CN113433368A - 一种铌酸锂集成mzi型光波导大电流传感器及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统，传感器包括：x切y传铌酸锂晶片作为铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的衬底；多环形天线接收载流导线产生的磁场信号生成感应电流；调制电极与多环形天线集成于非对称MZI光波导上，多环形天线的每一环左右两边均设置有一对调制电极；非对称MZI光波导设置于x切y传铌酸锂晶片上；多环形天线和载流导线通过所述底座处于同一平面，且载流导线设置于铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的侧边。本发明能够在与被测电流无接触的条件下，安全地进行电流测量，同时还避免了能量的辐射，提高了测量效率，并且极大地提高了传感器的集成度和稳定性，降低了结构的复杂程度。

Description

一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统

技术领域

本发明涉及光学电流传感器领域，特别是涉及一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统。

背景技术

随着我国电力行业的发展，传统的电力系统正在向现代电力系统转变。在电力公司、国防军工等企业和领域存在着交流大电流、直流大电流和脉冲大电流发生装置的安全使用问题，因此大电流测量在现代电气系统中是必不可少的。

分流器、电流互感器和罗氏线圈作为电流测量的传统方法，电阻分流法因为需要串接到一次回路中，造成安装不便，一次回路与二次回路之间没有电气隔离，不适合电子计量设备或控制装置的引入，且传感器结构复杂、体积过大。随着电网智能化程度不断提高，电磁式电流互感器存在的问题越来越明显，主要表现在：动态范围小、带宽窄、绝缘复杂、存在磁饱和铁磁谐振。相比于电流互感器，罗氏线圈虽没有铁芯，不存在磁饱和问题，但依然存在外部供电、可靠性差等问题，尤其当测量脉冲大电流时，强电磁环境下的干扰问题不容忽视。

近年来，基于Faraday磁光效应的光纤电流传感器已经成为光学电流传感器的研究热点之一。光电混合式传感器利用的还是传统的电磁感应原理，光纤只是用于信号传输，并未解决磁饱和、环境磁场等因素的影响。全光纤型电流传感器也由于磁光材料的维尔德常数受温度影响变化较大，使得传感器工作很不稳定，需要进行温度补偿，且传感器所用的光纤传感线圈还存在线性双折射问题。基于光纤布拉格光栅(FBG)和磁致伸缩材料的光学电流传感器虽然克服了线性双折射问题，但光纤光栅固有的温度和应变交叉敏感性，需要对其进行必要的温度补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统，以解决上述现有技术存在的问题，在与被测电流无接触的条件下，安全地进行电流测量，同时还避免了能量的辐射，提高了测量效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，包括：x切y传铌酸锂晶片、多环形天线、调制电极、非对称MZI光波导、底座、载流导线，

所述x切y传铌酸锂晶片，用于作为所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的衬底；

所述多环形天线，用于接收所述载流导线产生的磁场信号并生成感应电流；

所述调制电极，与所述多环形天线集成于所述非对称MZI光波导上，所述多环形天线的每一环的左右两边均设置有一对所述调制电极，所述调制电极用于将所述感应电流形成感应电压；

所述非对称MZI光波导，用于将传输的光在未加电流信号时形成π/2的相位差，同时使被调制的光波在形成干涉输出，所述非对称MZI光波导设置于所述x切y传铌酸锂晶片上；

所述多环形天线和所述载流导线通过所述底座处于同一平面，且所述载流导线设置于所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的侧边。

优选地，所述多环形天线的匝数不少于M个环，M为偶数且大于2，所述多环形天线的每个环为形状相同的封闭环，所述多环形天线的环与环平行设置。

优选地，所述多环形天线的环间距相等，所述多环形天线的环宽度相同。

优选地，所述调制电极包括2M对，每对所述调制电极的尺寸相同，且每对所述调制电极的电极间距相同。

优选地，所述多环形天线的厚度与所述调制电极的厚度相同。

优选地，所述非对称MZI光波导为在x切y传铌酸锂晶片表面制作的铌酸锂光波导。

优选地，所述非对称MZI光波导包括输入直波导、Y分支输入光波导、两平行直波导臂、非对称波导臂、Y分支输出光波导和输出直波导，所述输入直波导、所述Y分支输入光波导、所述两平行直波导臂、所述非对称波导臂、所述Y分支输出光波导和所述输出直波导依次连接，

