CN108957152B - 一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统及其测量方法 - Google Patents

一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统及其测量方法，属于电场测量技术领域。该系统包括：宽带激光源、单模光纤、光环形器、反射式集成光波导电场探头、光波长解调仪。其中，宽带激光源输出光经单模光纤和光环形器输入反射式集成光波导电场探头，电场探头输出反射光经单模光纤和光环形器输入光波长解调仪。反射式集成光波导电场探头为在电光衬底表面制作两臂长度不对称的光波导3 dB耦合器，并在3 dB耦合器的直波导臂两侧制作金属天线和电极，在光波导3 dB耦合器末端面制作反射膜。本发明具有结构简单，抗电磁干扰，实现信号远距离传输的优点，并且使用一台宽带激光源和一台光波长解调仪实现空间电场的多点同时测量，节约成本。

Description

一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统及其测量 方法
技术领域
本发明涉及一种基于波长解调的集成光波导传感器系统及其测量方法，属于电磁场测量技术领域。
背景技术
近年来，随着光电子技术的快速发展与应用，各种光电传感器被广泛研究应用于国防、电力、生物、医学、高能物理等领域。其中，以集成光学技术为基础的光波导电场传感器因为具有体积小、响应快、灵敏度高、对被测电场干扰小等优点，受到了国内外研究人员的青睐。目前已有研究报道采用集成光波导电场传感器测量诸如核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、高能微波、长间隙放电等强脉冲电场。集成光波导传感器已成为电磁场，尤其是强电磁场测量研究领域的发展趋势。
现有的集成光波导电场传感器系统如图1所示，单波长激光源1输出光通过单模光纤2输入集成光波导电场探头3，当电场探头3接收到空间电场时，会对光波产生调制作用，使传感器输出光强随被测电场发生相应变化，在测量系统输出端使用光电探测器4进行光电转换便可获得被测电场的信息。现有的光波导电场传感器系统本质上为一种光强度调制（电场加载）/解调（电场提取）系统，因此，仅采用单个激光源和单个光电探测器无法实现直接对空间电场进行多点同时测量。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光波长解调的集成光波导电场传感器系统，通过采用一台宽带激光源和光波长解调仪，可连接多个集成光波导电场探头，实现空间电场的多点同时测量，系统具有结构简单、成本低等优点。
发明内容
本发明提供了一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统，通过设计制作一种基于两臂长度不对称的集成光波导3 dB耦合器构成的一种反射式集成光波导电场探头，并采用宽带激光源作为传感器光源，光波长解调仪作为信号解调设备，使得本系统仅用一个光源和解调仪便可级联多个传感器，实现对空间电场进行多点同时测量。
本发明的技术方案是：一种基于波长解调的集成光波导传感器系统，包括：
宽带激光源，用于产生波长的偏振光束；
单模光纤，用于将宽带激光源输出的线偏振光经过光环形器的第一端口和第二端口输入反射式集成光波导电场探头，同时用于将反射式集成光波导电场探头输出光经光环形器的第三端口输入光波长解调仪；
光环形器，用于将宽带激光源输出光输入反射式集成光波导电场探头，同时用于将反射式集成光波导电场探头输出光输入光波长解调仪；
反射式集成光波导电场探头，用于接收空间被测电场信号，完成电场对光波长的调制；
光波长解调仪，用于对反射式集成光波导电场探头输出光信号进行波长解调以获得被测电场的信息；
进一步的，宽带激光源的中心波长为1550 nm，波长范围根据实际测量范围求而定。
进一步的，反射式集成光波导电场探头为，在一片具有电光效应的衬底表面采用集成光学的制作工艺技术制作两臂长度不对称的集成光波导3 dB耦合器，并在其中直波导臂两侧制作金属电极和天线，最后在光波导电场探头的末端端面制作介质或者金属反射膜；
进一步的，两臂长度不对称的集成光波导3 dB耦合器为，在一片具有电光效应的衬底表面采用集成光学的制作工艺技术制作上臂为S型弯曲波导，下臂为直波导构成的光波导结构；
进一步的，具有电光效应的衬底为任何一种电光晶片，例如铌酸锂晶片、电光聚合物等；
利用上述系统测量电场的方法为：
宽带激光源输出光信号通过单模光纤以及光环形器输入反射集成光波导电场探头，当天线接收到空间电场时，会在电极间产生感应电压，利用衬底的电光效应，该电压将使光波导的有效折射率发生变化，从而使电场探头反射输出光谱发生移动即使反射光得中心波长发生偏移，使用光波长解调仪检测该波长的偏移便可得到空间被测电场的信息。
