CN106768867A - LiNbO3相位调制器性能检测系统 - Google Patents

LiNbO3相位调制器性能检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，偏振光输出元件输出的线偏振光经待测LiNbO3相位调制器、保偏光纤环、敏感元件后原路返回，返回后的线偏振光发生干涉；由探测器检测干涉光强，并得到与所述干涉光强对应的电信号；信号处理单元，接收探测器发送的电信号，解析后得到测量电流值；误差计算单元，接收信号处理单元发送的测量电流值，根据基准电流值以及测量电流值得到待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差。采用上述方案能完全和精准的反映出LiNbO3相位调制器的精度，测试结果可直接用于衡量其在FOCT中的系统性能，为FOCT中LiNbO3相位调制器的筛选提供直接有效的技术参考指标。

Description

LiNbO3相位调制器性能检测系统
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，具体涉及一种LiNbO3相位调制器性能检测系统。
背景技术
LiNbO3相位调制器是光纤电流互感器(Fiber Optic Current Transformer,FOCT)的核心部件，是一种为提高系统灵敏度和标度因数稳定性，从而在光路中增加的实现相位偏置和闭环反馈控制功能的器件，LiNbO3相位调制器对FOCT的整体性能产生直接影响。
FOCT是基于法拉第磁光效应和安培环路定律，通过光纤敏感环检测被测导体内电流的大小，具体为：当被测导体中有电流通过时，在光纤敏感环中传输的左旋和右旋圆偏振光的相速度分别向相反的方向改变，从而产生正比于电流大小的相位差(即法拉第相移)，此时的光路特性称之为具有非互易性。这个相位差可以通过干涉法来测量，并由光电探测器将干涉光信号转变为电压信号输出。根据对电压信号的分析，即可得出被测导体中电流的大小。由于输出信号与电流引起的相位差满足余弦函数关系，为获得高灵敏度，通常会使用相位调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。FOCT通常采用Y型质子交换LiNbO3相位调制器和直条型Ti扩散LiNbO3相位调制器。由于LiNbO3相位调制器本身工艺上的复杂，其对FOCT精度的影响来源于多个光电参数，如插入损耗、偏振串音、偏振相关损耗和半波电压等，任何一个参量随环境和时间发生的变化都会在光路中引入非互易性相位差，该相位差令干涉光信号发生改变，且无法与法拉第相移区分，因而引入测量误差。
目前，传统的LiNbO3相位调制器检测方法是对器件的各项光电参数进行测试，例如通过插入损耗、偏振串音、偏振相关损耗和半波电压以及各参数的温度特性来评判LiNbO3相位调制器的优劣，不能完全和精准的反映出LiNbO3相位调制器在FOCT中的系统性能，因而不能为FOCT中相位调制器的筛选提供直接有效的技术参考指标。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例提供一种基于FOCT光路原理的LiNbO3相位调制器性能检测系统，检验LiNbO3相位调制器在外部环境激励下的性能参数，为FOCT中LiNbO3相位调制器的筛选提供直接有效的技术参考指标。
本发明实施例提供一种LiNbO3相位调制器性能检测系统，包括：
偏振光输出元件，其输出端与待测LiNbO3相位调制器的输入端连接，所述待测LiNbO3相位调制器的电信号接入端输入调制信号；
保偏光纤环，其第一端与所述待测LiNbO3相位调制器的输出端连接；
敏感元件，感应通电导体内的基准电流值，与所述保偏光纤环的第二端连接；所述偏振光输出元件输出的偏振光经所述待测LiNbO3相位调制器、所述保偏光纤环、所述敏感元件后原路返回，返回后的线偏振光发生干涉；
探测器，检测干涉光强，并得到与所述干涉光强对应的电信号；
信号处理单元，接收所述探测器发送的电信号，解析后得到测量电流值；
误差计算单元，接收所述信号处理单元发送的所述测量电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，所述敏感元件，包括光纤环以及分别设置于所述光纤环两端的光纤波片和反射镜，所述光纤环内有通电导体穿过，所述光纤波片与所述保偏光纤环的第二端连接。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，所述待测LiNbO3相位调制器为直条型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件包括光源、耦合器和起偏器，其中：
所述光源发出的光经所述耦合器后进入所述起偏器输入端，以产生线偏振光；
所述起偏器的输出端与所述直条型LiNbO3相位调制器的输入端采用45度对轴角进行熔接；
