CN111398694A - 一种光路互易的集成bgo晶体光波导闭环电场检测系统 - Google Patents
一种光路互易的集成bgo晶体光波导闭环电场检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，BGO集成光波导电场传感器为一种在对称的BGO晶体上采用飞秒激光刻画的具有光路互易性的光波导结构，使正交偏振模式在经过两晶体后，走过了相同长度的光路，因此自然双折射产生的相位差成功被抵消。本发明消除了由自然双折射和温度变化、气体压力引起的相位误差，通过引入反馈相位差，可以进一步减小系统的非线性误差，同时增大系统的动态范围。
Description
技术领域
本发明属于电场检测技术领域，具体涉及一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统。
背景技术
电场测量在高电压、高功率脉冲、高能量物理学、静电防护等研究领域都具有重要意义。
传统有源电场传感器具有体积大、易漂移、受电磁干扰大的缺点。随着光电技术的发展，光学电场传感器的研究受到了人们的重视，相比传统有源电场传感器，其具有尺寸小、精度高、灵敏度高、线性动态范围大、频率响应宽等优点，光学电场传感器具有广泛的应用前景和研究价值。
现有的光学电场传感器多数采用电光晶体直接作为传感单元，并在外部添加各种光学器件来给电光晶体提供偏振光或相位调制。该类方法采用多类光学器件，不可避免的引入了误差，并且增加了光学电场传感器的体积和制作成本。对于集成光波导型电场传感器，由于LN(铌酸锂，LiNbO4)晶体易于刻画光波导，因此多数采用该晶体制备光波导进行传感，其具有结构稳定、体积小的优点。该类方法通常通过相位调制或调谐激光波长来减小工作点的漂移保证工作点在线性区域内，但由于可调谐光学器件也会受到环境因素影响，因此由环境因素带来的相位误差仍然不能被完全消除。
由于BGO(锗酸铋，Bi4Ge3O12)晶体具有理论上无热释电效应、无旋光性、无自然双折射的特性，是制作基于Pockels(泡克耳斯)效应的光学电场传感器的首选材料。然而由于生产工艺的影响，BGO晶体中不可避免的含有一些杂质，并在生长、加工及退火过程中产生自然线性双折射。在实际应用中，受到环境因素如温度变化、震动、气体压力的影响，BGO晶体也会受到外部应力的作用产生应力双折射，因此需要对BGO晶体的附加双折射进行补偿。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中的不足，提供一种测量灵敏度高、精度高的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述SLD宽带光源发出的光源由第一端口进入环形器，所述环形器的第二端口与所述起偏器连接，所述相位调制器的一端与所述起偏器的尾纤45°对轴熔接，所述相位调制器的另一端依次连接有准直透镜和法拉第旋光镜，所述BGO集成光波导电场传感器置于所述法拉第旋光镜的出射光路上，所述光电探测器与环形器的第三端口连接，所述信号处理模块与光电探测器电连接。
进一步地，所述信号处理模块包括：前置放大器、A/D转换器、数字信号处理单元、D/A转换器，所述前置放大器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与前置放大器的输出端连接，所述数字信号处理单元的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述D/A转换器的输入端与数字信号处理单元的输出端连接。
进一步地，所述D/A转换器还与相位调制器相连接。
进一步地，还包括：保偏光纤，所述保偏光纤用于连接相位调制器和准直透镜。
进一步地，还包括：单模光纤，所述单模光纤用于连接所述所述光电探测器和所述环形器的第三端口。
进一步地，所述BGO集成光波导电场传感器包括两个相互垂直且紧贴的第一BGO晶体和第二BGO晶体，再利用飞秒激光在第一BGO晶体和第二BGO晶体的内部刻画出第一光波导和第二光波导，第一光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第一曲部、第二曲部和刻画在第二BGO晶体上的第三曲部，第二光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第四曲部、第一直线部和刻画在第二BGO晶体上的第二直线部，所述第一曲部和第四曲部上下对称且连通，第二曲部和第三曲部左右对称且连通，第一直线部和第二直线部左右对称且连通。
进一步地，所述第三曲部和第二直线部的末端镀有金属反射膜。
进一步地，所述第一直线部的两侧设有金属电极。
本发明的有益效果是：
一、本发明通过采用飞秒激光技术加工制作具有互易性的反射式的BGO集成光波导结构，减小了基于Pockels效应的BGO晶体电场传感器的体积，增加了测量精度。
