專利名稱:一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，包括：SLD光源、起偏器、溫循箱、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器和示波器；SLD光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)入起偏器，起偏器尾纖與被測(cè)透光介質(zhì)尾纖以45°對(duì)軸熔接，起偏光波經(jīng)過(guò)45°熔接后進(jìn)入被測(cè)透光介質(zhì)；信號(hào)發(fā)生器對(duì)被測(cè)透光介質(zhì)施加預(yù)定頻率的正弦波信號(hào)；光電探測(cè)器對(duì)由被測(cè)透光介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸出電信號(hào)，送達(dá)示波器；示波器獲得光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)值。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可獲得被測(cè)透光介質(zhì)雙折射率差值。利用本實(shí)用新型實(shí)施例能夠測(cè)試透光介質(zhì)尤其是鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)的雙折射率差值。
【專利說(shuō)明】
-種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及光電領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)電壓互感器大多是利用電光晶體的線性電光效應(yīng)(Pockels),目前常見(jiàn)的電 壓互感器的結(jié)構(gòu)包括電光傳感晶體，四分之一波片和兩個(gè)偏振片，其中四分之一波片引入 V2光偏振，W實(shí)現(xiàn)電壓的線性傳感、擴(kuò)大線性測(cè)量范圍和提高測(cè)量靈敏度等功能。但是，四 分之一波片經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境溫度、加工精度及附加應(yīng)力等因素的影響，從而影響互感器性 能，此外由波片主軸和傳感頭晶體主軸對(duì)準(zhǔn)誤差導(dǎo)致的角度偏差也會(huì)影響互感器性能。因 此，為了減少四分之一波片對(duì)互感器性能的影響，利用光波導(dǎo)的固有雙折射相移Ob，通過(guò) 特定光波導(dǎo)的長(zhǎng)度引入V2光偏振W取代四分之一波片。該方法需要測(cè)量固有雙折射率差 值B。
[0003] 鐵擴(kuò)散波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性優(yōu)于質(zhì)子交換波導(dǎo)，當(dāng)溫度變化IOOK時(shí)，電場(chǎng)的測(cè)量誤差 僅為2.5%，波導(dǎo)的雙折射相移隨溫度的變化速率約為2.4 X l(T5rad/K?？紤]電壓互感器其 對(duì)響應(yīng)速度、精度和溫度穩(wěn)定性的要求，鐵擴(kuò)散妮酸裡波導(dǎo)更適合應(yīng)用于電壓互感器中，如 圖1所示。光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量原理是:利用信號(hào)處理與控制模塊，載有電信號(hào)的 光波經(jīng)發(fā)射模塊注入被測(cè)介質(zhì)傳輸，光信號(hào)經(jīng)過(guò)一定延遲時(shí)間t2到達(dá)光接收模塊，完成光 電轉(zhuǎn)換及放大后，信息處理與控制模塊對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào) 的延遲時(shí)間，再結(jié)合已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度^和延遲時(shí)間ti，獲得附加延遲時(shí)間At = ti-t2， 計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)的折射率為:n2 = (nlLl-cAt)/L2，其中L2為被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度。而鐵妮酸裡波 導(dǎo)（Y切Z傳）的雙折射率差值量級(jí)為1(T5,兩個(gè)模式的延遲時(shí)間差的量級(jí)粗略估算在1(T6ns，超過(guò)光電探測(cè)器可W識(shí)別的精度，無(wú)法區(qū)別TE模式和TM模式折射率的差別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本實(shí)用新型提出一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，利用不 同溫度下光電探測(cè)器輸出信號(hào)的不同振幅來(lái)測(cè)出雙折射率差值。
