一种集成光波导磁场测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种集成光波导磁场测量系统及方法，属于电磁场测量技术领域。本发明专利技术包括波长可调谐的保偏激光源、三端口保偏光环形器、光波导磁场传感器、光分路器、两个光电探测器、电信号处理单元、微控制器、保偏光纤、单模光纤、传输电缆。本发明专利技术中光波导磁场传感器将光波导、电极以及环形天线集成在一块晶片上，使得传感器结构更紧凑、体积更小、空间分辨率更高、对被测磁场的干扰更小；测量系统使用同一根光纤进行光输入和光输出，使得系统结构简单、便于实施；通过采用控制可调谐保偏激光源输出波长的办法将传感器的静态工作点锁定在π/2，提高了测量系统的稳定性。

Integrated optical waveguide magnetic field measurement system and method

The invention relates to an integrated optical waveguide magnetic field measuring system and method, which belongs to the field of electromagnetic field measurement technology. The present invention comprises a wavelength tunable polarization maintaining laser source, a three port polarization maintaining circulator, an optical waveguide magnetic field sensor, an optical splitter, two photodetectors, an electrical signal processing unit, a microcontroller, a polarization maintaining optical fiber, a single-mode optical fiber, and a transmission cable. The present invention in optical waveguide magnetic field sensor converts the optical waveguide, and an annular electrode antenna integrated on a chip, which makes the sensor more compact structure, smaller volume, higher spatial resolution, less interference on the measured magnetic field; measurement system using the same fiber optical input and output, so that the system is simple in structure and convenient through the use of control can be implemented; polarization laser source wavelength tuning of the sensor measures the static point locked in n /2, improve the stability of measurement system.

