CN103278310B - 一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置及方法，属于光纤电流互感器的技术领域。本发明的装置包括宽谱光源、偏振器、1/4波片和偏振分束器，1/4波片一端以角度α与偏振器的输出尾纤对轴熔接，另一端与偏振分束器的输入尾纤以角度β对轴熔接。本发明方法中，宽谱光源发出的光经偏振器起偏为线偏光，经1/4波片分解为两束正交的线偏光，两束线偏光在偏振分束器的输入尾纤处分别分解为两束正交的线偏光，两束在快轴发生干涉，两束在慢轴发生干涉，通过测量偏振分束器两输出尾纤的干涉光强，解算1/4波片的相位延迟。本发明可通过实验数据建立更加精确的光纤1/4波片相位延迟温度特性模型，提高光纤电流互感器的测试精度。

Description

一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置及方法

技术领域

本发明属于光纤电流互感器的技术领域，具体涉及一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置及方法。

背景技术

与传统电磁感应式电流互感器相比，全光纤电流互感器具有绝缘性能好、重量轻、没有磁致饱和危险、以及测量范围大、响应频带宽等优点，从而在近二十几年中得到了较大的发展。当前，制约光纤电流互感器实用化主要原因是其全温范围内（-40～60℃）电流比精度不够高，系统长期运行稳定性能有待改善等等。而λ/4光纤波片位相差误差的温度稳定性又是影响互感器电流比精度最主要因素之一。

1/4波片是光纤电流互感器的关键器件之一，由于1/4波片位相差误差的温度特性，会造成光纤电流互感器的尺度因子在温度条件下发生变化。利用1/4波片的温度特性可以对互感器的尺度因子进行修正，从而提高光纤电流互感器的测试精度。同时，利用1/4波片的温度特性也可以实现传感头温度的非接触测量，实现维尔德常数的在线补偿。但是目前由于1/4波片相位误差的温度特性模型的建立都是根据理论推导，没有可行的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量方法，无法建立更加准确的误差模型，从而影响光纤电流互感器的测量精度。

发明内容

针对现阶段没有可行的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量方法，无法建立更加准确的误差模型，本发明提出了一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置及方法。同时，本发明还消除了光功率波动的影响，理想情况下相位延迟为π/2，恰好位于干涉光强曲线的正交工作点上，保证了测试系统对波片相位延迟变化的检测灵敏度。

本发明提供的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置，包括宽谱光源、偏振器、1/4波片和偏振分束器。宽谱光源发出的光经偏振器起偏变为线偏光；1/4波片的一端以角度α与偏振器的输出尾纤对轴熔接，经偏振器产生的线偏光在1/4波片中被分解为两束正交的线偏光，两束正交的线偏光分别沿1/4波片的快轴和慢轴传输；1/4波片的另一端与偏振分束器的输入尾纤以角度β对轴熔接，1/4波片中传输的两束线偏光又分别分解为两束正交的线偏光；4束线偏光输入偏振分束器，在偏振分束器中，其中两束线偏光在快轴发生干涉，另外两束线偏光在慢轴发生干涉，通过测量偏振分束器两输出尾纤的干涉光强，解算出1/4波片的相位延迟。

本发明提供的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量方法，基于所述的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置，具体是:

获得偏振分束器两输出尾纤的干涉光强I₁和I₂，且干涉光强I₁和I₂表示为:

I₁＝cos²αcos²β+sin²αsin²β-2cosαsinαcosβsinβcosδ_r

I₂＝cos²αsin²β+sin²αcos²β+2cosαsinαcosβsinβcosδ_r

其中，δ_r表示1/4波片的相位延迟;

设比值η为： $\mathrm{\η}=\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}{K}_1+K_2\cos {\mathrm{\δ}}_r;$

中间参数K₁=-cos2αcos2β，K₂=sin2αsin2β；通过测定η得到δ_r。

本发明可以通过实验数据建立更加精确的光纤1/4波片相位延迟温度特性模型；对光线电流互感器的尺度因子修正得更加精确；同时，利用1/4波片的温度特性也可以实现传感头温度的非接触测量，使维尔德常数的在线补偿更加精确，从而进一步提高光纤电流互感器的测试精度。同时，本发明还消除了光功率波动的影响；理想情况下相位延迟为π/2，恰好位于干涉光强曲线的正交工作点上，保证了对1/4波片相位延迟变化的检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置，包括宽谱光源11、偏振器12、1/4波片13和偏振分束器（PBS）14。图1所示的实施例中宽谱光源11选用SLD。SLD11发出的光经偏振器12起偏变为线偏光，被测1/4波片13的一端以角度α与偏振器12的输出尾纤对轴熔接，于是偏振器12产生的线偏光在1/4波片13中被分解为两束正交的线偏光，两束正交的线偏光分别沿1/4波片13的快轴和慢轴传输。1/4波片13的另一端与偏振分束器14的输入尾纤以角度β对轴熔接，1/4波片13中传输的两束线偏光又分别分解为两束正交的线偏光。这样在PBS14的输入尾纤中共有4束线偏光，其中两束线偏光在PBS14的快轴发生干涉，另外两束线偏光在PBS14的慢轴发生干涉。通过光功率计15测量PBS14两输出尾纤的干涉光强，可以解算出1/4波片13的相位延迟角度δ_r。1/4波片13置于保温箱中。