所述直条型LiNbO3相位调制器的输出端与所述保偏光纤环的第一端采用0度对轴角进行熔接。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，所述待测LiNbO3相位调制器为Y型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件包括光源和耦合器，且所述保偏光纤环的第一端通过偏振合束器与所述Y型LiNbO3相位调制器的输出端连接，其中：
所述光源发出的光输入至所述耦合器；
所述耦合器的输出端与所述Y型LiNbO3相位调制器的输入端采用0度对轴角进行熔接；
所述Y型LiNbO3相位调制器的一个输出端与所述偏振合束器的一个输入端采用0度对轴角进行熔接，所述Y型LiNbO3相位调制器的另一个输出端与所述偏振合束器的另一个输入端采用90度对轴角进行熔接；
所述偏振合束器的输出端与所述保偏光纤环的第一端采用0度对轴角进行熔接。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，还包括：
环境发生器，所述待测LiNbO3相位调制器置于所述环境发生器内部，所述环境发生器响应上位机的控制信号模拟所述待测LiNbO3相位调制器所处环境。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，所述环境发生器模拟的所述待测LiNbO3相位调制器所处环境包括：温度、湿度、振动、冲击和辐照中的至少一种。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，还包括：
电流发生器，输出预设电流至所述通电导体；
基准互感器，检测所述电流发生器输出预设电流的电流值，作为所述通电导体中的基准电流值。
可选地，上述的LiNbO3相位调制器性能检测系统中，所述误差计算单元，获取所述基准互感器检测的通电导体中的基准电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差；
所述误差计算单元发送所述测量误差至所述上位机。
本发明实施例所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，通过偏振光输出元件，所述偏振光输出元件输出的线偏振光经所述待测LiNbO3相位调制器、所述保偏光纤环、所述敏感元件后原路返回，返回后的线偏振光发生干涉；由探测器检测干涉光强，并得到与所述干涉光强对应的电信号；信号处理单元，接收所述探测器发送的电信号，解析后得到测量电流值；误差计算单元，接收所述信号处理单元发送的所述测量电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差。光波在上述系统中的传输方式与FOCT中光传输方式相同，因此最终得到的测量误差的表现形式也与FOCT测量误差的形式等效，采用本发明实施例提供的上述方案能完全和精准的反映出LiNbO3相位调制器的精度，且测试结果可直接用于衡量其在FOCT中的系统性能，为FOCT中LiNbO3相位调制器的筛选提供直接有效的技术参考指标。
附图说明
图1是本发明一个实施例所述LiNbO3相位调制器性能检测系统的原理框图；
图2是本发明一个实施例所述敏感元件具体结构示意图；
图3是本发明一个实施例所述直条型LiNbO3相位调制器性能检测系统的结构示意图；
图4是本发明一个实施例所述Y型LiNbO3相位调制器性能检测系统的结构示意图；
图5是本发明另一个实施例所述LiNbO3相位调制器性能检测系统的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图进一步说明本发明实施例。
本实施例提供一种LiNbO3相位调制器性能检测系统，如图1所示，包括：
偏振光输出元件100，其输出端与待测LiNbO3相位调制器200的输入端连接，线偏振光输入至所述待测LiNbO3相位调制器200，所述待测LiNbO3相位调制器200的电信号接入端输入调制信号，所述调制信号可以为方波信号、正弦波信号等。
保偏光纤环300，其第一端与所述待测LiNbO3相位调制器200的输出端连接。
敏感元件400，感应通电导体内的基准电流值，与所述保偏光纤环300的第二端连接，偏振光输出元件100输出的线偏振光经所述待测LiNbO3相位调制器200、所述保偏光纤环300、所述敏感元件400后原路返回，返回后的线偏振光发生干涉。
探测器500，检测干涉光强，并得到与所述干涉光强对应的电信号，信号处理单元600，接收所述探测器500发送的电信号，解析后得到测量电流值。探测器500可将光强转换为与光强对应的电压信号，信号处理单元600可将探测器输出的电压信号转换为电流信号，因为FOCT的就是通过检测电流值来检测误差的，因此本实施例中依照FOCT检测原理，也将干涉光强转换为最终的电流值。
误差计算单元700，接收所述信号处理单元600发送的所述测量电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器200在所处环境下引入的测量误差。所述基准电流值可以为基准互感器测量得到，作为所述误差计算单元700中的基准值。所述测量误差可以由所述测量电流值与所述基准电流值依据预设计算模型得到，该预设计算模型根据FOCT测量原理直接得到。而所述待测LiNbO3相位调制器200所处环境即为温度、湿度、辐照度等等，可以将所述待测LiNbO3 相位调制器200置于环境中各个参数都非常稳定的实验室、箱体内等，而所需要的环境的各个参数可以预先测量好作为已知数据保存，因此当得到测量误差时，即可将测量误差与环境的各个参数对应起来。
