用于偏振型光纤传感器的高稳定性半导体激光器与双差分光接收机的研究

发布时间：2020-10-14 01:56

　　光纤电压互感器(简称OVT)利用电光效应对外加电压进行测量,具有占用空间小、测量精度高、绝缘性能好等优点,光纤电压互感器的研究已有约40年的历史但是到目前为止还没有一家能够达到电网测量标准,取得入网接入证书。影响其发展的主要原因是目前OVT系统的稳定性差和测量精度低,而这些问题又与光源和光接收机有关,因此稳定性及性价比高的光源和能够满足测量系统要求的光接收器在OVT系统中发挥着重要作用,对两者的开发与研究具有较大的应用价值。本文采用高精度的恒温控制以及功率稳恒控制方法,设计并制作了一种偏振、波长与输出功率三个指标均稳定的,适用于偏振型OVT的半导体激光器。通过理论分析和实验,证明了驱动电路和温控电路来稳定上述三个指标的方案是可行的,实验结果表明半导体激光器的输出波长控制精度在±0.01nm,驱动电流的波动范围小于±0.05mA,输出偏振态椭圆率为0.00(线性),方向角波动范围小于0.1°。这说明该激光器波长、功率、偏振态稳定性达到了光纤电压互感器系统的要求。本文还设计并制作一款低噪音高精度的模拟双差分光接收机,能够接收相互垂直的两路偏振光实现高精度偏振态的测量。实验结果表明,当信噪比为1时,最小测量功率为800nW,噪音低于2mV,响应度为4900v/W,满足了光纤电压互感器系统的要求。同时此光接收机能够对自聚焦透镜的输出光(空间光)进行准确的测量,通过搭建一个测量系统找到3dB损耗的最远距离是11cm。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM451;TP212;TN248.4
【部分图文】：

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图２．１光纤电压互感器横向调制原理图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ?ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｆｉｂｅｒ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ??横向调制ＯＶＴ结构原理示意图如图２．１所示，其工作原理是：激光器出射光??与自聚焦透镜连接，从自聚焦透镜发射出激光（空间光），然后经过起偏器将输??出光的偏振态变成线偏振，然后经过１／４波片，光射入晶体后产生双折射，产生??两个偏振方向互相垂直且相速度不同的偏振光。光在出射面处产生位相差。假定??两个偏振光的折射率分别为Ｖ、同时透过厚度为／的晶片时，位相差为??Ａ＜ｐ?＝?＾（ｎ＇－ｎ＂）ｌ?（２．１）??／Ｌ??式中，Ａ为波长。”与外加电场有关。当外加电压正好使时为半波??电压，用匕／２表不。??６??

偏振态,外加电场,驱动电流,光纤电压互感器

凸庀说缪够ジ衅鞫园氲继寮す馄骱凸饨邮栈?囊?螅崳?要的考虑因素一个是方向角Ｘ，对于其表达式如图２．２所示就是椭圆的长轴ａ与坐??标系中ｘ轴形成的角度；另一个就是楠圆角＜（），如图２．２所示ｔａｒｕｐ＝ｂ／ａ，两个因??素很好的表示了光的偏振态。??牛??——??／?ｊｒｔａｎｃｐ?＝?ｂ／??图２．２偏振平面图??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?Ｐｌａｎ??在实验过程中发现光的的偏振特性不仅与温度有关，其偏振方向角会跟着驱??动电流的变化而发生变化，实验现象结果如下图所示??？２６?７￣＼?Ｉ?Ｉ?■?＇?￣￣？?＇?＇?Ｉ?°??ｒ＾ｉ??２ａ；?ｙ：＾ｊ：??３。?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?８０?９０??驱动电流ｍＡ／ｌ??图２．３方位角与驱动电流的关系??Ｆｉｇｕｒｅ?２．３?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?Ａｚｉｍｕｔｈ?Ａｎｇｌｅ?ａｎｄ?Ｄｒｉｖｉｎｇ?Ｃｕｒｒｅｎｔ??一个高稳定的半导体激光器（光源）除了输出功率、波长稳定以外，还要偏振??稳定。??２．３对光接收机的性能要求??２．３．１双差分??基于偏振型的光纤电压互感器原理在于通过找到偏振态与外加电场的关系从??而根据偏振态的变化来计算出外加电场的大小，关于偏振态表示方法有很多种，本??１０??

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