保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器制造技术

本发明专利技术公开一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，传感器包括输入端封装底座、输入保偏光纤准直器、电光晶体、封装外壳、输出保偏光纤准直器、输出端封装底座；输入保偏光纤准直器的输出端面与电光晶体的通光面平行设置；电光晶体位于输入保偏光纤准直器与输出保偏光纤准直器之间，输出保偏光纤准直器与输入保偏光纤准直器同轴设置；输入端封装底座和输出端封装底座均固定在封装外壳上；保偏光纤分别与输入保偏光纤准直器和输出保偏光纤准直器耦合。本发明专利技术通过利用保偏光纤的扭转解决了静态工作点的设置问题，减少了1/4波片的使用；通过保偏光纤的直接耦合令光路的传输效率得到了提高，减少了起偏器的使用，简化了传感器的设计结构。设计结构。设计结构。

【技术实现步骤摘要】
保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器


[0001]本专利技术涉及光学电场传感器
，特别是涉及一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器。

技术介绍

[0002]随着我国电力行业的发展，电力行业对于电场传感器提出了更高的要求，传统测量高压电场的方法有很多，例如：静电电压表、球隙、电磁式电压互感器、电阻分压器以及电容分压器等。但是随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，其不足之处日益突出，主要表现为：1、绝缘难度大，特别是500kV以上，因绝缘而使互感器的体积、重量及价格不成比例的提高；2、互感器铁芯结构所固有的磁饱和、动态范围小、频带窄；3、二次输出信号不能直接与数字化计量及保护设备接口；4、电容分压式电压互感器易产生铁磁谐振。而基于电光效应设计的光学电场传感器能够克服传统电场传感器的固有缺点，具有光明的发展前景和应用前景。
[0003]目前通过光波导或者电光晶体的电光效应实现外部电场的测量成为测量外部电场的重要方式之一。集成光学设计的光波导电场传感器具有良好的测量效果，但是集成光电场传感器的制作工艺复杂且造价较为昂贵，利用分离光学元件研制的铌酸锂晶体光学电场传感器因为结构简单，成本较低，适应于高场强测量等优点被广泛应用于外部电场的测量。
[0004]在传统的电光晶体光学电场传感器中，传感单元一般由单模光纤准直器、起偏器、1/4波片、电光晶体、检偏器和多模光纤准直器组成，以实现外部电场的线性测量。传感单元内利用起偏器、1/4波片等分离光学元件，使得光路静态工作点的设置方式复杂，且光路耦合损耗较高，令传感器的结构紧凑性受到了限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，在实现静态工作点设置的同时减少起偏器、1/4波片等分离光学元件的使用，简化传感器的设计结构，提高传感器的耦合效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，所述传感器包括输入端封装底座、输入保偏光纤准直器、电光晶体、封装外壳、输出保偏光纤准直器、输出端封装底座；所述输入保偏光纤准直器和所述电光晶体均通过注胶的方式固定在所述输入端封装底座内，所述输入保偏光纤准直器的输出端面和所述输出保偏光纤准直器的输入端面均与所述电光晶体的通光面平行设置；所述输出保偏光纤准直器通过注胶的方式固定在所述输出端封装底座内，所述电光晶体位于所述输入保偏光纤准直器与所述输出保偏光纤准直器之间，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器同轴设置；所述输入端封装底座和所述输出端封装底座均固定在所述封装外壳上；所述输入端封装底座上和所述输出端封装底座上均固定有保偏光纤，所述保偏光纤分
别与所述输入保偏光纤准直器的输入端面和所述输出保偏光纤准直器的输出端面耦合；与所述输入端封装底座连接的所述保偏光纤上设置有输入端保偏光纤固定点，所述保偏光纤在所述输入端保偏光纤固定点处与所述输入端封装底座固定，所述输入保偏光纤准直器与所述输入端保偏光纤固定点之间的所述保偏光纤扭转π/2角度。
[0007]作为对上述技术方案的进一步描述，可调谐保偏光源输入线偏振光的振动方向与保偏光纤的慢轴对准后，进入传感器内进行电光调制，传感器输出的偏振信号通过保偏光纤传递到保偏光纤检偏器中，检偏后的光信号进入到光电探测器中进行光电转换，最后通过示波器探头线传递给示波器显示外部电场的时域信息。
[0008]优选的，所述输入端保偏光纤固定点与所述输入保偏光纤准直器输入端面的距离为1
‑
2mm。
[0009]优选的，所述保偏光纤为熊猫型保偏光纤，所述保偏光纤的拍长为2
‑
4mm。
[0010]优选的，所述输入端封装底座为3D打印机采用ABS塑料打印，所述输入端封装底座为长方体结构，所述输入端封装底座内部开设有与所述输入保偏光纤准直器、所述电光晶体相适配的凹槽，所述输入端封装底座的外部尺寸为长54
‑
65mm，宽8
‑
12mm，高9
‑
13mm。
