專(zhuān)利名稱：一種全光纖外差電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光學(xué)量的測(cè)量方法和金屬線柵的偏振選擇特性，及基于此的一種在全光纖條件下實(shí)現(xiàn)外差電流測(cè)量的光纖電流傳感器的制作方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有工業(yè)化應(yīng)用的電流傳感采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的常規(guī)電流互感技術(shù)， 暴露出一系列問(wèn)題充油互感器在超高壓環(huán)境有被擊穿發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)、存在磁飽和與磁滯效應(yīng)的不利效應(yīng)、體積重量大、價(jià)格昂貴、易受電磁干擾影響等，難以滿足新一代智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。而相比較而言，光纖傳感技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)絕緣介質(zhì)材料抗干擾能力強(qiáng)、可以在極端惡劣環(huán)境下工作、體積小重量輕且可以自由布局、測(cè)量范圍大線性度好、容易與光纖通信系統(tǒng)銜接組合。所以，將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測(cè)中的光纖電流傳感器成為應(yīng)用于的新一代智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)的很好方法。光纖式電流互感器是一種新型光機(jī)電一體化設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域。但由于溫度、應(yīng)力等對(duì)測(cè)量性能影響難以計(jì)算，產(chǎn)品制造工藝難度大，部件一致性差，制造成本居高不下，至今光纖式電流互感器仍難以大規(guī)模應(yīng)用。我們研制的基于金屬納米線柵的全光纖電流傳感器采用全光纖傳感光路，旨在提高光纖傳感的穩(wěn)定性和精度，并且大幅降低產(chǎn)品成本。隨著日本這次核電站泄露事件的影響，中國(guó)暫停了部分新核電項(xiàng)目的審批。再加上國(guó)家于“十二五”期間對(duì)特高壓電網(wǎng)建設(shè)的投資將達(dá)5000億元，智能電網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)必將迎來(lái)春天?；谥悄茈娋W(wǎng)技術(shù)的特高壓電網(wǎng)將是數(shù)字化電站技術(shù)、基于光纖通訊的控制系統(tǒng)、智能傳感等新技術(shù)應(yīng)用的大舞臺(tái)。而傳統(tǒng)的電流互感已難以滿足新一代智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷、高干擾下作業(yè)、大電流測(cè)量、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要。將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測(cè)中的光纖電流傳感器成為解決上述難題的最好方法。預(yù)計(jì)用于下一代特高壓智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的光電互感器價(jià)值將超過(guò)百億元，其中引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的光纖電流傳感器勢(shì)必將占據(jù)很大的份額。所以，面向智能電網(wǎng)的光纖電流傳感器市場(chǎng)前景極其樂(lè)觀。綜合國(guó)內(nèi)外所有研究來(lái)看，光纖技術(shù)電流傳感器主要分為以下兩大類(lèi)第一大類(lèi)是基于電流發(fā)熱效應(yīng)的溫度等效傳感，如基于光纖布拉格光柵的分布式電流傳感器，這類(lèi)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其基礎(chǔ)溫度傳感技術(shù)眾多，而與此相對(duì)的很大缺點(diǎn)在于溫度傳感反應(yīng)時(shí)間緩慢、易受環(huán)境條件影響等，這很大程度限制了其工業(yè)應(yīng)用。