光源不一定是SLD光源，可以是任何宽谱光源，且可以是任何波长光源。起偏器不限于光纤起偏器、集成起偏器，也可以是其它各种起偏器。

本发明提供的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量方法，基于所述的光纤1/4波片相位延迟温度特性测量装置，具体通过如下过程获得1/4波片13的相位延迟δ_r。

通过各光学器件的琼斯矩阵模型，可以得到PBS14两输出端口光场的琼斯矢量E_out1,2：

E_out1,2＝L_ps1,2L_βL_rL_αL_pE_in(1)

其中， $E_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$ 表示SLD11输出光的琼斯矢量，E_x和E_y分别表示正交方向x轴和y轴上的分量； $L_p=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ 表示偏振器12的琼斯矩阵；两个熔点的琼斯矩阵分别为 $L_{\mathrm{\α}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]$ 和 $L_{\mathrm{\β}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right];$ $L_r=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{{\mathrm{i\δ}}_r}\end{array}\right]$ 表示1/4波片13的琼斯矩阵，δ_r表示1/4波片相位延迟角度，i是虚数单位；PBS14两输出端口对应的琼斯矩阵分别为： $L_{\mathrm{ps}1}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ 和 $L_{\mathrm{ps}2}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$ PBS14的1、2两端口的干涉光强I₁和I₂分别为：

I₁＝cos²αcos²β+sin²αsin²β-2cosαsinαcosβsinβcosδ_r(2)

I₂＝cos²αsin²β+sin²αcos²β+2cosαsinαcosβsinβcosδ_r(3)

令比值η为：

$\mathrm{\η}=\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}=K_1+K_2\cos {\mathrm{\δ}}_r---\left(4\right)$

其中，中间参数K₁=-cos2αcos2β，K₂=sin2αsin2β。根据PBS14输入尾纤的快、慢轴与两输出尾纤的对应关系即可确定I₁、I₂与两输出尾纤的对应关系，比值η与1/4波片13相位延迟角度δ_r为一一对应关系，通过测定η即可得到δ_r。同时，式(4)的运算还消除了光功率波动的影响。理想情况下δ_r=π/2，恰好位于干涉光强曲线的正交工作点上，保证了测试系统对波片相位延迟变化的检测灵敏度。

式(4)中K₂表示比值η相对于相位延迟δ_r变化的灵敏度，K₂越大，η随δ_r变化越明显，K₂由对轴角度α和β决定，当α=β=45°或135°时，K₂最大，K₂=1，K₁=0，此时：

δ_r＝cos^-1η(5)

由上述方法可确定1/4波片的相位延迟δ_r，从而实现对光线电流互感器的尺度因子更加精确地修正，从而进一步提高光纤电流互感器的测试精度。

Claims (1)

1.一种光纤1/4波片相位延迟温度特性测量方法，其特征在于，基于如下测量装置：

所述测量装置包括宽谱光源、偏振器、1/4波片和偏振分束器；宽谱光源发出的光经偏振器起偏变为线偏光；1/4波片的一端以角度α与偏振器的输出尾纤对轴熔接，经偏振器产生的线偏光在1/4波片中被分解为两束正交的线偏光，两束正交的线偏光分别沿1/4波片的快轴和慢轴传输；1/4波片的另一端与偏振分束器的输入尾纤以角度β对轴熔接，1/4波片中传输的两束线偏光又分别被分解为两束正交的线偏光；4束线偏光输入偏振分束器，在偏振分束器中，其中两束线偏光在快轴发生干涉，另外两束线偏光在慢轴发生干涉；

所述测量方法具体是：

测量获得偏振分束器两输出尾纤的干涉光强I₁和I₂，且干涉光强I₁和I₂表示为：

I₁＝cos²αcos²β+sin²αsin²β-2cosαsinαcosβsinβcosδ_r

I₂＝cos²αsin²β+sin²αcos²β+2cosαsinαcosβsinβcosδ_r

其中，δ_r表示1/4波片的相位延迟；

设比值η为： $\mathrm{\η}=\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}=K_1+K_2\cos {\mathrm{\δ}}_r;$

中间参数K₁＝-cos2αcos2β，K₂＝sin2αsin2β；

通过测定η得到δ_r。