二、本发明通过法拉第旋光镜两次旋转光路中的两个正交偏振模式，使两个正交偏振模式在正反两个传输方向中在晶体外走过相同的光路，使得测量系统具有准互易性，返回的光信号只携带电光晶体引起的相位差。
三、本发明通过采用两块同一批次、相同材料和切割方式的BGO晶体设计制作互易光路，消除了由自然双折射和温度变化、气体压力引起的相位误差，使BGO集成光波导输出光信号只携带待测电场调制和第一光波导与第二光波导臂长差引起的相位差。
四、本发明通过设计非对称的集成光波导结构，引入第一光波导和第二光波导臂长差产生的相位差，减小测量系统的非线性误差。
五、通过引入反馈相位差
可以进一步减小系统的非线性误差，同时增大系统的动态范围。
六、在测量工频交变电场时，通过数字方波相位调制的方式，对应力双折射产生的相位误差进行补偿，进一步减小系统的测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统的结构框图；
图2为本发明实施例中集成BGO晶体光波导的结构示意图；
图3为本发明实施例中BGO晶体的结构示意图；
图4为本发明实施例中第一BGO晶体和第二BGO晶体的结构示意图。
附图标记：1-SLD宽带光源、2-环形器、3-起偏器、4-相位调制器、5-准直透镜、6-BGO集成光波导电场传感器、61-第一BGO晶体、62-第二BGO晶体、611-第一光波导、6111-第一曲部、6112-第二曲部、6113-第三曲部、612-第二光波导、6121-第三曲部、6122-第一直线部、6123-第二直线部、7-光电探测器、8-信号处理模块、81-前置放大器、82-A/D转换器、83-数字信号处理单元、84-D/A转换器、9-法拉第旋光镜、10-保偏光纤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括SLD宽带光源1、环形器2、起偏器3、相位调制器4、准直透镜5、BGO集成光波导电场传感器6、光电探测器7、信号处理模块8和法拉第旋光镜9，SLD宽带光源1与环形器2的第一端口连接，用于产生激光，起偏器3与环形器2的第二端口连接，用于接收环行器2传输过来的激光并产生线偏振光，相位调制器4与起偏器3的尾纤45°对轴熔接，将线偏振光分成两个正交的线偏振模式，准直透镜5将两个正交的线偏振模式准直并输出至法拉第旋光镜9，法拉第旋光镜9用于旋转输入到BGO集成光波导电场传感器6中的两个正交偏振模式和旋转BGO集成光波导电场传感器反射输出的光信号，使系统具有准互易性，BGO集成光波导电场传感器6感应电场强度信号并根据电场信号调制两个正交的线偏振模式产生带有相位差的光信号，光信号经BGO集成光波导电场传感器6反射、再经准直透镜5、相位调制器4、起偏器3进入环形器2，光电探测器7与环形器2的第三端口连接，用于将光信号转化为电信号，信号处理模块8根据电信号控制相位调制器4对光信号调制以及输出待测电场的信息。
在本实施例中，信号处理模块8包括前置放大器81，A/D转换器82，数字信号处理单元93，D/A转换器84，前置放大器81用于接收光电探测器7输出的电信号，电信号经过AD转换后输入到数字信号处理单元83进行处理，数字信号处理单元83一方面将测量结果进行数字输出，另一方面通过动态的输出方波和阶梯波控制相位调制器4对BGO集成光波导电场传感器6进行输出值修正。
在本实施例中，相位调制器4和准直透镜5之间通过保偏光纤10连接，光电探测器7与环形器2的第三端口之间通过单模光纤连接。
如图2所示，BGO集成光波导电场传感器6包括两个相互垂直的第一BGO晶体61和第二BGO晶体62，再利用飞秒激光在第一BGO晶体61和第二BGO晶体62的内部刻画出第一光波导611和第二光波导612，第一光波导611包括刻画在第一BGO晶体61上的第一曲部6111、第二曲部6112和刻画在第二BGO晶体62上的第三曲部6113，第二光波导612包括刻画在第一BGO晶体61上的第四曲部6121、第一直线部6122和刻画在第二BGO晶体62上的第二直线部6123。其中，第一曲部6111和第四曲部6121上下对称且连通，第二曲部6112和第三曲部6113左右对称且连通，第一直线部6122和第二直线部6123左右对称且连通，在第三曲部6113和第二直线部6123的末端端面上镀有金属反射膜，两个正交偏振模式经过对称Y型波导后分成两束光功率、偏振态相同的正交偏振模式，分别从Port1、Port2处进入两个直波导，再经过金属反射膜反射回Y分支，合成一路光信号，在第一直线部6122的两侧设有金属电极，金属电极用于感应电场信号，并对在第二光波导612上传递的偏振光进行相位调制。
上述一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统的工作原理是：
