CN203606418U - 一种纵向调制互易型光学电压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种纵向调制互易型光学电压传感器，包括通过保偏光纤连接的传感单元和光路单元，光路单元包括光源、环形器、Y波导调制器、偏振光分束器和光电探测器，传感单元包括45°法拉第旋光器、金属电极、电光晶体透明导电膜和反射膜。该传感器采用纵向调制结构，避免了电光晶体自然双折射对相位差所产生的影响，且不受外电场和极间电场不均匀的影响，提高了测量的精确度；此外，该传感器利用法拉第旋光器实现了两束正交线偏振光的模式互换，形成互易型反射式光路，提高了光路的抗干扰能力。

Description

一种纵向调制互易型光学电压传感器

技术领域

本实用新型属于一种光学电压传感器领域，尤其涉及一种纵向调制互易型光学电压传感器。

背景技术

光学电压互感器是一种利用光信号感应电压并经过信号处理得到输出电压的互感器。相比传统的电磁感应式和电容式电压互感器有许多无法比拟的优点，已经成为电压互感器领域研究的热点，是电压互感器未来的发展趋势。其中电压传感单元是实现光电感应的关键部分。基于普克尔（Pockels）效应的光学电压互感器主要包括横向调制和纵向调制两种运用形式。横向调制的结构虽然较为简单，但是存在着自然双折射的作用，且易受外电场及极间电场分布不均匀的影响。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提出一种用于提高测量稳定性和精确度的基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种纵向调制互易型光学电压传感器，包括通过保偏光纤连接的传感单元和光路单元，所述光路单元包括光源、环形器、Y波导调制器、偏振光分束器和光电探测器，其中：

所述传感单元包括45°法拉第旋光器、金属电极和电光晶体，所述45°法拉第旋光器的一端通过保偏光纤与光路单元的偏振光分束器连接，其另一端与电光晶体的一个通光面连接，该通光面上先镀有一透明导电膜、再粘贴一金属电极，该金属电极上设有供光束通过的光孔；所述电光晶体的另一通光面上先镀有一反射膜、再粘贴一金属电极。

进一步地，所述环形器分别与光源、Y波导调制器和光电转换器相连，所述Y波导调制器与偏振光分束器相连，所述偏振光分束器的尾纤与保偏光纤的尾纤连接。

进一步地，所述电光晶体为锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的圆柱体结构。

进一步地，所述电光晶体的通光方向与传感单元的通电场方向相平行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的光学电压传感器采用纵向调制结构，即电光晶体的通光方向与传感单元的通电场方向相平行，这种结构避免了电光晶体自然双折射对相位差所产生的影响，且不受外电场和极间电场不均匀的影响，提高了测量的精确度。

2、本实用新型的光学电压传感器利用法拉第旋光器实现了两束正交线偏振光的模式互换，形成互易型反射式光路，提高了光路的抗干扰能力。

3、本实用新型的光学电压传感器所用光学元件体积小重量轻，整体结构简单，且不受电磁干扰，对被测电场扰动小。

附图说明

图1为本实用新型纵向调制互易型光学电压传感器中传感单元实施例的结构示意图；

图2为本实用新型纵向调制互易型光学电压传感器中光路单元实施例的结构示意图；

其中，1-保偏光纤，2-45°法拉第旋光器，3-金属电极，4-电光晶体（下称BGO晶体），5-透明导电膜，6-通光孔，7-反射镜，8-光源，9-环形器，10-Y波导调制器，11-偏振光分束器（下称PBS），12-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的纵向调制互易型光学电压传感器作进一步详细的描述。

本例的纵向调制互易型光学电压传感器包括传感单元和光路单元，二者之间通过保偏光纤1连接。

如图1所示，传感单元主要包括45°法拉第旋光器2（即采用实现偏振光偏振方向45度旋转的旋光器）、金属电极3、BGO晶体4、透明导电膜5和反射膜7，45°法拉第旋光器2的一端是尾纤，另一端无尾纤，无尾纤端与BGO晶体4的入射端面连接，在BGO晶体的入射端面镀透明导电膜5，再粘贴一金属电极3，该金属电极3上开设有通光孔6，用于使光束通过。BGO晶体4的另一端镀反射膜7并粘贴另一金属电极3。本例的BGO晶体4采用锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的圆柱体结构，该传感单元采用纵向调制，即即圆柱体晶体的两平行端面平行于图1中的(001)面，外加电场和光传播方向都垂直于(001)面，电光晶体的通光方向与传感单元的外加电场方向平行。

