CN104407235A - 基于Kerr效应的电场无源测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括：一激光器；一第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接；一偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接；一电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接；一第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接；一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接；一第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接；一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接；一同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接；一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接。本发明具有测量范围大、抗干扰性强、探头无源化和体积小的优点，晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简单，有利于降低成本和工艺难度。

Description

基于Kerr效应的电场无源测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，属于电场测量技术领域。 

背景技术

电场测量长期以来一直受到人们的关注，早期的电场测量系统主要采用分立的光学器件，基于电光晶体的Pockels效应来测量电场强度。但是这种测量系统是由分立的光学器件组成，结构复杂体积较大稳定性也不好，光路不容易被控制且易受到外界条件干扰，导致测量电场时误差较大。 

后来，随着光通信技术的迅猛发展和集成光学制作工艺的不断成熟，出现了基于电光集成的有源积分式电场传感器，这使得电场传感器的整体性能得到了大幅提升。但这类传感器需要对其探头部分进行供电，以完成电光信号的转换。考虑到电池的体积和容量，这就导致电场传感器在小型化设计上无法取得更大突破，同时也限制了电场传感器的连续工作时间，而且在实际应用中更换电池也存在诸多不便。另外，在对传感器探头部分供电时，可能会引入电磁干扰，对所测电场造成一定影响，使得测量电场时出现较大误差。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，具有测量范围大、抗干扰性强、探头无源化和体积小的优点，晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简单，有利于降低成本和工艺难度。 

本发明提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括： 

一激光器，其用于发出处于某种偏振状态的探测光； 

一第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振状态； 

一偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接，用于调制所述探测光的偏振态； 

一电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接，其利用Kerr效应，通过感应天线探测空间电场，所述电场传感器无须电源供电，可以实现无源测量； 

一第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接； 

一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接，用于检测所述探测光通过电场传感器的变化； 

一第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接； 

一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接，接收所述第三保偏光纤输出的经过检偏器检测的探测光信号，并转变为电信号； 

一同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接； 

一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接，对接收数据进行处理，通过面板实时显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。 

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果： 

从材料选择而言，只有少部分晶体材料具有Pockels效应，但几乎所有光学晶体材料都具有电光Kerr效应，包括某些液体介质，所以晶体调制器的制造材料可选择性更广。而且，一般晶体的Kerr电光系数较小，所以测量范围更大。 

由于存在弹光效应、压电效应及热光效应，会导致某些晶体材料的性能受温度影响较大。但通过选择合适点群的晶体材料，晶体尺寸可以消除或降低温度对晶体材料性能的影响。 

光信号传输的介质为保偏光纤，具有抗干扰性强、低损耗、成本低、电绝缘等优点，同时还能保证探测光的偏振态不变。 

电场传感器中感应天线为偶极子天线，其具有辐射能力较强、制造简单、成本低、防静电且适宜阻抗匹配等优点。感应天线感应出空间电场信号并经金属电极作用于晶体调制器上下表面产生电势差，使得晶体发生Kerr效应，折射率发生变化，进而影响到晶体调制器中光波导中所述探测 光的偏振态发生改变。晶体调制器中光波导由SiO2制成，具有低损耗的优点。 

电场传感器无须供电，可以实现无源测量，且对被测点电场影响小，使得测量结果更接近于真实值。晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简单，有利于降低成本。 

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，现结合附图及实施例对其做进一步的详细说明，其中： 

图1是本发明的结构示意图。 

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括： 

一激光器1，其用于发出处于某种偏振状态的探测光，所述激光器1是半导体激光器或光纤激光器； 

一第一保偏光纤2，其一端与激光器1的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振状态，所述第一保偏光纤2为高双折射熊猫型保偏光纤； 

一偏振控制器3，其输入端与第一保偏光纤2的另一端连接，用于调制所述探测光的偏振态，所述偏振控制器3为铌酸锂晶体，其是半导体聚合物或电光有机聚合物。激光器1发出处于偏振状态的探测光，所述探测光通过第一保偏光纤2传输，但在传输过程中由于受到弹光效应等效应的影响，所述偏振光的偏振态会发生一定的改变，第一保偏光纤2的偏振保持能力下降。所以，在所述探测光耦合进入电场传感器4之前须经过偏振控制器3的调制。； 

