一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法
【專利摘要】本發明提供一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法，裝置包括寬譜光源、保偏環形器、鈦擴散LiNbO3相位調制器、保偏延遲光纖、法拉第旋光反射鏡、信號發生器、光電探測器和示波器。本發明提供的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法，對于掌握光纖電流互感器變比溫度誤差的產生機理及抑制方法，提升光纖電流互感器的溫度環境適應性和長期運行穩定性具有重要意義，且光波沿鈦擴散LiNbO3相位調制器和保偏延遲光纖兩個正交的偏振模式傳輸，光路結構完全互易，對外界環境干擾具有很強的免疫能力；使用通用的信號發生器和示波器即可完成測試，操作簡單、方便、高效。
【專利說明】一種鈦擴散L i NbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種裝置和方法，具體涉及一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法。
【背景技術】
[0002]基于鈦擴散工藝的鈮酸鋰(LiNbO3)相位調制器可以傳輸兩個正交的偏振模式，并在它們之間引入調制相位差，是一種雙折射相位調制器。它是數字閉環光纖電流互感器實現高精度、大動態范圍測量的核心器件。
[0003]基于法拉第效應的數字閉環光纖電流互感器利用雙折射相位調制器實現偏置調制和反饋控制，結合數字鎖相放大技術，通過檢測傳感光纖中兩束旋向相反的正交圓偏振光之間的相位差來實現一次電流的測量，具有測量準確度高、頻響范圍寬、動態范圍大、絕緣簡單、無鐵磁諧振、數字化輸出、體積小、重量輕等優點，在智能變電站、特高壓交、直流輸電領域都有重要應用。
[0004]測量準確度的溫度穩定性是評價光纖電流互感器性能的重要指標之一，也是目前限制光纖電流互感器大規模應用的主要因素。鈦擴散LiNbO3相位調制器位于光纖電流互感器數字閉環信號檢測系統的反饋通道，其雙折射調制系數定義為單位調制電壓在調制器兩正交偏振模式之間產生雙折射相位差，它是反饋增益的重要組成部分。環境溫度變化時，雙折射調制系數將發生變化，互感器的變比也將隨之改變，造成變比誤差，影響互感器的測量準確度。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置和方法，對于掌握光纖電流互感器變比溫度誤差的產生機理及抑制方法，提升光纖電流互感器的溫度環境適應性和長期運行穩定性具有重要意義。
[0006]為了實現上述發明目的，本發明采取如下技術方案:
[0007]本發明提供一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，所述裝置包括寬譜光源、保偏環形器、鈦擴散LiNbO3相位調制器、保偏延遲光纖、法拉第旋光反射鏡、信號發生器、光電探測器和示波器；所述寬譜光源發出的光波由保偏環形器起偏變為線偏振光，線偏振光經45°保偏光纖熔點均分為兩束線偏振光,兩束線偏振光分別進入鈦擴散LiNbO3相位調制器，并沿保偏延遲光纖傳輸，經法拉第旋光反射鏡反射后沿原路返回；沿原路返回的兩束線偏振光經保偏環形器檢偏后發生干涉，產生干涉光強；所述信號發生器產生鋸齒波調制信號施加在所述鈦擴散LiNbO3相位調制器上，所述光電探測器將干涉光強轉變為電壓信號，由示波器顯示相應的波形。
[0008]所述寬譜光源為自帶驅動電路的光源模塊，采用超輻射發光二極管或摻餌光纖光源。
[0009]所述保偏環形器選用消光比大于28dB的高消光比器件；所述保偏延遲光纖采用熊貓型保偏光纖，其長度大于50m。
[0010]所述保偏環形器的輸出尾纖與鈦擴散LiNbO3相位調制器的輸入尾纖45°對軸熔接，線偏振光被分為第一線偏振光和第二線偏振光。所述第一線偏振光和第二線偏振光的光強相等。
[0011 ] 所述第一線偏振光和第二線偏振光分別進入鈦擴散LiNbO3相位調制器的TE偏振模式和TM偏振模式，然后分別沿保偏延遲光纖的快軸和慢軸傳輸，經法拉第旋光反射鏡反射后沿原路返回，沿保偏延遲光纖快軸傳輸的第一線偏振光此時沿慢軸傳輸，沿保偏延遲光纖慢軸傳輸的第二線偏振光此時沿快軸傳輸；沿鈦擴散LiNbO3相位調制器TE偏振模式傳輸的第一線偏振光此時沿TM偏振模式傳輸，沿鈦擴散LiNbO3相位調制器TM偏振模式傳輸的第二線偏振光此時沿TE偏振模式傳輸；第一線偏振光和第二線偏振光由所述保偏環形器檢偏并發生干涉。
[0012]所述法拉第旋光反射鏡的旋光角度為45°，誤差小于±1°，反射率大于90%。
[0013]光電探測器采用帶電流-電壓轉換電路的探測器集成組件。
[0014]本發明還提供一種采用鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，所述方法包括以下步驟:
[0015]步驟1:計算鈦擴散LiNbO3相位調制器的調制電壓；
[0016]步驟2:計算兩束線偏振光之間的相位差；
[0017]步驟3:計算光電探測器的輸出電壓；
[0018]步驟4:確定鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數。
[0019]所述步驟I中，鈦擴散LiNbO3相位調制器的調制電壓用Vm(t)表示，有:
【權利要求】