[0005] 本實(shí)用新型提供一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，包括： 超福射發(fā)光二極管化D光源、起偏器、溫循箱、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器和示波器，其中測(cè)試 時(shí)，被測(cè)透光介質(zhì)放置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器;其中，SLD光源發(fā)出的光信號(hào) 進(jìn)入起偏器，起偏器尾纖與被測(cè)透光介質(zhì)尾纖W45°對(duì)軸烙接，起偏光波經(jīng)過(guò)45°烙接后進(jìn) 入被測(cè)透光介質(zhì)；信號(hào)發(fā)生器對(duì)被測(cè)透光介質(zhì)施加預(yù)定頻率的正弦波信號(hào);光電探測(cè)器對(duì) 由被測(cè)透光介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸出電信號(hào)，送達(dá)示 波器;示波器獲得光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)值。
[0006] 優(yōu)選地，其中SLD光源為SL的敦光器。
[0007] 優(yōu)選地，其中起偏器為偏振片或Y波導(dǎo)。
[000引優(yōu)選地，其中起偏器為90°或0°偏振片。
[0009] 優(yōu)選地，其中光電探測(cè)器選用PIN-FET組件，其包括半導(dǎo)體PIN光電二極管和跨阻 抗前置放大器。
[0010] 優(yōu)選地，其中被測(cè)介質(zhì)為妮酸裡、憐化銅或石英晶體。
[OOW 優(yōu)選地，其中被測(cè)介質(zhì)為Y切Z傳妮酸裡波導(dǎo)。
[0012] 有益效果:本實(shí)用新型實(shí)施例通過(guò)把微小的相移變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)振幅的變化， 利用不同溫度下光電探測(cè)器輸出信號(hào)的不同振幅來(lái)測(cè)出雙折射率差值，同時(shí)也可W測(cè)試出 雙折射率差的溫度相關(guān)性，尤其適用于對(duì)于鐵擴(kuò)散妮酸裡波導(dǎo)低雙折射率差值的測(cè)試過(guò) 程。
【附圖說(shuō)明】

[0013] 圖1是已有的電壓互感器傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] W下結(jié)合附圖W及具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0016] 圖2示出了本實(shí)用新型實(shí)施例的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其包括： 化D(Super Luminescent Diodes,超福射發(fā)光二極管）光源、起偏器、溫循箱、溫度傳感器、 光電探測(cè)器、信號(hào)發(fā)生器和示波器;測(cè)試時(shí)，被測(cè)透光介質(zhì)放置在溫循箱中。
[0017] 其中，SLD光源采用消偏寬譜光源，能夠發(fā)射某一特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，通過(guò)直接強(qiáng) 度調(diào)制或間接強(qiáng)度調(diào)制，發(fā)射連續(xù)正弦波或脈沖光波信號(hào)，并注入系統(tǒng)。優(yōu)選地，該SLD光源 使用SLD激光器，其具有W下特點(diǎn)：具有足夠的光功率，可W提高系統(tǒng)的信噪比;光的相干長(zhǎng) 度要短，即具有寬的發(fā)射光譜，可W降低瑞利后向散射、克爾效應(yīng)等引起的相干誤差;具有 良好的平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性W保證測(cè)試的穩(wěn)定性，高可靠性。
[001引如圖2,化D光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)入起偏器，起偏器的主要功能是把高雙折射光纖 中兩正交偏振分量之一泄漏出去，另一偏振分量在光纖中無(wú)損耗地傳播，從而在光纖出射 端獲得單偏振作用，對(duì)光源發(fā)出的消偏光進(jìn)行起偏，保證輸出光為線偏光。起偏器可采用起 偏片或Y波導(dǎo)等。
[0019] 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，起偏器輸出尾纖與被測(cè)透光介質(zhì)尾纖W45°對(duì)軸烙接， 可使線偏振光分為兩個(gè)正交模式。參考圖2，起偏光波經(jīng)過(guò)45°烙接后進(jìn)入被測(cè)波導(dǎo)，在被測(cè) 波導(dǎo)內(nèi)分解為兩個(gè)方向的光波，TE模式和TM模式的光波。其中，起偏器采用90°或0°偏振片， 目的是保證進(jìn)入波導(dǎo)的兩個(gè)模式的光波等相位且等功率。
