CN101806824B - 基于磁光非互易特性的mz干涉结构的电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器。它基于MZ干涉结构，由两个干涉臂分别连接分束器和合束器而成；在两根弯绕的光纤干涉臂中分别植入磁光材料覆盖层，两片磁光材料覆盖层植入的位置要保证光的传输方向平行相反。把非互易相移引入MZ结构，光在两光纤干涉臂传播产生的相位差是非互易、推挽方式工作的，受周围环境等因素(如温度、应力等)产生的互易相移量通过MZ干涉结构抵消。利用磁光材料的非互易特性，结合MZ结构的干涉特性，通过对结构参数的优化，可以实现高稳定性、高灵敏度的电流探测。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在对复杂环境下电流传感有广泛的应用前景和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学电流传感器，特别涉及一种基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器。
背景技术
现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，因此传感器、通信和计算机技术成为信息技术的三大支柱。各类传感器层出不穷，成为了对温度、应力、压力、电流和溶液折射率等物理量测量的重要工具。但这些传感器并非只对单一变量敏感，这就带来了一个多参量的相互干扰问题。如对电流测量时，温度、应力等的变化也会引起参照量的变化，这是所不希望的。一般情况下，往往是忽略温度和应力的影响，但是在需要精确测量，或在温度、应力等变化较大环境中测量时，则需采用有效手段来解决这个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器。基于MZ干涉结构，通过对磁光非互易量的测量，从而避免周围环境中互易量(如温度，应力等)影响，再通过磁光非互易量与电流的关系，实现高稳定性能的电流传感器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明它基于MZ干涉结构，由两个干涉臂分别连接分束器和合束器而成；其特征在于：在两根弯绕的光纤干涉臂中分别植入磁光材料覆盖层，两磁光材料覆盖层植入的位置要保证光的传输方向平行相反。
所述的两个磁光材料覆盖层的材料相同，几何尺寸相等。
所述的两根弯绕的光纤干涉臂总长度应相等，弯绕次数应相同。
测量时，根据MZ干涉原理，若两光纤干涉臂中存在相位差，在输出端输出时，输出强度由于干涉而发生变化。两光纤对称的置于电流的两侧，电流在对称的两侧产生的磁场方向相反，并使光场通过两干涉臂中有磁光材料覆盖层的方向相反，所以两光纤干涉臂中由于磁光效应导致的相位变化等大、反向。此时，光在两含磁光材料光纤干涉臂中传播时产生相位差是非互易的，以在两干涉臂产生的相移互为正负的推挽方式工作。由输出端强度的可以获得两光纤干涉臂的相位差，即磁光非互易相移，通过非互易相移与被检测电流的关系，最终达到检测电流的目的。
本发明具有的有益效果是：
本发明把非互易相移引入MZ结构，光在这两光纤干涉臂中传播时产生相位差是非互易的，只与引起磁光效应的被测电流有关，而且两光纤干涉臂是以推挽方式工作的，同时受周围环境等因素(如温度、应力等)产生的互易相移量通过MZ干涉结构抵消。利用磁光材料的非互易特性，结合MZ结构的干涉特性，通过对结构参数的优化，可以实现高稳定性、高灵敏度的电流探测。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在对复杂环境下电流传感有广泛的应用前景和应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是图1一个典型的结构示意图。
图3是图1另一个典型的结构示意图。
图4是图2中A-A剖面结构图。
图5是含磁光材料的光纤干涉臂结构图。
图6输出光场强度随电流变化的仿真图。
图中：1、分束器，2、两根含磁光材料的光纤干涉臂，3、合束器，4、覆盖磁光材料的光纤侧面抛光区，5、磁光材料覆盖层，6、被测电流。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括分束器1、两根含磁光材料的光纤干涉臂2、合束器3：分束器1将输入光场均分到两根含磁光材料的光纤干涉臂2A，2B的输入端，在两根含磁光材料的光纤干涉臂2A，2B中传输的光场由于磁光效应引起了不同的相移延迟，两根含磁光材料的光纤干涉臂2A，2B的输出端与合束器5连接，发生干涉。测量出干涉光场强度，便可得出两光纤干涉臂引起的相位差。光在这两光纤干涉臂中传播时产生相位差只与引起磁光效应的被测电流有关，根据它与被测电流的关系，构成电流传感器。
为实现相位差的非互易性，光在两根含磁光材料的光纤干涉臂中传输时产生的相移应互为正负以推挽方式工作。为实现推挽工作状态，应在两根弯绕的光纤干涉臂中分别植入磁光材料覆盖层，并且光在两磁光材料覆盖层部分传播方向应平行相反，两个磁光材料覆盖层的材料相同，几何尺寸相等；同时两根弯绕的光纤干涉臂总长度应相等，弯绕次数应相同。光纤的弯绕方式很多，图2，图3提供的仅是两例：分束器1将能量均分到两根含磁光材料的光纤干涉臂2的输入端，在两根含磁光材料的光纤干涉臂2中各有一段覆盖磁光材料的光纤侧面抛光区4，上面覆盖了磁光材料覆盖层5，光场通过覆盖磁光的光纤侧面抛光区4时传输方向相反，两根含磁光材料的光纤干涉臂2的输出端与合束器3连接，被测电流6平行置于两根含磁光材料的光纤干涉臂2间，与两磁光材料覆盖层5距离D相等。同时，两磁光材料覆盖层5应关于电流对称放置，并且磁光材料覆盖层5与覆盖磁光材料的光纤侧面抛光区4的接触面应与被测电流6产生环形磁场相切，如图4所示。
