CN107462776A - 基于波长控制的集成光波导电场测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统及其测量方法，属于电场测量技术领域。本系统包括：波长可调谐的保偏激光源，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器，单模光纤，保偏光纤，光分路器，微控制器，电信号处理单元和光电探测器。本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，采用微控制器控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长，使两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器的静态工作点锁定在π/2，克服了外界温度、湿度、应力等因素对集成光波导电场传感器静态工作点的影响，提高了集成光波导电场测量系统的稳定性，使其能够适用于户外较恶劣环境中的电场测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统及其测量方法，尤其适用于户外较恶劣环境中的脉冲电场时域测量，属于电磁场测量技术领域。
背景技术
随着国防、电力、物理学等研究的不断深入，需要对产生的强电磁脉冲如核电磁脉冲、雷电电磁脉冲等进行时域测量。注意到这类强电磁脉冲具有上升快、持续时间短、峰值场强高等特点，因此为了能够对其进行准确测量，要求相应的电场传感器具有：响应快、带宽宽、对被测电场干扰小、工作稳定、能够适应高场强电场测量等特点。
集成光波导电场传感器因为具有体积小、带宽宽、对被测电场干扰小、抗电磁干扰等优点，已经成为电场测量研究的热点和发展趋势。目前已有的以集成光波导电场传感器为核心探头的电场测量系统结构示意图如图1所示。测量系统包括：置于待测电场区域内的集成光波导电场传感器3，置于观测区域(如电磁屏蔽室)内的单波长保偏激光源1、光电探测器5和电信号处理单元7，连接单波长保偏激光源1的输出端和集成光波导电场传感器3的输入端的保偏光纤2，连接集成光波导电场传感器3的输出端和光电探测器5的单模光纤4，以及连接光电探测器5和电信号处理单元7的传输电缆6。集成光波导电场传感器3的衬底为具有电光效应的晶体(如铌酸锂)，并采用质子交换或者钛扩散技术在晶体上制作集成光波导马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)，同时在集成光波导两侧制作金属电极和天线。当金属天线接收到空间电场时，会在金属电极之间产生感应电压，由于晶体的电光效应，金属电极间的集成光波导的折射率会发生变化，从而使光波导中传输的光波相位发生变化，并由集成光波导MZI的干涉效应将光相位变换转换为光强度变化，即实现光强度调制。强度已调制的光信号经过单模光纤4传输进入光电探测器5转换为电信号，并通过传输电缆6输入电信号处理单元7进行计算处理便可获取被测电场的信息。集成光波导电场测量系统输出电压Vout可表示为
式(1)中，E为待测电场，k为光功率和光电转换系数的乘积，a为集成光波导电场传感器的消光比，b为集成光波导电场传感器自身决定的常数，为集成光波导电场传感器的静态工作点。由(1)式分析可知，当等于π/2，并且bE<<1时，集成光波导电场测量系统输出交流电压为
Vout≈kabE (2)
由(2)式分析可知，此时集成光波导电场测量系统输出电压Vout和待测电场E成近似线性关系，即此时通过电信号处理单元7对集成光波导电场测量系统输出电信号进行计算处理，可得出被测电场的信息。
为了进一步说明静态工作点对集成光波导电场传感器探测电场的重要性，图2分别给出了静态工作点为0、π/2、π时，集成光波导电场传感器的传输特性。从图2中可以看到，当为0或π时，集成光波导电场测量系统输出电信号相对于输入电场信号已经明显失真，而当为π/2时，集成光波导电场测量系统输出电信号和输入电场信号呈近似线性关系，即此时对集成光波导电场测量系统输出电信号进行计算处理可以获得被测电场的信息。可见，集成光波导电场传感器的静态工作点对电场的准确测量至关重要，为了使集成光波导电场测量系统的输入输出特性为近似线性关系，必须确保集成光波导电场传感器的静态工作点等于π/2。
目前，主要采用将集成光波导MZI设计制作成两干涉臂长度差等于1/4波长的非对称结构，使集成光波导电场传感器的静态工作点为π/2。也有研究提出通过设计制作两臂对称的集成光波导3dB耦合器型电场传感器，使其工作在线性区。已有的技术主要存在两方面的缺陷：一是现有的微光学制作工艺水平很难保证制作的集成光波导MZI两臂长度差等于1/4波长，并且很难保证制作的集成光波导3dB耦合器完全对称。二是由于晶体的热释电、弹光、光折变等物理效应会引起集成光波导的折射率变化，因此即便是已经制作好的具有π/2静态工作点的集成光波导电场传感器，当外界温度、湿度、应力等因素发生变化时，其静态工作点也会发生漂移，最终导致测量到的电场信号失真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统及其测量方法，通过对波长可调谐的保偏激光源的输出波长进行控制，将MZI型集成光波导电场传感器的静态工作点锁定在π/2，从而消除外界因素对集成光波导电场传感器工作点的影响，最终使集成光波导电场测量系统能够在户外较恶劣的环境中稳定地进行电场测量。