1.一種鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述裝置包括寬譜光源、保偏環形器、鈦擴散LiNbO3相位調制器、保偏延遲光纖、法拉第旋光反射鏡、信號發生器、光電探測器和示波器；所述寬譜光源發出的光波由保偏環形器起偏變為線偏振光，線偏振光經45°保偏光纖熔點均分為兩束線偏振光,兩束線偏振光分別進入鈦擴散LiNbO3相位調制器，并沿保偏延遲光纖傳輸，經法拉第旋光反射鏡反射后沿原路返回；沿原路返回的兩束線偏振光經保偏環形器檢偏后發生干涉，產生干涉光強；所述信號發生器產生鋸齒波調制信號施加在所述鈦擴散LiNbO3相位調制器上，所述光電探測器將干涉光強轉變為電壓信號，由示波器顯示相應的波形。
2.根據權利要求1所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述寬譜光源為自帶驅動電路的光源模塊，采用超輻射發光二極管或摻餌光纖光源。
3.根據權利要求1所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述保偏環形器選用消光比大于28dB的高消光比器件；所述保偏延遲光纖采用熊貓型保偏光纖，其長度大于50m。
4.根據權利要求1所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述保偏環形器的輸出尾纖與鈦擴散LiNbO3相位調制器的輸入尾纖45°對軸熔接，線偏振光被分為第一線偏振光和第二線偏振光，所述第一線偏振光和第二線偏振光的光強相等。
5.根據權利要求4所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述第一線偏振光和第二線偏振光分別進入鈦擴散LiNbO3相位調制器的TE偏振模式和TM偏振模式，然后分別沿保偏延遲光纖的快軸和慢軸傳輸，經法拉第旋光反射鏡反射后沿原路返回，沿保偏延遲光纖快軸傳輸的第一線偏振光此時沿慢軸傳輸，沿保偏延遲光纖慢軸傳輸的第二線偏振光此時沿快軸傳輸；沿鈦擴散LiNbO3相位調制器TE偏振模式傳輸的第一線偏振光此時沿TM偏振模式傳輸，沿鈦擴散LiNbO3相位調制器TM偏振模式傳輸的第二線偏振光此時沿TE偏振模式傳輸；第一線偏振光和第二線偏振光由所述保偏環形器檢偏并發生干涉。
6.根據權利要求5所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:所述法拉第旋光反射鏡的旋光角度為45° ,誤差小于±1°，反射率大于90%。
7.根據權利要求1所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置，其特征在于:光電探測器采用帶電流-電壓轉換電路的探測器集成組件。
8.一種采用權利要求1-7任一所述的鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數測量裝置對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 步驟1:計算鈦擴散LiNbO3相位調制器的調制電壓； 步驟2:計算兩束線偏振光之間的相位差； 步驟3:計算光電探測器的輸出電壓； 步驟4:確定鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數。
9.根據權利要求8所述的對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，其特征在于:所述步驟I中，鈦擴散LiNbO3相位調制器的調制電壓用Vm⑴表示，有:
其中，I和T為鋸齒波的電壓幅度和周期，k = O，I，2，…。
10.根據權利要求8所述的對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，其特征在于:所述步驟2中，第一線偏振光和第二線偏振光之間的相位差用P表示，有:
其中，K為鈦擴散LiNbO3相位調制器的雙折射調制系數，τ為光波往返兩次經過鈦擴散LiNbO3相位調制器的時間差，Vm(t)和Vm (t_ τ )分別為t和t_ τ時刻的調制電壓，代為Vr產生的雙折射調制相位，且代=八P
11.根據權利要求8所述的對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，其特征在于:所述步驟3中，光電探測器的輸出電壓用Vp表示，有:
其中，η為光電探測器響應度與跨阻抗的乘積，α為光路損耗，Ix為光源輸出光波中X偏振分量的光強。
12.根據權利要求8所述的對鈦擴散LiNbO3相位調制器雙折射調制系數進行測量的方法，其特征在于:所述步驟4包括以下步驟: 步驟4-1:計算光電探測器輸出的方波信號的幅度e = O時，滿足式(4)的W最小正數解，有:
滿足式⑷的最小正數解A ，對應的\ = ν2π, V2π為鈦擴散LiNbO3相位調制器的全波電壓； 步驟4-2:計算鈦擴散LiNbO3相位調制器的雙折射調制系數K，有:
【文檔編號】G01M11/02GK104132799SQ201410359687
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】李傳生, 陳碩, 劉占元, 舒開旗, 李俊 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網湖北省電力公司電力科學研究院