LiNbO3相位調製器性能檢測系統的製作方法

2023-07-27 15:10:36

本實用新型涉及光電子器件技術領域，具體涉及一種LiNbO3相位調製器性能檢測系統。

背景技術：

LiNbO3相位調製器是光纖電流互感器(Fiber Optic Current Transformer,FOCT)的核心部件，是一種為提高系統靈敏度和標度因數穩定性，從而在光路中增加的實現相位偏置和閉環反饋控制功能的器件，LiNbO3相位調製器對FOCT的整體性能產生直接影響。

FOCT是基於法拉第磁光效應和安培環路定律，通過光纖敏感環檢測被測導體內電流的大小，具體為：當被測導體中有電流通過時，在光纖敏感環中傳輸的左旋和右旋圓偏振光的相速度分別向相反的方向改變，從而產生正比於電流大小的相位差(即法拉第相移)，此時的光路特性稱之為具有非互易性。這個相位差可以通過幹涉法來測量，並由光電探測器將幹涉光信號轉變為電壓信號輸出。根據對電壓信號的分析，即可得出被測導體中電流的大小。由於輸出信號與電流引起的相位差滿足餘弦函數關係，為獲得高靈敏度，通常會使用相位調製來施加偏置，使之工作在一個響應斜率不為零的點。FOCT通常採用Y型質子交換LiNbO3相位調製器和直條型Ti擴散LiNbO3相位調製器。由於LiNbO3相位調製器本身工藝上的複雜，其對FOCT精度的影響來源於多個光電參數，如插入損耗、偏振串音、偏振相關損耗和半波電壓等，任何一個參量隨環境和時間發生的變化都會在光路中引入非互易性相位差，該相位差令幹涉光信號發生改變，且無法與法拉第相移區分，因而引入測量誤差。

目前，傳統的LiNbO3相位調製器檢測方法是對器件的各項光電參數進行測試，例如通過插入損耗、偏振串音、偏振相關損耗和半波電壓以及各參數的溫度特性來評判LiNbO3相位調製器的優劣，不能完全和精準的反映出LiNbO3相位調製器在FOCT中的系統性能，因而不能為FOCT中相位調製器的篩選提供直接有效的技術參考指標。

技術實現要素：

針對上述問題，本實用新型實施例提供一種基於FOCT光路原理的LiNbO3相位調製器性能檢測系統，檢驗LiNbO3相位調製器在外部環境激勵下的性能參數，為FOCT中LiNbO3相位調製器的篩選提供直接有效的技術參考指標。

本實用新型實施例提供一種LiNbO3相位調製器性能檢測系統，包括：

偏振光輸出元件，其輸出端與待測LiNbO3相位調製器的輸入端連接，所述待測LiNbO3相位調製器的電信號接入端輸入調製信號；

保偏光纖環，其第一端與所述待測LiNbO3相位調製器的輸出端連接；

敏感元件，感應通電導體內的基準電流值，與所述保偏光纖環的第二端連接；所述偏振光輸出元件輸出的偏振光經所述待測LiNbO3相位調製器、所述保偏光纖環、所述敏感元件後原路返回，返回後的線偏振光發生幹涉；

探測器，檢測幹涉光強，並得到與所述幹涉光強對應的電信號；

信號處理單元，接收所述探測器發送的電信號，解析後得到測量電流值；

誤差計算單元，接收所述信號處理單元發送的所述測量電流值，根據所述基準電流值以及所述測量電流值得到所述待測LiNbO3相位調製器在所處環境下引入的測量誤差。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，所述敏感元件，包括光纖環以及分別設置於所述光纖環兩端的光纖波片和反射鏡，所述光纖環內有通電導體穿過，所述光纖波片與所述保偏光纖環的第二端連接。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，所述待測LiNbO3相位調製器為直條型LiNbO3相位調製器時，所述偏振光輸出元件包括光源、耦合器和起偏器，其中：