第二大類(lèi)是基于光纖介質(zhì)法拉第磁光效應(yīng)的電流傳感，優(yōu)點(diǎn)在于傳感精確、反應(yīng)時(shí)間快，缺點(diǎn)在于光纖環(huán)中存在不利的線性雙折射，且光纖介質(zhì)的范德?tīng)栂禂?shù)(磁光系數(shù)) 小，以至傳感靈敏度偏低。本作品所闡述的光纖電流傳感器正是基于反射式光纖光路的磁光效應(yīng)電流傳感。 國(guó)際上基于這種技術(shù)的光纖電流傳感研究也有不少，但是所有的研究幾乎都是在傳感頭(如引入微光纖環(huán)、諧振腔技術(shù))、或者傳感光路(如利用Sagnac干涉光路)做改進(jìn)，還沒(méi)有研究做到在偏振檢測(cè)端引入全光纖外差技術(shù)。外差技術(shù)在傳感中為提高測(cè)量精度起到關(guān)鍵作用，現(xiàn)有的做法是在光檢測(cè)端使用獨(dú)立的晶體狀分光棱鏡，而分立元件的引入造成與上述使用磁光晶體同樣的缺點(diǎn)，即對(duì)于器件的小型化、性能可靠性造成了很大的影響。而本作品除了具有光纖電流傳感的一般優(yōu)點(diǎn)外，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)還在于引用了光纖金屬納米線柵的檢偏技術(shù)，得以第一次實(shí)現(xiàn)無(wú)任何分立元件的全光纖外差電流傳感系統(tǒng)，有利于器件的小型化、低成本化，而外差法的引入還可以很大程度上提高器件穩(wěn)定性，在光源大幅波動(dòng)、溫度大幅波動(dòng)等極端條件下也可正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用光纖端面的金屬線柵的光信號(hào)檢偏技術(shù)，制備出一種新型的全光纖外差電流傳感器及全光纖外差電流傳感方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種全光纖外差電流傳感器，包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器光源輸入端，一個(gè)光纖偏振控制器，一個(gè)光纖電流感應(yīng)單兀，一段端面有亞波長(zhǎng)金屬光柵的光纖和第一、第二兩個(gè)光功率計(jì)，第一第二兩個(gè)光纖環(huán)路器，其中半導(dǎo)體激光器光源輸入端通過(guò)光纖偏振控制器接第一光纖環(huán)路器后再連接光纖電流感應(yīng)單元；第一光纖環(huán)路器第三端并聯(lián)第二光纖環(huán)路器的第一端口，第二光纖環(huán)路器的第二端設(shè)有端面金屬光柵和第一光功率計(jì)、第二光纖環(huán)路器的第二端接第二光功率計(jì)。所述光纖電流感應(yīng)單元采用光纖環(huán)與電流環(huán)互繞的結(jié)構(gòu)，光纖環(huán)的一端接法拉第旋轉(zhuǎn)鏡面，光纖環(huán)的另一端接第一光纖環(huán)路器輸出端交互光信號(hào)的輸入與輸出，電流環(huán)接入待測(cè)電流感應(yīng)單元的電流電路；從電流感應(yīng)單元反射回來(lái)的信號(hào)光通過(guò)第一環(huán)路器入射到第二環(huán)路器的第一端口。端面金屬光柵為亞波長(zhǎng)金屬光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)該光纖端面不同偏振態(tài)入射光的透射率和偏振率的控制的全光纖光偏振控制器。采用全光纖條件下實(shí)現(xiàn)外差測(cè)量的方法，設(shè)置光路特征為半導(dǎo)體激光器光源輸入端的入射光通過(guò)所述的全光纖光偏振控制器時(shí)，透射光通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量光強(qiáng)It，反射光通過(guò)一個(gè)光纖環(huán)路器引入另一段光纖測(cè)量光強(qiáng)Ip經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到外差結(jié)果外差結(jié)果
S= γ-J-。入射光到光纖環(huán)形器I的第一端口，環(huán)形器I第三端口通過(guò)光纖直接連接第二
