一种半波电压测量装置和方法与流程

1.本发明涉及半波电压测量技术领域，尤其涉及一种半波电压测量装置和方法。


背景技术：

2.直波导linbo3相位调制器和pzt光纤相位调制器是光纤传感器中常见的光纤相位调制器，尤其是光纤电流互感器中的重要元件之一，既可以实现对单一偏振方向的线偏振光的调制，又可以实现对正交线偏振光的调制，例如，在光纤电流互感器中，直波导和pzt相位调制器常用于实现正交线偏振光的同步调制，使得正交线偏振光形成固定的相位差值。
3.半波电压：是直波导linbo3相位调制器和pzt光纤相位调制器的关键参数，指在调制光路中产生π相位差所需的调制电压。目前常用的对相位调制器半波电压的测量方法有偏振干涉法、变振幅正弦波调制法、锯齿波调制法和阶梯波（方波）调制法，具体地：1）偏振干涉法：文献《偏振干涉法测量相位调制半波电压》公开了偏振干涉法的工作原理，它是基于波导中两个偏振模的干涉，当在调制臂加上正弦波时，输出信号将会随正弦波的幅度变化，通过波形的变化便可确定半波电压值；2）变振幅正弦波调制法：文献《pzt光纤相位调制器的变振幅调制测试技术》公开的是一种变振幅正弦波调制法，用调制器和光纤耦合器形成了一个马赫
‑
曾德尔（m
‑
z）干涉仪，在调制臂上加上变振幅的正弦波，经过专用的调制解调电路，测量输出信号的零点所对应的电压值，通过计算得到半波电压；3）锯齿波调制法：文献《y波导调制器半波电压及调制相位漂移研究》[3]公开一种锯齿波调制法，将调制器接入到sagnac干涉仪光路中，在调制器两端施加锯齿波调制信号，锯齿波幅值从0开始增大，通过观察输出波形恰好为一条直线时，此时锯齿波的幅值为调制器的半波电压值；4）阶梯波调制法：专利《y波导调制器半波电压测试方法及装置》公开了一种基于sagnac干涉仪，在调制器上加上阶梯波，阶梯波幅值从0开始增大，当输出波形为一条直线时，此时阶梯波的幅值位调制器半波电压值的1/2。
[0004]
上述的几种测量方法虽然能够实现半波电压的测量，但是存在测量过程复杂、测试装置搭建困难、成本较高、实用性不高的技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种半波电压测量装置和方法。
[0006]
本发明的一种半波电压测量装置的技术方案如下：包括光纤耦合器、相位调制器、光谱分析仪和芯片；所述光纤耦合器用于：将接收到的原始光信号分成第一路光信号和第二路光信号，并通过两根尾纤分别传至所述相位调制器；所述相位调制器用于：分别对所述第一路光信号和所述第二路光信号进行调制，
以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，并将所述调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号通过所述两根尾纤分别回传至所述光纤耦合器，以使所述调制后的第一路光信号和所述调制后的第二路光信号在所述光纤耦合器中发生干涉，得到干涉光信号；所述光纤耦合器还用于：将所述干涉光信号分成第三路光信号和第四路光信号，并将所述第三路光信号或所述第四路光信号发送至所述光谱分析仪；所述光谱分析仪用于：对所述第三路光信号或所述第四路光信号进行分析，得到光谱分析数据，并将所述光谱分析数据发送至所述芯片；所述芯片用于根据所述光谱分析数据计算得到所述相位调制器的半波电压。
[0007]
本发明的一种半波电压测量装置的有益效果如下：光纤耦合器通过两根尾纤与相位调制器连接后形成高双折射光纤环形镜，相位调制器分别对第一路光信号和第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，由于高双折射光纤环形镜的输出透过率呈周期性变化，由此能够准确得到相位调制器的半波电压，且测量过程简单、测量装置搭建简单、成本低、实用性强。
[0008]
在上述方案的基础上，本发明的一种半波电压测量装置还可以做如下改进。
[0009]
进一步，还包括调制电压源，所述调制电压源用于：对所述相位调制器施加调制电压，以使所述相位调制器对所述第一路光信号和所述第二路光信号分别进行调制。
[0010]
进一步，还包括光源，所述光源用于向所述光纤耦合器发送所述原始光信号。