所述多环形天线和所述调制电极集成在所述两平行直波导臂上，一侧的所述调制电极集成在平行直波导臂的上波导臂上，另一侧的所述调制电极集成在平行直波导臂的下波导臂上，且所述多环形天线左右两边调制电极对在z方向垂直位置由所述两平行直波导臂的间距决定。

优选地，所述输入直波导和所述输出直波导的长度相同；所述Y分支输入光波导和所述Y分支输出光波导长度和宽度相同，且分光比相同。

优选地，所述两平行直波导臂的长度与所述多环形天线的尺寸相关联；所述非对称波导臂的长度和宽度与所述非对称MZI光波导的臂长差ΔL相关联，所述臂长差ΔL为：

其中，λ表示光波波长，N表示光波导的有效折射率，n＝0,1,2…为整数。

还提供一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流测量系统，包括：

保偏光源，用于产生线偏振光，所述保偏光源通过保偏光纤连接有所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器通过单模光纤输出调制光波到信号提取单元，所述信号提取单元，用于提取所述调制光波中的光信号，并基于所述光信号获得被测电流的信息。

本发明公开了以下技术效果：

与现有技术相比，本发明所提供的一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及其测量系统具有以下有益效果：

1)在一片具有电光效应的x切y传铌酸锂晶片表面制作集成光波导、环形天线和调制电极，通过合理布置传感器和载流导线的位置，使得电流通过导线时产生穿过传感器多环形天线的磁场，从而在调制电极上产生感应电压，并对光波导以及波导中传输的光波发生相互作用，实现电流对光波的调制，最后再通过信号提取单元进行信号处理与提取，即可获得被测电流的信息。集成光学技术极大地提高了传感器的集成度和稳定性，同时降低了传感器结构的复杂程度。

2)晶体电光效应发生的时间在飞秒量级，响应时间快，带宽宽，可测量脉冲电流的时域波形。

3)由于将光波束缚在波长量级的波导中传输，偏振得到很好地控制，稳定性由此得到提高，同时还避免了能量的辐射，提高了功率密度。

4)该传感器为无源结构，不会产生电磁辐射，不需要外部供电；除电极和天线具有微量金属外，其余都为非金属结构，绝缘性能好；采用光纤进行信号传输，抗电磁干扰；与被测电流无接触，操作安全，为一种非接触电流测量技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的天线电极结构示意图，其中图(a)为多环形天线结构的最内环形天线结构尺寸图，图(b)是匝数为6的多环形天线结构；

图3为本发明实施例中的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器中的非对称MZI光波导结构示意图；

图4为本发明实施例中以铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器为核心探头的电流测量系统的结构示意图图；

图5为本发明实施例中仿真测量8/20μs的双指数脉冲电流的仿真结果示意图；

图6是本发明实施例中铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器测量系统测量峰值电流3300A，波前时间8μs，持续时间20μs的标准雷电流的实验测量结果示意图。

其中，1为x切y传铌酸锂晶片，2为多环形天线，3为调制电极，4为非对称MZI光波导，5为底座，6为载流导线，7为保偏光源，8为保偏光纤，9为单模光纤，10为信号提取单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统，参考图1所示。

如图1所示，铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器包括x切y传铌酸锂晶片1、多环形天线2、调制电极3、非对称MZI光波导4、底座5、载流导线6，x切y传铌酸锂晶片1作为铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器衬底，在x切y传铌酸锂晶片1表面，采用退火质子交换技术制作有非对称MZI光波导4。

