CN105425016A - 一种光学电流传感器用集成光路芯片及其光学电流传感器 - Google Patents

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杨芾藜
黄勇
李斌
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Chongqing Qianwei Jibao Electric Power Equipment Co Ltd
Shanghai Kangkuo Optical Communication Technology Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd
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Chongqing Qianwei Jibao Electric Power Equipment Co Ltd
Shanghai Kangkuo Optical Communication Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种光学电流传感器用集成光路芯片及其光学电流传感器，所述集成光路芯片包括3×3光纤耦合器和2×2光纤耦合器；所述3×3光纤耦合器和所述2×2光纤耦合器通过两个传输臂连接，且其中一个传输臂上串接有偏振态转换器。本发明的集成光路芯片可大幅降低光学电流传感器成本、提高温度稳定性及抗机械振动，更重要的是可大幅提高光学电流传感器的规模化生产的能力。

Description

一种光学电流传感器用集成光路芯片及其光学电流传感器
技术领域
本发明涉及光学电流传感器技术领域，特别是一种光学电流传感器用集成光路芯片和带有该集成光路芯片的光学电流传感器。
背景技术
光学电流传感是智能电网，特别是特高压智能电网的中关键设备。经过过去近30年来的努力，光学电流传感器的技术已经趋向成熟，并在高压和特高压输电系统得到较为广泛的应用。但这类光学电流传感器其数据采集系统采用成本较高的光学相位闭环技术，除了使用宽带光源之外，还必须使用昂贵光相位调制器，光纤延迟线，及高速光信号接收单元(通常称为Pin-FIT)，具体结构如图1所示。因而目前的光学电流传感器的成本相当高，在高压或特高压输电系统使用，对其成本的要求还可以忍受，因为使用的量相对比较少。但如果用于中压或中压以下的配网输电系统，目前这样的成本是无法忍受的。
因此，设计性能可靠且低成本的光学电流传感器是十分有意义的。如图2所示，申请号为CN200710041685.4的中国发明专利公开了一种全光纤电流传感器，该全光纤电流传感器由3x3保偏光纤耦合器组成。本发明的一实施例直通式干涉型全光纤电流传感器包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；光源连接到3x3保偏光纤耦合器的一端，3x3保偏光纤耦合器的其中两端口分别和两个光纤偏振器连接，两个光纤偏振器的另一端分别通过1/4光纤波片接到传感光纤环；3x3保偏光纤耦合器的其中一端口空置；3x3保偏光纤耦合器的剩余两端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。其虽然提出了一个低成本方案，不需要光相位调制器，不需要光相位延迟线，以及高速光信号接收单元。但看似简单，实际做起来也非常困难，特别是全光纤3x3保偏耦合器生产工艺复杂，其温度特性的一致性很难保证。同时在该方案中，3x3耦合器和2x2耦合器之间有一段相对较长的光纤(一般在1米左右)，当传感器的受振动，对传感器的性能也存在一定程度的影响。然而为确保光学电流传感器的稳定性，确保传感器中的每个分立器件或整个光路的稳定是至关重要的，因此在实际的生产过程中实施该方案很困难。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的就是提供一种光学电流传感器用集成光路芯片和带有该集成光路芯片的光学电流传感器。其可大幅降低光学电流传感器成本、提高温度稳定性及抗机械振动，更重要的是可大幅提高规模化生产的能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种光学电流传感器用集成光路芯片包括3×3光纤耦合器和2×2光纤耦合器；所述3×3光纤耦合器和所述2×2光纤耦合器通过两个传输臂连接，且其中一个传输臂上串接有偏振态转换器。
优选的技术方案，所述3×3光纤耦合器的三个波导有效长度为15mm。
优选的技术方案，所述2×2光纤耦合器的两个波导的有效长度为10mm。
优选的技术方案，所述两个传输臂的波导长度均为25mm。
一种带集成光路芯片的光学电流传感器包括有光源、光探测器、信号处理器、集成光路芯片、1/4光纤波片、电流传感环；所述集成光路芯片的第一端口通过一个光探测器与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第三端口通过另一个光探测器与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第二端口与光源连接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通过1/4光纤波片连接到所述电流传感环一端，所述电流传感环的另一端设有反射镜。其中该集成光路芯片包括3×3光纤耦合器和2×2光纤耦合器；所述3×3光纤耦合器和所述2×2光纤耦合器通过两个传输臂连接，且其中一个传输臂上串接有偏振态转换器。