[0011]
进一步，所述光源为宽谱光源、扫频光源或光纤激光光源。
[0012]
进一步，所述相位调制器为直波导linbo3相位调制器或pzt光纤相位调制器。
[0013]
本发明的一种半波电压测量方法的技术方案如下：采用上述任一项所述的一种半波电压测量装置，所述方法包括：s1、所述光纤耦合器将接收到的原始光信号分成第一路光信号和第二路光信号，并通过两根尾纤分别传至所述相位调制器；s2、所述相位调制器分别对所述第一路光信号和所述第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，并将所述调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号通过所述两根尾纤分别回传至所述光纤耦合器，以使所述调制后的第一路光信号和所述调制后的第二路光信号在所述光纤耦合器中发生干涉，得到干涉光信号；s3、所述光纤耦合器将所述干涉光信号分成第三路光信号和第四路光信号，并将所述第三路光信号或所述第四路光信号发送至所述光谱分析仪；s4、所述光谱分析仪对所述第三路光信号或所述第四路光信号进行分析，得到光谱分析数据，并将所述光谱分析数据发送至所述芯片；s5、所述芯片根据所述光谱分析数据计算得到所述相位调制器的半波电压。
[0014]
本发明的一种半波电压测量方法的有益效果如下：光纤耦合器通过两根尾纤与相位调制器连接后形成高双折射光纤环形镜，相位调制器分别对第一路光信号和第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，由于高双折射光纤环形镜的输出透过率呈周期性变
化，由此能够准确得到相位调制器的半波电压，且测量过程简单、测量装置搭建简单、成本低、实用性强。
附图说明
[0015]
图1为本发明实施例的一种半波电压测量装置的结构示意图之一；图2为本发明实施例的一种半波电压测量装置的结构示意图之二；图3为本发明实施例的一种半波电压测量装置的结构示意图之三；图4为基于宽谱光源和光谱分析仪的高双折射光纤环形镜输出透过率曲线示意图；图5为调制电压设置为1v时的高双折射光纤环形镜输出透过率曲线；图6为扫频光源输出光信号的光谱曲线；图7为光纤激光光源输出光谱曲线；图8为本发明实施例的一种半波电压测量方法的流程示意图。
具体实施方式
[0016]
如图1所示，本发明实施例的一种半波电压测量装置，包括光纤耦合器1、相位调制器2、光谱分析仪3和芯片；所述光纤耦合器1用于：将接收到的原始光信号分成第一路光信号和第二路光信号，并通过两根尾纤分别传至所述相位调制器2；其中，两根尾纤分别为第一尾纤4和第二尾纤5，相位调制器2上设有第一光纤端口和第二光纤端口，光纤耦合器1通过第一尾纤4连接相位调制器2的第一光纤端口，所述光纤耦合器1通过第二尾纤5连接相位调制器2的第二光纤端口，或者，光纤耦合器1通过第二尾纤5连接相位调制器2的第一光纤端口，所述光纤耦合器1通过第一尾纤4连接相位调制器2的第二光纤端口；其中，第一路光信号通过第一尾纤4传至相位调制器2，第二路光信号通过第二尾纤5传至相位调制器2，或者，第一路光信号通过第二尾纤5传至相位调制器2，第二路光信号通过第一尾纤4传至相位调制器2。
[0017]
所述相位调制器2用于：分别对所述第一路光信号和所述第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，并将所述调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号通过所述两根尾纤分别回传至所述光纤耦合器1，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号在所述光纤耦合器1中发生干涉，得到干涉光信号；所述光纤耦合器1还用于：将所述干涉光信号分成第三路光信号和第四路光信号，并将所述第三路光信号或所述第四路光信号发送至所述光谱分析仪3；其中，所述光纤耦合器1与光谱分析仪3之间连接第三尾纤6，具体通过第三尾纤6将第三路光信号或第四路光信号发送至所述光谱分析仪3；所述光谱分析仪3用于：对所述第三路光信号或所述第四路光信号进行分析，得到光谱分析数据，并将所述光谱分析数据发送至所述芯片；所述芯片用于根据所述光谱分析数据计算得到所述相位调制器2的半波电压。
