CN104132799A - 一种钛扩散LiNbO3相位调制器双折射调制系数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置和方法，装置包括宽谱光源、保偏环形器、钛扩散LiNbO₃相位调制器、保偏延迟光纤、法拉第旋光反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器。本发明提供的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置和方法，对于掌握光纤电流互感器变比温度误差的产生机理及抑制方法，提升光纤电流互感器的温度环境适应性和长期运行稳定性具有重要意义，且光波沿钛扩散LiNbO₃相位调制器和保偏延迟光纤两个正交的偏振模式传输，光路结构完全互易，对外界环境干扰具有很强的免疫能力；使用通用的信号发生器和示波器即可完成测试，操作简单、方便、高效。

Description

一种钛扩散LiNbO3相位调制器双折射调制系数测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种装置和方法，具体涉及一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置和方法。

背景技术

基于钛扩散工艺的铌酸锂(LiNbO₃)相位调制器可以传输两个正交的偏振模式，并在它们之间引入调制相位差，是一种双折射相位调制器。它是数字闭环光纤电流互感器实现高精度、大动态范围测量的核心器件。

基于法拉第效应的数字闭环光纤电流互感器利用双折射相位调制器实现偏置调制和反馈控制，结合数字锁相放大技术，通过检测传感光纤中两束旋向相反的正交圆偏振光之间的相位差来实现一次电流的测量，具有测量准确度高、频响范围宽、动态范围大、绝缘简单、无铁磁谐振、数字化输出、体积小、重量轻等优点，在智能变电站、特高压交、直流输电领域都有重要应用。

测量准确度的温度稳定性是评价光纤电流互感器性能的重要指标之一，也是目前限制光纤电流互感器大规模应用的主要因素。钛扩散LiNbO₃相位调制器位于光纤电流互感器数字闭环信号检测***的反馈通道，其双折射调制系数定义为单位调制电压在调制器两正交偏振模式之间产生双折射相位差，它是反馈增益的重要组成部分。环境温度变化时，双折射调制系数将发生变化，互感器的变比也将随之改变，造成变比误差，影响互感器的测量准确度。

发明内容

本发明提供一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置和方法，对于掌握光纤电流互感器变比温度误差的产生机理及抑制方法，提升光纤电流互感器的温度环境适应性和长期运行稳定性具有重要意义。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，所述装置包括宽谱光源、保偏环形器、钛扩散LiNbO₃相位调制器、保偏延迟光纤、法拉第旋光反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器；所述宽谱光源发出的光波由保偏环形器起偏变为线偏振光，线偏振光经45°保偏光纤熔点均分为两束线偏振光，两束线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器，并沿保偏延迟光纤传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回；沿原路返回的两束线偏振光经保偏环形器检偏后发生干涉，产生干涉光强；所述信号发生器产生锯齿波调制信号施加在所述钛扩散LiNbO₃相位调制器上，所述光电探测器将干涉光强转变为电压信号，由示波器显示相应的波形。

所述宽谱光源为自带驱动电路的光源模块，采用超辐射发光二极管或掺饵光纤光源。

所述保偏环形器选用消光比大于28dB的高消光比器件；所述保偏延迟光纤采用熊猫型保偏光纤，其长度大于50m。

所述保偏环形器的输出尾纤与钛扩散LiNbO₃相位调制器的输入尾纤45°对轴熔接，线偏振光被分为第一线偏振光和第二线偏振光。所述第一线偏振光和第二线偏振光的光强相等。

所述第一线偏振光和第二线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器的TE偏振模式和TM偏振模式，然后分别沿保偏延迟光纤的快轴和慢轴传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回，沿保偏延迟光纤快轴传输的第一线偏振光此时沿慢轴传输，沿保偏延迟光纤慢轴传输的第二线偏振光此时沿快轴传输；沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TE偏振模式传输的第一线偏振光此时沿TM偏振模式传输，沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TM偏振模式传输的第二线偏振光此时沿TE偏振模式传输；第一线偏振光和第二线偏振光由所述保偏环形器检偏并发生干涉。

所述法拉第旋光反射镜的旋光角度为45°，误差小于±1°，反射率大于90％。

光电探测器采用带电流-电压转换电路的探测器集成组件。

本发明还提供一种采用钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压；

步骤2：计算两束线偏振光之间的相位差；

步骤3：计算光电探测器的输出电压；

步骤4：确定钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数。

所述步骤1中，钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压用V_m(t)表示，有：

$V_m\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V_r}{T}(t-\mathrm{kT});& \mathrm{kT}\&le;t<(k+1)T\\ 0;& t=(k+1)T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，V_r和T为锯齿波的电压幅度和周期，k＝0，1，2，…。