本发明的工作原理：
无外加磁光时，即无磁光效应，MZ干涉仪的两光纤干涉臂输入同样的光场，经过同样的传输长度L，输出端干涉光场为：Eout＝1/2E exp(jβL)+1/2E exp(jβL)其中Eout为输出光场强度，E为输入光场强度，β为光场传播常数。
将传感器的两光纤干涉臂对称地置于电流两侧，两光纤干涉臂受到大小相同、方向相反的磁场，同时光场通过覆盖磁光材料的侧面抛光光纤区域时方向相反，则光在两含磁光材料光纤干涉臂中传播时产生相位差是非互易、推挽方式工作的，即为光在单根含磁光材料光纤干涉臂正反向传播时产生的非互易相移。此时，MZ干涉仪的两光纤的输出光振幅不变，相位有延迟，输出端干涉光场为：
其中Eout nps为外加磁场时输出光场强度，Δβ为磁光非互易相移，S为磁光材料长度。对输出端干涉强度的变化，可以推出两光纤传输引起的相位差，即为磁光材料引起的非互易相移。
两光纤干涉臂对称置于电流两侧，两侧磁光材料与电流距离为均为D，则通过干涉光纤的磁场强度为
其中B为磁场强度，u0为真空磁导率，I为电流强度。在一般顺磁性或抗磁性等磁性介质中，法拉第旋转角与磁场强度的关系为θF＝Vd·B，其中θF为法拉第旋转角，Vd为维尔德常数。同时磁性材料中介电张量非对角元可由法拉第旋转角表示出ξ为介电张量非对角元，n0为磁光材料折射率，λ为输入光波长。由上述公式易得，介电张量非对角元与电流关系为
由微扰理论可得非互易相移公式
其中，Ey为电场强度。在通过光场基本不变的前提下，非互易相移Δβ与介电张量非对角元ξ成线性关系Δβ＝aξ，其中a为非互易相移Δβ与ξ比例关系。本结构中，磁光材料与光纤芯层距离确定，a的值也可确定。
综上所述，非互易相移与电流的关系为
其中b为非互易相移与电流的比例系数。选定磁光材料，磁光材料距电流的距离及磁光材料与光纤芯层距离，便可确定非互易相移与电流的比例系数b。获得了非互易相移与电流的关系，就可以由输出端干涉强度的变化推导出非互易相移，从而得到电流的变化，达到对电流探测的目的。
基于上述分析，对其特性做了数值仿真。选取如下参数：对一特定的磁光材料，维尔德系数Vd＝7000rad/T·m，长度S＝0.01m，确定磁光材料与光纤芯层距离，使获得较高的非互易相移，此时a＝300rad/mm。仿真在磁光材料距电流的距离D不同情况下，输出光强变化
随电流的变化情况，仿真结果如图6所示。磁光材料距电流的距离D＝10mm时对应实线，D＝8mm时对应虚线。对大电流的测试，调节两光纤干涉臂距电流的距离D，可以调整电流传感器的量程和灵敏度。对较小电流的测试，可在一臂先附加π/2相移，则可实现对小电流的测量。
考虑测试过程中互易量(温度、应力等)带来的影响。所谓互易量，即他们的变化与光场的传输方向无光。在此结构传感器中，两侧干涉光纤所处环境相同，结构完全对称，所受温度、应力等影响也应相同，对两侧光场同时引起相同的相位延迟β1，输出端光场为：
Eout＝1/2E exp[j(βL+β1L+ΔβS/2)]+1/2E exp[j(βL+β1L-ΔβS/2)]
可以发现，尽管外界环境中温度、应力等对两光纤干涉臂中光场分别引起了β1的相移，但在干涉端，由于相移相同，对输出光场强度的影响被抵消。所以这种基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器，将周围环境等因素(如温度、应力等)产生的互易相移量通过MZ干涉抵消，提高了传感器的稳定性与灵敏度。
本发明的实施关键步骤在于含磁光材料的光纤干涉臂的制作，可以由侧面抛光光纤覆盖磁光材料而成。光纤的侧面抛光技术已经很成熟，有多种方案实现，运用最为普遍的是凹槽嵌入抛光法和滚轮侧面抛光法。磁光材料的覆盖多采用溅射或键合，溅射产生的附加损耗较大，而键合则需要较清洁的表面条件。下面只列举一种实现方法：1、利用氧化工艺在Si片上氧化一层SiO2，2、利用光刻工艺在SiO2形成光刻胶图形，3、利用湿法腐蚀工艺腐蚀无光刻胶保护的SiO2，4、利用湿法腐蚀工艺腐蚀无SiO2保护的Si。根据Si的各相异性，可以在Si上刻蚀出需要的V型槽，V型槽表面宽度由所需的磁光材料距光纤芯层的距离确定。侧面抛光完成后，采用键合方式在光纤侧面抛光区键合上磁光材料，便得到所需的含磁光材料的光纤干涉臂，如图5所示。
Claims (1)
1.一种基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器，它基于MZ干涉结构，由两个干涉臂分别连接分束器和合束器而成；其特征在于：在两个弯绕的光纤干涉臂中分别植入磁光材料覆盖层，两磁光材料覆盖层植入的位置要保证光的传输方向平行相反；由于磁光效应在两干涉臂引起了不同的相移延迟，光在两个光纤干涉臂中传播时产生相位差只与引起磁光效应的被测电流有关，根据相位差与被测电流的关系，构成电流传感器；基于磁光非互易特性的MZ干涉结构的电流传感器，将周围环境中温度和应力产生的互易相移量通过MZ干涉抵消，提高了电流传感器的稳定性与灵敏度；
所述的两个磁光材料覆盖层的材料相同，几何尺寸相等；
所述的两个弯绕的光纤干涉臂总长度相等，弯绕次数相同。
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