所述光源發出的光經所述耦合器後進入所述起偏器輸入端，以產生線偏振光；

所述起偏器的輸出端與所述直條型LiNbO3相位調製器的輸入端採用45度對軸角進行熔接；

所述直條型LiNbO3相位調製器的輸出端與所述保偏光纖環的第一端採用0度對軸角進行熔接。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，所述待測LiNbO3相位調製器為Y型LiNbO3相位調製器時，所述偏振光輸出元件包括光源和耦合器，且所述保偏光纖環的第一端通過偏振合束器與所述Y型LiNbO3相位調製器的輸出端連接，其中：

所述光源發出的光輸入至所述耦合器；

所述耦合器的輸出端與所述Y型LiNbO3相位調製器的輸入端採用0度對軸角進行熔接；

所述Y型LiNbO3相位調製器的一個輸出端與所述偏振合束器的一個輸入端採用0度對軸角進行熔接，所述Y型LiNbO3相位調製器的另一個輸出端與所述偏振合束器的另一個輸入端採用90度對軸角進行熔接；

所述偏振合束器的輸出端與所述保偏光纖環的第一端採用0度對軸角進行熔接。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，還包括：

環境發生器，所述待測LiNbO3相位調製器置於所述環境發生器內部，所述環境發生器響應上位機的控制信號模擬所述待測LiNbO3相位調製器所處環境。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，所述環境發生器模擬的所述待測LiNbO3相位調製器所處環境包括：溫度、溼度、振動、衝擊和輻照中的至少一種。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，還包括：

電流發生器，輸出預設電流至所述通電導體；

基準互感器，檢測所述電流發生器輸出預設電流的電流值，作為所述通電導體中的基準電流值。

可選地，上述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統中，所述誤差計算單元，獲取所述基準互感器檢測的通電導體中的基準電流值，根據所述基準電流值以及所述測量電流值得到所述待測LiNbO3相位調製器在所處環境下引入的測量誤差；

所述誤差計算單元發送所述測量誤差至所述上位機。

本實用新型實施例所述的LiNbO3相位調製器性能檢測系統，通過偏振光輸出元件，所述偏振光輸出元件輸出的線偏振光經所述待測LiNbO3相位調製器、所述保偏光纖環、所述敏感元件後原路返回，返回後的線偏振光發生幹涉；由探測器檢測幹涉光強，並得到與所述幹涉光強對應的電信號；信號處理單元，接收所述探測器發送的電信號，解析後得到測量電流值；誤差計算單元，接收所述信號處理單元發送的所述測量電流值，根據所述基準電流值以及所述測量電流值得到所述待測LiNbO3相位調製器在所處環境下引入的測量誤差。光波在上述系統中的傳輸方式與FOCT中光傳輸方式相同，因此最終得到的測量誤差的表現形式也與FOCT測量誤差的形式等效，採用本實用新型實施例提供的上述方案能完全和精準的反映出LiNbO3相位調製器的精度，且測試結果可直接用于衡量其在FOCT中的系統性能，為FOCT中LiNbO3相位調製器的篩選提供直接有效的技術參考指標。

附圖說明

圖1是本實用新型一個實施例所述LiNbO3相位調製器性能檢測系統的原理框圖；

圖2是本實用新型一個實施例所述敏感元件具體結構示意圖；

圖3是本實用新型一個實施例所述直條型LiNbO3相位調製器性能檢測系統的結構示意圖；

圖4是本實用新型一個實施例所述Y型LiNbO3相位調製器性能檢測系統的結構示意圖；

圖5是本實用新型另一個實施例所述LiNbO3相位調製器性能檢測系統的原理框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖進一步說明本實用新型實施例。

本實施例提供一種LiNbO3相位調製器性能檢測系統，如圖1所示，包括：

偏振光輸出元件100，其輸出端與待測LiNbO3相位調製器200的輸入端連接，線偏振光輸入至所述待測LiNbO3相位調製器200，所述待測LiNbO3相位調製器200的電信號接入端輸入調製信號，所述調製信號可以為方波信號、正弦波信號等。

保偏光纖環300，其第一端與所述待測LiNbO3相位調製器200的輸出端連接。

敏感元件400，感應通電導體內的基準電流值，與所述保偏光纖環300的第二端連接，偏振光輸出元件100輸出的線偏振光經所述待測LiNbO3相位調製器200、所述保偏光纖環300、所述敏感元件400後原路返回，返回後的線偏振光發生幹涉。

