具有互易光路的集成光學(xué)電壓傳感器

周 揚(yáng)，卜樂平，王黎明，楊婭嬌，曾令強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430033；2.北京航天時(shí)代光電科技有限公司，北京 100094)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)光學(xué)電壓傳感器(OVS)的研究與應(yīng)用其基本原理以泡克耳斯效應(yīng)(Pockels effect)為主[1]。隨著20世紀(jì)80年代集成光學(xué)與光波導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于Pockels效應(yīng)的集成OVS相關(guān)報(bào)道越來越多。較傳統(tǒng)的OVS而言，集成光學(xué)電壓傳感器將起偏器、耦合器、相位調(diào)制器等光學(xué)元器件一體化，減少了系統(tǒng)光路分立元件的個(gè)數(shù)，使得光路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、集成化程度更高[2-3]。但OVS在其工程應(yīng)用上系統(tǒng)光路存在溫度、振動(dòng)等噪聲干擾問題，受外界環(huán)境波動(dòng)影響較大，嚴(yán)重影響著系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性[4]，針對(duì)這一問題，利用光纖陀螺領(lǐng)域互易性技術(shù),提出了一種新型非介入式全光纖互易型集成光學(xué)電壓傳感器電壓測(cè)量方案[5]，分析了系統(tǒng)光路互易性機(jī)理，并對(duì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了直流加壓實(shí)驗(yàn)。

1 研究方案

測(cè)量方案由電場(chǎng)敏感光路、光路組件、解調(diào)電路、接口電路和電源電路組成，其中電場(chǎng)敏感光路位于電場(chǎng)測(cè)量側(cè)，光路組件、解調(diào)電路、接口電路和電源電路安裝在電氣單元，并裝配于附近的配電柜，測(cè)量方案示意框圖如圖1所示。各部分組件功能如下：

圖1 測(cè)量方案框圖

(1)電場(chǎng)敏感光路：感應(yīng)被測(cè)電場(chǎng)大小，即通過Pockels效應(yīng)將外界電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為偏振光的相位差信息；

(2)光路組件：包含系統(tǒng)整個(gè)光路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)生、傳播和干涉等；

(3)解調(diào)電路：實(shí)現(xiàn)光信號(hào)調(diào)制、光相位干涉信息的解調(diào)處理以及接口通信；

(4)接口電路：實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)通信光纖實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出；

(5)電源電路：實(shí)現(xiàn)二次電源轉(zhuǎn)換。

1.1 光路組件

系統(tǒng)光路組件結(jié)構(gòu)主要由SLD光源、光纖環(huán)形器、耦合器、Y波導(dǎo)、45°旋光器、LiNbO3晶體和反射鏡等構(gòu)成。系統(tǒng)光路以45°旋光器為臨界分為2段，45°旋光器之前光纖光路采用熊貓型保偏光纖，記為A段；之后則采用低偏光纖，記為B段，光路組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。SLD光源發(fā)出的光進(jìn)入Y波導(dǎo)，經(jīng)Y波導(dǎo)起偏、分光、調(diào)制后分為能量相等的2束線偏振光，兩光束分別經(jīng)0°、90°物理熔接點(diǎn)作用后實(shí)現(xiàn)沿光纖快慢軸傳輸并進(jìn)入耦合器，此后兩光束在光纖中的傳播方向相同，偏振方向相互垂直。當(dāng)LiNbO3晶體上加載有外置電場(chǎng)時(shí)，由Pockels效應(yīng)可知，兩束線偏振光在晶體內(nèi)傳播過程中將產(chǎn)生相位差δ，在反射鏡處返回，相位差加倍，含有相位差信息的兩束光在Y波導(dǎo)發(fā)生干涉，最后通過光電探測(cè)器測(cè)量干涉光強(qiáng)。

圖2 系統(tǒng)光路組件結(jié)構(gòu)