多环形天线2，用于接收载流导线6产生的磁场信号并在多环形天线2上感应出感应电流。多环形天线2的匝数不少于M个环，M为偶数且大于2，并且多环形天线2的每个环形状相同。多环形天线2的环间距相等，并且每个环的环宽度相同。调制电极3，用于将多环形天线2上的感应电流形成感应电压。调制电极包括2M对，每对调制电极3的尺寸相同，且每对调制电极(3)的电极间距相同。调制电极3的形状均为平行的金属电极。另外，多环形天线2的厚度与调制电极3的厚度相同。环形天线2与调制电极3集成为一个整体，每个环形天线两条相对的边上均有一对平行的调制电极，从而使感应电流在终端的调制电极3之间产生感应电压，对非对称MZI光波导4里面传输的光波进行调制，即将磁场信号转换为感应电压对光波进行调制。如图2所示，在本实施例中，设置多环形天线2的匝数数量为6个，每个环的形状均为矩形，最内环天线为0.8mm×0.39mm的矩形，环间距均为0.2mm，环宽度均为0.1mm；调制电极3的对数数量为12对，每对调制电极尺寸均一致，电极长度为200μm,电极宽度为10μm，电极间距为10μm，6个矩形金属环和12对调制电极构成了本实施例中铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器中的天线电极，天线电极的材料为金属材料，优选为金或铬。

如图3所示，非对称MZI光波导4包括输入直波导、Y分支输入光波导、两平行直波导臂、非对称波导臂、Y分支输出光波导和输出直波导，即形成一种集成的非对称MZI光波导结构。其中，输入直波导和输出直波导的长度均一致；Y分支输入光波导和Y分支输出光波导长度和宽度均一致，且Y分支的分光比相同；两平行直波导臂的长度由多环形天线2的尺寸决定；非对称波导臂的长度和宽度由非对称MZI光波导4的臂长差ΔL决定，一定臂长差ΔL的结构会使光波导中传输的光在未加电流信号时有一个φ₀＝nπ+π/2(n＝0,1,2…)的相位差，从而使传感器工作在线性区域，ΔL的表达式如式(1)所示：

式中，λ表示光波波长，N表示光波导的有效折射率，n＝0,1,2…为整数；因为在C波段(1565nm～1565nm)内，光波导的有效折射率在20138～2.1395范围内与光波长近似呈线性关系，这里取λ＝1550nm作为波导结构设计时的工作波长，对应的光波导的有效折射率N＝2.1388，得出当取n＝20时，非对称MZI光波导上下两波导臂的臂长差ΔL＝7.25μm，满足公式(1)的要求。非对称MZI光波导结构的具体参数如表1所示。

表1

符号	名称	数值
			L<sub>1</sub>	输入直波导的长度	5000μm
L<sub>2</sub>	Y分支输入光波导的长度	10000μm
			H<sub>1</sub>	Y分支输入光波导的高度	120μm
L<sub>3</sub>	两平行直波导臂的长度	4000μm
			L<sub>4</sub>	非对称波导臂的长度	10000μm
H<sub>2</sub>	非对称波导臂的高度	270μm
			L<sub>5</sub>	输出直波导的长度	5000μm

在本发明中，设置多环形天线2和调制电极3作为一个整体集成在非对称MZI光波导4的两平行直波导臂上，每个环形天线两条相对的边上均有一对调制电极3，一侧的调制电极3集成在平行直波导臂的上波导臂上，另一侧的调制电极3集成在平行直波导臂的下波导臂上。

载流导线6放置在铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的底座5当中。本实施例中，底座5是用ABS塑料材质打印的12cm×4cm×1.2cm的长方体。

如图4所示，还提供了一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流测量系统，该测量系统采用铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器为核心探头。包括保偏光源7、保偏光纤8、铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器、单模光纤9和信号提取单元10，保偏光源7用于产生线偏振光，保偏光源7通过保偏光纤8连接有所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器通过单模光纤9输出调制光波到信号提取单元10，信号提取单元10处理铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器输出的光信号并进行光信号到电信号的转换，即可获得被测电流的信号。