探測器500，檢測幹涉光強，並得到與所述幹涉光強對應的電信號，信號處理單元600，接收所述探測器500發送的電信號，解析後得到測量電流值。探測器500可將光強轉換為與光強對應的電壓信號，信號處理單元600可將探測器輸出的電壓信號轉換為電流信號，因為FOCT的就是通過檢測電流值來檢測誤差的，因此本實施例中依照FOCT檢測原理，也將幹涉光強轉換為最終的電流值。

誤差計算單元700，接收所述信號處理單元600發送的所述測量電流值，根據所述基準電流值以及所述測量電流值得到所述待測LiNbO3相位調製器200在所處環境下引入的測量誤差。所述基準電流值可以為基準互感器測量得到，作為所述誤差計算單元700中的基準值。所述測量誤差可以由所述測量電流值與所述基準電流值依據預設計算模型得到，該預設計算模型根據FOCT測量原理直接得到。而所述待測LiNbO3相位調製器200所處環境即為溫度、溼度、輻照度等等，可以將所述待測LiNbO3相位調製器200置於環境中各個參數都非常穩定的實驗室、箱體內等，而所需要的環境的各個參數可以預先測量好作為已知數據保存，因此當得到測量誤差時，即可將測量誤差與環境的各個參數對應起來。

顯然，上述系統中所搭建的光路，使光波的傳輸方式與FOCT中光傳輸方式相同，因此最終得到的測量誤差的表現形式也與FOCT測量誤差的形式等效，採用本實用新型實施例提供的上述方案能完全和精準的反映出LiNbO3相位調製器的精度，且測試結果可直接用于衡量其在FOCT中的系統性能，為FOCT中LiNbO3相位調製器的篩選提供直接有效的技術參考指標。

如圖2所示，上述方案中的敏感元件400，可包括光纖環401以及分別設置於所述光纖環401兩端的光纖波片402和反射鏡403，所述光纖環401內有通電導體穿過，所述光纖波片402與所述保偏光纖環402的第二端連接；所述偏振光輸出元件100輸出的線偏振光經所述待測LiNbO3相位調製器200、所述保偏光纖環300、所述光纖波片402、所述光纖環401傳輸，由所述反射鏡403反射後返回，返回後的線偏振光發生幹涉。所述光纖波片401可以選擇1/4光纖波片，所述反射鏡403為法拉第鏡、光纖鍍膜反射鏡、光纖貼片反射鏡等。

進一步地，所述待測LiNbO3相位調製器200可以為直條型LiNbO3相位調製器也可以為Y型LiNbO3相位調製器，針對這兩種類型的LiNbO3相位調製器分別提供一種光路的連接方式。

如圖3所示，當所述待測LiNbO3相位調製器200為直條型LiNbO3相位調製器時，所述偏振光輸出元件100包括光源101、耦合器102和起偏器103，其中：

所述光源101發出的光經所述耦合器102後進入所述起偏器103輸入端，以產生線偏振光；所述起偏器103的輸出端與所述直條型LiNbO3相位調製器201的輸入端採用45度對軸角進行熔接，以使所述線偏振光分解為兩束線偏振光後傳輸至所述直條型LiNbO3相位調製器201；所述直條型LiNbO3相位調製器201的輸出端與所述保偏光纖環300的第一端採用0度對軸角進行熔接，則所述直條型LiNbO3相位調製器201輸出兩束線偏振光至所述保偏光纖環300，兩束線偏振光分別沿所述保偏光纖環300的快軸和慢軸傳播。圖3中所述信號處理單元600，還用於將處理結果輸出至誤差計算單元700，且圖中所示信號處理單元600可產生調製信號，將所述調製信號輸入至所述直條型LiNbO3相位調製器201的電信號接入端。

如圖4所示，所述待測LiNbO3相位調製器為Y型LiNbO3相位調製器時，所述偏振光輸出元件100包括光源101、耦合器102，且所述保偏光纖環300的第一端通過偏振合束器800與所述Y型LiNbO3相位調製器202的輸出端連接，其中：

