CN102520264A - 基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的电场传感器及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的光纤电场传感器及其测量系统，传感器包括拉锥光纤和电光晶片，其中，拉锥光纤由单模光纤经拉锥工艺制成，拉锥区中间部分较细，形成腰区，该拉锥光纤通过腰区与电光晶片粘结成电场传感器。本发明传感器结构在待测电场的作用下，电光晶体折射率发生变化，从而引发传感器的中心耦合波长发生改变。此时，使用窄带光作为输入光源，探测器探测到的输出光功率将产生相应的变化。实验证明微小的波长变化将导致较大的光功率的变化，从而解决了耦合波长微小变化的高灵敏度检测问题。
Description
技术领域
本发明属于空间电场测量领域，特别是一种基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的电场传感器及测量系统。
背景技术
目前电场的测量装置主要有以下几种：
(1)目前发展较为成熟的电场传感器为球形电场传感器。传感器部分为金属导体。存在体积大、影响待测电场分布、抗干扰能力差等缺陷。
(2)光学类电场传感器的主要优点：体积小，抗电磁干扰能力强，对待测电场分布无影响，响应速度快，可用于高频电场的测量等。基于电光效应的电场检测系统，目前主要有基于电光效应由分立式光学器件构建的测量系统；基于电致伸缩效应的电场检测系统；以及集成光波导型电场检测系统。目前的光学类电场传感器普通存在的缺点是制作工艺复杂、调试困难、系统稳定性差，其中基于电致伸缩效应的传感系统可测的频率范围极为有限，因而限制了其在实际场合中的应用。集成光波导型电场传感器由于制作工艺复杂，距离实用化尚有一定差距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、低成本、频率特性优良、接入损耗小且灵敏度高的基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的电场传感器及测量系统。
本发明一种基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的光纤电场测量系统，包括拉锥光纤和电光晶片，其中，拉锥光纤由单模光纤经拉锥工艺制成，拉锥光纤的中间部分较细，形成腰区，该拉锥光纤通过中间的腰区与电光晶片粘结成电场传感器。
作为本发明的优选实施例，填充在拉锥光纤和电光晶片之间的介质材料的折射率低于拉锥光纤或电光晶体折射率。
一种包括上述电场传感器的光纤电场测量系统，包括依次连接的可调谐激光器、电场传感器、光电探测器、消噪电路、微弱信号检测电路、计算机；
作为本发明的优选实施例，所述可调谐激光器的光谱范围1525～1610nm，输出波长带宽～0.04nm，输出光功率大于5mW。
本发明基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的光纤电场测量系统至少具有以下优点：本发明将拉锥光纤的腰区与电光晶片粘结制成耦合结构，这样，在待测电场的作用下，电光晶体折射率发生变化，从而引发传感器的中心耦合波长发生改变。此时，使用窄带光作为输入光源，探测器探测到的输出光功率将产生相应的变化。实验证明微小的波长变化将导致较大的光功率的变化，从而解决了耦合波长微小变化的高灵敏度检测问题。
附图说明
图1为本发明测量系统的结构框图；
图2为本发明传感器的结构示意图；
图3为本发明耦合谐振图形及工作波长选择图。
具体实施方式
本发明提出一种基于拉锥光纤的耦合型电场测量系统。主要包括以下两方面内容：
(1)拉锥光纤-电光晶体耦合型的电场传感器的结构设计
本发明拉锥光纤-电光晶体耦合型的电场传感器由拉锥光纤与电光晶体薄片构成，具有体积小、工艺简单、光功率损耗小等优点。其中，拉锥光纤201由普通单模光纤通过成熟的拉锥工艺制成。并将拉锥光纤的腰区与电光晶片202粘结制成耦合结构。在待测电场的作用下，电光晶体折射率发生变化，从而引发传感器的中心耦合波长发生改变。
(2)与窄带探测光源相结合，构建高灵敏度电场检测系统
电场变化导致的拉锥光纤-电光晶体耦合波导波长变化较微弱。而光谱仪有限的波长分辨力和动态测试范围很难满足耦合波长的高灵敏度和宽动态范围的检测。为解决耦合波长高灵敏度检测问题，本专利采用一种高功率、窄带、中心波长可调激光源。该光源输出光波长固定在耦合波长线性变化区域内。光源输出光经过拉锥光纤201后，经高速光电探测器3转换，再经消噪电路4、微弱信号检测电路5送至计算机6进行分析处理。拉锥光纤201与电光晶体202发生谐振耦合，当耦合波长在待测电场的作用下发生改变时，探测器3探测到的光功率将产生相应的变化。实验证明微小的波长变化将导致较大的光功率的变化。从而解决了耦合波长微小变化的高灵敏度检测问题。
本发明波长可调谐激光器的可调谐光谱范围1525～1610nm，输出波长带宽～0.04nm，输出光功率大于5mW。
使用时，首先调节波长可调谐激光器输出波长，通过观察光电探测器输出值，将激光器输出波长固定在拉锥光纤-电光晶体线性耦合区内；接着，将基于拉锥光纤-电光晶体耦合结构的电场传感探头置于被测电场中，观察并记录探测器输出值，获得被测电场的大小。
本发明效果：
测量电场强度范围：0～100kV/m；
最小电场强度检测限：200V/cm；
电场测量频率范围：50Hz～100MHz。
本发明将拉锥光纤的腰区与电光晶片粘结制成耦合结构，这样，在待测电场的作用下，电光晶体折射率发生变化，从而引发传感器的中心耦合波长发生改变，此时，探测器探测到的光功率将产生相应的变化。实验证明微小的波长变化将导致较大的光功率的变化，从而解决了耦合波长微小变化的高灵敏度检测问题。
另外，拉锥光纤是由单模光纤经拉锥工艺制成，因此，加工非常简单。而且拉锥光纤与电光晶片之间的间距和填充介质可以根据需求非常方便的进行调整，当上述参数发生改变时，传感器特性将发生变化，测量系统的工作波长、测量范围、灵敏度都会随之改变，以适应不同场合的需求。而对于传统的传感器而言，一旦传感器结构确定下来，调整系统特性将会非常困难。
再者，本发明传感器填充在光纤和光电晶片之间的介质可以在光纤和电光晶片折射率以下做任何选择，因此，介质的选择余地更大。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的电场传感器，其特征在于：包括拉锥光纤(201)和电光晶片(202)，其中，拉锥光纤(201)由单模光纤经拉锥工艺制成，拉锥光纤的中间部分较细，形成腰区，该拉锥光纤通过腰区与电光晶片粘结成电场传感器。
2.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于：填充在拉锥光纤和电光晶片周围空间的介质材料，其折射率低于拉锥光纤或电光晶体折射率。
3.一种包括权利要求1所述的基于拉锥光纤-平板波导耦合结构的电场传感器的光纤电场测量系统，其特征在于：包括依次连接的可调谐激光器、电场传感器、光电探测器、消噪电路、微弱信号检测电路、计算机。
4.如权利要求3所述的光纤电场测量系统，其特征在于：所述可调谐激光器的光谱范围1525～1610nm，输出波长带宽～0.04nm，输出光功率大于5mW。
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