SLD宽带光源1输出固定波长为1310nm的激光，激光进入环形器2的第一端口，然后从环形器2的第二端口输出进入起偏器3起偏，起偏器3与相位调制器4尾纤以45°对轴熔接，产生的线偏振光被分解为两个正交的偏振模式，两个正交的偏振模式沿保偏光纤延迟线输入到准直透镜5，接着两个正交的偏振模式再耦合到法拉第旋光镜9，法拉第旋光镜9将两个正交偏振模式旋转45°后输入到BGO集成光波导电场传感器6，并从port0处进入第一BGO晶体61；在第一BGO晶体61中，两个正交偏振模式的振动方向分别平行于两个感应主轴方向，经过对称的第一曲部6111和第四曲部6121后分成两束光功率、偏振态相同的正交偏振模式，两个正交偏振模式分别沿着第一光波导611和第二光波导612传播并进入第二BGO晶体62，其中，第一直线部6122上的金属电极对施加电场进行相位调制，由于第一BGO晶体61和第二BGO晶体62相互垂直，第二BGO晶体62的感应主轴方向比第一BGO晶体61的感应主轴方向旋转了90°，相当于两个正交偏振模式对应的感应主轴互换，又由于第一BGO晶体61和第二BGO晶体62中的第二曲部6112和第三曲部6113、第一直线部6122和第二直线6123部完全对称，且所处的温度环境相同，所以由自然双折射和温度变化引起的相位差将相互抵消；两个正交偏振模式经金属反射膜反射后从Port0出射，出射的两正交偏振模式再次经过法拉第旋光镜被旋转45°，与原来相比总共旋转了90°，因此在保偏光纤10中入射的光与反射的光也实现了模式互换，返回的光信号中只携带待测电场调制、第一光波导611和第二光波导612臂长差引起的相位差，返回后的两正交偏振模式经相位调制器调制4、起偏器3干涉以及光电探测器7转化后输出到信号处理模块8，信号处理模块8对光电探测器输出的电信号进行实时处理，通过方波调制和阶梯波调制进一步减小检测系统的误差并输出最终的电场检测结果。
BGO集成光波导电场传感器6的测量原理基于线性电光效应，即由电场引起的晶体折射率变化，BGO晶体在理论上无自然双折射，然而由于生产工艺的影响，BGO晶体中不可避免的含有一些杂质，并在BGO晶体生长、加工及退火过程中产生自然双折射，且BGO晶体的自然双折射随温度变化而发生变化，因此需要对BGO晶体的自然双折射产生的相位差进行补偿。
本发明中，BGO晶体的通光方向和电场施加方向如图3(1)所示，电场方向垂直于(001)面，通光方向垂直于(110)面，在电场的作用下，BGO晶体的折射率发生改变，新的折射率主轴由原来的三个主轴绕x3旋转45°得到，如图3(2)所示。
新的主轴折射率变为：
当光在晶体内沿着x1＇方向传播，通光长度为L时，两个正交的偏振模式间的相位差为：’
由于自然双折射的存在，BGO晶体在新的主轴方向上的折射率除了包括电场调制产生的相位差，还包括自然双折射引起的相位差，且BGO晶体的自然双折射的大小会受到温度的影响，因此需要通过光路设计对其进行补偿。采用同一批次，相同材料和切割方式的第一光波导611和第二光波导612，两波导仅电场条件不同，所携带的自然双折射及所处的温度环境相同，因此，第一BGO晶体61和第二BGO晶体62的自然双折射引起的折射率变化也相同。将第一BGO晶体61和第二BGO晶体62的(001)面垂直连接，如图4所示。
在连接后的第一BGO晶体61和第二BGO晶体62上，采用飞秒激光技术制备如图2所示的光波导结构。在第一BGO晶体61中，两正交偏振模式分别平行于感应主轴x1＇、x3＇。不考虑波导损耗和Y分支的分光比，仅讨论由电场和自然双折射引起的相位误差，两束偏振光经过两波导臂后在Port3、Port4处的电场表示为：
其中，Ein为输入电场，L1为第一光波导611上第三曲部6113的长度，L2为第二光波导612上第二直线部6123的长度，β0为第一光波导611和第二光波导612的传播常数，
为施加在直波导L2上的外加电压使两偏振模式产生的相位差，ε1、ε2分别为光在第一BGO晶体61和第二BGO晶体62中的通光长度为L1、L2时，由自然双折射引起相位差。
由于第一BGO晶体61和第二BGO晶体62垂直连接，第二BGO晶体62的主轴方向相对于第一BGO晶体61绕通光方向旋转了90°，因此，第一BGO晶体61和第二BGO晶体62中的偏振方向上对应的自然双折射的折射率互换，在经过相同的通光长度后，两个正交偏振模式由自然双折射产生的相位变化大小相同但方向相反，具有互易光路的光波导结构的两波导臂在两晶体中结构对称，使第一光波导611和第二光波导612中的两个正交偏振模式在经过第一BGO晶体61和第二BGO晶体62后，走过了相同长度的光路，因此自然双折射产生的相位差成功被抵消。当温度环境发生变化时，由于第一BGO晶体61和第二BGO晶体62中所处的温度环境相同，其对应的自然双折射变化大小也应相同，因此由自然双折射产生的相位差仍然能被抵消。即在Port5、Port6处仅携带由电场调制产生的相位差：
反射光路与入射光路同理，由于互易结构，由自然双折射引起附加相位差被抵消，反射光在Port0处的电场可以表示为：
输出光信号可以表示为：
其中，
是由臂长差ΔL引起的相位差，ε是应力双折射带来的相位误差。