[0018]
光纤耦合器1通过两根尾纤与相位调制器2连接后形成高双折射光纤环形镜，即光纤耦合器1、第一尾纤4、第二尾纤5和相位调制器2连接后形成高双折射光纤环形镜，相位调制器2分别对第一路光信号和第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，由于高双折射光纤环形镜的输出透过率呈周期性变化，由此能够准确得到相位调制器2的半波电压，且测量过程简单、测量装置搭建简单、成本低、实用性强。
[0019]
其中，如图3所示，本技术的一种半波电压测量装置还包括光源8，所述光源8用于向所述光纤耦合器1发送所述原始光信号，其中，所述光源8为宽谱光源扫频光源或光纤激光光源。
[0020]
需要说明的是，光源8与光纤耦合器1之间连接第四尾纤9，光源8通过第四尾纤9向光纤耦合器1发送原始光信号；其中，所述相位调制器2为直波导linbo3相位调制器或pzt光纤相位调制器。
[0021]
下面对计算得到所述相位调制器2的半波电压的过程进行说明，具体地：1）获取固定相位差值δφ与高双折射光纤环形镜的归一化透过率t
′
的关系如公式所示：，需要说明的是，归一化透过率t
′
是对高双折射光纤环形镜的输出透过率t经过归一化后得到的，忽略了高双折射光纤环形镜引入损耗和光路中熔接尾纤形成高双折射光纤环形镜时相对于参考坐标轴的方位角引入的衰减系数，以便于进行高双折射分析，且该归一化透过率t
′
避免了第一路光信号和的第二路光信号的分光比、以及第三路光信号和的第四路光信号的分光比所带来的对计算得到的半波电压的影响；也就是说，选用分光比为50:50的光纤耦合器1，此时，第一路光信号和的第二路光信号的分光比为50:50，第三路光信号和的第四路光信号的分光比为50:50，以便于进行后续计算，由于该归一化透过率t
′
是经过归一化后得到的，故第一路光信号和的第二路光信号的分光比，以及第三路光信号和的第四路光信号的分光比为其它值时，不会影响到半波电压的测量。
[0022]
2）对高双折射光纤环形镜的透过率t进行分析，当高双折射光纤环形镜中的双折射产生的相位差一定时，透过率t随着光信号波长的增加呈周期性变化，如图4所示。其中，若对光波长λ=λ0处的透过率t进行观察，当透过率t|λ=λ0值变化1个周期时，由双折射产生的相位差变化为2π。因而，可通过两种方法进行实现相位调制器2的半波电压计算，具体地：
①
相位调制器2的调制电压从0开始增加，记录光波长λ=λ0处的透过率t随着调制电压的变化量，通过透过率t|λ=λ0值的周期变化可计算出相位调制器2的半波电压；
②
相位调制器2的调制电压从0开始增加，记录透过率t曲线中的极值（极大值或极小值）在光谱上的移动值大小，通过透过率t曲线的周期值可计算出相位调制器2的半波电压。
[0023]
其中，计算得到调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值δφ的过程如下：
①
对于直波导相位调制器：直波导相位调制器中的正交线偏振光e光和o光产生的
相位差值δφ为：，其中，n
e
、n
o
分别为直波导相位调制器中e光和o光的折射率，γ
13
、γ
33
分别沿直波导相位调制器的横向和纵向的电光系数，l1为直波导相位调制器中的波导长度，g为直波导相位调制器中的平面电极的间距，为电场和光场的重叠积分因子，v为直波导相位调制器的外加电压。当直波导相位调制器的外加电压为1v时，高双折射光纤环形镜的透过率t曲线如图5所示。
[0024]
②
对于pzt光纤相位调制器：，其中，k
p
为表示给pzt光纤相位调制器施加单位调制电压是所产生的相位变化，与光信号波长λ有关，k
p
∝
1/λ， v为pzt光纤相位调制器的外加电压。
[0025]
综上所述，随着相位调制器2的调制电压v从0开始增加，当光信号波长λ=λ0处的光相位差值δφ=2π时，高双折射光纤环形镜的输出透过率t
′
呈周期性变化，进而可以计算得出此时的调制电压v为2倍于相位调制器2的半波电压v
π
，即v
π
=v/2。
[0026]