所述光源101發出的光經所述耦合器102後與所述Y型LiNbO3相位調製器202的輸入端採用0度對軸角進行熔接，光波進入Y型LiNbO3相位調製器202後被起偏為線偏振光，然後分別進入兩個分支；所述Y型LiNbO3相位調製器202的一個輸出端與所述偏振合束器800的一個輸入端採用0度對軸角進行熔接，所述Y型LiNbO3相位調製器202的另一個輸出端與所述偏振合束器800的另一個輸入端採用90度對軸角進行熔接；以使進入所述偏振合束器800的兩束線偏振光正交；所述偏振合束器800的輸出端與所述保偏光纖環300的第一端採用0度對軸角進行熔接，正交的兩束線偏振光進入所述保偏光纖環，分別沿所述保偏光纖環的快軸和慢軸傳播。

圖3和圖4所示的檢測系統的原理框圖，其中光路系統的核心在於，進入保偏光纖環300的光為兩束偏振光，一束光沿快軸傳播，一束光沿慢軸傳播，因此無論需要檢測的LiNbO3相位調製器是直條形還是Y型，通過光路設計、光電器件的選擇，保證進入保偏光纖環300的為兩束偏振光，即可實現對LiNbO3相位調製器的性能檢測。

進一步地，如圖5，上述系統還包括環境發生器900，所述待測LiNbO3相位調製器200置於所述環境發生器900內部，所述環境發生器900響應上位機901的控制信號模擬所述待測LiNbO3相位調製器200所處環境。所處環境包括：溫度、溼度、振動、衝擊和輻照中的至少一種。例如，所述環境發生器900可以模擬單一的環境，例如採用溫控箱來模擬溫度，採用加溼器來控制溼度等，也可以採用具有多種環境參數調節功能的環境控制組件。所述光電模塊即為圖3或圖4中的光電子器件及按照其連接方式組成的模塊。

以上方案中，系統還可以包括電流發生器902，輸出預設電流至所述通電導體；基準互感器903，檢測所述電流發生器902輸出預設電流的電流值，作為所述通電導體中的基準電流值。所述誤差計算單元700，獲取所述基準互感器903檢測的通電導體中的基準電流值以及所述信號處理單元600解析得到的所述待測LiNbO3相位調製器所處環境對應的電流值得到所述測量誤差；所述誤差計算單元700發送所述測量誤差至所述上位機902。採用該系統對待測LiNbO3相位調製器性能檢測的步驟為：

完成LiNbO3相位調製器性能檢測系統基礎設施的搭建，包含：電流發生器的輸出端分別接上基準互感器和光電模塊，基準互感器和光電模塊的輸出端均接入誤差計算單元，誤差計算單元的輸出端與上位機連接。將待測LiNbO3相位調製器輸入和輸出尾纖分別按照圖3或圖4所示方式與光電模塊尾纖的熔接，以及待測LiNbO3相位調製器的電信號接入針腳與信號處理單元的調製信號輸出引腳連接。將待測LiNbO3相位調製器置於環境發生器中，並且完成環境發生器與上位機的連接。啟電流發生器，通過上位機，對信號處理單元的輸出電流值進行標定，使之與基準互感器的輸出電流值一致，即在環境發生器未產生任何環境激勵的情況下，信號處理單元得到的結果應該與基準電流值相同。通過上位機控制環境發生器，使之產生環境激勵，通過上位機讀取並保存由誤差計算單元輸出的測量誤差結果，顯然此測量誤差即為待測LiNbO3相位調製器在當前所處的環境下引入的。為避免附加的測量誤差，以上測試進行時，除環境發生器內部環境以外，其餘環境應保持穩定。

本實用新型的發明構思就是通過FOCT光路系統，將LiNbO3相位調製器在外部環境激勵下的光電參數漂移的綜合效應檢測出來，使其能夠採用FOCT測量誤差的形式進行等效表達，以作為衡量LiNbO3相位調製器質量的參考指標。

最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和範圍。