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光功率計(jì)，入射光通過(guò)環(huán)形器第一端口至光纖環(huán)形器的第二端口和全光纖光偏振控制器的透射光通過(guò)一個(gè)光纖耦光V形槽耦合入一段光纖到第一光功率計(jì)測(cè)量光強(qiáng)；透射光通過(guò)一個(gè)光纖耦光V形槽耦合入一段光纖測(cè)量光強(qiáng)It，反射光通過(guò)一個(gè)光纖環(huán)路器引入另一段光纖測(cè)量光強(qiáng)Ip透射光光強(qiáng)It = Ιο8 η2(δ/2)，反射光光強(qiáng)L =ItlCOS2(SA),其中δ為相位差，Itl為入射偏振光的光強(qiáng)；透射光與反射光強(qiáng)的結(jié)果只與由于電流變化引起的光相位差S有關(guān)，與電流傳感無(wú)關(guān)的諸如光源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、微弱機(jī)械振動(dòng)等不利因素皆可排除。使用環(huán)路器I將光源，電流感應(yīng)單元和全光纖外差光路連接起來(lái)；光源包括半導(dǎo)體激光器光源和普通光纖偏振控制器。利用微加工技術(shù)直接或間接的在光纖端面制備金屬線柵，利用金屬線柵對(duì)特定偏振光的選擇性反射或透射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光波段的反射或透射光的偏振性控制。本發(fā)明光纖電流傳感器所使用基本傳感原理是法拉第磁光效應(yīng)。平面偏振光在某些有磁場(chǎng)作用的非旋光物質(zhì)中傳播時(shí)，若傳播方向沿磁場(chǎng)作用方向，則光波的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度和所穿過(guò)的介質(zhì)的長(zhǎng)度，β = Y / Hdl，其中Y為磁光系數(shù)(范德?tīng)栂禂?shù))，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，I為磁光效應(yīng)相互作用的空間長(zhǎng)度，β為偏振光的方位角偏振角度。在本發(fā)明中光纖既作為信號(hào)光的傳輸載體，又作為產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)的傳感性物質(zhì)，即法拉第傳感效應(yīng)直接發(fā)生在信號(hào)光在光纖中的傳輸過(guò)程中。圖I所示為本發(fā)明的導(dǎo)線、光纖相互繞制的結(jié)構(gòu)示意圖。多圈光纖平行緊密繞制在一個(gè)中心有空洞的圓柱體上(圖中深色部分)，導(dǎo)線繞著圓柱體的內(nèi)外壁均勻螺旋裝繞制(圖中標(biāo)有電流I的直線)，則此結(jié)構(gòu)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向沿著圓柱體壁的圓周方向(即光在光纖中的傳輸方向)，由此可直接在光纖環(huán)中利用圖I所示的法拉第磁光效應(yīng)來(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流的變化。在偏振型光纖傳感系統(tǒng)中，偏振光的檢偏技術(shù)在整體傳感系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用。本發(fā)明中使用全新的基于金屬納米線柵的偏振光檢偏器，它有體積小、測(cè)量精度高、易于與光纖系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)建全光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。金屬納米線柵的結(jié)構(gòu)如圖2所示，一維無(wú)限長(zhǎng)的條狀金屬(如金、銀等)與條狀空氣機(jī)構(gòu)周期性間隔排列在襯底(如二氧化硅)上，入射光垂直于線柵表面入射。根據(jù)有效介質(zhì)理論，當(dāng)光柵的周期(納米量級(jí))遠(yuǎn)小于入射光的光波長(zhǎng)時(shí)，該光柵可等效為整體雙折射材料，偏振平行于線柵方向的入射光近乎全部被反射，而偏振垂直于線柵方向的入射光近乎全部能透射。由此形成對(duì)于入射偏振光的檢偏功能。