如图2所示，较优地，在上述技术方案中，还包括调制电压源7，所述调制电压源7用于：对所述相位调制器2施加调制电压，以使所述相位调制器2对所述第一路光信号和所述第二路光信号分别进行调制。
[0027]
在一个实施例中，相位调制器2选用直波导相位调制器，光源8选用sld光源，光谱分析仪3选用aq6370光谱分析仪3，根据公式和可知，对于光信号波长λ=λ0处光谱分析仪3输出的归一化透过率t
′
与调制电压v的关系为：，由该式可知，当相位差值δφ随调制电压v变化2π时，λ0处的归一化透过率t
′
呈周期性变化。此时的调制电压v变化为2倍于半波电压v
π
，即v
π
=v/2。
[0028]
如图4和图5所示，当调制电压v从0增长为1v时，透过率t曲线发生红移，透过率t曲线的周期为1.324nm，以λ0=1300nm处的透过率为观测点，透过率值t|λ0=1300nm由0变为0.5。
[0029]
在另外一个实施例中，相位调制器2选用直波导相位调制器，光源8选用扫频光源，光谱分析仪3选用光电探测器，扫频光源输出光信号如图6所示。若控制触发信号（trigger）调节扫频光源的输出光信号，触发光电探测器测量得到的光信号功率波形与图4中的透过率曲线相似。和基于宽谱光源8和光谱分析仪3的测试装置测试方法相似的是，随着调制电压v从0开始增加，通过记录分析距触发时刻τ0处光功率的周期性变化时，可以计算得出相位调制器2的半波电压v
π
。
[0030]
在另外一个实施例中，相位调制器2选用直波导相位调制器，光源8选用光纤激光光源，光谱分析仪3选用光电探测器。光纤激光光源输出光谱如图7所示。由于光纤激光光源
‑
3db光谱宽度较窄（＜2nm），并且相位调制器2测量装置的滤波作用与调制电压有关，当
调制电压变化时，相位调制器2测量装置的滤波曲线随之发生漂移，因而光电探测器的输出信号随调制电压呈周期性变化，变化周期为2倍于半波电压v
π
。
[0031]
如图8所示，本发明实施例的一种半波电压测量方法，采用上述任一项所述的一种半波电压测量装置，所述方法包括：s1、所述光纤耦合器1将接收到的原始光信号分成第一路光信号和第二路光信号，并通过两根尾纤分别传至所述相位调制器2；s2、所述相位调制器2分别对所述第一路光信号和所述第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，并将所述调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号通过所述两根尾纤分别回传至所述光纤耦合器1，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号在所述光纤耦合器1中发生干涉，得到干涉光信号；s3、所述光纤耦合器1将所述干涉光信号分成第三路光信号和第四路光信号，并将所述第三路光信号或所述第四路光信号发送至所述光谱分析仪3；s4、所述光谱分析仪3对所述第三路光信号或所述第四路光信号进行分析，得到光谱分析数据，并将所述光谱分析数据发送至所述芯片；s5、所述芯片根据所述光谱分析数据计算得到所述相位调制器2的半波电压。
[0032]
光纤耦合器1通过两根尾纤与相位调制器2连接后形成高双折射光纤环形镜，相位调制器2分别对第一路光信号和第二路光信号进行调制，以使调制后的第一路光信号和调制后的第二路光信号产生固定相位差值，由于高双折射光纤环形镜的输出透过率呈周期性变化，由此能够准确得到相位调制器2的半波电压，且测量过程简单、测量装置搭建简单、成本低、实用性强。
[0033]
上述关于本发明的一种半波电压测量方法中的部件实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种半波电压测量装置的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
[0034]
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0035]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0036]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。