本发明采用的技术方案是：一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统，包括：
波长可调谐的保偏激光源8，用于产生波长可受微控制器11调控的线偏振光束；
两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9，用于接收空间电场信号，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9输入端经保偏光纤2与波长可调谐的保偏激光源8相连接，输出端经单模光纤4与光分路器10相连接；
保偏光纤2，用于将波长可调谐的保偏激光源8和两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9相连接，使用保偏光纤2将波长可调谐的保偏激光源8的输出光耦合输入两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9。当空间电场到来时，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9中的光波将受电场调制，使输出光强度将随被测电场变化而变化；
单模光纤4，用于将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光接入到光分路器10；
光分路器10，用于将非对称的MZI型集成光波导电场传感器9输出光信号分成两部分，并通过单模光纤4分别输入两个光电探测器5进行光电转换；
两个光电探测器5，用于将光分路器10输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器5转换输出的电信号输入微控制器11作为反馈控制信号，另一个光电探测器5转换输出的电信号输入电信号处理单元7；
微控制器11，用于对光电探测器5输出的电信号进行处理，并向波长可调谐的保偏激光源8发出波长控制信号，通过调整波长可调谐的保偏激光源8的输出波长使两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的静态工作点锁定在π/2；
电信号处理单元7，通过传输电缆6与光电探测器5相连接，用于对光电探测器5输出的电信号进行处理，从而获得被测电场的信息。
所述的波长可调谐的保偏激光源8的中心波长为1550nm，波长可调谐范围覆盖光纤通信用C波段，波长可受微控制器11任意调控。
所述的两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9包括具有电光效应的晶片12、两臂长度非对称的MZI光波导13、金属电极14、金属偶极子天线15；具有电光效应的晶片12为衬底且其上使用钛扩散法或质子交换方法制作两臂长度非对称的MZI光波导13，两臂长度非对称的MZI光波导13包括输入端Y形光波导和输出端Y形光波导，输入端Y形光波导和输出端Y形光波导之间通过中间上臂的弯曲波导、中间下臂的直波导连接，并在直波导臂两侧制作相互连接的金属电极14和金属偶极子天线15。
所述的具有电光效应的晶片12为任意一种具有电光效应的晶体。
所述的具有电光效应的晶片12为铌酸锂晶体。
一种根据所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统的测量方法，
波长可调谐的保偏激光源8输出的线偏振光，经保偏光纤2输入两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9，当空间电场到来时，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9中的光波将受电场调制，使输出光强度将随被测电场变化而变化，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光通过单模光纤4接入到光分路器10，光分路器10将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光分成两部分，并通过单模光纤4输入两个光电探测器5，一个光电探测器5转换输出的电信号由传输电缆6输入电信号处理单元7，电信号处理单元7获取被测电场的信息，另一个光电探测器5转换输出的电信号由传输电缆6输入微控制器11；
微控制器11控制波长可调谐的保偏激光源8进行波长扫描，同时记录与扫描波长相对应的、光电探测器5输出的电压信号V，并得出一次波长扫描过程中的最大输出电压Vmax与最小输出电压Vmin，最后由微控制器11向波长可调谐的保偏激光源8发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源8输出某一波长使光电探测器5输出反馈电压V＝(Vmax+Vmin)/2，该波长可使非对称MZI型集成光波导电场传感器9的静态工作点为π/2，即为非对称MZI型集成光波导电场传感器9当前的最佳波长。
本发明的有益效果是：(1)采用控制波长可调谐的保偏激光源8输出波长的办法将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器13的静态工作点锁定在π/2，从而使集成光波导电场传感器稳定地工作在线性区，最终使集成光波导电场测量系统能够稳定地对户外恶劣环境下的电场进行准确测量；(2)采用的集成光波导电场传感器静态工作点控制技术不需要在电场传感器探头部分引入任何附加单元，不会对集成光波导电场传感器本来所具有的体积小、带宽宽、对被测电场干扰小、抗电磁干扰等优点产生任何影响。