光外差的方法對(duì)于提高偏振檢測(cè)精度起到了很大的作用。常規(guī)的光信號(hào)偏振檢測(cè)方法是在信號(hào)光待檢測(cè)的出射端加上一個(gè)分光棱鏡(由多塊雙折射晶體組成)，把出射光分成兩束(或者多束)，各束二級(jí)出射光之間存在由分光棱鏡決定的固定相位差，分別用光功率計(jì)(或光譜儀)收集各束光的光強(qiáng)、頻率和相位等信息，然后再利用數(shù)學(xué)運(yùn)算得到排除外界干擾的純傳感信號(hào)?？梢耘懦耐饨绺蓴_因素一般包括光源強(qiáng)度的波動(dòng)、環(huán)境溫度的擾動(dòng)、測(cè)量光路的微弱機(jī)械振動(dòng)等。但是這種外差技術(shù)存在的明顯缺點(diǎn)是所使用的分束棱鏡都是體塊晶體材料，而體塊材料的引用就不可避免地使得測(cè)量需要在自由光路中進(jìn)行， 于是就喪失了全光纖器件體積小、重量輕、機(jī)械穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明中采用基于光纖端面納米金屬線柵的光路偏振檢偏技術(shù)，得以實(shí)現(xiàn)全光纖外差數(shù)據(jù)采集，大幅度提高器件穩(wěn)定性，可以在光源大幅波動(dòng)、溫度大幅波動(dòng)等極端條件下正常工作。(2)本發(fā)明是第一次實(shí)現(xiàn)了無(wú)任何分立元件的全光纖電流傳感，系統(tǒng)可靠性得以提高，器件小型化，更利于實(shí)際智能電網(wǎng)中靈活布局。(3)該電流傳感器所使用的關(guān)鍵部件——光纖納米金屬線柵可使用納米壓印技術(shù)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品成本可以控制到十分低。


圖I感應(yīng)單元中導(dǎo)線、光纖相互繞制的結(jié)構(gòu)示意圖2金屬線柵偏振器的工作原理入射的TE光被反射，TM光透射；圖3基于光纖端面金屬線柵的全光纖外差測(cè)量光路；圖4全光纖外差電流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)置與工作原理；圖5利用FIB方式，在光纖截面纖芯處得到的金屬光柵結(jié)構(gòu)。圖5(a)為金屬光柵的照片；圖5(b)為纖芯處有線柵結(jié)構(gòu)的光纖截面照片；圖6為實(shí)施例2中光信號(hào)電流傳感測(cè)量結(jié)果和外差計(jì)算結(jié)果；圖7所示為外差法測(cè)量與普通測(cè)量的對(duì)比測(cè)量曲線。圖7(a)中所示的曲線是光源純?cè)趶?qiáng)度不穩(wěn)情況下的透射信號(hào)；圖7(b)中所示的曲線是光源純?cè)趶?qiáng)度不穩(wěn)情況下的反射信號(hào)(光功率計(jì)2信號(hào))測(cè)量結(jié)果；圖7(c)所示的是綜合透射、反射信號(hào)進(jìn)過(guò)外差處理后的測(cè)量曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步闡明本發(fā)明方法及應(yīng)用，而不是要用這些實(shí)施例來(lái)限制本發(fā)明。基于光纖端面金屬線柵的全光纖外差電流傳感器包括(I)光纖端面金屬線柵的制作。利用微納加工技術(shù)，通過(guò)直接或間接的方法在光纖表面制作金屬線柵。直接法包括聚焦離子束刻蝕(FIB)，微納遮擋板定向沉積技術(shù)，及軟模板打印(金屬)；間接法包括納米壓印、光刻技術(shù)、全息干涉及電子束直寫(xiě)(EBL)。具體說(shuō)明直接法中的聚焦離子束刻蝕技術(shù)為利用聚焦鎵離子束濺射掉光纖端面目標(biāo)區(qū)域的金屬膜層，得到金屬線柵結(jié)構(gòu)；微納遮擋板定向沉積技術(shù)為利用遮擋板的空間遮擋效應(yīng)，直接在光纖端面定向沉積金屬線柵；軟模板打印技術(shù)為在軟模板的微納結(jié)構(gòu)表面沉積金屬膜層， 打印轉(zhuǎn)移金屬線柵至光纖端面。間接法還可以分為兩類(lèi)，一是在光纖端面沉積的金屬膜層上利用微納加工技術(shù)制備結(jié)構(gòu)擋層，并以此為阻擋利用濕法刻蝕或干法刻蝕刻蝕掉凹槽處的金屬，最終洗脫掉擋層，得到金屬線柵結(jié)構(gòu)；另一種方案是先制備微結(jié)構(gòu)擋層，再沉積金屬，然后洗脫掉擋層及沉積其上的金屬，即得到目標(biāo)金屬線柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中使用的光纖端面金屬光柵做成偏振控制器可以很方便地消除這些缺點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)全光纖條件下電流傳感的目的，因?yàn)樗哂刑焐耐夤饫w外差優(yōu)勢(shì)，方法如圖3所示。 