具有互易光路的集成光学电压传感器

周 扬，卜乐平，王黎明，杨娅娇，曾令强

(1.海军工程大学电气工程学院，湖北武汉 430033；2.北京航天时代光电科技有限公司，北京 100094)

0 引言

目前，国内外有关光学电压传感器(OVS)的研究与应用其基本原理以泡克耳斯效应(Pockels effect)为主[1]。随着20世纪80年代集成光学与光波导技术的迅速发展，基于Pockels效应的集成OVS相关报道越来越多。较传统的OVS而言，集成光学电压传感器将起偏器、耦合器、相位调制器等光学元器件一体化，减少了系统光路分立元件的个数，使得光路结构更简单、集成化程度更高[2-3]。但OVS在其工程应用上系统光路存在温度、振动等噪声干扰问题，受外界环境波动影响较大，严重影响着系统测量的稳定性与准确性[4]，针对这一问题，利用光纤陀螺领域互易性技术,提出了一种新型非介入式全光纤互易型集成光学电压传感器电压测量方案[5]，分析了系统光路互易性机理，并对搭建的实验平台进行了直流加压实验。

1 研究方案

测量方案由电场敏感光路、光路组件、解调电路、接口电路和电源电路组成，其中电场敏感光路位于电场测量侧，光路组件、解调电路、接口电路和电源电路安装在电气单元，并装配于附近的配电柜，测量方案示意框图如图1所示。各部分组件功能如下：

图1 测量方案框图

(1)电场敏感光路：感应被测电场大小，即通过Pockels效应将外界电场转换为偏振光的相位差信息；

(2)光路组件：包含系统整个光路结构，实现光信号的发生、传播和干涉等；

(3)解调电路：实现光信号调制、光相位干涉信息的解调处理以及接口通信；

(4)接口电路：实现光信号与电信号的相互转换，经通信光纤实现测量数据的输出；

(5)电源电路：实现二次电源转换。

1.1 光路组件

系统光路组件结构主要由SLD光源、光纤环形器、耦合器、Y波导、45°旋光器、LiNbO3晶体和反射镜等构成。系统光路以45°旋光器为临界分为2段，45°旋光器之前光纤光路采用熊猫型保偏光纤，记为A段；之后则采用低偏光纤，记为B段，光路组件结构如图2所示。SLD光源发出的光进入Y波导，经Y波导起偏、分光、调制后分为能量相等的2束线偏振光，两光束分别经0°、90°物理熔接点作用后实现沿光纤快慢轴传输并进入耦合器，此后两光束在光纤中的传播方向相同，偏振方向相互垂直。当LiNbO3晶体上加载有外置电场时，由Pockels效应可知，两束线偏振光在晶体内传播过程中将产生相位差δ，在反射镜处返回，相位差加倍，含有相位差信息的两束光在Y波导发生干涉，最后通过光电探测器测量干涉光强。

图2 系统光路组件结构

1.2 光路互易机理分析

为直观分析系统光路互易性机理，设入射光沿光纤正向传播时，沿光纤快慢轴传播的两光束分别记为光束a、b。经物理熔接点作用后两光束在光路中偏振方向相互垂直，经45°旋光器作用，两光束偏振面将沿同一方向(设沿入射光顺时针)偏转45°，到达反射镜被反射后再次经过45°旋光器，两光束偏振面将沿顺时针方向(沿入射光方向观察)继续偏转45°，即A段光路中原来沿光纤快轴传播的a光返回时变为沿光纤慢轴传播，沿光纤慢轴传播的b光返回时沿光纤快轴传播，实现两光束传播过程中偏振模式的交换，形成的互易光路可消除传播过程中产生的各种寄生效应，两线偏振光传播过程偏振模式变化示意图如图3所示。

图3 偏振光偏振模式变化示意图

A段光路中，由于不可逆性光学元器件45°旋光器对光束的偏转作用，实现了相互垂直的两线偏振光偏振模式的互换[6]，系统可很好抑制环境噪声干扰。B段光路中，由于反射镜仅改变了a、b两线偏振光的传播方向，其偏振方向并未发生模式交换，两者在光路中各自历经了不同的传播路径，在B段光纤中系统光路不具备互易性。

结合上述分析，针对系统B段光路并不互易问题，方案中光纤光路A段采用熊猫型保偏光纤和B段采用低偏光纤相结合的形式以此提高系统整体的光路互易性。熊猫型保偏光纤在纤芯两侧加入不同玻璃组分的应力棒，进而在纤芯周围产生各向异性应力单元，偏振光在纤芯内部不同轴向上偏振时将产生强烈的应力双折射。纤芯截面的X、Y轴2个方向分别对应保偏光纤的快慢轴方向，其光纤截面如图4所示[7-8]。