显然，上述系统中所搭建的光路，使光波的传输方式与FOCT中光传输方式相同，因此最终得到的测量误差的表现形式也与FOCT测量误差的形式等效，采用本发明实施例提供的上述方案能完全和精准的反映出LiNbO3相位调制器的精度，且测试结果可直接用于衡量其在FOCT中的系统性能，为FOCT中LiNbO3相位调制器的筛选提供直接有效的技术参考指标。
如图2所示，上述方案中的敏感元件400，可包括光纤环401以及分别设置于所述光纤环401两端的光纤波片402和反射镜403，所述光纤环401内有通电导体穿过，所述光纤波片402与所述保偏光纤环402的第二端连接；所述偏振光输出元件100输出的线偏振光经所述待测LiNbO3相位调制器200、所述保偏光纤环300、所述光纤波片402、所述光纤环401传输，由所述反射镜403反射后返回，返回后的线偏振光发生干涉。所述光纤波片401可以选择1/4光纤波片，所述反射镜403为法拉第镜、光纤镀膜反射镜、光纤贴片反射镜等。
进一步地，所述待测LiNbO3相位调制器200可以为直条型LiNbO3相位调制器也可以为Y型LiNbO3相位调制器，针对这两种类型的LiNbO3相位调制器分别提供一种光路的连接方式。
如图3所示，当所述待测LiNbO3相位调制器200为直条型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件100包括光源101、耦合器102和起偏器103，其中：
所述光源101发出的光经所述耦合器102后进入所述起偏器103输入端，以产生线偏振光；所述起偏器103的输出端与所述直条型LiNbO3相位调制器201的输入端采用45度对轴角进行熔接，以使所述线偏振光分解为两束线偏振光后传输至所述直条型LiNbO3相位调制器201；所述直条型LiNbO3相位调制器201的输出端与所述保偏光纤环300的第一端采用0度对轴角进行熔接，则所述直条型LiNbO3相位调制器201输出两束线偏振光至所述保偏光纤环300，两束线偏振光分别沿所述保偏光纤环300的快轴和慢轴传播。图3中所述信号处理单元600，还用于将处理结果输出至误差计算单元700，且图中所示信号处理单元600可产生调制信号，将所述调制信号输入至所述直条型LiNbO3相位调制器201的电信号接入端。
如图4所示，所述待测LiNbO3相位调制器为Y型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件100包括光源101、耦合器102，且所述保偏光纤环300的第一端通过偏振合束器800与所述Y型LiNbO3相位调制器202的输出端连接，其中：
所述光源101发出的光经所述耦合器102后与所述Y型LiNbO3相位调制器202的输入端采用0度对轴角进行熔接，光波进入Y型LiNbO3相位调制器202后被起偏为线偏振光，然后分别进入两个分支；所述Y型LiNbO3相位调制器202的一个输出端与所述偏振合束器800的一个输入端采用0度对轴角进行熔接，所述Y型LiNbO3相位调制器202的另一个输出端与所述偏振合束器800的另一个输入端采用90度对轴角进行熔接；以使进入所述偏振合束器800的两束线偏振光正交；所述偏振合束器800的输出端与所述保偏光纤环300的第一端采用0度对轴角进行熔接，正交的两束线偏振光进入所述保偏光纤环，分别沿所述保偏光纤环的快轴和慢轴传播。
图3和图4所示的检测系统的原理框图，其中光路系统的核心在于，进入保偏光纤环300的光为两束偏振光，一束光沿快轴传播，一束光沿慢轴传播，因此无论需要检测的LiNbO3相位调制器是直条形还是Y型，通过光路设计、光电器件的选择，保证进入保偏光纤环300的为两束偏振光，即可实现对LiNbO3相位调制器的性能检测。
进一步地，如图5，上述系统还包括环境发生器900，所述待测LiNbO3相位调制器200置于所述环境发生器900内部，所述环境发生器900响应上位机901的控制信号模拟所述待测LiNbO3相位调制器200所处环境。所处环境包括：温度、湿度、振动、冲击和辐照中的至少一种。例如，所述环境发生器900可以模拟单一的环境，例如采用温控箱来模拟温度，采用加湿器来控制湿度等，也可以采用具有多种环境参数调节功能的环境控制组件。所述光电模块即为图3或图4中的光电子器件及按照其连接方式组成的模块。
以上方案中，系统还可以包括电流发生器902，输出预设电流至所述通电导体；基准互感器903，检测所述电流发生器902输出预设电流的电流值，作为所述通电导体中的基准电流值。所述误差计算单元700，获取所述基准互感器903检测的通电导体中的基准电流值以及所述信号处理单元600解析得到的所述待测LiNbO3相位调制器所处环境对应的电流值得到所述测量误差；所述误差计算单元700发送所述测量误差至所述上位机902。采用该系统对待测LiNbO3相位调制器性能检测的步骤为：