附图说明
图1为现有的集成光波导电场测量系统结构示意图；
图2为现有技术中集成光波导电场传感器静态工作点对集成光波导电场测量系统传输特性的影响示意图；
图3为本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统结构示意图；
图4为本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统中的两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的结构示意图；
图5为本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统输出电信号随波长可调谐的保偏激光源输出波长变化的关系曲线。
图中各标号为：1-单波长保偏激光源，2-保偏光纤，3-集成光波导电场传感器，4-单模光纤，5-光电探测器，6-传输电缆，7-电信号处理单元，8-波长可调谐的保偏激光源，9-两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器，10-光分路器，11是微控制器，12-具有电光效应的晶片，13-两臂长度非对称的MZI光波导，14-金属电极，15-金属偶极子天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：如图1-5所示，一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统，包括：
波长可调谐的保偏激光源8，用于产生波长可受微控制器11调控的线偏振光束；
两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9，用于接收空间电场信号，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9输入端经保偏光纤2与波长可调谐的保偏激光源8相连接，输出端经单模光纤4与光分路器10相连接；
保偏光纤2，用于将波长可调谐的保偏激光源8和两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9相连接，使用保偏光纤2将波长可调谐的保偏激光源8的输出光耦合输入两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9。当空间电场到来时，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9中的光波将受电场调制，使输出光强度将随被测电场变化而变化；
单模光纤4，用于将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光接入到光分路器10；
光分路器10，用于将非对称的MZI型集成光波导电场传感器13输出光信号分成两部分，并通过单模光纤4分别输入两个光电探测器5进行光电转换；
两个光电探测器5，用于将光分路器10输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器5转换输出的电信号输入微控制器11作为反馈控制信号，另一个光电探测器5转换输出的电信号输入电信号处理单元7；
微控制器11，用于对光电探测器5输出的电信号进行处理，并向波长可调谐的保偏激光源8发出波长控制信号，通过调整波长可调谐的保偏激光源8的输出波长使两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的静态工作点锁定在π/2；
电信号处理单元7，通过传输电缆6与光电探测器5相连接，用于对光电探测器5输出的电信号进行处理，从而获得被测电场的信息。
进一步地，所述的波长可调谐的保偏激光源8的中心波长为1550nm，波长可调谐范围覆盖光纤通信用C波段，波长可受微控制器11任意调控。
进一步地，所述的两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9包括具有电光效应的晶片12、两臂长度非对称的MZI光波导13、金属电极14、金属偶极子天线15；具有电光效应的晶片12为衬底且其上使用钛扩散法或质子交换方法制作两臂长度非对称的MZI光波导13，两臂长度非对称的MZI光波导13包括输入端Y形光波导和输出端Y形光波导，输入端Y形光波导和输出端Y形光波导之间通过中间上臂的弯曲波导、中间下臂的直波导连接，并在直波导臂两侧制作相互连接的金属电极14和金属偶极子天线15。
进一步地，所述的具有电光效应的晶片12为任意一种具有电光效应的晶体。
更进一步地，所述的具有电光效应的晶片12为铌酸锂晶体。
一种根据所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统的测量方法，