一电场传感器4，其一端与偏振控制器3的输出端连接，所述电场传感器4无须电源供电，可以实现无源测量。所述电场传感器4包括晶体调制器41、光波导42、两个金属电极43和感应天线44，所述光波导42位于晶体调制器41中心。所述感应天线44与两个金属电极43连接。所述晶体调制器41是非中心对称的晶体。所述金属电极43是合金电极，与晶 体调制器41上下表面相连。所述感应天线44是偶极子天线。所述光波导42的材料为二氧化硅，形状为矩形，或是聚合物光波导。感应天线44感应出空间电场，通过金属电极43作用在晶体调制器41上下表面形成电势差。根据克尔效应，晶体的折射率会发生改变，从而对光波导42中的光信号进行调制。； 

一第二保偏光纤2’，其一端与电场传感器4的另一端连接，所述第二保偏光纤2’为高双折射熊猫型保偏光纤； 

一检偏器5，其输入端与第二保偏光纤2’的另一端连接，用于检测所述探测光经过电场传感器4的变化，所述检偏器5由尼科耳棱镜制成，或是格兰棱镜。由于克尔效应，探测光经过传感器4后偏振态会发生改变，这种变化经过第二保偏光纤2’传输被检偏器5侦测到，； 

一第三保偏光纤2”，其一端与检偏器5的输出端连接，所述第三保偏光纤2”为高双折射熊猫型保偏光纤； 

一光电探测器6，其输入端与第三保偏光纤2”的另一端连接，接收所述第三保偏光纤2”输出的通过检偏器5检测的探测光信号，将所述探测光信号的变化转变为相应电信号的变化，所述光电探测器6为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟或硅基材料制成。检偏器5检测到探测光的变化后经第三保偏光纤2”传输至光电探测器6，因为偏振态的变化影响探测光的光强，光强的改变被光电探测器6捕获，所以光电探测器6通过对光强的监测，根据相关公式能够计算出探测光的相位改变值并将其通过同轴电缆7传输至数据处理系统8。光强与相位关系：I_in是输入光功率，是加电压后所述探测光的相位改变，是光波导固有相位改变，可以在不加电场时测出； 

一同轴电缆7，其一端与光电探测器6的输出端连接； 

一数据处理系统8，其一端与同轴电缆7另一端连接，对接收数据进行处理，通过面板实时显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。数据处理系统8中的信号处理电路接收到光电探测器6通过同轴电缆7传输的相位改变信号，根据相位与电场强度的关系计算出电场强度值。相位 与电场强度关系：n₀是制作晶体调制器的材料折射率，S₁₁，S₁₂是晶体的电光克尔系数，l是所述探测光在晶体中传输的长度。 

至此，已经结合附图对本发明基于Kerr效应的电场无源测量装置进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于Kerr效应的电场无源测量装置有了清楚的认识。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括：

一激光器，其用于发出处于某种偏振状态的探测光；

一第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振状态；

一偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接，用于调制所述探测光的偏振态；

一电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接，其利用Kerr效应，通过感应天线探测空间电场，所述电场传感器无须电源供电，可以实现无源测量；

一第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接；

一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接，用于检测所述探测光通过电场传感器的变化；

一第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接；

一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接，接收所述第三保偏光纤输出的经过检偏器检测的探测光信号，并转变为电信号；

一同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接；

一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接，对接收数据进行处理，通过面板实时显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。

2.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述激光器是半导体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述电场传感器包括晶体调制器、光波导、两个金属电极和感应天线，所述光波导位于晶体调制器中心，所述感应天线与两个金属电极连接，所述金属电极位于晶体调制器上下表面。

4.根据权利要求3所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述晶体调制器是非中心对称的晶体；所述光波导的材料为二氧化硅，形状为矩形，或是聚合物光波导；所述金属电极是合金电极；感应天线是偶极子天线。

5.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述第一、第二和第三保偏光纤为高双折射熊猫型保偏光纤。

6.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述偏振控制器为铌酸锂晶体，其是半导体聚合物或电光有机聚合物。

7.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述检偏器由尼科耳棱镜制成，或是格兰棱镜。

8.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟或硅基材料制成。

9.根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述数据处理系统包括：信号处理电路、面板显示及通讯模块。