CN103605005A - 一种基于双y波导的光电集成电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双Y波导的光电集成电场测量系统，属于电场测量技术领域，其中激光源的输出端通过输入单模光纤与铌酸锂Y波导电场传感器的输入端相连，铌酸锂Y波导电场传感器的输出端依次通过保偏光纤、铌酸锂Y波导电压调制器、输出单模光纤与探测器的输入端相连。探测器输出的电信号经处理器产生可调直流电源模块的控制信号及经处理器数学运算反推出待测电场信号，控制可调直流电源模块为铌酸锂Y波导电压调制器提供电压信号，形成闭环控制。本测量系统，结构简单降，降低了测量系统成本；实现传递函数各参数的现场标定，提高测量的准确性；实现静态工作点的反馈控制，克服温度对电场传感器静态工作点的影响，提高测量的稳定性。

Description

一种基于双Y波导的光电集成电场测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于双Y波导的光电集成电场测量系统，属于电场测量技术领域。

背景技术

电场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛的应用。

目前，关于光电集成电场传感器的研究早已在国内外展开研究，但是主要集中在马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉型光电电场传感器（申请号为：200610011963.7，发明名称为一种用于强电场测量的光电集成传感器的专利申请）和直波导共路干涉型电场传感器（申请号为：201210348311.8，发明名称为一种基于共路干涉的集成电场传感器的专利申请）。其缺点主要有三：一是系统中包含起偏器、检偏器等部件，系统结构复杂，搭建系统成本较高；二是传感器标定工作难以在测量现场实现，应用范围被限制于实验室环境中；三是传感器的静态偏置点

缺乏反馈控制，一旦温度等环境因数变化引起

变动，传感器静态工作点将偏离余弦函数线性段，测量系统失去最大的灵敏度和近似线性的输入输出传递函数特性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双Y波导的光电集成电场测量系统，将Y波导用作电场测量过程中的传感器，以简化测量系统的结构，降低测量系统成本；实现静态工作点的反馈控制，克服温度对静态工作点的影响，提高测量的稳定性和准确性。

本发明提出的基于双Y波导的光电集成电场测量系统，包括：

激光源，用于发出激光；

铌酸锂Y波导电场传感器，用于通过输入单模光纤接收一束激光，一束激光在铌酸锂Y波导电场传感器的作用下，转化为一横电波偏振模式的线偏振光，然后分解为两束等光功率相同偏振模式的线偏振光，在Y波导的两臂分别传播，铌酸锂Y波导电场传感器中的天线感应Z方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光产生调制作用，使Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率相同偏振模式的线偏振光在Y波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差，铌酸锂Y波导电场传感器通过输入单模光纤与激光源相连；

铌酸锂Y波导电压调制器，用于通过两根保偏光纤接收两束具有相位差的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在铌酸锂Y波导电压调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，铌酸锂Y波导电压调制器通过两根保偏光纤与铌酸锂Y波导电场传感器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连；

探测器，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号；

信号处理电路，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。

可调直流电源模块，用于通过电缆线接收信号处理电路输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导电压调制器。

本发明提出的双Y波导的光电集成电场测量系统，其优点是：其中的Y波导同时具有分束、合束，起偏、检偏、电场调制器等多种功能，当其应用于电场测量领域时，省去了传统电场测量系统中的起偏器和检偏器，简化了测量系统的复杂度，并降低了系统成本。并且，应用双Y波导，可实现传递函数各参数的现场标定，提高测量的准确性；通过铌酸锂Y波导电压调制器，将系统的静态工作点校正至π/2，克服了温度对电场传感器静态工作点的影响，提高了系统的稳定性，并使系统一直工作在最优状态，从而大大提高了本发明的电场传感器系统的电场测量灵敏度。

附图说明

图1为本发明提出的基于双Y波导的光电集成电场测量系统的结构示意图。

图1中，1是激光源，2是铌酸锂Y波导电场传感器，3是Y波导，4是天线，5是调制电极，6是铌酸锂（LiNbO₃）晶片，7是铌酸锂Y波导电压调制器，8是Y波导，9是加压电极，10是调制电极，11是铌酸锂（LiNbO₃）晶片，12是探测器，13是处理器，14是可调直流电源模块。