图4 熊猫型保偏光纤截面图

由于熊猫型保偏光纤具有强烈的应力双折射，两偏振模式的传播常数差值β较大，可提高相干信噪比，从而提了外界的噪声干扰与2个模式的有效耦合[9-10]。相反，系统B段在光路结构上不能实现互易，为了提高B段光路互易性，利用低偏光纤内部无快慢轴之分的特点，进而使偏振态相互正交的a、b两线偏振光在低偏光纤中的传播速度相等，以此保证两线偏振光在光纤光路B段中历经相同光程的同时且不会产生附加光程差，使得最终在Y波导检测的两线偏振光的相位差信息来源仅为晶体的Pockels效应所产生。

2 互易光路数学模型及光路测量工作点

利用琼斯矩阵推导偏振光在光路中传播的数学模型，可将问题的研究简单化、直观化[11-12]。假设入射光偏振态矢量用E1表示，通过光学元器件(G表示)，出射光偏振态矢量用E2表示，则E1、E2关系为：E2=G·E1。

设A段保偏光纤的快轴沿图4中光纤截面的X轴方向，Y波导的起偏方向沿其Y轴方向，光源发出的光用琼斯矢量可表示为

(1)

系统光路组件结构中两入射线偏振光的琼斯传输矩阵为：

(2)

(3)

式中矩阵单元右上角标1、2分别表示光束正、反向通过各光学元器件。

集成光学器件Y波导起偏琼斯矩阵：

(4)

集成光学器件Y波导相位调制琼斯矩阵：

(5)

式中τ为光束来回进入Y波导相位调制器时间差。

0°物理熔接点琼斯矩阵：

(6)

90°物理熔接点琼斯矩阵：

(7)

耦合器琼斯矩阵：

(8)

45°旋光器琼斯矩阵：

(9)

准直器琼斯矩阵：

(10)

电光晶体琼斯矩阵：

(11)

反射镜琼斯矩阵：

(12)

将式(4)～式(12)分别代入式(2)、式(3)中可得：

(13)

a、b两线偏振光的光路琼斯传输矩阵相等，理论上证明了系统光路的互易性。光电探测器将两线偏振在Y波导的干涉信息转化为光强信号,通过光电探测器测量光强：

I=Eg·Eg

(14)

式中：I为干涉光强信号；Eg为两光束干涉后的琼斯矢量。

结合式(1)至式(14)可得：

I=Ey2(1-cos2δ)

(15)

式中Ey为光源发出的光沿保偏光纤Y轴方向分量。

由式(15)可知，干涉光强信号与Pockels效应产生的相位差δ为余弦函数关系，在零相位点斜率为零，为了获取较高灵敏度，系统引入一个π/2的相位差偏置，将余弦函数关系转换为正弦函数，此时在光路工作点附近系统具有较大的响应灵敏度。系统输出光强信号与相位差δ关系如图5所示。

图5 光强与干涉信号关系图

为了解决系统测量非线性误差问题和增大动态测量范围，借鉴数字闭环光纤陀螺技术，设计“全数字”双闭环控制系统，双闭环控制系统框图如图6所示。第一闭环将方波调制引入到系统设计，利用数字叠加处理的方法，以此检测微弱电信号；第二闭环中引入反馈相位调制模块产生的反馈相位φ与光学电压传感器产生的Pockels效应相移大小相等，方向相反，以此保证系统测量装置光路工作点长期稳定在零相位点附近。

图6 光学电压传感器双闭环控制系统

3 实验研究与分析

系统硬件包括产生1 310 nm的SLD保偏光源，光路组件、调制解调电路和电场敏感光路，搭建的实验平台如图7所示。

图7 搭建的实验平台

光学电压传感器根据敏感光路中晶体两端电压加载形式的不同可分为分压型和无分压型[13]。为简化实验布置环境，实验时采用无分压型结构将0～15 V直流电压直接加载于LiNbO3晶体上，光学电压传感器电压测量的变比误差绝对值为[14]

(16)

式中：Uin为电压实际输入值；Dout为系统相应的数字输出值；k为变比，V-1。

根据式(16)计算电压的变比误差范围在±0.14%以内，说明该型传感器具有很高的测量精度。实验结果表明传感器数字输出电压与输入电压具有良好的线性关系，最大非线性误差为0.2%，其数字输出值与实际输入电压测试结果，及系统变比误差如图8所示。

图8 传感器数字输出值与实际输入电压测试结果及系统变比误差图

4 结束语

文中设计一种非介入式测量且具有互易光路的集成光学电压传感器，连接光纤的系统光路不需要等长，从而降低了光纤光路的制作工艺要求；系统光路为反射式光路结构，连接光纤采用熊猫型保偏光纤与低偏光纤相结合的方法，理论上解决了系统B段光路的光路不互易问题。通过设计的双闭环控制系统，传感器测量微小电压信号的最大非线性误差为0.2%，具有较高的测量精度。后期工作可研究温度、振动等外界环境干扰对该型集成光学电压传感器测量电压稳定性的影响。