CN105301319B - 一种锁模激光器型全光纤电流互感器 - Google Patents

一种锁模激光器型全光纤电流互感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锁模激光器型全光纤电流互感器。包括激光泵浦源、波分复用器件、掺饵光纤、匹配光纤、反向使用的Y波导集成光学芯片、45°光纤熔点、压电陶瓷调制器、光纤延迟线、四分之一波片、光纤传感环、第一反射镜、第二反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器。本发明提出的电流互感器，信号解调时只需通过示波器检测锁模脉冲时域偏移即可得到待测电流的大小，因此基于该系统的互感器不需复杂的信号处理，且对电路系统硬件要求很低，可解决传统开环解调与闭环解调实时性差的缺点。

Description

一种锁模激光器型全光纤电流互感器
技术领域
本发明涉及电流互感器，尤其涉及是一种锁模激光器型全光纤电流互感器。
背景技术
全光纤电流互感器自被提出以来受到了研究者的广泛关注，与传统电磁互感式电流互感器相比，它有很多优点，如本征绝缘安全性高、动态范围大、抗电磁干扰、可实现远程控制、重量轻、体积小等。目前研究比较广泛的全光纤电流互感器结构，如图1所示。由宽谱光源16发出的光经过光纤耦合器17，被起偏器18起偏为线偏振光，经过45度熔接点6分成两束相互正交的线偏振光，再由锁相放大器19提供调制信号的相位调制器7和延迟线光纤8进入四分之一波片9被转换成左旋和右旋圆偏振光。进入传感光纤环10经历一次法拉第效应之后被反射镜11反射后再经历一次法拉第效应，同时两束光的偏振状态发生了交换，左旋变成右旋，右旋变为左旋。然后沿原光路返回，在起偏器18发生干涉。光电探测器14探测到携带相位信息的干涉光强，锁相放大器19解出相移，求得电流大小。这种传统电流传感系统，在信号处理上采用开环或闭环解调方案，开环方案需要三路锁相放大结构实现输出信号的稳定，闭环方案利用方波和阶梯波调制，在调制器上施加与法拉第相移相等的反馈相移。以上两种解调方案，需进行大量的数据处理，为保证传感器的实时性，对信号处理算法的简便性及硬件要求均较高。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明的目的在于提供一种锁模激光器型全光纤电流互感器，是一种不需复杂信号处理的电流传感系统。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括：激光泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、匹配光纤、反向使用的Y波导集成光学芯片、45°光纤熔点、压电陶瓷调制器、延迟线光纤、四分之一波片、光纤传感环、第一反射镜、第二反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器；由激光泵浦源发出的光经波分复用器、掺饵光纤、匹配光纤进入反向使用的Y波导集成芯片的一端，激光变为线偏振光，后经45°光纤熔点，原线偏振光变为相互正交的两束线偏振光，分别沿传输光纤的慢轴X和快轴Y传播，分别依次经过由信号发生器控制的压电陶瓷调制器、延迟线光纤、四分之一波片，线偏振光转换为左旋和右旋圆偏振光，两束圆偏振光进入光纤传感环，至末端被第一反射镜反射，光沿原光路返回至第二反射镜，光电探测器与反向使用Y波导集成芯片的另一端连接，将激光系统输出光信号转换为电信号，之后光电探测器输出的电信号由示波器检测。
所述匹配光纤、延迟线光纤和传输光纤均为熊猫型保偏光纤，四分之一波片为椭圆芯型保偏光纤，光纤传感环为低双折射光纤。
所述激光泵浦源、波分复用器、掺饵光纤和第二反射镜构成双通前向结构的超荧光掺饵光纤光源，输出的宽谱光中心波长为1550纳米；第二反射镜同时作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的一个反射单元。
所述反向使用的Y波导集成光学芯片、45°光纤熔点、压电陶瓷调制器、光纤延迟线、四分之一波片、光纤传感环和第一反射镜，构成反射式全光纤电流互感器的主体光路系统，同时整体作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的另一个反射单元。
两个反射单元与掺饵光纤一起构成激光器的谐振腔。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出的电流互感器，信号解调时只需通过示波器检测锁模脉冲时域偏移即可得到待测电流的大小，因此基于该系统的互感器不需复杂的信号处理算法，且对电路系统硬件要求很低，可解决传统开环解调与闭环解调实时性差的缺点。
附图说明
图1是传统的反射式电流互感器的结构示意图。
图2是本发明锁模激光器型全光纤电流互感器的结构示意图。
图中：1、激光泵浦源，2、波分复用器，3、掺饵光纤，4、匹配光纤，5、反向使用的Y波导集成光学芯片，6、45°光纤熔点，7、压电陶瓷调制器，8、延迟线光纤，9、四分之一波片，10、光纤传感环，11，第一反射镜，12，第二反射镜，13、信号发生器，14、光电探测器，15、示波器，16、宽谱光源，17、光纤耦合器，18、光纤起偏器，19、锁相放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示，本发明包括：激光泵浦源1、波分复用器2、掺饵光纤3、匹配光纤4、反向使用的Y波导集成光学芯片5、45°光纤熔点6、压电陶瓷调制器7、延迟线光纤8、四分之一波片9、光纤传感环10、第一反射镜11、第二反射镜12、信号发生器13、光电探测器14和示波器15；由激光泵浦源1发出的光经波分复用器2、掺饵光纤3、匹配光纤4进入反向使用的Y波导集成芯片5的一端，激光变为线偏振光，后经45°光纤熔点6，原线偏振光变为相互正交的两束线偏振光，分别沿传输光纤的慢轴X和快轴Y传播，分别依次经过由信号发生器13控制的压电陶瓷调制器7、延迟线光纤8、四分之一波片9，线偏振光转换为左旋和右旋圆偏振光，两束圆偏振光进入光纤传感环10，至末端被第一反射镜11反射，光沿原光路返回至第二反射镜12，光电探测器14与反向使用Y波导集成芯片5的另一端连接，将激光系统输出光信号转换为电信号，之后光电探测器14输出的电信号由示波器15检测，压电陶瓷调制器7的调制信号由信号发生器13提供。
所述匹配光纤4、延迟线光纤8和传输光纤均为熊猫型保偏光纤，四分之一波片9为椭圆芯型保偏光纤，光纤传感环10为低双折射光纤。
所述激光泵浦源1为980nm泵浦光源、波分复用器2为980/1550nm波分复用器件、掺饵光纤3和第二反射镜12构成双通前向结构的超荧光掺饵光纤光源，输出的宽谱光中心波长为1550纳米；第二反射镜12同时作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的一个反射单元。
所述反向使用的Y波导集成光学芯片5、45°光纤熔点6、压电陶瓷调制器7、延迟线光纤8、四分之一波片9、光纤传感环10和第一反射镜11，构成反射式全光纤电流互感器的主体光路系统，同时整体作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的另一个反射单元。
两个反射单元与掺饵光纤3一起构成激光器的谐振腔。
本发明的工作原理：
第二反射镜12，掺饵光纤3及构成第二反射单元的全光纤电流互感器一起构成锁模激光器型全光纤电流互感器。其中，第二反射单元的反射系数为两圆偏振光之间相位差的函数，两圆偏振光之间的相位差由待测电流引入，这样电流的变化即可表现在第二反射单元的输出上并最终反映在锁模激光器输出脉冲的时域偏移上。
信号发生器13施加调制信号于压电陶瓷调制器7，该信号对两相互正交偏振光进行相位调制，在两相互正交的两偏振光之间引入相位差，进而实现对整个激光谐振腔光路损耗进行调制，当调制频率与激光器的纵模间隔一致时，将实现激光主动锁模。当光纤传感环10中传播的两圆偏振光的相位差为0时，第二反射单元的反射率为1，此时在一个调制周期内将产生两个光脉冲，因此，当待测电流为0时，输出短脉冲时域上等间隔，当待测电流不为0时，第二反射单元的反射率不为1，单个调制周期内输出的两个光脉冲时域上产生偏移，两脉冲的时域偏移量大小一致，方向相反。
光电探测器14 与反向使用Y波导集成芯片5的另一端口连接，将激光器输出光信号转换为电信号，之后光电探测器14输出电信号输入到示波器15，通过示波器15检测脉冲序列时域偏移量，即可解调出待测电流大小。