如图2所示，光路单元主要包括依次连接的光源8、环形器9、Y波导调制器10和偏振光分束器11，以及在另一支路上与环形器9相连接的光电探测器12。

该光学电压传感器的工作原理为：

从光源8发出的光经过环形器9进入Y波导调制器10；Y波导调制器也称为集成光学相位调制器，是一种多功能器件，由一个Y型分束器和两个相位调制器组成，采用该Y波导调制器可以使光路部分的机构更紧凑，减小二次机箱体积，操作更方便；进入Y波导调制器10的光被分成两束偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入PBS11，PBS11将两束偏振光调整成正交线偏振光后通过保偏光纤1传至传感单元；正交线偏振光经过传感单元的45°法拉第旋光器2后，偏振方向旋转了45°，然后通过金属电极3上的通光孔6和透明导电膜5进入BGO晶体4，沿着BGO晶体的两个感应主轴方向传播，被反射膜7反射后再次经过BGO晶体4、透明导电膜5和金属电极3上的通光孔6后传至45°法拉第旋光器2，正交线偏振光的偏振方向再次旋转45°，即与原入射光相比共旋转了90°，原来沿保偏光纤快轴传播的光沿慢轴传播，原来沿慢轴传播的光沿快轴传播，实现了正交线偏振光的模式互换，并且携带了由外加电场引入的总相位差2φ，的正交线偏振光沿原光路返回，所述相位差φ通过下式求得：其中，λ是入射光波长，n₀是电光晶体的折射率，γ₄₁是电光晶体的电光系数，U是加在电光晶体上的电压。在Y波导调制器10中发生干涉后，经过环形器9进入光电转换器12将光信号转换为电信号，以供后续操作。本例中传感器的工作结束，转换后的电信号还可以发送至现有的信号处理单元继续进行后续信号处理。

本实用新型提出了基于Pockels效应的纵向调制互易型光学电压传感器，该光学电压传感采用纵向调制，利用电光晶体在外电场作用下的电光效应感应电场信号，并利用法拉第旋光器实现两束正交线偏振光的模式互换，从而形成了一种互易型反射式光路结构，出射的两束光只携带了电光晶体对它们的相位调制信息。纵向调制与横向调制相比没有自然双折射的影响，受温度变化的影响小；并且根据两点间的电位差就是电场强度沿任意路径的线积分的定义，纵向调制两电极之间的电压与电场的分布无关，外电场的干扰和极间电场分布的不均匀都不会对电压测量造成影响。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种纵向调制互易型光学电压传感器，包括通过保偏光纤连接的传感单元和光路单元，所述光路单元包括光源、环形器、Y波导调制器、偏振光分束器和光电探测器，其特征在于：

所述传感单元包括45°法拉第旋光器、金属电极和电光晶体，所述45°法拉第旋光器的一端通过保偏光纤与光路单元的偏振光分束器连接，其另一端与电光晶体的一个通光面连接，该通光面上先镀有一透明导电膜、再粘贴一金属电极，该金属电极上设有供光束通过的光孔；所述电光晶体的另一通光面上先镀有一反射膜、再粘贴一金属电极。

2.根据权利要求1所述的纵向调制互易型光学电压传感器，其特征在于：

所述环形器分别与光源、Y波导调制器和光电转换器相连，所述Y波导调制器与偏振光分束器相连，所述偏振光分束器的尾纤与保偏光纤的尾纤连接。

3.根据权利要求1所述的纵向调制互易型光学电压传感器，其特征在于：

所述电光晶体为锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的圆柱体结构。

4.根据权利要求1所述的纵向调制互易型光学电压传感器，其特征在于：

所述电光晶体的通光方向与传感单元的通电场方向相平行。

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