圖2中所示的金屬納米線柵制作光纖端面，實(shí)現(xiàn)對(duì)該光纖端面不同偏振態(tài)入射光的透射率和偏振率的控制，即為一種全光纖光偏振控制器。圖4所示為該全光纖外差電流傳感器工作原理圖，具體說(shuō)明如下首先半導(dǎo)體激光光源產(chǎn)生單波長(zhǎng)(如波長(zhǎng)為1550納米的紅外)信號(hào)光輸入到普通單模光纖中，該信號(hào)光經(jīng)過(guò)在線式的光纖偏振控制器調(diào)整輸入光的偏振特性，然后輸入到導(dǎo)線環(huán)/光纖環(huán)繞制的電流傳感頭，反射端加入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡面使反射光相對(duì)于入射光軸向旋轉(zhuǎn)90度，以消除光纖環(huán)中的固有雙折射、應(yīng)力雙折射等不利因素。環(huán)路器I用于收集由傳感頭端反射而來(lái)的信號(hào)光，再輸入環(huán)路器2。信號(hào)光經(jīng)過(guò)環(huán)路器2入射到光纖端面的金屬納米線柵上，線柵透射光由光功率計(jì)I測(cè)量，線柵反射光由環(huán)路器2收集再輸入到光功率計(jì)2上測(cè)量。兩個(gè)光功率計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行外差計(jì)算。當(dāng)感應(yīng)單元上導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化時(shí)，引起光纖周?chē)艌?chǎng)的變化，從而再引起光纖中傳輸光偏振態(tài)的變化，偏振態(tài)的變化在光纖端面金屬納米線柵上得到全光纖外差檢偏。
間接法第一種方案的一般操作步驟如下(a)在光纖端面沉積一層金屬膜(膜厚O. 01-2微米)。(b)在該光纖端面涂上光刻膠或抗蝕層(c)利用微納加工技術(shù)對(duì)光刻膠或抗蝕層圖案化(d)顯影去膠或去除殘留(e)利用濕法刻蝕或干法刻蝕刻蝕掉上方?jīng)]有光刻膠覆蓋的金屬(f)用溶劑溶解去除剩余的光刻膠層，即可獲得所需的光柵結(jié)構(gòu)間接法第二種方案的操作步驟包括(a)在光纖端面涂上光刻膠或抗蝕層(b)利用微納加工技術(shù)對(duì)光刻膠或抗蝕層圖案化(C)顯影去膠或去除殘留(d)在圖案表面沉積特定厚度(O. 01-2微米)的金屬膜(e)用溶劑溶解去除光刻膠層，即可獲得所需的光柵結(jié)構(gòu)金屬線柵周期為O. 05-50微米，占空比為0-1之間的任意值，金屬膜厚為O. 01-2 微米。(2)全光纖條件下的外差電流傳感光路的設(shè)置。利用上述方法制得的光纖端面金屬光柵，構(gòu)建如圖I所示的光纖條件下的外差測(cè)量光路。光纖中傳輸光受到感應(yīng)單元電流大小變化的影響，使得入射到檢測(cè)端的光偏振態(tài)發(fā)生變化，則光纖端面金屬光柵的透射光和反射光的光強(qiáng)會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。透射光通過(guò)一個(gè)光纖耦光V形槽耦合入一段光纖測(cè)量光強(qiáng)It，反射光通過(guò)一個(gè)光纖環(huán)形器引入另一段光纖測(cè)量光強(qiáng)Ip經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到外差
結(jié)果，從而在全光纖的條件下實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典的外差測(cè)量方法，外差結(jié)果可以剔除如