[0011]优选的，所述输入保偏光纤准直器与保偏光纤采用注胶方式连接固化，所述输入保偏光纤准直器为圆柱型玻璃准直器，所述输入保偏光纤准直器的输出端面为平面；所述输入保偏光纤准直器的长度为8
‑
15mm，直径为2
‑
3mm。
[0012]优选的，所述电光晶体为加工定制的光学级别的铌酸锂晶体，所述铌酸锂晶体为长方体结构，所述铌酸锂晶体的长为42.2
‑
62mm，宽为4
‑
6mm，高为4
‑
6mm。
[0013]优选的，所述封装外壳为3D打印机采用ABS塑料打印，所述封装外壳为长方体结构，所述封装外壳的外部尺寸为长78
‑
88mm，宽9
‑
12mm，高8
‑
10mm。
[0014]优选的，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器为一成对组合且参数一致，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器的耦合距离为47
‑
67mm。
[0015]优选的，所述输出端封装底座为3D打印机采用PLA塑料打印，所述输出端封装底座为长方体结构，所述输出端封装底座内部开设有与所述输出保偏光纤准直器相适配的凹槽，所述输出端封装底座的外部尺寸为长9
‑
13mm，宽8
‑
11mm，高9
‑
12mm。
[0016]本专利技术的工作原理如下：采用本专利技术提供的保偏光纤耦合型铌酸锂晶体电场传感器在测量电场时，可调谐保偏光源输出线偏振光的振动方向与保偏光纤的慢轴对准，此时保偏光纤中的偏振光E
o
为：
[0017][0018]式中E
x
，E
y
分别为快轴上的光分量。将l长度的保偏光纤扭转θ角度后，因为扭转保偏光纤后产生的圆双折射效应，使得输入保偏光纤准直器输出偏振光E
out
为：
[0019][0020]式中E
ζ
、E
η
分别为扭转保偏光纤后新的快慢轴上的光分量，δ为l长度的保偏光纤扭转角度后快慢轴之间产生的相位差。注意到相位差δ与扭转保偏光纤长度l及扭转角度存在如下关系：
[0021]δ＝l/θ
ꢀꢀꢀ
(3)
[0022]所以将输入保偏光纤准直器前端长度等于1/2拍长的保偏光纤扭转π/2角度后，快慢轴之间相位差δ变化了π，此时保偏光纤输出的光矢量E
out
变为：
[0023][0024]式中：E
out
为右旋圆偏振光。可见，沿z方向入射到晶体的偏振光为圆偏振光，根据铌酸锂晶体的电光效应，经过y方向电场的相位调制后，引起圆偏振光的相位差为：
[0025][0026]式中：l为晶体通光长度，E为外加电场强度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，其特征在于，所述传感器(14)包括输入端封装底座(3)、输入保偏光纤准直器(4)、电光晶体(5)、封装外壳(6)、输出保偏光纤准直器(7)、输出端封装底座(8)；所述输入保偏光纤准直器(4)和所述电光晶体(5)均固定在所述输入端封装底座(3)内，所述输入保偏光纤准直器(4)的输出端面和所述输出保偏光纤准直器(7)的输入端面均与所述电光晶体(5)的通光面平行设置；所述输出保偏光纤准直器(7)固定在所述输出端封装底座(8)内，所述电光晶体(5)位于所述输入保偏光纤准直器(4)与所述输出保偏光纤准直器(7)之间，所述输出保偏光纤准直器(7)与所述输入保偏光纤准直器(4)同轴设置；所述输入端封装底座(3)和所述输出端封装底座(8)均固定在所述封装外壳(6)上；所述输入端封装底座(3)上和所述输出端封装底座(8)上均固定有保偏光纤(1)，所述保偏光纤(1)分别与所述输入保偏光纤准直器(4)的输入端面和所述输出保偏光纤准直器(7)的输出端面耦合；与所述输入端封装底座(3)连接的所述保偏光纤(1)上设置有输入端保偏光纤固定点(2)，所述保偏光纤(1)在所述输入端保偏光纤固定点(2)处与所述输入端封装底座(3)固定，所述输入保偏光纤准直器(4)与所述输入端保偏光纤固定点(2)之间的所述保偏光纤(1)扭转π/2角度。2.根据权利要求1所述的保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，其特征在于，还包括可调谐保偏光源(9)、保偏光纤检偏器(10)、光电探测器(11)和示波器(13)；所述可调谐保偏光源(9)、所述传感器(14)、所述保偏光纤检偏器(10)和所述光电探测器(11)依次通过所述保偏光纤(1)连接，所述光电探测器(11)通过示波器探头线(12)与所述示波器(13)电性连接。3.根据权利要求1所述的保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，其特征在于，所述输入端保偏光纤固定点(2)与所述输入保偏光纤准直器(4)输入端面的距离为1
‑
2mm。4.根据权利要求1所述的保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，其特征在于，所述保偏光纤(1)为熊猫型保偏光纤，所述保偏光纤(1)的拍长为2
‑
4mm。5.根据权利要求1所述的保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家洪，张元英，赵振刚，李英娜，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：