进一步优化方案，保偏光源7、保偏光纤8、单模光纤9、信号提取单元10采用中心波长1550nm的光纤通信用商用光纤或器件。

如图5-6，本实施例通过COMSOL Multiphysics仿真软件中建立传感器的三维模型，根据微光学工艺的设计需求，仿真中x切y传铌酸锂晶片设置为57mm×4mm×0.5mm的长方体，多环形天线和调制电极的参数：设置多环形天线2的匝数数量为6个，每个环的形状均为矩形，最内环天线为0.8mm×0.39mm的矩形，环间距均为0.2mm，环宽度均为0.1mm；调制电极3的对数数量为12对，每对调制电极尺寸均一致，电极长度为200μm,电极宽度为10μm，电极间距为10μm，设置被测电流为8/20μs的双指数脉冲电流，其测量原理为：

保偏光源7输出的线偏振光由保偏光纤8输入到铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的非对称MZI光波导4的Y分支输入光波导处，两路光波在上下直波导臂上受到调制电极3之间感应电压的调制，感应电压是由多环形天线2接收载流导线6产生的时变电磁场信号产生的，载流导线产生的磁场B如公式(2)所示：

式中，μ＝μ₀μ_r，μ₀为真空中的磁导率，其值为4π×10^-7，μ_r＝1是理想介质的相对磁导率，I为待测电流，r为载流导线到环形天线中心的距离。

假设载流导线6产生的磁场H垂直于多环形天线平面，电场E平行于多环形天线平面。进一步根据法拉第电磁感应定律，磁场H的作用将在多环形天线上感生出感应电流，并在多环形天线终端的调制电极3间形成感应电压，调制电极3之间的调制电压是由磁场和电场一起作用的结果，多环形天线2一侧调制电极3之间的调制电压V₁为：

V₁＝V_H+V_E (3)

另一侧调制电极3之间的调制电压V₂为：

V₂＝-V_H+V_E (4)

其中，由磁场引起的感应电压V_H为：

式中，ω是电磁场的角频率，Φ为穿过环天线的磁通量，S为环形天线的面积，电极之间的感应电压V是磁场H和电场E共同作用的结果，即V＝V_H±V_E。由于铌酸锂晶体的电光效应，感应电压V对两波导臂中传输的光波进行调制，然后在输出Y分支处干涉输出，将光相位变化转换成光强度变化。传感器输出光强度P_out的表达式如公式(6)所示：

式中，P_out为非对称MZI光波导4输出的Y分支输出光功率，α为插入损耗引起的光衰减系数，P_in为输入光功率，φ₀为传感器的初始相位偏置即线性工作点，φ₁和φ₂为两波导臂上产生的相移，其表达式如公式(7)-(8)所示：

其中，V_π为传感器的半波电压，与传感器的结构有关，半波电压V_π的表达式如公式(9)所示：

其中，λ为光波长，G为电极间距，n_e为非常光的折射率，γ₃₃为铌酸锂晶体的折射率，Γ为场模重叠因子，L为电极长度，将公式(7)、公式(8)带入公式(6)可得：

由公式(10)可知，传感器输出的光强仅与传感器结构和电流产生的磁场H有关，而与电场产生的感应电压无关。传感器输出的光强经单模光纤9与信号处理单元10相连接，在信号处理单元10中进行光信号到电信号的转换以及电信号的提取，采集与处理后获得被测电流I的有效值。如图6所示，为测量峰值电流3300A，波前时间8μs，持续时间20μs的标准雷电流的实验测量结果。