由于电场调制相位差与输出光信号非线性关系，不便于解调，因此在保持第一BGO晶体61和第二BGO晶体62中第二曲部6112和第三曲部6113、第一直线部6122和第二直线部6123分别对称的情况下，调节第一光波导611和第二光波导612的臂长差ΔL，使得
当
和ε为较小值时，
与Iout可以近似为线性关系。
由于BGO晶体具有弹光效应，温度变化产生的热应力以及气体压力作用在BGO晶体上会使光信号产生附加的误差相位差，且在通光路径上，BGO晶体各主轴上受到的应力分布往往不均匀，对于互易光路结构无法消除的应力双折射相位差ε，可以采用滤波的方法得到应力双折射相位差ε的大小，并通过方波调制进行补偿。对于稳态电场或低频电场的测量，该方法的测量误差仍然较大，因此需要通过设计互易的光路结构，减小输出光信号的附加相位差以提高测量精度。
当待测量电场
较大时，由于解调结果为
的正弦函数，仍然存在输入输出非线性问题，为进一步减小电场测量的非线性误差，增大动态测量范围，采用阶梯波反馈调制的方法产生引入一个与
大小相等符号相反反馈相位差
引入反馈相位差后的输出光信号为：
由于
趋近于0，输出光信号的总相位差保持在零点附近，测量系统的非线性误差降低。
综上所述，本发明采用一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，将BGO晶体应用到电场传感器上，使得电场测量更加准确，通过法拉第旋光镜两次旋转光路中的两个正交偏振模式，使两个正交偏振模式在正反两个传输方向中在晶体部分外走过相同的光路，使得测量系统具有准互易性，返回的光信号只携带电光晶体引起的相位差；通过采用两块同一批次，相同材料和切割方式的BGO晶体设计制作互易光路，消除由自然双折射和温度变化、气体压力引起的相位误差，使BGO集成光波导输出光信号只携带待测电场调制和波导臂长差引起的相位差；通过设计非对称长度的集成光波导结构，引入波导臂长差产生的相位差，减小测量系统的非线性误差。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述SLD宽带光源发出的光源由第一端口进入环形器，所述环形器的第二端口与所述起偏器连接，所述相位调制器的一端与所述起偏器的尾纤45°对轴熔接，所述相位调制器的另一端依次连接有准直透镜和法拉第旋光镜，所述BGO集成光波导电场传感器置于所述法拉第旋光镜的出射光路上，所述光电探测器与环形器的第三端口连接，所述信号处理模块与光电探测器电连接。
2.根据权利要求1所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：前置放大器、A/D转换器、数字信号处理单元、D/A转换器，所述前置放大器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与前置放大器的输出端连接，所述数字信号处理单元的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述D/A转换器的输入端与数字信号处理单元的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述D/A转换器还与相位调制器相连接。
4.根据权利要求1所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，还包括：保偏光纤，所述保偏光纤用于连接相位调制器和准直透镜。
5.根据权利要求1所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，还包括：单模光纤，所述单模光纤用于连接所述所述光电探测器和所述环形器的第三端口。
6.根据权利要求1所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述BGO集成光波导电场传感器包括两个相互垂直且紧贴的第一BGO晶体和第二BGO晶体，再利用飞秒激光在第一BGO晶体和第二BGO晶体的内部刻画出第一光波导和第二光波导，第一光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第一曲部、第二曲部和刻画在第二BGO晶体上的第三曲部，第二光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第四曲部、第一直线部和刻画在第二BGO晶体上的第二直线部，所述第一曲部和第四曲部上下对称且连通，第二曲部和第三曲部左右对称且连通，第一直线部和第二直线部左右对称且连通。
7.根据权利要求6所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述第三曲部和第二直线部的末端镀有金属反射膜。
8.根据权利要求6所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述第一直线部的两侧设有金属电极。
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