1.2 光路互易機(jī)理分析

為直觀分析系統(tǒng)光路互易性機(jī)理，設(shè)入射光沿光纖正向傳播時(shí)，沿光纖快慢軸傳播的兩光束分別記為光束a、b。經(jīng)物理熔接點(diǎn)作用后兩光束在光路中偏振方向相互垂直，經(jīng)45°旋光器作用，兩光束偏振面將沿同一方向(設(shè)沿入射光順時(shí)針)偏轉(zhuǎn)45°，到達(dá)反射鏡被反射后再次經(jīng)過45°旋光器，兩光束偏振面將沿順時(shí)針方向(沿入射光方向觀察)繼續(xù)偏轉(zhuǎn)45°，即A段光路中原來沿光纖快軸傳播的a光返回時(shí)變?yōu)檠毓饫w慢軸傳播，沿光纖慢軸傳播的b光返回時(shí)沿光纖快軸傳播，實(shí)現(xiàn)兩光束傳播過程中偏振模式的交換，形成的互易光路可消除傳播過程中產(chǎn)生的各種寄生效應(yīng)，兩線偏振光傳播過程偏振模式變化示意圖如圖3所示。

圖3 偏振光偏振模式變化示意圖

A段光路中，由于不可逆性光學(xué)元器件45°旋光器對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)作用，實(shí)現(xiàn)了相互垂直的兩線偏振光偏振模式的互換[6]，系統(tǒng)可很好抑制環(huán)境噪聲干擾。B段光路中，由于反射鏡僅改變了a、b兩線偏振光的傳播方向，其偏振方向并未發(fā)生模式交換，兩者在光路中各自歷經(jīng)了不同的傳播路徑，在B段光纖中系統(tǒng)光路不具備互易性。

結(jié)合上述分析，針對(duì)系統(tǒng)B段光路并不互易問題，方案中光纖光路A段采用熊貓型保偏光纖和B段采用低偏光纖相結(jié)合的形式以此提高系統(tǒng)整體的光路互易性。熊貓型保偏光纖在纖芯兩側(cè)加入不同玻璃組分的應(yīng)力棒，進(jìn)而在纖芯周圍產(chǎn)生各向異性應(yīng)力單元，偏振光在纖芯內(nèi)部不同軸向上偏振時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力雙折射。纖芯截面的X、Y軸2個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)保偏光纖的快慢軸方向，其光纖截面如圖4所示[7-8]。

圖4 熊貓型保偏光纖截面圖

由于熊貓型保偏光纖具有強(qiáng)烈的應(yīng)力雙折射，兩偏振模式的傳播常數(shù)差值β較大，可提高相干信噪比，從而提了外界的噪聲干擾與2個(gè)模式的有效耦合[9-10]。相反，系統(tǒng)B段在光路結(jié)構(gòu)上不能實(shí)現(xiàn)互易，為了提高B段光路互易性，利用低偏光纖內(nèi)部無快慢軸之分的特點(diǎn)，進(jìn)而使偏振態(tài)相互正交的a、b兩線偏振光在低偏光纖中的傳播速度相等，以此保證兩線偏振光在光纖光路B段中歷經(jīng)相同光程的同時(shí)且不會(huì)產(chǎn)生附加光程差，使得最終在Y波導(dǎo)檢測(cè)的兩線偏振光的相位差信息來源僅為晶體的Pockels效應(yīng)所產(chǎn)生。

2 互易光路數(shù)學(xué)模型及光路測(cè)量工作點(diǎn)

利用瓊斯矩陣推導(dǎo)偏振光在光路中傳播的數(shù)學(xué)模型，可將問題的研究簡(jiǎn)單化、直觀化[11-12]。假設(shè)入射光偏振態(tài)矢量用E1表示，通過光學(xué)元器件(G表示)，出射光偏振態(tài)矢量用E2表示，則E1、E2關(guān)系為：E2=G·E1。

設(shè)A段保偏光纖的快軸沿圖4中光纖截面的X軸方向，Y波導(dǎo)的起偏方向沿其Y軸方向，光源發(fā)出的光用瓊斯矢量可表示為

(1)

系統(tǒng)光路組件結(jié)構(gòu)中兩入射線偏振光的瓊斯傳輸矩陣為：

(2)

(3)

式中矩陣單元右上角標(biāo)1、2分別表示光束正、反向通過各光學(xué)元器件。

集成光學(xué)器件Y波導(dǎo)起偏瓊斯矩陣：

(4)

集成光學(xué)器件Y波導(dǎo)相位調(diào)制瓊斯矩陣：

(5)

式中τ為光束來回進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器時(shí)間差。

0°物理熔接點(diǎn)瓊斯矩陣：

(6)

90°物理熔接點(diǎn)瓊斯矩陣：

(7)

