CN103308783B - 基于dfb激光器的光学晶体电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，按照光线输出输入顺序依次包括DFB激光器（2），1/4λ玻片（3），Pockels晶体（4），检偏器（5），电探测器（6）和光电前置放大器（7）。本发明的作用是DFB激光器光功率高，极大降低成本和降低制作难度，偏振模式噪声会大幅度降低，无须光纤耦合，避免了由轻微抖动引起的功率噪声和偏振模式噪声，由于使用相对噪声强度极低的DFB激光器作为光源，因此可探测的电场强度灵敏度非常高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器。
背景技术
通常基于Pockels电光效应的电场传感器使用的光源是无偏振或低偏振度的例如LED或VCSEL，通过准直器件将光从光纤内耦合到空间中，经过高消光比的偏振器件使该空间光成为线偏振光，之后经过偏振相位延迟器件以及具有Pockels效应的电光晶体感应外界电压/电场信号，该电场/电压信号对偏振相位进行调制。相位调制的结果经通过检偏器形成偏振光干涉输出，输出光强度将和电场/电压的调制信号相关，并且在一定范围内具有良好的线性关系，因此可以实现空间电场的测量。
这类无偏振或低偏振的光源耦合到光纤内之后光功率微弱，再经过传感器内起偏器和检偏器的损耗后更加微弱，因此在探测器接收端前置光电转换的跨阻放大器增益必须很大，由于探测器前置放大器的增益带宽积的限制，基于以上光源的光学晶体传感器无法实现高频信号的探测，另外在光路中必须加入起偏器等偏振光学器件，耦合难度大，成本高且制作工艺复杂。
由于这类低功率光源功率相对噪声强度较低，光源噪声会对电场调制信号造成干扰；另外这类光源往往具有一定的偏振模式噪声，这些都将影响电场强度测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，解决现有传感器的导致无偏振或低偏振的光源耦合功率微弱，而探测器前置放大器的增益带宽积的限制，无法实现高频信号探测的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，按照光线输出输入顺序依次包括
-DFB激光器：DFB激光器作为光源，其内装有自动功率控制和自动温度控制电路，具有两个方向相互垂直的偏振，并且两个偏振方向的偏振度差别在20dB以上；
-1/4λ玻片：1/4λ玻片的光轴方向与DFB激光器的光轴方向互成45°角；
-Pockels晶体：检测光的相位差反应出电场强度；
-检偏器：检偏器输出光线方向与DFB激光器发射光线方向相互垂直；
-光电探测器：将光信号转换成电信号；
-光电前置放大器：对电信号进行放大以获得适当幅度的电信号。
所述DFB激光器内安装有准直透镜。DFB激光器(2)采用空间准直的方式输出，耦合距离在10cm以上，光斑直径大小低于1mm；检偏器(5)、1/4λ玻片(3)和Pockels晶体(4)相互之间距离不超过2mm，通光面抛光处理并且镀增透膜，反射率低于1％，入射光角度和通光面的法线方向成5°夹角。
更进一步的技术方案是，所述DFB激光器内安装有制冷器和空间准直装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，DFB激光器光功率高，光路插入损耗低，接收端光信号放大增益要求低，因此致使本发明的频带宽度极高，同时DFB激光器和1/4λ玻片的配合，无须使用起偏器，可以极大降低成本和降低制作难度；由于DFB激光器的功率/电流线性度好且线性范围宽，易于调制，可以通过加入调制信号进一步提高测量精度和稳定性，而且由于DFB激光器具有非常稳定的偏振方向，因此在此系统中的偏振模式噪声会大幅度降低。
2，本发明无须光纤耦合，避免了由轻微抖动引起的功率噪声和偏振模式噪声。
3，由于使用相对噪声强度极低的DFB激光器作为光源，因此可探测的电场强度灵敏度非常高。
附图说明
图1为本发明基于DFB激光器的光学晶体电场传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明基于DFB激光器的光学晶体电场传感器的一个实施例：一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，按照光线输出输入顺序依次包括
-DFB激光器2：DFB激光器作为光源，其内装有自动功率控制和自动温度控制电路1，具有两个方向相互垂直的偏振，并且两个偏振方向的偏振度差别在20dB以上；