波长可调谐的保偏激光源8输出的线偏振光，经保偏光纤2输入两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9，当空间电场到来时，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9中的光波将受电场调制，使输出光强度将随被测电场变化而变化，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光通过单模光纤4接入到光分路器10，光分路器10将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的输出光分成两部分，并通过单模光纤4输入两个光电探测器5，一个光电探测器5转换输出的电信号由传输电缆6输入电信号处理单元7，电信号处理单元7获取被测电场的信息，另一个光电探测器5转换输出的电信号由传输电缆6输入微控制器11；
微控制器11控制波长可调谐的保偏激光源8进行波长扫描，同时记录与扫描波长相对应的、光电探测器5输出的电压信号V，并得出一次波长扫描过程中的最大输出电压Vmax与最小输出电压Vmin，最后由微控制器11向波长可调谐的保偏激光源8发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源8输出某一波长使光电探测器5输出反馈电压V＝(Vmax+Vmin)/2，该波长可使非对称MZI型集成光波导电场传感器9的静态工作点为π/2，即为非对称MZI型集成光波导电场传感器9当前的最佳波长。
本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统中，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9工作点控制原理如下：
设计一个两臂长度差为ΔL的非对称MZI型集成光波导电场传感，则其静态工作点可以表示为
式(3)中，λ为非对称MZI型集成光波导电场传感器的工作波长，neff为光波导的有效折射率，为非对称MZI型集成光波导电场传感器制作工艺误差、外界温度、湿度、应力等因素引起的工作点变化。由于晶体的热释电、压电、弹光等物理效应，将随外界因素的变化而任意改变，即集成光波导电场传感器的静态工作点会发生漂移。由(3)式分析可知，当传感器静态工作点发生漂移，即发生变化时，通过控制改变非对称MZI型集成光波导电场传感器的工作波长λ，可以补偿的变化，即可以通过控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长λ将非对称MZI型集成光波导电场传感器的静态工作点锁定在π/2，从而使MZI型集成光波导电场测量系统稳定地工作在近线性区。
两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9中：当金属偶极子天线15接收到空间电场时，会在金属电极14之间产生感应电压，采用晶体12的电光效应，金属电极14间的集成光波导13的折射率会发生变化，从而使光波导13中传输的光波相位发生变化，最后在输出端采用集成光波导MZI的干涉效应将光相位变换转换为光强度变化，即实现光强度调制。
如图5所示，微控制器11控制波长可调谐的保偏激光源8进行波长扫描，同时记录与扫描波长相对应的、光电探测器5输出的电压信号V，并得出一次波长扫描过程中的最大输出电压Vmax与最小输出电压Vmin，最后由微控制器11向波长可调谐的保偏激光源8发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源8输出某一波长使光电探测器5输出反馈电压V＝(Vmax+Vmin)/2，该最波长可使非对称MZI型集成光波导电场传感器9的静态工作点为π/2，即为非对称MZI型集成光波导电场传感器当前的最佳波长。
本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统中，波长可调谐的保偏激光源8可采用Oclaro公司生产的TL5000系列可调谐激光模块，其波长调谐范围为1530nm至1565nm，波长可受微控制器11任意调控。保偏光纤2和单模光纤4可采用中心波长1550nm的光纤通信用标准光纤，长度可根据实际情况而定，确保待测电场区域与观测区域的电气隔离。两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器9的衬底采用具有电光效应的晶体(如铌酸锂)，并采用质子交换或钛扩散技术在电光晶体上制作两臂长度非对称的集成光波导MZI结构，然后在非对称集成光波导MZI直波导臂两侧制作金属(如金)电极和天线。光分路器10可采用中心波长1550nm的光纤通信用单模光纤分路器。光电探测器5可根据实际电场测量进行自主研制或选取商业化产品。微控制器11可选用C8051系列单片机，实现模数转换、数字信号运算、串口通信等功能。电信号处理单元7可根据实际电场测量需求进行自主研制或直接选用商业化产品，如示波器或者频谱仪。
综上，本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，采用微控制器控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长，使两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器的静态工作点锁定在π/2，克服了外界温度、湿度、应力等因素对集成光波导电场传感器静态工作点的影响，可解决集成光波导电场传感器工作点的漂移问题，提高测量系统的稳定性，使其能够适用于户外较恶劣环境中的电场测量。本发明提出的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其中静态工作点的控制不需要在集成光波导电场传感器探头部分引入任何附加单元，不会给电场探测带来任何影响。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其特征在于：包括：