所述的基于波长解调的集成光波导电场传感器系统输出光信号可表示为
Pout=k{1+cos[(4π/λ)neff(E)ΔL]}（1）
上式中k为由宽带激光源输出光功率和传感器系统衰减系数决定的常数，λ为宽带激光源输出光波长，neff(E)为被测电场E引起的光波导有限折射率的变化，ΔL为集成光波导3 dB耦合器两波导臂的长度差。分析（1）式可知，当接收到空间被测电场E时，传感器系统输出光谱将发生移动，通过使用光波长解调仪检测光波长的偏移，即可获得被测电场的信息。
本发明的有益效果是：（1）通过采用宽带激光源为传感器提供光信号，同时通过采用光波长解调仪检测传感器输出光波长的偏移来获取被测电场的信息，使得仅用一台宽带激光源和光波长解调仪，便可连接多个集成光波导电场探头，实现对空间电场的多点同时测量，节约了成本。（2）通过设计制作一种基于反射式集成光波导3 dB耦合器的电场探头，使得整个测量系统结构变得简单实用，给实际测量带来很大方便。
附图说明
图1为现有的一种集成光波导传感器系统结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导传感器系统结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导传感器系统的中的反射式集成光波导电场探头结构示意图；
图4为本发明提供的反射式集成光波导电场探头输出光谱示意图；
图5为采用本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统搭建的一种多点电场同时测量的系统实例结构框图；
图6为采用本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统搭建的一种多通道、多点电场同时测量系统实例结构框图；
图1-图6中各标号：1-单波长激光源，2-单模光纤，3-集成光波导电场探头，4-光电探测器，5-宽带激光源，6-光环形器，7-反射式集成光波导电场探头，8-光波长解调仪，9-衬底，10-集成光波导3dB耦合器，11-金属电极，12-天线，13-反射膜，14-光放大器，15-1×N光分路器，16-1×N光开光。
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，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图2所示，一种基于波长解调的集成光波导传感器系统，包括：
宽带激光源5，用于产生一定波长范围的光信号；
单模光纤2，用于将宽带激光源5输出的线偏振光经过光环形器6的1端口和2端口输入反射式集成光波导电场探头7，同时用于将反射式集成光波导电场探头7输出光经光环形器6的3端口输入光波长解调仪8；
光环形器6，用于将宽带激光源5输出光输入反射式集成光波导电场探头7，同时用于将反射式集成光波导电场探头7输出光输入光波长解调仪8；
反射式集成光波导电场探头7，用于接收空间被测电场信号，完成电场对光波长的调制；
光波长解调仪8，用于对反射式集成光波导电场探头7输出光信号进行波长解调以获得被测电场的信息。
如图3所示：反射式集成光波导电场探头7为在一片具有电光效应的衬底9表面采用集成光学的制作工艺技术制作两臂长度不对称的集成光波导3 dB耦合器10，并在其中直波导臂两侧制作金属电极11和天线12，最后在反射式集成光波导电场探头7的末端端面制作介质或者金属的反射膜13。
集成光波导3 dB耦合器10为在一片具有电光效应的衬底9表面采用集成光学的制作工艺技术制作上臂为S型弯曲波导，下臂为直波导构成的光波导结构。
具有电光效应的衬底9可为任何一种电光晶片，例如可以是铌酸锂晶片，也可以是电光聚合物。
本实施中宽带激光源5的中心波长为1550 nm，波长范围可选择覆盖光纤通信C波段1530 nm-1565 nm，也可根据实际测量需求进行定制；单模光源2可采用光纤通信用标准光纤，长度根据实际测量需求而定；反射式型集成光波导电场探头7的衬底13可以选择铌酸锂晶片，也可以选择电光聚合物；制作金属电极11以及金属偶极子天线12的材料可选择金或者铝等；光放大器14可以选择半导体光放大器SOA，也可以选择掺铒光纤放大器EDFA，带宽包含宽带激光源5的输出波长范围；光环形器6为光纤通信用单模光环形器；1×N光开光16、1×N光分路器15的通道数可根据实际需求进行选择；光波长解调仪8可根据测量需求选择商用光纤光栅传感器解调仪，或自行研制。
本发明提供的反射式集成光波导电场探头输出光谱如图4所示，从图中可以看到当传感器接收到被测电场时，其输出光谱会发生移动，即传感器输出波长随被测电场发生相应的偏移。因此，通过在传感器系统输出端采用光波长解调仪（8）检测光波长的偏移量Δλ(E)即可得到被测电场的信息。
