CN107505510A - 电场测量装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电场测量装置及系统，所述装置包括：多个激光器，用于向光波导电场传感器发送预设波长的第一激光信号；与所述激光器一一对应的光波导电场传感器，所述光波导电场传感器用于产生方向与预设三维坐标系中X方向、Y方向或者Z方向相同的电场，以及，将所述第一激光信号输送至产生的电场中，得到第二激光信号；光合束器，用于将多路所述第二激光信号进行合路，得到合路激光信号；光电探测器，用于根据所述合路激光信号生成电场测量信号，以使外部设备根据所述电场测量信号确定所述电场在所述预设三维坐标系中所述X方向、所述Y方向和所述Z方向的参数，在简化装置的同时提高了测量结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其是涉及一种电场测量装置及系统。
背景技术
随着光电子技术的不断发展，集成光学器件在电场测量中的应用越来越广泛，LiNbO3集成光波导Mach-Zehnder型电场传感器以其体积小、宽带宽、零啁啾、对被测电场干扰小等优势，成为电场传感器制作的首选材料。
目前，LiNbO3集成光波导的制作工艺已经成熟，国内外均可以制作损耗较小、性能较好的LiNbO3器件用于制作LiNbO3集成光波导电场传感器，但由于制作工艺的不一致性和所处环境的差异性，导致制作的多个LiNbO3集成光波导电场传感器的直流漂移程度不同，在进行全向测量电场时需要将每个LiNbO3集成光波导电场传感器连接不同的可调谐激光器分别进行线性工作点的控制，以保证直流漂移带来的相位变化不会对传感器信号输出和信号测量产生影响。
然而，上述全向测量电场所用装置结构复杂，测量过程复杂，且涉及到针对每一个传感器输出的值分别进行读数和计算，在读数和计算过程中容易造成误差，使得最终的测量结果与实际值之间的偏差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电场测量装置及系统，以缓解了现有技术中存在的电场测量装置结构复杂、对电场测量过程复杂、测量结果不准确的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种电场测量装置，包括：
多个激光器，用于向光波导电场传感器发送预设波长的第一激光信号；
与所述激光器一一对应的光波导电场传感器，所述光波导电场传感器用于产生方向与预设三维坐标系中X方向、Y方向或者Z方向相同的电场，以及，将所述第一激光信号输送至产生的电场中，得到第二激光信号；
光合束器，用于将多路所述第二激光信号进行合路，得到合路激光信号；
光电探测器，用于根据所述合路激光信号生成电场测量信号，以使外部设备根据所述电场测量信号确定所述电场在所述预设三维坐标系中所述X方向、所述Y方向和所述Z方向的参数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：与所述激光器和所述光波导电场传感器的组合一一对应的光纤耦合器，所述光纤耦合器用于对所述第二激光信号分别进行分路，其中一路分支激光信号输送至所述光合束器，另一路分支激光信号输送至控制模块；控制模块，用于根据所述分支激光信号的功率生成所述波长控制指令，并向所述激光器发送所述波长控制指令，以使所述激光器发送预设波长的第一激光信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，针对每个所述光波导电场传感器，根据所述光波导电场传感器的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和等于(2n-1)π/2时确定的波长生成波长控制指令，其中，所述n为正整数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：多个长度相同的保偏光纤，所述激光器与所述光波导电场传感器通过所述保偏光纤连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：多个长度相同的第一单模光纤、第二单模光纤，所述光纤耦合器与所述光合束器通过所述第一单模光纤连接，所述光合束器与所述光电探测器通过所述第二单模光纤连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，每个所述光波导电场传感器的电极结构相同、干涉仪光波导结构相同。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述多个激光器的输出功率相同。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，每个所述光纤耦合器的信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端的端口的插入损耗、偏振相关损耗相同。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述多个激光器、所述多个光波导电场传感器及所述多个光纤耦合器组成的多条光路系统的光路长度相同。