[0020] 圖2實(shí)施例中所有連接各部件的直線均為保偏光纖，保偏光纖是對(duì)在其中傳播的 光偏振態(tài)具有保持功能的光纖，沿著其主軸方向入射的線偏振光在出射端保持線偏振態(tài)。 其中，被測(cè)透光介質(zhì)例如波導(dǎo)放置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器，W測(cè)量被測(cè)波 導(dǎo)的溫度特性。
[0021] 信號(hào)發(fā)生器通常是數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，其內(nèi)部永久存儲(chǔ)著正弦波、方波、立角 波、噪聲、銀齒波、Sin(x)/x、負(fù)銀齒波、指數(shù)上升波、指數(shù)下降波、屯、電波等十余種函數(shù)信 號(hào)。本實(shí)用新型的實(shí)施例利用信號(hào)發(fā)生器，對(duì)被測(cè)波導(dǎo)施加一定頻率的正弦波信號(hào)；優(yōu)選 地，正弦波信號(hào)的頻率范圍為IOO化一15MHz，幅值范圍為IOOmVp-P - IOVp-P。
[0022] 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，光電探測(cè)器選用PIN-FET組件，包括半導(dǎo)體PIN光電二 極管和跨阻抗前置放大器。其中，PIN光電二極管具有量子效率高、光電轉(zhuǎn)換線性度好、工作 電壓低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用光電探測(cè)器，對(duì)由被測(cè)介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)， 其接收波長(zhǎng)應(yīng)與發(fā)射模塊的波長(zhǎng)匹配，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸出，送達(dá)示波器，用于計(jì)算 被測(cè)波導(dǎo)的雙折射率差值。
[0023] 圖2測(cè)試裝置的光路原理為：寬譜光源(SLD)發(fā)出的光經(jīng)起偏器后，變?yōu)榫€偏振光。 起偏器尾纖與被測(cè)波導(dǎo)尾纖W45°對(duì)軸烙接，則線偏振光均分為兩個(gè)正交模式，分別沿被測(cè) 波導(dǎo)的快慢軸傳輸，波導(dǎo)置于溫箱中，對(duì)被測(cè)波導(dǎo)施加一定頻率的正弦信號(hào)Vs(t)，該正弦 信號(hào)的峰值電壓Vm大于波導(dǎo)的半波電壓，另外由于快慢軸具有雙折射差，因此最終兩束光 會(huì)攜帶不同的相位信息，波導(dǎo)輸出尾纖與起偏器輸入尾纖進(jìn)行45°烙接，兩束偏振光發(fā)生干 設(shè)，經(jīng)過(guò)起偏器后，將光信號(hào)送入光電探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)的提取、調(diào)制、解調(diào)和輸出等功能。
[0024] 計(jì)算時(shí)，通過(guò)光電探測(cè)器得到輸出的電信號(hào)為Vdet(t)，對(duì)Vdet(t)與Vs(t)進(jìn)行仿 真，可W發(fā)現(xiàn)，Vdet(t)和Vs(t)同周期，且因溫度改變引起的雙折射相位差的變化量A (I)B與 Vdet(t)振幅的變化成線性關(guān)系，可利用仿真軟件計(jì)算被測(cè)波導(dǎo)的雙折射率差值，W下描述 計(jì)算步驟。
[0025] 第一步:利用測(cè)試裝置獲取Vdet(t)。
[0026] Vdet(t)為探測(cè)器輸出的電信號(hào)，表達(dá)式為：
[0027] Vdet(t)=Ko{l-cos[ (6￡+(66]} (1)
[0028] 其中Ko為平均功率，d)E和4b分別為由電光效應(yīng)引起的相移和波導(dǎo)雙折射帶來(lái)的 相移，表達(dá)式為：
[0029] (J)E= 丫距 Y(t) (2)
[0030]
(3)
[0031] (J)B =陸 L = k(化 E-Ntm 化（4)
[00創(chuàng)
例
[0033] Vs(t) =Vm sin( ?t) (6)
[0034] 其中，k =化A，n〇為尋常光的有效折射率，L為波導(dǎo)長(zhǎng)度，G為電極間距，丫 22為電光 系數(shù)，Vs(t)為外加正弦電信號(hào)。
[0(X3日]第二步:計(jì)算雙折射率差B。
[0036] 從W上公式可W看出，Vdet(t)與Vs(t)具有相同的周期。當(dāng)溫度變化時(shí)，體現(xiàn)在駝 峰中間處振幅的差異，當(dāng)Vs(t)=Vm時(shí)，輸出信號(hào)Vdet(t)變?yōu)椋?br>[0037]
(7)
[003引其中，A (I)E和A (I)B分別為溫度引起的相移。
[0039]由W上分析可知，Vdet(t)和Vs(t)同周期，因此可提取不同溫度條件下，輸出信 號(hào)det(t)在Vs(t)=Vm(即《t = 2m3i+V2)時(shí)的振幅值，在其它參數(shù)已知的情況下，通過(guò)反帶入 公式(7)可求出參數(shù)B和d d) B/dT，其中Ko的值可通過(guò)光功率計(jì)測(cè)得。
[0040] 保持室溫，A T = 0°C時(shí)，式(7)變?yōu)椋?br>[OOW
(8)