【技术实现步骤摘要】
一种集成光波导磁场测量系统及方法
本专利技术涉及一种集成光波导磁场测量系统及方法，属于电磁场测量

技术介绍
电磁场是自然界普遍存在的一种基本物理量，对空间电磁场进行测量是众多科学和工程技术研究的重要手段之一。一般情况下，由于待测电磁场所在区域(场区)到辐射源(源点)的距离远大于被测电磁场的波长，即认为被测点处在电磁远场区域内，这种情况下通常只需要对区域中的空间电场进行测量，再经过理论计算便可得出被测区域中的电磁场分布规律。但是，若被测点离源点很近，距离接近被测电磁场的波长，即当被测点处在近场区域中时，由于电场和磁场不再具有确定的理论关系，因此必须对待测点处的电场和磁场进行分别单独测量，才能得出待测区域中的电磁场分布规律。传统的磁场测量大多采用金属环形电小天线，并且使用电缆作为信号传输媒质，由于测量系统包含不可避免的金属结构，因此必然对被测电磁场产生不可忽略的干扰，同时系统本身的抗电磁干扰能力较弱，容易受外界电磁干扰。此外，由于近场区域内的电磁场对空间位置敏感，而传统的金属结构磁场传感器体积较大、空间分辨率较低，必然造成测量误差增大。近年来，以光学技术为基础的磁场传感器因为具有体积小、频带宽、对被测电磁场干扰小等优点，得到了深入研究，并且开始被应用于空间磁场的测量。现有的一种光学磁场传感器原理结构示意图如图1所示。图1中，1是具有电光效应的块状晶体，2是金属电极，3是金属环形天线。该光学磁场传感器的基本工作原理是：当有磁场H穿过环形天线3时，将在环形天线3上产生感应电流，从而在电极2上形成感应电压VH，同时，和磁场H相伴的电场E也将在电极2之间产生感应电压VE，由于晶体1具有电光效应，感应电压VE和VH将使晶体1的折射率发生变化，从而使晶体1中传输的激光束的相位发生变化(产生光调制作用)。对于图1所示的磁场传感器，由于加在两金属条形电极2之间的两块晶体1的光轴c方向相反，故由感应电压VH和VE共同引起的光相位变化可表示为：式中k为由晶体1自身特性决定的常数。从式中可以看到，最终使激光束相位发生变化(产生调制作用)的仅为磁场H引起的感应电压VH。可见，图1所示的光学磁场传感器通过采用两块光轴方向相反的晶体(双负载)和环形天线结构，消除了和被测磁场相伴的电场的影响。可见，现有的光学磁场传感器及其测量系统，除环形天线3和条形电极2外其它都为非金属结构，克服了传统金属结构磁场传感器对被测电磁场干扰大的缺点，同时采用光波作为信号的载体，抗干扰能力得到增强，并且采用双负载结构消除了和被测量磁场相伴的电场的影响。但是，需要注意到，现有的光学磁场传感器为块状晶体结构，因而须使用棱镜耦合进行光输入和光输出，同时需要使用波片、检偏器等光学元件完成光信号的检测，由此致使测量系统变得复杂，给实际测量带来不便，并且由于使用多个分离的光学元件，使得光波偏振不易控制，测量系统的整体性能不稳定，容易受外界环境因素的影响。
技术实现思路
本专利技术提供了一种集成光波导磁场测量系统及方法，以用于通过采用外部微控制器对可调谐保偏激光源进行波长控制，将磁场传感器的静态工作点锁定在π/2，从而消除外界环境因素对传感器工作点的影响，提高测量系统的稳定性。本专利技术的技术方案是：一种集成光波导磁场测量系统，包括波长可调谐的保偏激光源4，用于产生波长可受微控制器10控制切换的线偏振光束；三端口保偏光环形器5，用于将波长可调谐的保偏激光源4的输出光输出至集成光波导磁场传感器6，用于将集成光波导磁场传感器6的反射输出光输出至光分路器7；光波导磁场传感器6，用于探测空间磁场信号；光分路器7，用于将光波导磁场传感器6反射输出的光信号分成两部分，并通过单模光纤12输入两个光电探测器8；两个光电探测器8，用于将光分路器7输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器8转换输出的电信号由传输电缆13输入微控制器10作为反馈控制信号，另一个光电探测器8转换输出的电信号由传输电缆13输入电信号处理单元9；电信号处理单元9，用于对光电探测器8输出的电信号进行处理，从而获取被测磁场的信息；微控制器10，用于对波长可调谐的保偏激光源4的输出波长进行控制，并向波长可调谐的保偏激光源4发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源4输出一定波长的激光，从而使集成光波导磁场传感器6的静态工作点锁定在π/2；保偏光纤11，用于将波长可调谐的保偏激光源4的输出端和三端口保偏光环形器5的端口1相连接，用于将三端口保偏光环形器5的端口2和光波导磁场传感器6相连接；单模光纤12，用于将三端口保偏光环形器5的端口3和光分路器7相连接，用于将光分路器7分别和两个光电探测器8相连接；传输电缆13，用于将一个光电探测器8连接电信号处理单元9，一个光电探测器8连接微控制器10。所述光波导磁场传感器6包括具有电光效应的晶片1、条状平行电极2、环形天线3、反射膜14和Y形集成光波导15，在具有电光效应的晶片1上采用钛扩散或者质子交换方法制作两臂长度不对称的Y形集成光波导15，在Y形集成光波导15前半部分直波导的两侧分别制作两个金属条状平行电极2和金属环形天线3，条状平行电极2和环形天线3连接在一起，在具有电光效应的晶片1的末端端面制作反射膜14，制成反射型集成光波导磁场传感器6。一种采用集成光波导磁场测量系统进行测量的方法，波长可调谐的保偏激光源4输出的线偏振光，由保偏光纤11输入三端口保偏光环形器5的端口1并由端口2输出，再由保偏光纤11输入光波导磁场传感器6的Y形集成光波导15，当有磁场H穿过光波导磁场传感器6的环形天线3时，会在传感器金属条状平行电极2之间形成方向相反的感应电压VH，同时与被测磁场相伴的电场在金属条状平行电极2之间产生方向相同的感应电压VE，通过具有电光效应的晶片1的电光效应，感应电压VE与VH将使波导的折射率发生改变，从而使波导中传输的光波相位发生变化；当已调光信号被具有电光效应的晶片1末端反射膜14反射回来，再输入Y形集成光波导15的输入端时将发生干涉效应，从而把光波相位变化转化为光强度变化；光波导磁场传感器6输出的强度已调光信号将再次由保偏光纤11输入三端口保偏光环形器5，接着由三端口保偏光环形器5的端口3输出并由单模光纤12输入光电探测器8转换为电信号，最后由电信号处理单元9对输出电信号进行处理，以获取被测磁场的信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术中光波导磁场传感器将光波导、电极以及环形天线集成在一块晶片上，使得传感器结构更紧凑、体积更小、空间分辨率更高、对被测磁场的干扰更小；测量系统使用同一根光纤进行光输入和光输出，使得系统结构简单、便于实施；通过采用控制可调谐保偏激光源输出波长的办法将传感器的静态工作点锁定在π/2，提高了测量系统的稳定性。附图说明图1为现有的光学磁场传感器结构示意图；图2为本专利技术提出的集成光波导磁场测量系统结构示意图；图3为本专利技术提出的磁场测量系中的集成光波导磁场传感器结构示意图；图中各标号：1-具有电光效应的晶片，2-条状平行电极，3-环形天线，4-波长可调谐的保偏激光源，5-三端口保偏光环形器，6-光波导磁场传感器，7-光分路器，8-光电探测器，9-电信号处理单元，10-微控制器，11-保偏光纤，12-单模光纤，13-传输电缆，14-反射膜，15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成光波导磁场测量系统，其特征在于：包括波长可调谐的保偏激光源(4)，用于产生波长可受微控制器(10)控制切换的线偏振光束；三端口保偏光环形器(5)，用于将波长可调谐的保偏激光源(4)的输出光输出至集成光波导磁场传感器(6)，用于将集成光波导磁场传感器(6)的反射输出光输出至光分路器(7)；光波导磁场传感器(6)，用于探测空间磁场信号；光分路器(7)，用于将光波导磁场传感器(6)反射输出的光信号分成两部分，并通过单模光纤(12)输入两个光电探测器(8)；两个光电探测器(8)，用于将光分路器(7)输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器(8)转换输出的电信号由传输电缆(13)输入微控制器(10)作为反馈控制信号，另一个光电探测器(8)转换输出的电信号由传输电缆(13)输入电信号处理单元(9)；电信号处理单元(9)，用于对光电探测器(8)输出的电信号进行处理，从而获取被测磁场的信息；微控制器(10)，用于对波长可调谐的保偏激光源(4)的输出波长进行控制，并向波长可调谐的保偏激光源(4)发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源(4)输出一定波长的激光，从而使集成光波导磁场传感器(6)的静态工作点锁定在π/2；保偏光纤(11)，用于将波长可调谐的保偏激光源(4)的输出端和三端口保偏光环形器(5)的端口1相连接，用于将三端口保偏光环形器(5)的端口2和光波导磁场传感器(6)相连接；单模光纤(12)，用于将三端口保偏光环形器(5)的端口3和光分路器(7)相连接，用于将光分路器(7)分别和两个光电探测器(8)相连接；传输电缆(13)，用于将一个光电探测器(8)连接电信号处理单元(9)，一个光电探测器(8)连接微控制器(10)。...

