一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置的制造方法

專利名稱:一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，包括：SLD光源、起偏器、溫循箱、信號發生器、光電探測器和示波器；SLD光源發出的光信號進入起偏器，起偏器尾纖與被測透光介質尾纖以45°對軸熔接，起偏光波經過45°熔接后進入被測透光介質；信號發生器對被測透光介質施加預定頻率的正弦波信號；光電探測器對由被測透光介質傳輸延遲的光信號進行探測，并轉換成電信號放大后輸出電信號，送達示波器；示波器獲得光電探測器輸出的電信號值。對采集的數據進行計算可獲得被測透光介質雙折射率差值。利用本實用新型實施例能夠測試透光介質尤其是鈦擴散鈮酸鋰波導的雙折射率差值。
【專利說明】
-種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及光電領域，具體設及一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝 置。
【背景技術】
[0002] 光學電壓互感器大多是利用電光晶體的線性電光效應(Pockels),目前常見的電 壓互感器的結構包括電光傳感晶體，四分之一波片和兩個偏振片，其中四分之一波片引入 V2光偏振，W實現電壓的線性傳感、擴大線性測量范圍和提高測量靈敏度等功能。但是，四 分之一波片經常會受到環境溫度、加工精度及附加應力等因素的影響，從而影響互感器性 能，此外由波片主軸和傳感頭晶體主軸對準誤差導致的角度偏差也會影響互感器性能。因 此，為了減少四分之一波片對互感器性能的影響，利用光波導的固有雙折射相移Ob，通過 特定光波導的長度引入V2光偏振W取代四分之一波片。該方法需要測量固有雙折射率差 值B。
[0003] 鐵擴散波導的熱穩定性優于質子交換波導，當溫度變化IOOK時，電場的測量誤差 僅為2.5%，波導的雙折射相移隨溫度的變化速率約為2.4 X l(T5rad/K。考慮電壓互感器其 對響應速度、精度和溫度穩定性的要求，鐵擴散妮酸裡波導更適合應用于電壓互感器中，如 圖1所示。光延遲技術的介質折射率測量原理是:利用信號處理與控制模塊，載有電信號的 光波經發射模塊注入被測介質傳輸，光信號經過一定延遲時間t2到達光接收模塊，完成光 電轉換及放大后，信息處理與控制模塊對電信號進行處理，獲取發射光信號和接收光信號 的延遲時間，再結合已知的被測介質長度^和延遲時間ti，獲得附加延遲時間At = ti-t2， 計算得到被測介質的折射率為:n2 = (nlLl-cAt)/L2，其中L2為被測介質長度。而鐵妮酸裡波 導（Y切Z傳）的雙折射率差值量級為1(T5,兩個模式的延遲時間差的量級粗略估算在1(T6ns，超過光電探測器可W識別的精度，無法區別TE模式和TM模式折射率的差別。

【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本實用新型提出一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，利用不 同溫度下光電探測器輸出信號的不同振幅來測出雙折射率差值。
[0005] 本實用新型提供一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，包括： 超福射發光二極管化D光源、起偏器、溫循箱、信號發生器、光電探測器和示波器，其中測試 時，被測透光介質放置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器;其中，SLD光源發出的光信號 進入起偏器，起偏器尾纖與被測透光介質尾纖W45°對軸烙接，起偏光波經過45°烙接后進 入被測透光介質；信號發生器對被測透光介質施加預定頻率的正弦波信號;光電探測器對 由被測透光介質傳輸延遲的光信號進行探測，并轉換成電信號放大后輸出電信號，送達示 波器;示波器獲得光電探測器輸出的電信號值。
[0006] 優選地，其中SLD光源為SL的敦光器。
[0007] 優選地，其中起偏器為偏振片或Y波導。
[000引優選地，其中起偏器為90°或0°偏振片。
[0009] 優選地，其中光電探測器選用PIN-FET組件，其包括半導體PIN光電二極管和跨阻 抗前置放大器。
[0010] 優選地，其中被測介質為妮酸裡、憐化銅或石英晶體。
[OOW 優選地，其中被測介質為Y切Z傳妮酸裡波導。
[0012] 有益效果:本實用新型實施例通過把微小的相移變化轉化為電信號振幅的變化， 利用不同溫度下光電探測器輸出信號的不同振幅來測出雙折射率差值，同時也可W測試出 雙折射率差的溫度相關性，尤其適用于對于鐵擴散妮酸裡波導低雙折射率差值的測試過 程。
【附圖說明】

[0013] 圖1是已有的電壓互感器傳感頭結構示意圖。