利用上述系统测量电场的方法为：
宽带激光源5输出光信号通过单模光纤2以及光环形器6输入反射集成光波导电场探头7，当天线12收到空间电场时，会在电极11间产生感应电压，利用衬底9的电光效应，该电压将使光波导的有效折射率发生变化，从而使电场探头反射输出光谱发生移动即使反射光得中心波长发生偏移波长调制，使用光波长解调仪检测该波长的偏移便可得到空间被测电场的信息。
实施例2：图5所示为采用本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统搭建的一种多点电场同时测量的系统实例结构框图。如图所示，宽带激光源5输出光经单模光纤2输入光放大器14进行光放大，以便为测量系统中各传感器7提供足够的光能。放大后的光信号经过光环形器6输入1×N光分路器15从而将光信号同时输入置于N个待测点处的N个反射式集成光波导电场探头7；当光波导电场探头7接收到被测电场时，它们的反射波长都将发生漂移，在测量系统输出端采用N波长解调仪，即可同时测量N个待测点处的电场信息。
实施例3：图6为采用本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统搭建的一种多通道多点电场同时测量系统实例结构框图。如图所示，宽带激光源5输出光经单模光纤2输入光放大器14进行光放大，以便为测量系统中各传感器7提供足够的光能。放大后的光信号经过光环形器6输入1×N光开光16后，再输入N个1×N光分路器15，由1×N光分路器15输出的光信号分别输入N个反射式集成光波导电场探头7。可见，图6所示的多通道多点电场同时测量系统，实际为多个N个图5所示多点电场同时测量的系统单通道的叠加。测量时，根据实际需求通过1×N光开光16控制选择某一个测量通道打开，即可同时测量N个待测点处的信息，给实际应用带来很大方便。
综上，本发明提供的一种基于波长解调的集成光波导传感器系统：（1）通过采用宽带激光源为传感器提供光信号，同时通过检测传感器输出光波长的偏移来获取被测电场的信息，使得仅用一台宽带激光源和光波长解调仪，便可连接多个集成光波导电场探头，实现对空间电场进行多点同时测量，节约了成本；（2）通过设计制作一种基于反射式集成光波导3 dB耦合器的电场探头，使得测量系统结构更加简单实用，给实际测量带来很大方便。
上面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做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统，其特征在于，包括：
宽带激光源（5），用于产生波长的偏振光束；
单模光纤（2），用于将宽带激光源（5）输出的光线偏振光经过光环形器（6）的第一端口和第二端口输入反射式集成光波导电场探头（7），同时用于将反射式集成光波导电场探头（7）输出光经光环形器（6）的第三端口输入光波长解调仪（8）；
光环形器（6），用于将宽带激光源（5）输出光输入反射式集成光波导电场探头（7），同时用于将反射式集成光波导电场探头（7）输出光输入光波长解调仪（8）；
反射式集成光波导电场探头（7），用于接收空间被测电场信号，实现电场对光波长的调制；
光波长解调仪（8），用于对反射式集成光波导电场探头（7）的输出光信号进行波长解调，以获得被测电场的信息；
所述反射式集成光波导电场探头（7）为在一片具有电光效应的衬底（9）表面制作两臂长度不对称的集成光波导3 dB耦合器（10），并在其中直波导臂两侧制作金属电极（11）和天线（12），最后在反射式集成光波导电场探头（7）的末端端面制作介质或者金属反射膜（13）；
所述集成光波导3 dB耦合器（10）为，在衬底（9）表面采用集成光学的制作工艺技术制作上臂为S型的弯曲波导，下臂为直波导构成的光波导结构。
2.根据权利要求1所述的基于波长解调的集成光波导电场传感器系统，其特征在于：所述宽带激光源（5）的中心波长为1550 nm，波长范围根据实际测试范围需求而定。
3.根据权利要求1所述的基于波长解调的集成光波导电场传感器系统，其特征在于：所述衬底（9）为任何一种具有光电效应的电光晶片。
4.利用权利要求1所述的基于波长解调的集成光波导电场传感器系统测量电场的方法为：
所述宽带激光源（5）输出光信号通过单模光纤（2）以及光环形器（6）输入反射集成光波导电场探头（7），当反射式集成光波导电场探头（7）中的天线（12）收到空间电场时，会在金属电极（11）间产生感应电压，利用衬底（9）的电光效应，该电压将使光波导的有效折射率发生变化，从而使电场探头反射输出光谱发生移动，即使反射光的中心波长发生偏移，在输出端使用光波长解调仪（8）检测反射波长的偏移便可得到空间被测电场的信息。
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