【技术特征摘要】
1.一种集成光波导磁场测量系统，其特征在于：包括波长可调谐的保偏激光源(4)，用于产生波长可受微控制器(10)控制切换的线偏振光束；三端口保偏光环形器(5)，用于将波长可调谐的保偏激光源(4)的输出光输出至集成光波导磁场传感器(6)，用于将集成光波导磁场传感器(6)的反射输出光输出至光分路器(7)；光波导磁场传感器(6)，用于探测空间磁场信号；光分路器(7)，用于将光波导磁场传感器(6)反射输出的光信号分成两部分，并通过单模光纤(12)输入两个光电探测器(8)；两个光电探测器(8)，用于将光分路器(7)输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器(8)转换输出的电信号由传输电缆(13)输入微控制器(10)作为反馈控制信号，另一个光电探测器(8)转换输出的电信号由传输电缆(13)输入电信号处理单元(9)；电信号处理单元(9)，用于对光电探测器(8)输出的电信号进行处理，从而获取被测磁场的信息；微控制器(10)，用于对波长可调谐的保偏激光源(4)的输出波长进行控制，并向波长可调谐的保偏激光源(4)发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源(4)输出一定波长的激光，从而使集成光波导磁场传感器(6)的静态工作点锁定在π/2；保偏光纤(11)，用于将波长可调谐的保偏激光源(4)的输出端和三端口保偏光环形器(5)的端口1相连接，用于将三端口保偏光环形器(5)的端口2和光波导磁场传感器(6)相连接；单模光纤(12)，用于将三端口保偏光环形器(5)的端口3和光分路器(7)相连接，用于将光分路器(7)分别和两个光电探测器(8)相连接；传输电缆(13)，用于将一个光电探测器(8)连接电信号处理单元(9)，一个光电探测器(8)连接微控制器(10)。2.根据权利要求1所述的集成光波导磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家洪，万小容，李川，李英娜，赵振刚，刘爱莲，杨秀梅，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53