一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，BGO集成光波导电场传感器为一种在对称的BGO晶体上采用飞秒激光刻画的具有光路互易性的光波导结构，使正交偏振模式在经过两晶体后，走过了相同长度的光路，因此自然双折射产生的相位差成功被抵消。本发明专利技术消除了由自然双折射和温度变化、气体压力引起的相位误差，通过引入反馈相位差，可以进一步减小系统的非线性误差，同时增大系统的动态范围。

【技术实现步骤摘要】
一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统
本专利技术属于电场检测
，具体涉及一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统。
技术介绍
电场测量在高电压、高功率脉冲、高能量物理学、静电防护等研究领域都具有重要意义。传统有源电场传感器具有体积大、易漂移、受电磁干扰大的缺点。随着光电技术的发展，光学电场传感器的研究受到了人们的重视，相比传统有源电场传感器，其具有尺寸小、精度高、灵敏度高、线性动态范围大、频率响应宽等优点，光学电场传感器具有广泛的应用前景和研究价值。现有的光学电场传感器多数采用电光晶体直接作为传感单元，并在外部添加各种光学器件来给电光晶体提供偏振光或相位调制。该类方法采用多类光学器件，不可避免的引入了误差，并且增加了光学电场传感器的体积和制作成本。对于集成光波导型电场传感器，由于LN(铌酸锂，LiNbO4)晶体易于刻画光波导，因此多数采用该晶体制备光波导进行传感，其具有结构稳定、体积小的优点。该类方法通常通过相位调制或调谐激光波长来减小工作点的漂移保证工作点在线性区域内，但由于可调谐光学器件也会受到环境因素影响，因此由环境因素带来的相位误差仍然不能被完全消除。由于BGO(锗酸铋，Bi4Ge3O12)晶体具有理论上无热释电效应、无旋光性、无自然双折射的特性，是制作基于Pockels(泡克耳斯)效应的光学电场传感器的首选材料。然而由于生产工艺的影响，BGO晶体中不可避免的含有一些杂质，并在生长、加工及退火过程中产生自然线性双折射。在实际应用中，受到环境因素如温度变化、震动、气体压力的影响，BGO晶体也会受到外部应力的作用产生应力双折射，因此需要对BGO晶体的附加双折射进行补偿。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为了解决现有技术中的不足，提供一种测量灵敏度高、精度高的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述SLD宽带光源发出的光源由第一端口进入环形器，所述环形器的第二端口与所述起偏器连接，所述相位调制器的一端与所述起偏器的尾纤45°对轴熔接，所述相位调制器的另一端依次连接有准直透镜和法拉第旋光镜，所述BGO集成光波导电场传感器置于所述法拉第旋光镜的出射光路上，所述光电探测器与环形器的第三端口连接，所述信号处理模块与光电探测器电连接。进一步地，所述信号处理模块包括：前置放大器、A/D转换器、数字信号处理单元、D/A转换器，所述前置放大器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与前置放大器的输出端连接，所述数字信号处理单元的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述D/A转换器的输入端与数字信号处理单元的输出端连接。进一步地，所述D/A转换器还与相位调制器相连接。进一步地，还包括：保偏光纤，所述保偏光纤用于连接相位调制器和准直透镜。进一步地，还包括：单模光纤，所述单模光纤用于连接所述所述光电探测器和所述环形器的第三端口。进一步地，所述BGO集成光波导电场传感器包括两个相互垂直且紧贴的第一BGO晶体和第二BGO晶体，再利用飞秒激光在第一BGO晶体和第二BGO晶体的内部刻画出第一光波导和第二光波导，第一光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第一曲部、第二曲部和刻画在第二BGO晶体上的第三曲部，第二光波导包括刻画在第一BGO晶体上的第四曲部、第一直线部和刻画在第二BGO晶体上的第二直线部，所述第一曲部和第四曲部上下对称且连通，第二曲部和第三曲部左右对称且连通，第一直线部和第二直线部左右对称且连通。进一步地，所述第三曲部和第二直线部的末端镀有金属反射膜。进一步地，所述第一直线部的两侧设有金属电极。本专利技术的有益效果是：一、本专利技术通过采用飞秒激光技术加工制作具有互易性的反射式的BGO集成光波导结构，减小了基于Pockels效应的BGO晶体电场传感器的体积，增加了测量精度。二、本专利技术通过法拉第旋光镜两次旋转光路中的两个正交偏振模式，使两个正交偏振模式在正反两个传输方向中在晶体外走过相同的光路，使得测量系统具有准互易性，返回的光信号只携带电光晶体引起的相位差。