具体实施方式

本发明提出的基于双Y波导的光电集成电场测量系统，其结构如图1所示，包括：

激光源1，用于发出激光；

铌酸锂Y波导电场传感器2，用于通过输入单模光纤接收一束激光，一aaa束激光在铌酸锂Y波导电场传感器的作用下，转化为一横电波偏振模式的线偏振光，然后分解为两束等光功率相同偏振模式的线偏振光，在Y波导3的两臂分别传播，铌酸锂Y波导电场传感器中的天线感应Z方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光产生调制作用，使Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率相同偏振模式的线偏振光在Y波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差，铌酸锂Y波导电场传感器通过输入单模光纤与激光源相连；

铌酸锂Y波导电压调制器7，用于通过两根保偏光纤接收两束具有相位差的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在铌酸锂Y波导8电压调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，铌酸锂Y波导电压调制器通过两根保偏光纤与铌酸锂Y波导电场传感器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连；

探测器12，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号；

信号处理电路13，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。

可调直流电源模块14，用于通过电缆线接收信号处理电路输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导调制器。

本发明测量系统的工作原理是：激光源发出的一束激光经输入单模光纤，入射铌酸锂Y波导电场传感器，激光在铌酸锂Y波导电场传感器的作用下，转化为一横电波偏振模式的线偏振光，然后分解为两束等光功率相同偏振模式的线偏振光，在Y波导的两臂分别传播，铌酸锂Y波导电场传感器中的天线感应Z方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光产生调制作用，使Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率相同偏振模式的线偏振光在Y波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差，铌酸锂Y波导电压调制器通过两根保偏光纤接收这两束具有相位差的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束线偏振光的相位差两束光在Y波导调制器的Y分支的交点处发生干涉，生成的干涉信号经输出单模光纤传入光探测器进行光电转换，转换的电信号输入处理器处理，最终由处理器输出铌酸锂Y波导调制器的电压控制信号及根据电信号反推得到的待测电场信号。

本发明基于双Y波导的光电集成电场测量系统，在进行电场测量前，首先进行测量系统本身的标定和校正，以使测量系统在最佳状态下工作，保证测量系统的测量精确性和稳定性。

测量系统的传递函数如式1所示。

其中A为反映了激光源输出的光功率、光路损耗及探测器的光电转换系数；b为传感器的消光比，取决于保偏光纤与传感器中光波导的耦合工艺；为铌酸锂Y波导电场传感器的静态偏置点，取决于光波导的几何尺寸；E_π为传感器的半波电场，取决于传感器中铌酸锂晶体、天线及调制电极的几何尺寸；E为待测电场信号，V为探测器输出的电压信号，

为铌酸锂Y波导电压调制器为铌酸锂Y波导电场传感器附加的偏置，可表示为下式：

其中V_π为铌酸锂Y波导电压调制器的半波电压，取决于铌酸锂Y波导电压调制器中铌酸锂晶体及调制电极的几何尺寸；V_in为通过可调直流电源模块加载在铌酸锂Y波导电压调制器上的电压信号；为铌酸锂Y波导电压调制器为铌酸锂Y波导电场传感器附加的偏置。

在测量电场信号前，将传感器置于E=0V/m的环境（或通过将传感器罩在一个密闭铁盒里通过屏蔽的方法创造出一个E=0V/m的环境），此时系统传递函数如式3所示。通过处理器输出的控制信号控制可调直流电源模块，使得可调直流电源模块输出的电压值以一定间隔从0到V_π变动，可调直流电源模块输出的电压值提供给铌酸锂Y波导电压调制器，使得