[0042] 其中，Vdet-mi河通過(guò)示波器得到，代入式(8)，可求出TE和TM有效折射率之差B。
[0043] 第=步:根據(jù)公式(7)計(jì)算雙折射相移隨溫度的變化率d (I)BMT;
[0044] 啟動(dòng)溫箱，溫度改變A T時(shí)，由示波器得到Vdet-mid，帶入式(7)，其它參數(shù)已知，可W 計(jì)算出雙折射相移隨溫度的變化率d d) B/dT。
[0045] 在本實(shí)用新型的某實(shí)施例中，被測(cè)波導(dǎo)為Y切Z傳妮酸裡波導(dǎo)，相關(guān)數(shù)據(jù)如下:入= 1310nm下對(duì)應(yīng)的室溫為20°C，Y切Z傳妮酸裡波導(dǎo)半波電壓Vv2 = 400~440V，Vm取450V，f = 60Hz，n〇 = 2.22±0.0 l，波導(dǎo)長(zhǎng)度L = 27±0.5mm，電極間距G = lmm，r22 = 3.4pm/V，sin( ? t) =1時(shí)，計(jì)算得到4E-max=2.1678,由示波器讀出Vdet-mid的數(shù)值，反帶入公式(8)，計(jì)算獲得B =6 X 10-5;當(dāng)溫度改變A T時(shí)，由示波器得到Vdet-mid，參考上例提供的數(shù)據(jù)，在W t = 2m3i+V2 時(shí)，由示波器讀取Vdet-mid的值，如表1所示不同溫度條件下的電壓峰值，代入式（7)，求得
[0046] 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，被測(cè)介質(zhì)可W為各種能夠透過(guò)光信號(hào)的介質(zhì)，如妮酸 裡，憐化銅，石英晶體等。盡管實(shí)施例中提到Y(jié)切Z傳妮酸裡晶體，但并不局限于該切向的晶 體，其他類型的低雙折射率晶體也適用。本實(shí)用新型實(shí)施例的測(cè)試裝置還可用于測(cè)試雙折 射率差的溫度相關(guān)性，尤其是對(duì)于鐵擴(kuò)散妮酸裡波導(dǎo)低雙折射率差的測(cè)試。
[0047]
[004引表1
[0049] W上，結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，所描述的具體 實(shí)施例用于幫助理解本實(shí)用新型的思想。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本實(shí)用新型具體實(shí)施例的基礎(chǔ) 上做出的推導(dǎo)和變型也屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，包括:超輻射發(fā)光二極管 SLD光源、起偏器、溫循箱、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器和示波器，其中測(cè)試時(shí)，被測(cè)透光介質(zhì)放 置在溫循箱中，溫循箱中裝有溫度傳感器;其中， SLD光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)入起偏器，起偏器尾纖與被測(cè)透光介質(zhì)尾纖以45°對(duì)軸熔接， 起偏光波經(jīng)過(guò)45°熔接后進(jìn)入被測(cè)透光介質(zhì)； 信號(hào)發(fā)生器對(duì)被測(cè)透光介質(zhì)施加預(yù)定頻率的正弦波信號(hào)； 光電探測(cè)器對(duì)由被測(cè)透光介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸 出電信號(hào)，送達(dá)示波器； 示波器獲得光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)值。2. 如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中SLD 光源為SLD激光器。3. 如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中起偏 器為偏振片或Y波導(dǎo)。4. 如權(quán)利要求3所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中起偏 器為90°或0°偏振片。5. 如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中光電 探測(cè)器選用PIN-FET組件，其包括半導(dǎo)體PIN光電二極管和跨阻抗前置放大器。6. 如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中被測(cè) 介質(zhì)為鈮酸鋰、磷化銦或石英晶體。7. 如權(quán)利要求6所述的用于測(cè)試透光介質(zhì)雙折射率差值的裝置，其特征在于，其中被測(cè) 介質(zhì)為Y切z傳鈮酸鋰波導(dǎo)。
【文檔編號(hào)】G01N21/23GK205719932SQ201620255798
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】李俊慧, 楊成惠, 楊德偉, 郝琰
【申請(qǐng)人】北京世維通科技發(fā)展有限公司