所述步骤2中，第一线偏振光和第二线偏振光之间的相位差用表示，有：

其中，K为钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数，τ为光波往返两次经过钛扩散LiNbO₃相位调制器的时间差，V_m(t)和V_m(t-τ)分别为t和t-τ时刻的调制电压，为V_r产生的双折射调制相位，且

所述步骤3中，光电探测器的输出电压用V_p表示，有：

其中，η为光电探测器响应度与跨阻抗的乘积，α为光路损耗，I_x为光源输出光波中X偏振分量的光强。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：计算光电探测器输出的方波信号的幅度e＝0时，满足式(4)的最小正数解，有：

满足式(4)的最小正数解对应的V_r＝V_2π，V_2π为钛扩散LiNbO₃相位调制器的全波电压；

步骤4-2：计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数K，有：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.光波沿钛扩散LiNbO₃相位调制器和保偏延迟光纤两个正交的偏振模式传输，光路结构完全互易，对外界环境干扰具有很强的免疫能力；

2.使用通用的信号发生器和示波器即可完成测试，操作简单、方便、高效；

3.对于掌握光纤电流互感器变比温度误差的产生机理及抑制方法，提升光纤电流互感器的温度环境适应性和长期运行稳定性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例中钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置结构原理图；

图2是本发明实施例中钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量原理示意图(V_r≠V_2π)；

图3是本发明实施例中钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量原理示意图(V_r＝V_2π)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，所述装置包括宽谱光源、保偏环形器、钛扩散LiNbO₃相位调制器、保偏延迟光纤、法拉第旋光反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器；所述宽谱光源发出的光波由保偏环形器起偏变为线偏振光，线偏振光经45°保偏光纤熔点均分为两束线偏振光，两束线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器，并沿保偏延迟光纤传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回；沿原路返回的两束线偏振光经保偏环形器检偏后发生干涉，产生干涉光强；所述信号发生器产生锯齿波调制信号施加在所述钛扩散LiNbO₃相位调制器上，所述光电探测器将干涉光强转变为电压信号，由示波器显示相应的波形。

所述宽谱光源为自带驱动电路的光源模块，采用超辐射发光二极管或掺饵光纤光源。

所述保偏环形器选用消光比大于28dB的高消光比器件；所述保偏延迟光纤采用熊猫型保偏光纤，其长度大于50m。

所述保偏环形器的输出尾纤与钛扩散LiNbO₃相位调制器的输入尾纤45°对轴熔接，线偏振光被分为第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光和第二线偏振光的光强相等。

所述第一线偏振光和第二线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器的TE偏振模式和TM偏振模式，然后分别沿保偏延迟光纤的快轴和慢轴传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回，沿保偏延迟光纤快轴传输的第一线偏振光此时沿慢轴传输，沿保偏延迟光纤慢轴传输的第二线偏振光此时沿快轴传输；沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TE偏振模式传输的第一线偏振光此时沿TM偏振模式传输，沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TM偏振模式传输的第二线偏振光此时沿TE偏振模式传输；第一线偏振光和第二线偏振光由所述保偏环形器检偏并发生干涉。

所述法拉第旋光反射镜的旋光角度为45°，误差小于±1°，反射率大于90％。

光电探测器采用带电流-电压转换电路的探测器集成组件。

本发明还提供一种采用钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压；

步骤2：计算两束线偏振光之间的相位差；

步骤3：计算光电探测器的输出电压；

步骤4：确定钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数。

所述步骤1中，钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压用V_m(t)表示，有：

$V_m\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V_r}{T}(t-\mathrm{kT});& \mathrm{kT}\&le;t<(k+1)T\\ 0;& t=(k+1)T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，V_r和T为锯齿波的电压幅度和周期，k＝0，1，2，…，其波形如附图2中信号1所示。

所述步骤2中，第一线偏振光和第二线偏振光之间的相位差用表示，有：

其中，K为钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数，τ为光波往返两次经过钛扩散LiNbO₃相位调制器的时间差，V_m(t)和V_m(t-τ)分别为t和t-τ时刻的调制电压，为V_r产生的双折射调制相位，且波形如附图2中信号2所示。

所述步骤3中，光电探测器的输出电压用V_p表示，有：

其中，η为光电探测器响应度与跨阻抗的乘积，α为光路损耗，I_x为光源输出光波中X偏振分量的光强。光电探测器的输出电压V_p波形如附图2中方波信号3所示。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：计算光电探测器输出的方波信号的幅度e＝0时，满足式(4)的最小正数解，有：