第二方面，本发明实施例还提供一种电场测量系统，包括：如上述第一方面任一所述的电场测量装置；外部设备，所述外部设备与所述光电探测器的信号输出端电连接，用于对所述光电探测器输出的电场测量信号进行处理，以得到所述电场在所述预设三维坐标系中X方向、所述Y方向和Z方向的参数。
本发明实施例带来了以下有益效果：通过光合束器将多个光波导电场传感器输出的多路激光信号进行合成，得到合路激光信号，然后利用一个光电探测器即可根据该合路激光信号生成电场测量信号，将该电场信号传输至外部设备，以便外部设备对该电场的相关参数进行测量。
该装置利用光合束器对多路激光信号进行合束处理，再发送给光电探测器及外部设备，无需针对每路激光信号分别设置光电探测器及外部设备，结构简单，测量电场只需对多路激光信号合束后的合路激光信号进行测量，对电场的测量过程简便，且避免了现有技术中由于多次读数和计算所产生的误差导致最终的测量结果与实际值之间的偏差较大。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电场测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种利用三个光波导电场传感器产生全向电场时电极在空间中摆放位置示意图；
图3为本发明实施例提供的LiNbO3集成光波导Mach-Zehnder型电场传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的时的输入信号和输出信号及时的输入信号和输出信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前电场测量装置结构复杂、测量过程繁琐、测量结果不准确，基于此，本发明实施例提供的一种电场测量装置及系统，可以使电场测量装置结构趋于简单化，测量过程简便，测量结果的准确性提高。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电场测量装置进行详细介绍，图1为本发明实施例提供的一种电场测量装置结构示意图。如图1所示，该装置包括：多个激光器1，用于向光波导电场传感器2发送预设波长的第一激光信号；与激光器1一一对应的光波导电场传感器2，光波导电场传感器2用于产生方向与预设三维坐标系中X方向、Y方向或者Z方向相同的电场，以及，将第一激光信号输送至产生的电场中，得到第二激光信号；光合束器4，用于将多路第二激光信号进行合路，得到合路激光信号；光电探测器5，用于根据合路激光信号生成电场测量信号，以使外部设备根据电场测量信号确定电场在预设三维坐标系中X方向、Y方向和Z方向的参数。
具体的，为了对待测电场进行全向测量，需要至少三个激光器1和至少三个光波导电场传感器2配套使用，图1给出了三个激光器1和三个光波导电场传感器2的情形，三个光波导电场传感器分别为第一光波导电场传感器2-1、第二光波导电场传感器2-2及第三光波导电场传感器2-3，以此为例进行进一步说明：三个光波导电场传感器2内部分别包含电极片，在电极片上有电流通过时，电极片会发生极化，为了实现在光波导电场传感器内部分别产生方向与预设三维坐标系中X方向、Y方向及Z方向相同的电场，需要根据电极片的极化方向将三个光波导电场传感器两两垂直设置，三个激光器1分别向三个光波导电场传感器2发送预设波长的三个第一激光信号，由于三个光波导电场传感器的直流漂移可能不同，三个激光器发送的第一激光信号的预设波长可能相同，也可能不同，具体可以根据实际情况设定，本发明不做限定，每个第一激光信号在相应的光波导电场传感器2内的电场的作用下相位会发生变化，得到三个第二激光信号，三个第二激光信号通过光合束器4进行合路，得到合路激光信号，合路激光信号由光电探测器5转换为电场测量信号并发送给外部设备，以便于外部设备根据电场测量信号确定电场在预设三维坐标系中X方向、Y方向和Z方向的参数。
具体的，图2为本发明实施例提供的一种利用三个光波导电场传感器产生全向电场时电极在空间中摆放位置示意图。如图2所示，三个光波导电场传感器的电极结构分别为第一电极结构21、第二电极结构22和第三电极结构23，其中电极结构21用于产生与预设三维坐标系中X方向相同的电场EX，电极结构22用于产生与预设三维坐标系中Y方向相同的电场EY，电极结构23用于产生与预设三维坐标系中Z方向相同EY。
可选的，光波导电场传感器2可以为Mach-Zehnder型LiNbO3集成光波导电场传感器。图3给出了Mach-Zehnder型LiNbO3集成光波导电场传感器的结构示意图，如图3所示，LiNbO3集成光波导Mach-Zehnder型电场传感器包括：LiNbO3基片221、Mach-Zehnder型干涉仪的直波导222、Mach-Zehnder型干涉仪的弯曲直波导223和电极224。为了实现对每个光波导电场传感器内部电极感应的空间未知电场的测量，应使电极224分布在Mach-Zehnder型干涉仪产生的两波导之一的两侧。图3给出电极224分布在直波导223两侧的情况。需要说明的是，此处并不是限定电极224分布在直波导223两侧，电极224分布在弯曲波导的两侧也是可以实现的。
