2023-01-24 2023-05-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" Complex for non-destructive measurement of absorption saturation of optical materials

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1401406A1 (en) * 1984-08-25 1988-06-07 О.Л.Сокол-Кутыловский Method of measuring electric field strength
US6111416A (en) * 1996-05-31 2000-08-29 Rensselaer Polytechnic Institute Electro-optical and magneto-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation
US6670779B2 (en) * 2001-12-05 2003-12-30 Koninklijke Philips Electronics N.V. High power factor electronic ballast with lossless switching

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1401406A1 (en) * 1984-08-25 1988-06-07 О.Л.Сокол-Кутыловский Method of measuring electric field strength
US6111416A (en) * 1996-05-31 2000-08-29 Rensselaer Polytechnic Institute Electro-optical and magneto-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation
US6670779B2 (en) * 2001-12-05 2003-12-30 Koninklijke Philips Electronics N.V. High power factor electronic ballast with lossless switching

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579541C1 (en) * 2015-02-25 2016-04-10 Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" Voltage meter based on pockels effect
RU2796527C1 (en) * 2023-01-24 2023-05-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" Complex for non-destructive measurement of absorption saturation of optical materials

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013136095A (en) 2015-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2333498B1 (en) Sagnac interferometer-type fiber-optic current sensor
JPS5918923A (en) Birefringence measuring device
US9810964B2 (en) Electro-optic modulator having identical forward and backward electro-optic response
CN102645172A (en) Common-channel OCT (optical coherence tomography) ultra-large range space measurement system and method
JPS59171819A (en) Optical fiber hydrophone
JP2619981B2 (en) Electromagnetic field strength measuring device
US6285182B1 (en) Electro-optic voltage sensor
CN105137147B (en) Optical voltage measuring device
Chu et al. Optical voltage sensors based on integrated optical polarization-rotated reflection interferometry
US8730481B2 (en) Sagnac optical ingredient-measuring apparatus with circular polarizers in parallel
RU2539130C1 (en) Fibre-optic device for measurement of electric field intensity
US6930475B2 (en) Method for the temperature-compensated, electro-optical measurement of an electrical voltage and device for carrying out the method
US10877076B2 (en) Fiber-optic current sensor with tolerance to connector misalignment
RU2762530C1 (en) Interferometric fiber-optic gyroscope
JP4092142B2 (en) Photovoltage measuring device, electric power or electric energy measuring device, and electrical equipment protection system
RU2539114C1 (en) Fibre-optic voltage meter
JPS63118624A (en) Optical fiber measuring device and method
RU2579541C1 (en) Voltage meter based on pockels effect
JP3357734B2 (en) Optical sensor
RU166908U1 (en) INTEGRAL OPTICAL MODULATOR FOR FIBER OPTICAL GYROSCOPE
RU2783392C1 (en) Method for suppressing polarization amplitude-frequency noise in anisotropic fiber-optical sensors
JPH0237545B2 (en) HIKARINYORUDENKAI * JIKAISOKUTEIKI
JPS59166873A (en) Optical applied voltage and electric field sensor
EP3772654A1 (en) Optical voltage sensing device
RU194557U1 (en) Optical sensor for measuring electric potential difference