完成LiNbO3相位调制器性能检测系统基础设施的搭建，包含：电流发生器的输出端分别接上基准互感器和光电模块，基准互感器和光电模块的输出端均接入误差计算单元，误差计算单元的输出端与上位机连接。将待测LiNbO3相位调制器输入和输出尾纤分别按照图3或图4所示方式与光电模块尾纤的熔接，以及待测LiNbO3相位调制器的电信号接入针脚与信号处理单元的调制信号输出引脚连接。将待测LiNbO3相位调制器置于环境发生器中，并且完成环境发生器与上位机的连接。启电流发生器，通过上位机，对信号处理单元的输出电流值进行标定，使之与基准互感器的输出电流值一致，即在环境发生器未产生任何环境激励的情况下，信号处理单元得到的结果应该与基准电流值相同。通过上位机控制环境发生器，使之产生环境激励，通过上位机读取并保存由误差计算单元输出的测量误差结果，显然此测量误差即为待测LiNbO3相位调制器在当前所处的环境下引入的。为避免附加的测量误差，以上测试进行时，除环境发生器内部环境以外，其余环境应保持稳定。
本发明的发明构思就是通过FOCT光路系统，将LiNbO3相位调制器在外部环境激励下的光电参数漂移的综合效应检测出来，使其能够采用FOCT测量误差的形式进行等效表达，以作为衡量LiNbO3相位调制器质量的参考指标。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于，包括：
偏振光输出元件，其输出端与待测LiNbO3相位调制器的输入端连接，所述待测LiNbO3相位调制器的电信号接入端输入调制信号；
保偏光纤环，其第一端与所述待测LiNbO3相位调制器的输出端连接；
敏感元件，感应通电导体内的基准电流值，与所述保偏光纤环的第二端连接；所述偏振光输出元件输出的偏振光经所述待测LiNbO3相位调制器、所述保偏光纤环、所述敏感元件后原路返回，返回后的线偏振光发生干涉；
探测器，检测干涉光强，并得到与所述干涉光强对应的电信号；
信号处理单元，接收所述探测器发送的电信号，解析后得到测量电流值；
误差计算单元，接收所述信号处理单元发送的所述测量电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差。
2.根据权利要求1所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于：
所述敏感元件，包括光纤环以及分别设置于所述光纤环两端的光纤波片和反射镜，所述光纤环内有通电导体穿过，所述光纤波片与所述保偏光纤环的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于，所述待测LiNbO3相位调制器为直条型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件包括光源、耦合器和起偏器，其中：
所述光源发出的光经所述耦合器后进入所述起偏器输入端，以产生线偏振光；
所述起偏器的输出端与所述直条型LiNbO3相位调制器的输入端采用45度对轴角进行熔接；
所述直条型LiNbO3相位调制器的输出端与所述保偏光纤环的第一端采用0度对轴角进行熔接。
4.根据权利要求2所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于，所述待测LiNbO3相位调制器为Y型LiNbO3相位调制器时，所述偏振光输出元件包括光源和耦合器，且所述保偏光纤环的第一端通过偏振合束器与所述Y型LiNbO3相位调制器的输出端连接，其中：
所述光源发出的光输入至所述耦合器；
所述耦合器的输出端与所述Y型LiNbO3相位调制器的输入端采用0度对轴角进行熔接；
所述Y型LiNbO3相位调制器的一个输出端与所述偏振合束器的一个输入端采用0度对轴角进行熔接，所述Y型LiNbO3相位调制器的另一个输出端与所述偏振合束器的另一个输入端采用90度对轴角进行熔接；
所述偏振合束器的输出端与所述保偏光纤环的第一端采用0度对轴角进行熔接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于，还包括：
环境发生器，所述待测LiNbO3相位调制器置于所述环境发生器内部，所述环境发生器响应上位机的控制信号模拟所述待测LiNbO3相位调制器所处环境。
6.根据权利要求5所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于：
所述环境发生器模拟的所述待测LiNbO3相位调制器所处环境包括：温度、湿度、振动、冲击和辐照中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于，还包括：
电流发生器，输出预设电流至所述通电导体；
基准互感器，检测所述电流发生器输出预设电流的电流值，作为所述通电导体中的基准电流值。
8.根据权利要求7所述的LiNbO3相位调制器性能检测系统，其特征在于：
所述误差计算单元，获取所述基准互感器检测的通电导体中的基准电流值，根据所述基准电流值以及所述测量电流值得到所述待测LiNbO3相位调制器在所处环境下引入的测量误差；
所述误差计算单元发送所述测量误差至所述上位机。
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