[0014] 圖2是本實用新型實施例的測試裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015] W下結合附圖W及具體實施例，對本實用新型的技術方案進行詳細描述。
[0016] 圖2示出了本實用新型實施例的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其包括： 化D(Super Luminescent Diodes,超福射發光二極管）光源、起偏器、溫循箱、溫度傳感器、 光電探測器、信號發生器和示波器;測試時，被測透光介質放置在溫循箱中。
[0017] 其中，SLD光源采用消偏寬譜光源，能夠發射某一特定波長的光信號，通過直接強 度調制或間接強度調制，發射連續正弦波或脈沖光波信號，并注入系統。優選地，該SLD光源 使用SLD激光器，其具有W下特點：具有足夠的光功率，可W提高系統的信噪比;光的相干長 度要短，即具有寬的發射光譜，可W降低瑞利后向散射、克爾效應等引起的相干誤差;具有 良好的平均波長穩定性W保證測試的穩定性，高可靠性。
[001引如圖2,化D光源發出的光信號進入起偏器，起偏器的主要功能是把高雙折射光纖 中兩正交偏振分量之一泄漏出去，另一偏振分量在光纖中無損耗地傳播，從而在光纖出射 端獲得單偏振作用，對光源發出的消偏光進行起偏，保證輸出光為線偏光。起偏器可采用起 偏片或Y波導等。
[0019] 在本實用新型的實施例中，起偏器輸出尾纖與被測透光介質尾纖W45°對軸烙接， 可使線偏振光分為兩個正交模式。參考圖2，起偏光波經過45°烙接后進入被測波導，在被測 波導內分解為兩個方向的光波，TE模式和TM模式的光波。其中，起偏器采用90°或0°偏振片， 目的是保證進入波導的兩個模式的光波等相位且等功率。
[0020] 圖2實施例中所有連接各部件的直線均為保偏光纖，保偏光纖是對在其中傳播的 光偏振態具有保持功能的光纖，沿著其主軸方向入射的線偏振光在出射端保持線偏振態。 其中，被測透光介質例如波導放置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器，W測量被測波 導的溫度特性。
[0021] 信號發生器通常是數字式函數信號發生器，其內部永久存儲著正弦波、方波、立角 波、噪聲、銀齒波、Sin(x)/x、負銀齒波、指數上升波、指數下降波、屯、電波等十余種函數信 號。本實用新型的實施例利用信號發生器，對被測波導施加一定頻率的正弦波信號；優選 地，正弦波信號的頻率范圍為IOO化一15MHz，幅值范圍為IOOmVp-P - IOVp-P。
[0022] 在本實用新型的實施例中，光電探測器選用PIN-FET組件，包括半導體PIN光電二 極管和跨阻抗前置放大器。其中，PIN光電二極管具有量子效率高、光電轉換線性度好、工作 電壓低、響應速度快等優點。利用光電探測器，對由被測介質傳輸延遲的光信號進行探測， 其接收波長應與發射模塊的波長匹配，并轉換成電信號放大后輸出，送達示波器，用于計算 被測波導的雙折射率差值。
[0023] 圖2測試裝置的光路原理為：寬譜光源(SLD)發出的光經起偏器后，變為線偏振光。 起偏器尾纖與被測波導尾纖W45°對軸烙接，則線偏振光均分為兩個正交模式，分別沿被測 波導的快慢軸傳輸，波導置于溫箱中，對被測波導施加一定頻率的正弦信號Vs(t)，該正弦 信號的峰值電壓Vm大于波導的半波電壓，另外由于快慢軸具有雙折射差，因此最終兩束光 會攜帶不同的相位信息，波導輸出尾纖與起偏器輸入尾纖進行45°烙接，兩束偏振光發生干 設，經過起偏器后，將光信號送入光電探測器進行信號的提取、調制、解調和輸出等功能。
[0024] 計算時，通過光電探測器得到輸出的電信號為Vdet(t)，對Vdet(t)與Vs(t)進行仿 真，可W發現，Vdet(t)和Vs(t)同周期，且因溫度改變引起的雙折射相位差的變化量A (I)B與 Vdet(t)振幅的變化成線性關系，可利用仿真軟件計算被測波導的雙折射率差值，W下描述 計算步驟。
[0025] 第一步:利用測試裝置獲取Vdet(t)。
[0026] Vdet(t)為探測器輸出的電信號，表達式為：
[0027] Vdet(t)=Ko{l-cos[ (6￡+(66]} (1)
[0028] 其中Ko為平均功率，d)E和4b分別為由電光效應引起的相移和波導雙折射帶來的 相移，表達式為：
[0029] (J)E= 丫距 Y(t) (2)
[0030]
(3)
[0031] (J)B =陸 L = k(化 E-Ntm 化（4)
[00創
例
[0033] Vs(t) =Vm sin( ?t) (6)
[0034] 其中，k =化A，n〇為尋常光的有效折射率，L為波導長度，G為電極間距，丫 22為電光 系數，Vs(t)為外加正弦電信號。
[0(X3日]第二步:計算雙折射率差B。