波长可调谐的保偏激光源(8)，用于产生波长可受微控制器(11)调控的线偏振光束；
两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)，用于接收空间电场信号，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)输入端经保偏光纤(2)与波长可调谐的保偏激光源(8)相连接，输出端经单模光纤(4)与光分路器(10)相连接；
光分路器(10)，用于将非对称的MZI型集成光波导电场传感器(13)输出光信号分成两部分，并通过单模光纤(4)分别输入两个光电探测器(5)进行光电转换；
两个光电探测器(5)，用于将光分路器(10)输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器(5)转换输出的电信号输入微控制器(11)作为反馈控制信号，另一个光电探测器(5)转换输出的电信号输入电信号处理单元(7)；
微控制器(11)，用于对光电探测器(5)输出的电信号进行处理，并向波长可调谐的保偏激光源(8)发出波长控制信号，通过调整波长可调谐的保偏激光源(8)的输出波长使两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)的静态工作点锁定在π/2；
电信号处理单元(7)，通过传输电缆(6)与光电探测器(5)相连接，用于对光电探测器(5)输出的电信号进行处理，从而获得被测电场的信息。
2.根据权利要求1所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其特征在于：所述的波长可调谐的保偏激光源(8)的中心波长为1550nm，波长可调谐范围覆盖光纤通信用C波段，波长可受微控制器(11)任意调控。
3.根据权利要求1所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其特征在于：所述的两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)包括具有电光效应的晶片(12)、两臂长度非对称的MZI光波导(13)、金属电极(14)、金属偶极子天线(15)；具有电光效应的晶片(12)为衬底且其上使用钛扩散法或质子交换方法制作两臂长度非对称的MZI光波导(13)，两臂长度非对称的MZI光波导(13)包括输入端Y形光波导和输出端Y形光波导，输入端Y形光波导和输出端Y形光波导之间通过中间上臂的弯曲波导、中间下臂的直波导连接，并在直波导臂两侧制作相互连接的金属电极(14)和金属偶极子天线(15)。
4.根据权利要求3所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其特征在于：所述的具有电光效应的晶片(12)为任意一种具有电光效应的晶体。
5.根据权利要求4所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统，其特征在于：所述的具有电光效应的晶片(12)为铌酸锂晶体。
6.一种根据权利要求1所述的基于波长控制的集成光波导电场测量系统的测量方法，其特征在于：
波长可调谐的保偏激光源(8)输出的线偏振光，经保偏光纤(2)输入两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)，当空间电场到来时，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)中的光波将受电场调制，使输出光强度将随被测电场变化而变化，两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)的输出光通过单模光纤(4)接入到光分路器(10)，光分路器10将两臂长度非对称的MZI型集成光波导电场传感器(9)的输出光分成两部分，并通过单模光纤(4)输入两个光电探测器(5)，一个光电探测器(5)转换输出的电信号由传输电缆(6)输入电信号处理单元(7)，电信号处理单元(7)获取被测电场的信息，另一个光电探测器(5)转换输出的电信号由传输电缆(6)输入微控制器(11)；
微控制器(11)控制波长可调谐的保偏激光源(8)进行波长扫描，同时记录与扫描波长相对应的、光电探测器(5)输出的电压信号V，并得出一次波长扫描过程中的最大输出电压Vmax与最小输出电压Vmin，最后由微控制器(11)向波长可调谐的保偏激光源(8)发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源(8)输出某一波长使光电探测器(5)输出反馈电压V＝(Vmax+Vmin)/2，该波长可使非对称MZI型集成光波导电场传感器(9)的静态工作点为π/2，即为非对称MZI型集成光波导电场传感器(9)当前的最佳波长。
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