周 揚，卜樂平，王黎明，楊婭嬌，曾令強

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

0 引言

目前，國內外有關光學電壓傳感器(OVS)的研究與應用其基本原理以泡克耳斯效應(Pockels effect)為主[1]。隨著20世紀80年代集成光學與光波導技術的迅速發(fā)展，基于Pockels效應的集成OVS相關報道越來越多。較傳統(tǒng)的OVS而言，集成光學電壓傳感器將起偏器、耦合器、相位調制器等光學元器件一體化，減少了系統(tǒng)光路分立元件的個數，使得光路結構更簡單、集成化程度更高[2-3]。但OVS在其工程應用上系統(tǒng)光路存在溫度、振動等噪聲干擾問題，受外界環(huán)境波動影響較大，嚴重影響著系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性與準確性[4]，針對這一問題，利用光纖陀螺領域互易性技術,提出了一種新型非介入式全光纖互易型集成光學電壓傳感器電壓測量方案[5]，分析了系統(tǒng)光路互易性機理，并對搭建的實驗平臺進行了直流加壓實驗。

1 研究方案

測量方案由電場敏感光路、光路組件、解調電路、接口電路和電源電路組成，其中電場敏感光路位于電場測量側，光路組件、解調電路、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，測量方案示意框圖如圖1所示。各部分組件功能如下：

圖1 測量方案框圖

(1)電場敏感光路：感應被測電場大小，即通過Pockels效應將外界電場轉換為偏振光的相位差信息；

(2)光路組件：包含系統(tǒng)整個光路結構，實現光信號的發(fā)生、傳播和干涉等；

(3)解調電路：實現光信號調制、光相位干涉信息的解調處理以及接口通信；

(4)接口電路：實現光信號與電信號的相互轉換，經通信光纖實現測量數據的輸出；

(5)電源電路：實現二次電源轉換。

1.1 光路組件

系統(tǒng)光路組件結構主要由SLD光源、光纖環(huán)形器、耦合器、Y波導、45°旋光器、LiNbO3晶體和反射鏡等構成。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，光路組件結構如圖2所示。SLD光源發(fā)出的光進入Y波導，經Y波導起偏、分光、調制后分為能量相等的2束線偏振光，兩光束分別經0°、90°物理熔接點作用后實現沿光纖快慢軸傳輸并進入耦合器，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LiNbO3晶體上加載有外置電場時，由Pockels效應可知，兩束線偏振光在晶體內傳播過程中將產生相位差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波導發(fā)生干涉，最后通過光電探測器測量干涉光強。

圖2 系統(tǒng)光路組件結構

1.2 光路互易機理分析

為直觀分析系統(tǒng)光路互易性機理，設入射光沿光纖正向傳播時，沿光纖快慢軸傳播的兩光束分別記為光束a、b。經物理熔接點作用后兩光束在光路中偏振方向相互垂直，經45°旋光器作用，兩光束偏振面將沿同一方向(設沿入射光順時針)偏轉45°，到達反射鏡被反射后再次經過45°旋光器，兩光束偏振面將沿順時針方向(沿入射光方向觀察)繼續(xù)偏轉45°，即A段光路中原來沿光纖快軸傳播的a光返回時變?yōu)檠毓饫w慢軸傳播，沿光纖慢軸傳播的b光返回時沿光纖快軸傳播，實現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生的各種寄生效應，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，由于不可逆性光學元器件45°旋光器對光束的偏轉作用，實現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。

結合上述分析，針對系統(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加入不同玻璃組分的應力棒，進而在纖芯周圍產生各向異性應力單元，偏振光在纖芯內部不同軸向上偏振時將產生強烈的應力雙折射。纖芯截面的X、Y軸2個方向分別對應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烈的應力雙折射，兩偏振模式的傳播常數差值β較大，可提高相干信噪比，從而提了外界的噪聲干擾與2個模式的有效耦合[9-10]。相反，系統(tǒng)B段在光路結構上不能實現互易，為了提高B段光路互易性，利用低偏光纖內部無快慢軸之分的特點，進而使偏振態(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段中歷經相同光程的同時且不會產生附加光程差，使得最終在Y波導檢測的兩線偏振光的相位差信息來源僅為晶體的Pockels效應所產生。

2 互易光路數學模型及光路測量工作點

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

設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)光路組件結構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1、2分別表示光束正、反向通過各光學元器件。

集成光學器件Y波導起偏瓊斯矩陣：

(4)

集成光學器件Y波導相位調制瓊斯矩陣：

(5)

式中τ為光束來回進入Y波導相位調制器時間差。

0°物理熔接點瓊斯矩陣：

(6)

90°物理熔接點瓊斯矩陣：

(7)

耦合器瓊斯矩陣：

(8)

45°旋光器瓊斯矩陣：

(9)

準直器瓊斯矩陣：

(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。光電探測器將兩線偏振在Y波導的干涉信息轉化為光強信號,通過光電探測器測量光強：

I=Eg·Eg

(14)

式中：I為干涉光強信號；Eg為兩光束干涉后的瓊斯矢量。

結合式(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，干涉光強信號與Pockels效應產生的相位差δ為余弦函數關系，在零相位點斜率為零，為了獲取較高靈敏度，系統(tǒng)引入一個π/2的相位差偏置，將余弦函數關系轉換為正弦函數，此時在光路工作點附近系統(tǒng)具有較大的響應靈敏度。系統(tǒng)輸出光強信號與相位差δ關系如圖5所示。

圖5 光強與干涉信號關系圖

為了解決系統(tǒng)測量非線性誤差問題和增大動態(tài)測量范圍，借鑒數字閉環(huán)光纖陀螺技術，設計“全數字”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)將方波調制引入到系統(tǒng)設計，利用數字疊加處理的方法，以此檢測微弱電信號；第二閉環(huán)中引入反饋相位調制模塊產生的反饋相位φ與光學電壓傳感器產生的Pockels效應相移大小相等，方向相反，以此保證系統(tǒng)測量裝置光路工作點長期穩(wěn)定在零相位點附近。

圖6 光學電壓傳感器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 實驗研究與分析

系統(tǒng)硬件包括產生1 310 nm的SLD保偏光源，光路組件、調制解調電路和電場敏感光路，搭建的實驗平臺如圖7所示。

圖7 搭建的實驗平臺

光學電壓傳感器根據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]。為簡化實驗布置環(huán)境，實驗時采用無分壓型結構將0～15 V直流電壓直接加載于LiNbO3晶體上，光學電壓傳感器電壓測量的變比誤差絕對值為[14]

(16)

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

根據式(16)計算電壓的變比誤差范圍在±0.14%以內，說明該型傳感器具有很高的測量精度。實驗結果表明傳感器數字輸出電壓與輸入電壓具有良好的線性關系，最大非線性誤差為0.2%，其數字輸出值與實際輸入電壓測試結果，及系統(tǒng)變比誤差如圖8所示。

圖8 傳感器數字輸出值與實際輸入電壓測試結果及系統(tǒng)變比誤差圖

4 結束語

文中設計一種非介入式測量且具有互易光路的集成光學電壓傳感器，連接光纖的系統(tǒng)光路不需要等長，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構，連接光纖采用熊貓型保偏光纖與低偏光纖相結合的方法，理論上解決了系統(tǒng)B段光路的光路不互易問題。通過設計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，傳感器測量微小電壓信號的最大非線性誤差為0.2%，具有較高的測量精度。后期工作可研究溫度、振動等外界環(huán)境干擾對該型集成光學電壓傳感器測量電壓穩(wěn)定性的影響。