本发明所述装置还可以包括：与激光器1和光波导电场传感器2的组合一一对应的光纤耦合器3，光纤耦合器3用于对第二激光信号分别进行分路，其中一路分支激光信号输送至光合束器4，另一路分支激光信号输送至控制模块8；控制模块8，用于在测量电场前，根据分支激光信号的功率生成波长控制指令，并向激光器1发送波长控制指令，以使激光器1发送预设波长的第一激光信号。
针对每个光波导电场传感器2，根据光波导电场传感器2的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和等于(2n-1)π/2时确定的波长生成波长控制指令，其中，所述n为正整数。
具体的，设三个激光器1的输出功率皆为PIN，第一光波导电场传感器2-1的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和为输出功率为P1，电极间电场对光波相位的改变量为f(E1)，第二光波导电场传感器2-2的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和为输出功率为P2，电极间电场对光波相位的改变量为f(E2)，第三光波导电场传感器2-3的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和为输出功率为P3，电极间电场对光波相位的改变量为f(E3)，光波导电场传感器2的衰减因子为α1，则以上参数存在如下关系式：
从(1)式可以看出，当第一激光信号经过光波导电场传感器2之后会产生光相位差，该光相位差主要是由于直波导和弯曲波导之间的臂长差、直流漂移及电极间电场导致的。
又由于光波导电场传感器2的光波导为非对称结构，则可以分别定义为：
其中ΔL是光波导电场传感器2的直波导和弯曲波导之间的臂长差，Neff是光的有效折射率，λ1、λ2、λ3是三个光波导电场传感器2的工作波长，f(x1)、f(x2)、f(x3)是三个光波导电场传感器直流漂移引起的相位改变，对于特定的光波导电场传感器2其直波导和弯曲波导之间的臂长差ΔL、光的有效折射率Neff及直流漂移引起的相位差都是已知的，根据(2)式便可以得到光波导电场传感器在特定的工作波长下的由于直波导和弯曲波导之间的臂长差和直流漂移引起的相位差，同时也可以得到具体相位差对应的光波导电场传感器的工作波长。
具体的，在测量电场前，光纤耦合器3将三个光波导电场传感器2输出的三个第二激光信号分别进行分路，对于每一个第二激光信号而言，其中一路分支激光信号输送至光合束器4，另一路分支激光信号输送至控制模块8，使得光波导电场传感器2传输的每一个第二激光信号功率的一部分传输至控制模块8，进而使得每个第二激光信号的部分激光信号分别输入至控制模块8，控制模块8获取了每个第二激光信号的部分激光信号，由于直波导和弯曲波导之间的臂长差和直流漂移产生的相位差与每个光波导电场传感器2的工作波长λ1、λ2、λ3之间上述关系式(2)，根据关系式(2)计算出使和同时等于(2n-1)π/2(n为正整数)的波长λ1、λ2和λ3值，生成波长控制指令，并向激光器1发送波长控制指令，以使激光器1发送预设波长的第一激光信号。
若和不同时等于(2n-1)π/2，则会出现如图4所示的情况，图4给出了时的输入信号和输出信号及时的输入信号和输出信号，如图4所示，10是时的输入信号，20是此时的输出信号，30是时的输入信号，4是此时的输出信号，可以看出此时输出信号20与输出信号40相加抵消，这样就达不到探测电场的目的了。
在测量电场时，由于光波导电场传感器2的调制深度小，所以f(E1)、f(E2)、f(E3)<<1，则三个光波导电场传感器2的输出的三个第二激光信号的输出功率在(1)式的基础上可以变形得到：
光合束器4对三个第二激光信号进行合路，得到合路激光信号，设光合束器4输出合路激光信号的输出功率为P，衰减因子为α2，结合(4)式则有：
从(5)式可以看出，三个光波导电场传感器2中的电场对激光信号的影响体现在f(E1)、f(E2)、f(E3)，光合束器4将该合路激光信号发送至光电探测器5，光电探测器5将合路激光信号转换为电场测量信号，具体计算原理为：设光电探测器5的增益为G，光电探测器5输出的电压信号为V，则有：
由于，f(E1)、f(E2)、f(E3)可表示为：
ω表示被测电场的频率，表示三路激光信号在整个传输过程中的相位延迟量，t为激光信号传输时间，A1、A2、A3为三路激光信号的振幅。由(6)式和(7)式，光电探测器5输出的电压信号V可进一步表示为：
其中，
A＝f(A1,A2,A3)
具体的，光电探测器5输出的信号便为三个光波导电场传感器2输出的三路第二激光信号的合路激光信号所生成的电压信号，将该电压信号发送至外部设备，外部设备便可以利用(8)式对被测电场进行解读，该外部设备可以是示波器、频谱仪或其他选频设备。
本发明所述装置还可以包括：多个长度相同的保偏光纤6，激光器1与光波导电场传感器2通过保偏光纤6连接。