本发明提供的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器及测量系统，铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器主要由x切y传铌酸锂晶片、多环形天线、调制电极、非对称MZI光波导制成。当有电流通过载流导线时产生穿过多环形天线的磁场，多环形天线上会产生感应电流，从而在终端的调制电极上产生感应电压，该感应电压作用于非对称MZI型光波导的直波导臂上。输入光从Y分支输入光波导处分为两部分，两部分输入光经过非对称MZI光波导的两平行直波导臂，从而使感应电压与波导中传输的光波发生相互作用，实现电流对光波的调制，调制的光信号由Y分支输出光波导干涉输出光强，最后再通过信号提取单元进行光电转换和信号提取，即可获得被测电流的信息。本发明提供的电流测量系统包括：载流导线、保偏光源、保偏光纤、铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器、单模光纤、信号提取单元。保偏光源输出的线偏振光经过保偏光纤进入铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，电流传感器接收载流导线产生的磁场信号后输出调制光信号，信号提取单元对输出的光信号进行处理和提取。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：包括：x切y传铌酸锂晶片(1)、多环形天线(2)、调制电极(3)、非对称MZI光波导(4)、底座(5)、载流导线(6)，

所述x切y传铌酸锂晶片(1)，用于作为所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的衬底；

所述多环形天线(2)，用于接收所述载流导线(6)产生的磁场信号并生成感应电流；

所述调制电极(3)，与所述多环形天线(2)集成于所述非对称MZI光波导(4)上，所述多环形天线(2)的每一环的左右两边均设置有一对所述调制电极(3)，所述调制电极(3)用于将所述感应电流形成感应电压；

所述非对称MZI光波导(4)，用于将传输的光在未加电流信号时形成π/2的相位差，同时使被调制的光波在形成干涉输出，所述非对称MZI光波导(4)设置于所述x切y传铌酸锂晶片(1)上；

所述多环形天线(2)和所述载流导线(6)通过所述底座(5)处于同一平面，且所述载流导线(6)设置于所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器的侧边。

2.根据权利要求1所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述多环形天线(2)的匝数不少于M个环，M为偶数且大于2，所述多环形天线(2)的每个环为形状相同的封闭环，所述多环形天线(2)的环与环平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述多环形天线(2)的环间距相等，所述多环形天线(2)的环宽度相同。

4.根据权利要求1所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述调制电极(3)包括2M对，每对所述调制电极(3)的尺寸相同，且每对所述调制电极(3)的电极间距相同。

5.根据权利要求3所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述多环形天线(2)的厚度与所述调制电极(3)的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述非对称MZI光波导(4)为在x切y传铌酸锂晶片(1)表面制作的铌酸锂光波导。

7.根据权利要求1或6所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述非对称MZI光波导(4)包括输入直波导、Y分支输入光波导、两平行直波导臂、非对称波导臂、Y分支输出光波导和输出直波导，所述输入直波导、所述Y分支输入光波导、所述两平行直波导臂、所述非对称波导臂、所述Y分支输出光波导和所述输出直波导依次连接，

所述多环形天线(2)和所述调制电极(3)集成在所述两平行直波导臂上，一侧的所述调制电极(3)集成在平行直波导臂的上波导臂上，另一侧的所述调制电极(3)集成在平行直波导臂的下波导臂上，且所述多环形天线(2)左右两边调制电极(3)对在z方向垂直位置由所述两平行直波导臂的间距决定。

8.根据权利要求7所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述输入直波导和所述输出直波导的长度相同；所述Y分支输入光波导和所述Y分支输出光波导长度和宽度相同，且分光比相同。

9.根据权利要求7所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：所述两平行直波导臂的长度与所述多环形天线(2)的尺寸相关联；所述非对称波导臂的长度和宽度与所述非对称MZI光波导(4)的臂长差ΔL相关联，所述臂长差ΔL为：

其中，λ表示光波波长，N表示光波导的有效折射率，n＝0,1,2…为整数。

10.一种铌酸锂集成MZI型光波导大电流测量系统，所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流测量系统采用权利要求1-9任一项所述的铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，其特征在于：包括：

保偏光源(7)，用于产生线偏振光，所述保偏光源(7)通过保偏光纤(8)连接有所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器，所述铌酸锂集成MZI型光波导大电流传感器通过单模光纤(9)输出调制光波到信号提取单元(10)，所述信号提取单元(10)，用于提取所述调制光波中的光信号，并基于所述光信号获得被测电流的信息。

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