耦合器瓊斯矩陣：

(8)

45°旋光器瓊斯矩陣：

(9)

準(zhǔn)直器瓊斯矩陣：

(10)

電光晶體瓊斯矩陣：

(11)

反射鏡瓊斯矩陣：

(12)

將式(4)～式(12)分別代入式(2)、式(3)中可得：

(13)

a、b兩線偏振光的光路瓊斯傳輸矩陣相等，理論上證明了系統(tǒng)光路的互易性。光電探測(cè)器將兩線偏振在Y波導(dǎo)的干涉信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào),通過光電探測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)：

I=Eg·Eg

(14)

式中：I為干涉光強(qiáng)信號(hào)；Eg為兩光束干涉后的瓊斯矢量。

結(jié)合式(1)至式(14)可得：

I=Ey2(1-cos2δ)

(15)

式中Ey為光源發(fā)出的光沿保偏光纖Y軸方向分量。

由式(15)可知，干涉光強(qiáng)信號(hào)與Pockels效應(yīng)產(chǎn)生的相位差δ為余弦函數(shù)關(guān)系，在零相位點(diǎn)斜率為零，為了獲取較高靈敏度，系統(tǒng)引入一個(gè)π/2的相位差偏置，將余弦函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為正弦函數(shù)，此時(shí)在光路工作點(diǎn)附近系統(tǒng)具有較大的響應(yīng)靈敏度。系統(tǒng)輸出光強(qiáng)信號(hào)與相位差δ關(guān)系如圖5所示。

圖5 光強(qiáng)與干涉信號(hào)關(guān)系圖

為了解決系統(tǒng)測(cè)量非線性誤差問題和增大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，借鑒數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺技術(shù)，設(shè)計(jì)“全數(shù)字”雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。第一閉環(huán)將方波調(diào)制引入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用數(shù)字疊加處理的方法，以此檢測(cè)微弱電信號(hào)；第二閉環(huán)中引入反饋相位調(diào)制模塊產(chǎn)生的反饋相位φ與光學(xué)電壓傳感器產(chǎn)生的Pockels效應(yīng)相移大小相等，方向相反，以此保證系統(tǒng)測(cè)量裝置光路工作點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定在零相位點(diǎn)附近。

圖6 光學(xué)電壓傳感器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

系統(tǒng)硬件包括產(chǎn)生1 310 nm的SLD保偏光源，光路組件、調(diào)制解調(diào)電路和電場(chǎng)敏感光路，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

光學(xué)電壓傳感器根據(jù)敏感光路中晶體兩端電壓加載形式的不同可分為分壓型和無分壓型[13]。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)布置環(huán)境，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用無分壓型結(jié)構(gòu)將0～15 V直流電壓直接加載于LiNbO3晶體上，光學(xué)電壓傳感器電壓測(cè)量的變比誤差絕對(duì)值為[14]

(16)

式中：Uin為電壓實(shí)際輸入值；Dout為系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)字輸出值；k為變比，V-1。

根據(jù)式(16)計(jì)算電壓的變比誤差范圍在±0.14%以內(nèi)，說明該型傳感器具有很高的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器數(shù)字輸出電壓與輸入電壓具有良好的線性關(guān)系，最大非線性誤差為0.2%，其數(shù)字輸出值與實(shí)際輸入電壓測(cè)試結(jié)果，及系統(tǒng)變比誤差如圖8所示。

圖8 傳感器數(shù)字輸出值與實(shí)際輸入電壓測(cè)試結(jié)果及系統(tǒng)變比誤差圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)一種非介入式測(cè)量且具有互易光路的集成光學(xué)電壓傳感器，連接光纖的系統(tǒng)光路不需要等長(zhǎng)，從而降低了光纖光路的制作工藝要求；系統(tǒng)光路為反射式光路結(jié)構(gòu)，連接光纖采用熊貓型保偏光纖與低偏光纖相結(jié)合的方法，理論上解決了系統(tǒng)B段光路的光路不互易問題。通過設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，傳感器測(cè)量微小電壓信號(hào)的最大非線性誤差為0.2%，具有較高的測(cè)量精度。后期工作可研究溫度、振動(dòng)等外界環(huán)境干擾對(duì)該型集成光學(xué)電壓傳感器測(cè)量電壓穩(wěn)定性的影響。