Claims (5)

1.一种锁模激光器型全光纤电流互感器，其特征在于，包括：激光泵浦源（1）、波分复用器（2）、掺饵光纤（3）、匹配光纤（4）、反向使用的Y波导集成光学芯片（5）、45°光纤熔点（6）、压电陶瓷调制器（7）、延迟线光纤（8）、四分之一波片（9）、光纤传感环（10）、第一反射镜（11）、第二反射镜（12）、信号发生器（13）、光电探测器（14）和示波器（15）；由激光泵浦源（1）发出的光经波分复用器（2）、掺饵光纤（3）、匹配光纤（4）进入反向使用的Y波导集成芯片（5）的一端，激光变为线偏振光，后经45°光纤熔点（6），原线偏振光变为相互正交的两束线偏振光，分别沿传输光纤的慢轴X和快轴Y传播，分别依次经过由信号发生器（13）控制的压电陶瓷调制器（7）、延迟线光纤（8）、四分之一波片（9），线偏振光转换为左旋和右旋圆偏振光，两束圆偏振光进入光纤传感环（10），至末端被第一反射镜（11）反射，光沿原光路返回至第二反射镜（12），光电探测器（14）与反向使用Y波导集成芯片（5）的另一端连接，将激光系统输出光信号转换为电信号，之后光电探测器（14）输出的电信号由示波器（15）检测。
2.根据权利要求1所述的一种锁模激光器型全光纤电流互感器，其特征在于：所述匹配光纤（4）、延迟线光纤（8）和传输光纤均为熊猫型保偏光纤，四分之一波片（9）为椭圆芯型保偏光纤，光纤传感环（10）为低双折射光纤。
3.根据权利要求1所述的一种锁模激光器型全光纤电流互感器，其特征在于：所述激光泵浦源（1）、波分复用器（2）、掺饵光纤（3）和第二反射镜（12）构成双通前向结构的超荧光掺饵光纤光源，输出的宽谱光中心波长为1550纳米；第二反射镜（12）同时作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的一个反射单元。
4.根据权利要求3所述的一种锁模激光器型全光纤电流互感器，其特征在于：所述反向使用的Y波导集成光学芯片（5）、45°光纤熔点（6）、压电陶瓷调制器（7）、延迟线光纤（8）、四分之一波片（9）、光纤传感环（10）和第一反射镜（11），构成反射式全光纤电流互感器的主体光路系统，同时整体作为所述锁模激光器型全光纤电流互感器的另一个反射单元。
5.根据权利要求4所述的一种锁模激光器型全光纤电流互感器，其特征在于：两个反射单元与掺饵光纤（3）一起构成激光器的谐振腔。
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