-1/4λ玻片3：1/4λ玻片的光轴方向与DFB激光器的光轴方向互成45°角；
-Pockels晶体4：检测光的相位差反应出电场强度；
-检偏器5：检偏器输出光线方向与DFB激光器发射光线方向相互垂直；
-光电探测器6：将光信号转换成电信号；
-光电前置放大器7：对电信号进行放大以获得适当幅度的电信号。
在上述实施例中，两个偏振方向的偏振度差别越高越好，但是随着偏振隔离度的增加，价格显著提升，所以定在偏振度20dB以上即可。
Pockels效应又称线性电光效应，指折射率的变化与外加场强成正比如压电晶体，某些物质在电场中会产生感应双折射，感应双折射的大小正比与电场强度。Pockels效应为线性效应，只存在于某些不具有对称中心的晶体。具有Pockels效应的晶体称为Pockels晶体。当入射光沿晶体光轴入射，不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，加电场后，晶体感生双折射，光的相位发生变化，通过检测相位差可以反映电场强度。
因为于Pockels晶体对电场的改变幅度很小，因此输出光信号的幅度也很低。使用高增益，高信噪比的光电前置放大器对该信号进行放大，以获得适当幅度的电信号。该前置放大器还必须有足够的带宽来保证高频光信号的光电转换。
根据本发明基于DFB激光器的光学晶体电场传感器的另一个实施例，由于无源光学器件之间都是平行放置，端面之间相互平行，其间的反射会形成干涉影响光功率稳定。为了减少元件表面的反射，在Pockels晶体4和检偏器5之间还安装有增透膜8。
根据本发明基于DFB激光器的光学晶体电场传感器的另一个实施例，所述DFB激光器2内安装有准直透镜9，准直透镜9主要用于将DFB激光器输出光耦合到空间中以很小的发散角沿直线传播的。
根据本发明基于DFB激光器的光学晶体电场传感器的另一个实施例，所述DFB激光器2内安装有制冷器和空间准直装置。
在上述各实施例中，1/4λ玻片的定义为：凡能使o光和e光产生λ/4附加光程差的波片称为四分之一波片。若以线偏振光入射到四分之一波片，且θ＝45°，则穿出波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。
在本发明中中，DFB激光器不使用尾纤耦合，而是采用的空间准直的方式输出，耦合效率比尾纤耦合方式提高大约3倍。耦合距离应保证在10cm以上，光斑直径大小低于1mm。无源光学器件：检偏器、1/4λ玻片和Pockels晶体相互之间距离不超过2mm，通光面需要抛光处理并且镀增透膜，要求反射率低于1％，入射光角度和通光面的法线方向成5°夹角以避免干涉。
本发明中进入光电探测器的光强度和Pockels晶体内部平行，与其感应主轴方向的电场强度分量线性相关，并且由于DFB激光器的功率可以达到毫瓦级，光路上的固有损耗由于减少了起偏器的使用可以达到-3dB，仅此进入光电探测器的光功率可以达到100uW以上，并且具有很高的信噪比，电路上很容易实现100MHz，信噪比在30dB以上的光电转换。
Claims (2)
1.一种基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，其特征在于：按照光线输出输入顺序依次包括
-DFB激光器(2)：DFB激光器作为光源，其内装有自动功率控制和自动温度控制电路(1)，具有两个方向相互垂直的偏振，并且两个偏振方向的偏振度差别在20dB以上；
-1/4λ玻片(3)：1/4λ玻片的光轴方向与DFB激光器的光轴方向互成45°角；
-Pockels晶体(4)：检测光的相位差反应出电场强度；
-检偏器(5)：检偏器输出光线方向与DFB激光器发射光线方向相互垂直；
-光电探测器(6)：将光信号转换成电信号；
-光电前置放大器(7)：对电信号进行放大以获得适当幅度的电信号；
所述DFB激光器(2)内安装有准直透镜(9)；DFB激光器(2)采用空间准直的方式输出，耦合距离在10cm以上，光斑直径大小低于1mm；检偏器(5)、1/4λ玻片(3)和Pockels晶体(4)相互之间距离不超过2mm，通光面抛光处理并且镀增透膜，反射率低于1％，入射光角度和通光面的法线方向成5°夹角。
2.根据权利要求1所述的基于DFB激光器的光学晶体电场传感器，其特征在于：所述DFB激光器(2)内安装有制冷器和空间准直装置。
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