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明用一块集成光路芯片来替代里面的现有技术中的分立光器件，该集成光学芯片包含了3x3光纤耦合器，2x2光纤耦合器，偏振态转换器(偏振态转换器又叫做TM/TE模的转换器)。由于集成光器件本身的偏振隔离度可以做到很高，因此现有技术中的二个起偏器在集成学的芯片中并不需要，这样也可降低芯片的复杂度，有助于降低芯片的成本。同时，采用集成光学的设计概念，包含3x3耦合器和2x2耦合器功能的芯片体积可以做到非常小。3x3耦合器功能部分的的三个波导的有效长度在15mm左右，2x2耦合器功能部分的二个波导的有效长度为10mm左右，连接3x3耦合器和2x2耦合器的传输臂波导长度在25mm左右，它的长度只有分立器件结构中所需长度的1/40，可以大大提高抗振动能力。集成芯片中的TM/TE模的转换器(偏振态转换器)可以实现类似于分立式结构中“90度熔接点”的功能，其实质就是把一个水平线偏振光转换成一个垂直线偏振光(或将一个垂直线偏振光转换成一个水平线偏振光)。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为现有技术中高成本光学电流传感器结构图；
图2为现有技术中基于分立式光器件的低成本光学电流传感器的结构图；
图3为本发明实施例1中的光学电流传感器用集成光路芯片结构示意图；
图4为本发明实施例2中的光学电流传感器用集成光路芯片结构示意图；
图5为本发明实施例1中的带集成光路芯片的光学电流传感器的结构示意图；
图6为本发明实施例2中的带集成光路芯片的光学电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，如图5所示，一种带集成光路芯片的光学电流传感器包括有光源、光探测器(图中为PD1和PD2)、信号处理器、集成光路芯片、1/4光纤波片、电流传感环；所述集成光路芯片的第一端口通过一个光探测器(图中的光探测器PD1)与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第三端口通过另一个光探测器(图中的光探测器PD2)与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第二端口与光源连接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通过1/4光纤波片连接到所述电流传感环一端，所述电流传感环的另一端设有反射镜。当然，所述集成光路芯片也可以是第五端口空置，所述集成光路芯片的第四端口通过1/4光纤波片连接到所述电流传感环一端。
本实施例光学电流传感器中的集成光路芯片如图3所示，其包括3×3光纤耦合器和2×2光纤耦合器；所述3×3光纤耦合器和所述2×2光纤耦合器通过两个传输臂连接，且其中一个传输臂上串接有TM/TE模的转换器(TM/TE模的转换器也称之为偏振态转换器)。所述3×3光纤耦合器的三个波导有效长度为15mm(毫米)左右。所述2×2光纤耦合器的两个波导的有效长度为10mm左右。所述两个传输臂的波导长度均为25mm左右。图中实线为光纤或光路，虚线为电信号控制或传输导线。
如果利用集成光学工艺，一次可以加工几十到几百片这样的集成光路芯片(加工好以后按要求进行切割)，这样可以大幅降低电流传感器成本。
实施例2，由于在很多应用场合，在一个电流测量点需要多个光学电流传感器或多冗余使用。为节省空间和提高效率，在切割芯片时，我们可以根据要求，将多个光学电流传感器的器件单元集成在同一个芯片上，这样也可以大幅缩小电流传感器列阵的体积。作为一个例子，如图6所示，其就是一个具有3路电流传感器的结构。其中，图6中所示3路电流传感器中的3路电流传感器用集成光路芯片如图4所示，该3路电流传感器用集成光路芯片包含3个实施例1中的集成光路芯片所需的集成器件，其安装过程与实施例1中单个集成芯片单元是一样的。为简洁起见，图6中没有标注3路电流传感器用集成光路芯片的光路端口(其与实施例1是类似对应)。图中实线为光纤或光路，虚线为电信号控制或传输导线。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种光学电流传感器用集成光路芯片,其特征在于:其包括3×3光纤耦合器和2×2光纤耦合器；所述3×3光纤耦合器和所述2×2光纤耦合器通过两个传输臂连接，且其中一个传输臂上串接有偏振态转换器。
2.根据权利要求1所述的光学电流传感器用集成光路芯片,其特征在于:所述3×3光纤耦合器的三个波导有效长度为15mm。
3.根据权利要求1所述的光学电流传感器用集成光路芯片,其特征在于:所述2×2光纤耦合器的两个波导的有效长度为10mm。
4.根据权利要求1所述的光学电流传感器用集成光路芯片,其特征在于:所述两个传输臂的波导长度均为25mm。
5.一种带集成光路芯片的光学电流传感器，其特征在于：其包括有光源、光探测器、信号处理器、集成光路芯片、1/4光纤波片、电流传感环；所述集成光路芯片的第一端口通过一个光探测器与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第三端口通过另一个光探测器与信号处理器连接，所述集成光路芯片的第二端口与光源连接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通过1/4光纤波片连接到所述电流传感环一端，所述电流传感环的另一端设有反射镜。
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