CN104459350A - 一种铌酸锂直波导电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铌酸锂直波导电场测量系统，属于电场测量技术领域。本发明测量系统，包括：用于发出激光的激光源，用于将激光器发出的激光转化为线偏振光，并将该线偏振光传入铌酸锂直波导电场传感器的输入单偏振光纤，用于感应待测电场的铌酸锂直波导电场传感器，用于接收从铌酸锂直波导电场传感器出射的椭圆偏振光，并将椭圆偏振光转化为线偏振光的输出单偏振光纤，以及用于将线偏振光信号转换成电压信号的探测器。本发明的铌酸锂直波导电场测量系统，舍去已有电场测量系统中的起偏器和检偏器，降低测量系统成本；简化测量系统的复杂度，显著提高测量系统的消光比。

Description

一种铌酸锂直波导电场测量系统

技术领域

本发明涉及一种铌酸锂直波导电场测量系统，属于电场测量技术领域。

背景技术

相比于传统的电学测量方法，光学测量方法因其具有对原场干扰小，频带响应宽，不易受环境电磁信号干扰等优点，在电力系统、高电压工程等领域受到越来越多的重视。

相比于其他结构的光电集成电场传感器，直波导结构类型的光电集成电场传感器具有更好的温度稳定性。已有直波导结构类型的光电集成电场传感器测量系统如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(申请号为：201210348311.8)或发明名称为准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器的专利申请(申请号为：201310076620.9)。两个专利申请中涉及的测量系统中，均还有起偏器或者检偏器；此外，系统器件繁多，这些器件在连接过程中因对准工艺误差将导致系统消光比降低。

单偏振光纤不仅具备保偏光纤的传播光信号的功能，还具备将部分偏振光转化为线偏振光的功能。目前，单偏振光纤主要应用于在光纤陀螺，高功率光纤激光器等方面，未见单偏振光纤应用于光学电场测量系统的先例。

发明内容

本发明的目的是提出一种铌酸锂直波导电场测量系统，简化已有测量系统的复杂度，舍去测量系统中的起偏器、检偏器，降低成本；减少系统中保偏光纤之间连接对准的环节，避免对准误差，显著提高测量系统的消光比。

本发明提出的铌酸锂直波导电场测量系统，包括：

激光源，用于发出激光；

输入单偏振光纤，用于将激光器发出的激光转化为线偏振光，并将该线偏振光传入铌酸锂直波导电场传感器，输入单偏振光纤连接于激光源和铌酸锂直波导电场传感器之间；

铌酸锂直波导电场传感器，用于感应待测电场，铌酸锂直波导电场传感器置于待测电场中；

输出单偏振光纤，用于接收从铌酸锂直波导电场传感器出射的椭圆偏振光，并将椭圆偏振光转化为线偏振光，输出单偏振光纤连接于铌酸锂直波导电场传感器和探测器之间；

探测器，用于将上述线偏振光信号转换成电压信号，该电压信号即为待测电场信号。

本发明提出的铌酸锂直波导电场测量系统，其优点是，在本发明的电场测量系统中，舍去了原有电场测量系统中的起偏器或检偏器，因此降低了整个电场测量系统的成本；并简化了电场测量系统的复杂度，明显提高测量系统的消光比。

附图说明

图1为本发明提出的新型铌酸锂直波导电场测量系统的结构示意图。

图1中，1是激光源，2是输入单偏振光纤，3是铌酸锂直波导电场传感器，4是输出单偏振光纤，5是探测器。

具体实施方式

本发明提出的铌酸锂直波导电场测量系统，其结构如图1所示，该测量系统包括：

激光源1，用于发出激光；

输入单偏振光纤2，用于将激光器发出的激光转化为线偏振光，并将该线偏振光传入铌酸锂直波导电场传感器，输入单偏振光纤连接于激光源和铌酸锂直波导电场传感器之间；

铌酸锂直波导电场传感器3，用于感应待测电场，铌酸锂直波导电场传感器置于待测电场中；

输出单偏振光纤4，用于接收从铌酸锂直波导电场传感器出射的椭圆偏振光，并将椭圆偏振光转化为线偏振光，输出单偏振光纤连接于铌酸锂直波导电场传感器和探测器之间；

探测器5，用于将上述线偏振光信号转换成电压信号，该电压信号即为待测电场信号。

本发明提出的铌酸锂直波导电场测量系统，其工作原理是：

激光源发出的部分偏振光，经输入单偏振光纤后变为线偏振光，输入单偏振光纤的偏振轴以45°与铌酸锂直波导电场传感器对轴耦合，则线偏振光均分为具有两个正交偏振模式(TE和TM两种模式)的光信号，在铌酸锂直波导电场传感器的光波导中传播；在Y方向电场的作用下，铌酸锂上表面光波导的传播常数β_TE和β_TM将发生互补的变化，两正交偏振模式的光信号在铌酸锂上表面的光波导出射端产生一定的相位差，输出单保偏光纤的偏振轴同样以45°与铌酸锂直波导电场传感器对轴耦合，两正交偏振模式的光束在输出单保偏光纤的偏振轴上发生干涉，生成的干涉信号经输出单偏振光纤传入探测器进行光电转换，将光信号转换成电信号，根据该电信号可反推得到的待测电场信号。

本发明测量系统的传递函数如下式所示：

其中A为光电转换的增益，由光路的光功率和探测器的光电转换系数决定；b为传感器的消光比；为传感器的静态偏置点，即在没有外界电场作用下，直波导中两正交偏振模式光波的相位差；E_π为半波电场，即当传感器相位调制为π时所对应的外界电场强度；E为待测电场信号；V为探测器输出的电压信号；根据电压信号即可通过传递函数反推计算得到单测电场信号。其中，b值的大小将影响传感器的灵敏度等性能。理想情况下，b值为1；实际工艺中制作的传感器，b值通常小于1；b值越接近于，传感器的灵敏度越高，动态测量范围越大。但是，已有专利系统的消光比常小于0.9。实验结果表明，本发明提出的新型铌酸锂直波导电场测量系统，消光比高达0.98。

本发明的一个实施例中，所用的激光源1采用北京康冠世纪光电科技有限公司的激光源KG-SLD1550；所用的输入和输出单偏振保偏光纤采用中国电子科技集团公司第四十六研究所的光纤SPSM1550；采用的铌酸锂直波导电场传感器3的结构为：在铌酸锂(LiNbO₃)晶片的上表面采用钛金属扩散方法制备光波导，在光波导的两侧采用光刻方法加工出天线和调制电极，其中铌酸锂晶片的长度为20mm，宽度为2mm，厚度为0.5mm；探测器9采用NewFocus公司的探测器1592。铌酸锂直波导电场传感器由清华大学设计，中国电子科技集团公司第四十六研究所制作，型号为SW1550。

Claims (1)

1.一种铌酸锂直波导电场测量系统，其特征在于，该测量系统包括：

激光源，用于发出激光；

输入单偏振光纤，用于将激光器发出的激光转化为线偏振光，并将该线偏振光传入铌酸锂直波导电场传感器，输入单偏振光纤连接于激光源和铌酸锂直波导电场传感器之间；

铌酸锂直波导电场传感器，用于感应待测电场，铌酸锂直波导电场传感器置于待测电场中；

输出单偏振光纤，用于接收从铌酸锂直波导电场传感器出射的椭圆偏振光，并将椭圆偏振光转化为线偏振光，输出单偏振光纤连接于铌酸锂直波导电场传感器和探测器之间；

探测器，用于将上述线偏振光信号转换成电压信号，该电压信号即为待测电场信号。