从0到V_π变动。每变动可调直流电源模块一个电压值时，通过处理器记录下探测器的输出电压V，即传递函数的输出值V。根据传递函数（式3）的特征可以知道，从0到V_π变动时，探测器输出电压V总能取得一个最大值V_max和一个最小值V_min，如式4所示，并被信号处理电路记录。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\max }=A\·(1+b)\\ V_{\min }=A\·(1-b)\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据处理器记录的V_max和V_min，通过数学运算得到传递函数的A值和b值，如式5所示，并将A值和b值存储在处理器中，以备之后电场测量时反推出待测电场值，即实现了传感器系统的标定工作，标定过程不需要借助已有技术中标定工作所必须的平行板电极和较高电压幅值（通常在10kV以上）的电压源等设备。

$\left\{\begin{array}{c}A=[V_{\max }+V_{\min }]/2\\ b=[V_{\max }-V_{\min }]/[V_{\max }+V_{\min }]\end{array}\right.---\left(5\right)$

校正方法为：

通过处理器输出的控制信号控制可调直流电源模块，使得可调直流电源模块输出的电压值以一定间隔从0到V_π变动，可调直流电源模块输出的电压值提供给铌酸锂Y波导电压调制器，使得

从0到V_π变动，探测器的输出电压V也发生相应变动。每变动可调直流电源模块一个电压值时，通过处理器记录下探测器的输出电压V，并与处理器中存储的电压值V＝A＝[V_max+V_min]/2进行比较，当两者相等时，停止变动处理器输出的控制信号，记录并持续输出当前的控制信号值。由传递函数（式3）可知，当光探测器的输出值V＝A＝[V_max+V_min]/2，此时

系统的传递函数可以重写成式6，此时测量系统工作在最佳状态，即完成了传感器系统的校正工作。

$V=A\·[1+b\·\cos (\frac{E}{E_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(6\right)$

在传感器系统的标定和校正过程完成之后，即可将传感器置于待测电场下进行电场测量工作。电场测量方法为：

传感器系统的传递函数如式6所示，A，b两个参数已经存储在处理器之中，根据探测器输出值V即可通过处理器的数学运算反推出待测电场值E。

本发明的一个实施例中，所用的激光源1采用Sumimoto公司的激光源STL5411；铌酸锂Y波导电场传感器2的结构为：在铌酸锂（LiNbO₃）晶片6上表面采用钛金属扩散方法制备Y波导3，在光波导的两侧采用光刻方法加工出天线4和调制电极5，其中铌酸锂晶片的长度为20mm，宽度为10mm，厚度为1mm；铌酸锂Y波导电压调制器7采用北京浦丹光电技术有限公司的Y波导调制器GATV-15-10-0-A，其结构为：在铌酸锂（LiNbO₃）晶片11上表面采用钛金属扩散方法制备Y波导8，在光波导的两侧采用光刻方法加工出加压电极9和调制电极10；探测器12采用NewFocus公司的探测器1592；处理器13采用德州仪器公司的处理器TMS320C6472，可同时实现模数转换、比较器、数学运算等功能；可调直流电源模块14采用德州仪器公司的可调直流电源模块LM4041-N-Q1。

Claims (1)

1.一种基于双Y波导的光电集成电场测量系统，包括：

激光源，用于发出激光；

铌酸锂Y波导电场传感器，用于通过输入单模接收一束激光，一束激光在铌酸锂Y波导电场传感器的作用下，转化为一横电波偏振模式的线偏振光，然后分解为两束等光功率相同偏振模式的线偏振光，在Y波导的两臂分别传播，传感器中的天线感应Z方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光产生调制作用，使Y波导两臂中传播的两束等光功率相同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率相同偏振模式的线偏振光在Y波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差，铌酸锂Y波导电场传感器通过输入单模光纤与激光源相连；

铌酸锂Y波导电压调制器，用于通过两根保偏光纤接收两束具有相位差的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在铌酸锂Y波导电压调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，铌酸锂Y波导电压调制器通过两根保偏光纤与铌酸锂Y波导电场传感器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连；

探测器，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号；

信号处理电路，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。

可调直流电源模块，用于通过电缆线接收信号处理电路输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导调制器。

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