三、本专利技术通过采用两块同一批次、相同材料和切割方式的BGO晶体设计制作互易光路，消除了由自然双折射和温度变化、气体压力引起的相位误差，使BGO集成光波导输出光信号只携带待测电场调制和第一光波导与第二光波导臂长差引起的相位差。四、本专利技术通过设计非对称的集成光波导结构，引入第一光波导和第二光波导臂长差产生的相位差，减小测量系统的非线性误差。五、通过引入反馈相位差可以进一步减小系统的非线性误差，同时增大系统的动态范围。六、在测量工频交变电场时，通过数字方波相位调制的方式，对应力双折射产生的相位误差进行补偿，进一步减小系统的测量误差。附图说明图1为本专利技术实施例一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统的结构框图；图2为本专利技术实施例中集成BGO晶体光波导的结构示意图；图3为本专利技术实施例中BGO晶体的结构示意图；图4为本专利技术实施例中第一BGO晶体和第二BGO晶体的结构示意图。附图标记：1-SLD宽带光源、2-环形器、3-起偏器、4-相位调制器、5-准直透镜、6-BGO集成光波导电场传感器、61-第一BGO晶体、62-第二BGO晶体、611-第一光波导、6111-第一曲部、6112-第二曲部、6113-第三曲部、612-第二光波导、6121-第三曲部、6122-第一直线部、6123-第二直线部、7-光电探测器、8-信号处理模块、81-前置放大器、82-A/D转换器、83-数字信号处理单元、84-D/A转换器、9-法拉第旋光镜、10-保偏光纤。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术实施例提供一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，包括SLD宽带光源1、环形器2、起偏器3、相位调制器4、准直透镜5、BGO集成光波导电场传感器6、光电探测器7、信号处理模块8和法拉第旋光镜9，SLD宽带光源1与环形器2的第一端口连接，用于产生激光，起偏器3与环形器2的第二端口连接，用于接收环行器2传输过来的激光并产生线偏振光，相位调制器4与起偏器3的尾纤45°对轴熔接，将线偏振光分成两个正交的线偏振模式，准直透镜5将两个正交的线偏振模式准直并输出至法拉第旋光镜9，法拉第旋光镜9用于旋转输入到BGO集成光波导电场传感器6中的两个正交偏振模式和旋转BGO集成光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述SLD宽带光源发出的光源由第一端口进入环形器，所述环形器的第二端口与所述起偏器连接，所述相位调制器的一端与所述起偏器的尾纤45°对轴熔接，所述相位调制器的另一端依次连接有准直透镜和法拉第旋光镜，所述BGO集成光波导电场传感器置于所述法拉第旋光镜的出射光路上，所述光电探测器与环形器的第三端口连接，所述信号处理模块与光电探测器电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，包括：SLD宽带光源、环形器、起偏器、相位调制器、BGO集成光波导电场传感器、光电探测器和信号处理模块，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述SLD宽带光源发出的光源由第一端口进入环形器，所述环形器的第二端口与所述起偏器连接，所述相位调制器的一端与所述起偏器的尾纤45°对轴熔接，所述相位调制器的另一端依次连接有准直透镜和法拉第旋光镜，所述BGO集成光波导电场传感器置于所述法拉第旋光镜的出射光路上，所述光电探测器与环形器的第三端口连接，所述信号处理模块与光电探测器电连接。


2.根据权利要求1所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：前置放大器、A/D转换器、数字信号处理单元、D/A转换器，所述前置放大器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与前置放大器的输出端连接，所述数字信号处理单元的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述D/A转换器的输入端与数字信号处理单元的输出端连接。


3.根据权利要求2所述的光路互易的集成BGO晶体光波导闭环电场检测系统，其特征在于，所述D/A转换器还与相位调制器相连接。


4.根据权利要求1所述的光路互易的集成B...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秋荻，杨铭，胡煌，张宇，王瑾，龙丹，韩炎晖，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，北京东方计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42