满足式(4)的最小正数解对应的V_r＝V_2π，V_2π为钛扩散LiNbO₃相位调制器的全波电压；相应的波形如附图3所示。

步骤4-2：以方波信号3的幅度为零作判据，计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数K，有：

实施例

宽谱光源为自带驱动电路的光源模块，可以是超辐射发光二极管，也可以是掺饵光纤光源；保偏环形器选用高消光比器件，其消光比至少大于28dB；被测钛扩散LiNbO₃相位调制器的输入尾纤与保偏环形器的输出尾纤45°对轴熔接，输出尾纤与保偏延迟光纤0°对轴熔接；保偏延迟光纤采用熊猫型保偏光纤，其长度约为100m，由此决定渡越时间τ＝1μs；法拉第旋光反射镜的旋光角度为45°，误差小于±1°，反射率大于90％；光电探测器采用带电流-电压转换电路的探测器集成组件；信号发生器和示波器均为通用的仪器设备。

钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数的测量步骤为：

(1)由信号发生器产生周期T＝10μs的锯齿波调制信号1施加在钛扩散LiNbO₃相位调制器上，同时，用示波器来观测光电探测器的输出；

(2)调节锯齿波信号1的幅度，当光电探测器的输出信号3的幅值e逐渐减小直至变为信号6时，记录此时锯齿波信号4的幅值V_2π；

(3)根据式(5)计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述装置包括宽谱光源、保偏环形器、钛扩散LiNbO₃相位调制器、保偏延迟光纤、法拉第旋光反射镜、信号发生器、光电探测器和示波器；所述宽谱光源发出的光波由保偏环形器起偏变为线偏振光，线偏振光经45°保偏光纤熔点均分为两束线偏振光，两束线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器，并沿保偏延迟光纤传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回；沿原路返回的两束线偏振光经保偏环形器检偏后发生干涉，产生干涉光强；所述信号发生器产生锯齿波调制信号施加在所述钛扩散LiNbO₃相位调制器上，所述光电探测器将干涉光强转变为电压信号，由示波器显示相应的波形。

2.根据权利要求1所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述宽谱光源为自带驱动电路的光源模块，采用超辐射发光二极管或掺饵光纤光源。

3.根据权利要求1所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述保偏环形器选用消光比大于28dB的高消光比器件；所述保偏延迟光纤采用熊猫型保偏光纤，其长度大于50m。

4.根据权利要求1所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述保偏环形器的输出尾纤与钛扩散LiNbO₃相位调制器的输入尾纤45°对轴熔接，线偏振光被分为第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光和第二线偏振光的光强相等。

5.根据权利要求4所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述第一线偏振光和第二线偏振光分别进入钛扩散LiNbO₃相位调制器的TE偏振模式和TM偏振模式，然后分别沿保偏延迟光纤的快轴和慢轴传输，经法拉第旋光反射镜反射后沿原路返回，沿保偏延迟光纤快轴传输的第一线偏振光此时沿慢轴传输，沿保偏延迟光纤慢轴传输的第二线偏振光此时沿快轴传输；沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TE偏振模式传输的第一线偏振光此时沿TM偏振模式传输，沿钛扩散LiNbO₃相位调制器TM偏振模式传输的第二线偏振光此时沿TE偏振模式传输；第一线偏振光和第二线偏振光由所述保偏环形器检偏并发生干涉。

6.根据权利要求5所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：所述法拉第旋光反射镜的旋光角度为45°，误差小于±1°，反射率大于90％。

7.根据权利要求1所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置，其特征在于：光电探测器采用带电流-电压转换电路的探测器集成组件。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数测量装置对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压；

步骤2：计算两束线偏振光之间的相位差；

步骤3：计算光电探测器的输出电压；

步骤4：确定钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数。

9.根据权利要求8所述的对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，其特征在于：所述步骤1中，钛扩散LiNbO₃相位调制器的调制电压用V_m(t)表示，有：

$V_m\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V_r}{T}(t-\mathrm{kT});& \mathrm{kT}\&le;t<(k+1)T\\ 0;& t=(k+1)T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，V_r和T为锯齿波的电压幅度和周期，k＝0，1，2，…。

10.根据权利要求8所述的对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，其特征在于：所述步骤2中，第一线偏振光和第二线偏振光之间的相位差用表示，有：

其中，K为钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数，τ为光波往返两次经过钛扩散LiNbO₃相位调制器的时间差，V_m(t)和V_m(t-τ)分别为t和t-τ时刻的调制电压，为V_r产生的双折射调制相位，且

11.根据权利要求8所述的对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，其特征在于：所述步骤3中，光电探测器的输出电压用V_p表示，有：

其中，η为光电探测器响应度与跨阻抗的乘积，α为光路损耗，I_x为光源输出光波中X偏振分量的光强。

12.根据权利要求8所述的对钛扩散LiNbO₃相位调制器双折射调制系数进行测量的方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：计算光电探测器输出的方波信号的幅度e＝0时，满足式(4)的最小正数解，有：

满足式(4)的最小正数解对应的V_r＝V_2π，V_2π为钛扩散LiNbO₃相位调制器的全波电压；

步骤4-2：计算钛扩散LiNbO₃相位调制器的双折射调制系数K，有：