[0036] 從W上公式可W看出，Vdet(t)與Vs(t)具有相同的周期。當溫度變化時，體現在駝 峰中間處振幅的差異，當Vs(t)=Vm時，輸出信號Vdet(t)變為：
[0037]
(7)
[003引其中，A (I)E和A (I)B分別為溫度引起的相移。
[0039]由W上分析可知，Vdet(t)和Vs(t)同周期，因此可提取不同溫度條件下，輸出信 號det(t)在Vs(t)=Vm(即《t = 2m3i+V2)時的振幅值，在其它參數已知的情況下，通過反帶入 公式(7)可求出參數B和d d) B/dT，其中Ko的值可通過光功率計測得。
[0040] 保持室溫，A T = 0°C時，式(7)變為：
[OOW
(8)
[0042] 其中，Vdet-mi河通過示波器得到，代入式(8)，可求出TE和TM有效折射率之差B。
[0043] 第=步:根據公式(7)計算雙折射相移隨溫度的變化率d (I)BMT;
[0044] 啟動溫箱，溫度改變A T時，由示波器得到Vdet-mid，帶入式(7)，其它參數已知，可W 計算出雙折射相移隨溫度的變化率d d) B/dT。
[0045] 在本實用新型的某實施例中，被測波導為Y切Z傳妮酸裡波導，相關數據如下:入= 1310nm下對應的室溫為20°C，Y切Z傳妮酸裡波導半波電壓Vv2 = 400~440V，Vm取450V，f = 60Hz，n〇 = 2.22±0.0 l，波導長度L = 27±0.5mm，電極間距G = lmm，r22 = 3.4pm/V，sin( ? t) =1時，計算得到4E-max=2.1678,由示波器讀出Vdet-mid的數值，反帶入公式(8)，計算獲得B =6 X 10-5;當溫度改變A T時，由示波器得到Vdet-mid，參考上例提供的數據，在W t = 2m3i+V2 時，由示波器讀取Vdet-mid的值，如表1所示不同溫度條件下的電壓峰值，代入式（7)，求得
[0046] 在本實用新型的實施例中，被測介質可W為各種能夠透過光信號的介質，如妮酸 裡，憐化銅，石英晶體等。盡管實施例中提到Y切Z傳妮酸裡晶體，但并不局限于該切向的晶 體，其他類型的低雙折射率晶體也適用。本實用新型實施例的測試裝置還可用于測試雙折 射率差的溫度相關性，尤其是對于鐵擴散妮酸裡波導低雙折射率差的測試。
[0047]
[004引表1
[0049] W上，結合具體實施例對本實用新型的技術方案進行了詳細介紹，所描述的具體 實施例用于幫助理解本實用新型的思想。本領域技術人員在本實用新型具體實施例的基礎 上做出的推導和變型也屬于本實用新型保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，包括:超輻射發光二極管 SLD光源、起偏器、溫循箱、信號發生器、光電探測器和示波器，其中測試時，被測透光介質放 置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器;其中， SLD光源發出的光信號進入起偏器，起偏器尾纖與被測透光介質尾纖以45°對軸熔接， 起偏光波經過45°熔接后進入被測透光介質； 信號發生器對被測透光介質施加預定頻率的正弦波信號； 光電探測器對由被測透光介質傳輸延遲的光信號進行探測，并轉換成電信號放大后輸 出電信號，送達示波器； 示波器獲得光電探測器輸出的電信號值。2. 如權利要求1所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中SLD 光源為SLD激光器。3. 如權利要求1所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中起偏 器為偏振片或Y波導。4. 如權利要求3所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中起偏 器為90°或0°偏振片。5. 如權利要求1所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中光電 探測器選用PIN-FET組件，其包括半導體PIN光電二極管和跨阻抗前置放大器。6. 如權利要求1所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中被測 介質為鈮酸鋰、磷化銦或石英晶體。7. 如權利要求6所述的用于測試透光介質雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中被測 介質為Y切z傳鈮酸鋰波導。
【文檔編號】G01N21/23GK205719932SQ201620255798
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】李俊慧, 楊成惠, 楊德偉, 郝琰
【申請人】北京世維通科技發展有限公司