具体的，保偏光纤6用于对激光器1向光波导电场传感器2发送的第一激光信号进行保护，使得第一激光信号在传输过程中线偏振方向保持不变，提高第一激光信号的相干信噪比。
本发明所述装置还可以包括：多个长度相同的第一单模光纤7、第二单模光纤9，光纤耦合器3与光合束器4通过所述第一单模光纤7连接，光合束器4与光电探测器5通过第二单模光纤9连接。
为了避免由于多个光波导电场传感器2的内部结构差异产生直流便宜，进而影响测量结果的准确性，则要求每个光波导电场传感器2的电极结构相同、干涉仪光波导结构相同。下面通过举例说明如何保证光波导结构相同：取光波长λ0＝1.55μm，光的有效折射率Neff＝2.1395，则有：
这样就保证三个光波导电场传感器2的光波导结构相同。
进一步地，多个激光器1的输出功率相同，每个光纤耦合器3的信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端的端口的插入损耗、偏振相关损耗相同，多个激光器1、多个光波导电场传感器2及多个光纤耦合器3组成的多条光路系统的光路长度相同。
本发明实施例还提供一种电场测量系统，包括：如上述实施例任一所述的电场测量装置；外部设备，外部设备与光电探测器5的信号输出端电连接，用于对光电探测器5输出的电场测量信号进行处理，以得到待测电场在预设三维坐标系中X方向、所述Y方向和Z方向的参数。
可选的，该外部设备可以是示波器、频谱仪或其他选频设备。
本发明一方面通过光合束器将多个光波导电场传感器输出的多路激光信号进行合成，得到合路激光信号，然后利用一个光电探测器根据该合路激光信号生成电场测量信号，将该电场信号传输至外部设备，对该电场的相关参数进行测量，该装置结构简单，对电场的测量过程简便，且避免了现有技术中由于多次读数和计算所产生的误差导致最终的测量结果与实际值之间的偏差较大；另一方面通过控制模块向激光器发送波长控制指令，使得激光器产生预设波长的第一激光信号，解决了由于环境因素带来的直流偏移。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电场测量装置，其特征在于，包括：
多个激光器，用于向光波导电场传感器发送预设波长的第一激光信号；
与所述激光器一一对应的光波导电场传感器，所述光波导电场传感器用于产生方向与预设三维坐标系中X方向、Y方向或者Z方向相同的电场，以及，将所述第一激光信号输送至产生的电场中，得到第二激光信号；
光合束器，用于将多路所述第二激光信号进行合路，得到合路激光信号；
光电探测器，用于根据所述合路激光信号生成电场测量信号，以使外部设备根据所述电场测量信号确定所述电场在所述预设三维坐标系中所述X方向、所述Y方向和所述Z方向的参数。
2.根据权利要求1所述的一种电场测量装置，其特征在于，所述装置还包括：
与所述激光器和所述光波导电场传感器的组合一一对应的光纤耦合器，所述光纤耦合器用于对所述第二激光信号分别进行分路，其中一路分支激光信号输送至所述光合束器，另一路分支激光信号输送至控制模块；
控制模块，用于在测量电场前，根据所述分支激光信号的功率生成所述波长控制指令，并向所述激光器发送所述波长控制指令，以使所述激光器发送预设波长的第一激光信号。
3.根据权利要求2所述的一种电场测量装置，其特征在于，针对每个所述光波导电场传感器，根据所述光波导电场传感器的直波导和弯曲波导之间的光相位差与直流漂移产生的相位差之和等于(2n-1)π/2时确定的波长生成波长控制指令，其中，所述n为正整数。
4.根据权利要求3所述的一种电场测量装置，其特征在于，还包括：多个长度相同的保偏光纤，所述激光器与所述光波导电场传感器通过所述保偏光纤连接。
5.根据权利要求4所述的一种电场测量装置，其特征在于，还包括：多个长度相同的第一单模光纤、第二单模光纤，所述光纤耦合器与所述光合束器通过所述第一单模光纤连接，所述光合束器与所述光电探测器通过所述第二单模光纤连接。
6.根据权利要求1所述的一种电场测量装置，其特征在于，每个所述光波导电场传感器的电极结构相同、干涉仪光波导结构相同。
7.根据权利要求1所述的一种电场测量装置，其特征在于，所述多个激光器的输出功率相同。
8.根据权利要求2所述的一种电场测量装置，其特征在于，每个所述光纤耦合器的信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端的端口的插入损耗、偏振相关损耗相同。
9.根据权利要求2所述的一种电场测量装置，其特征在于，所述多个激光器、所述多个光波导电场传感器及所述多个光纤耦合器组成的多条光路系统的光路长度相同。
10.一种电场测量系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任一所述的电场测量装置；
外部设备，所述外部设备与所述光电探测器的信号输出端电连接，用于对所述光电探测器输出的电场测量信号进行处理，以得到所述电场在所述预设三维坐标系中X方向、所述Y方向和Z方向的参数。
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