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光源強(qiáng)度的波動(dòng)、環(huán)境溫度的擾動(dòng)、測(cè)量光路的微弱機(jī)械振動(dòng)等與特定傳感無(wú)關(guān)外界因素。實(shí)施例I用光纖切割刀切割單模光纖以獲得平整的光纖端面，并用濺射法在光纖端面鍍 O. 07微米厚的金膜。利用聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)(Strata FIB 201，F(xiàn)EI公司，30keV鎵離子源)，7pA束流的條件下，用聚焦鎵離子束濺射掉光纖端面目標(biāo)區(qū)域的金屬膜層，從而在光纖的纖芯處獲得面積為10微米XlO微米，周期為O. 2微米，占空比為O. 5的金線柵，如圖 5所示。實(shí)施例2如圖4所示的全光纖外差電流傳感器，應(yīng)用實(shí)施例I中制得的光纖端面金屬線柵， 與環(huán)路器2、光功率計(jì)I、光功率計(jì)2共同組成全光纖外差傳感光路。感應(yīng)單元中光纖環(huán)420 圈，導(dǎo)線環(huán)60圈，光纖中電流變化范圍為O到10A，所以等效電流變化范圍為0-600A。圖6 所示為電流傳感曲線，檢測(cè)靈敏度達(dá)到O. 528degree/A,最小檢測(cè)精度O. 5mA,由于光纖傳感與電流并不直接接觸所以傳感器本身沒(méi)有最大測(cè)量上限(只受傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線限制)。 圖7所示為外差法測(cè)量與普通測(cè)量的對(duì)比測(cè)量曲線。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)中存在光源不穩(wěn)、機(jī)械擾動(dòng)、環(huán)境溫度變化等不利因素時(shí)，非外差法測(cè)量得到的結(jié)果就會(huì)不準(zhǔn)確。圖7(a)中所示的曲線是光源純?cè)趶?qiáng)度不穩(wěn)情況下的透射信號(hào)(光功率計(jì)I信號(hào))測(cè)量結(jié)果，圖7 (b)中所示的曲線是光源純?cè)趶?qiáng)度不穩(wěn)情況下的反射信號(hào)(光功率計(jì)2信號(hào))測(cè)量結(jié)果，它們均受到外界不利因素影響導(dǎo)致線性度很差。而圖7(c)所示的是綜合透射、反射信號(hào)進(jìn)過(guò)外差處理后的測(cè)量曲線，消除了外界因素對(duì)于測(cè)量曲線的影響。
權(quán)利要求
1.一種全光纖外差電流傳感器，其特征是包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器光源、一個(gè)普通光纖偏振控制器、一個(gè)光纖電流感應(yīng)單兀、一段端面有亞波長(zhǎng)金屬光柵的光纖和第一、第二兩個(gè)光功率計(jì)、第一和第二兩個(gè)光纖環(huán)路器，其中半導(dǎo)體激光器光源輸出端通過(guò)光纖偏振控制器接第一光纖環(huán)路器后再連接光纖電流感應(yīng)單元；第一光纖環(huán)路器第三端并聯(lián)第二光纖環(huán)路器的第一端口，第二光纖環(huán)路器的第二端設(shè)有端面金屬光柵和第一光功率計(jì)，第二光纖環(huán)路器的第三端接第二光功率計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I要求所述的全光纖外差電流傳感器，其特征在于光纖電流感應(yīng)單元采用光纖環(huán)與電流環(huán)互繞的結(jié)構(gòu)，光纖環(huán)的一端接法拉第旋轉(zhuǎn)鏡面，光纖環(huán)的另一端接第一光纖環(huán)路器第二端，起到光信號(hào)的輸入與輸出功能，電流環(huán)接入待測(cè)電流感應(yīng)單元的電路；從電流感應(yīng)單元反射回來(lái)的信號(hào)光通過(guò)第一環(huán)路器第三端口入射到第二環(huán)路器的第一端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I要求所述的全光纖外差電流傳感器，其特征在于端面金屬光柵為亞波長(zhǎng)金屬光柵，是實(shí)現(xiàn)對(duì)該光纖端面不同偏振態(tài)入射光的透射率和偏振率的控制的全光纖光偏振控制器；光纖電流感應(yīng)單元由多圈光纖平行緊密繞制在一個(gè)中心有空洞的圓柱體上，導(dǎo)線繞著圓柱體的內(nèi)外壁均勻螺旋狀繞制，直接在光纖環(huán)中利用法拉第磁光效應(yīng)來(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I要求所述的全光纖外差電流傳感器方法，其特征在于采用一種全光纖條件下實(shí)現(xiàn)外差測(cè)量的方法，設(shè)置光路特征為半導(dǎo)體激光器光源輸入端的入射光通過(guò)所述的全光纖光偏振控制器時(shí)，透射光通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量光強(qiáng)It，反射光通過(guò)光纖環(huán)形器引入另一段光纖測(cè)量光強(qiáng)Iy經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到外差結(jié)果S = ;具體而言，入射光到光纖環(huán)形器I的第一端口，環(huán)形器I的第三個(gè)端口與環(huán)形器2的第一個(gè)端口相連，環(huán)形器2 的第二個(gè)端口通過(guò)光纖耦光到第一光功率計(jì)測(cè)量透射光強(qiáng)It，環(huán)形器2的第三端口通過(guò)光纖直接連接第二光功率計(jì)測(cè)量反射光強(qiáng)L ;透射光光強(qiáng)It = I0Sin2 (δ /2)，反射光光強(qiáng)仁 = Iticos2O/2)，其中δ為相位差，Itl為入射偏振光的光強(qiáng)；透射光與反射光的結(jié)果只與由于電流變化引起的光相位差δ有關(guān)，與電流傳感無(wú)關(guān)的諸如光源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、微弱機(jī)械振動(dòng)等不利因素皆可排除。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖外差電流傳感方法，其特征在于使用環(huán)路器I將光源、電流感應(yīng)單元和全光纖外差光路連接起來(lái)；光源包括半導(dǎo)體激光器光源和普通光纖偏振控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的全光纖外差電流傳感方法，其特征在于利用微納加工技術(shù)直接或間接地在光纖端面制備金屬線柵，利用金屬線柵對(duì)特定偏振光的選擇性反射或透射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的全光纖外差電流傳感方法,其特征在于半導(dǎo)體激光光源產(chǎn)生單波長(zhǎng)信號(hào)光輸入到普通單模光纖中，該信號(hào)光經(jīng)過(guò)在線式的光纖偏振控制器調(diào)整輸入光的偏振特性，然后輸入到導(dǎo)線環(huán)/光纖環(huán)繞制的電流傳感頭，反射端加入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡面使反射光相對(duì)于入射光軸向旋轉(zhuǎn)90度，以消除光纖環(huán)中的固有雙折射、應(yīng)力雙折射等不利因素；環(huán)路器I用于收集由傳感頭端反射而來(lái)的信號(hào)光，再輸入環(huán)路器2 ;信號(hào)光經(jīng)過(guò)環(huán)路器2入射到光纖端面的金屬納米線柵上，線柵透射光由光功率計(jì)I測(cè)量，線柵反射光由環(huán)路器2收集再輸入到光功率計(jì)2上測(cè)量；兩個(gè)光功率計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行外差計(jì)算；當(dāng)感應(yīng)單元上導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化時(shí)，引起光纖周?chē)艌?chǎng)的變化，從而再引起光纖中傳輸光偏振態(tài)的變化，偏振態(tài)的變化在光纖端面金屬納米線柵上得到全光纖外差檢偏。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的全光纖外差電流傳感方法，其特征是光纖包括單模光纖、 多模光纖、保偏光纖，其特征是具有平整的光纖端面；半導(dǎo)體激光器光源、普通光纖偏振控制器、光纖環(huán)路器、光功率計(jì)和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡面均為商用產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3、5、6所述的全光纖外差電流傳感方法，其特征是所述的金屬線柵，其特征是材質(zhì)包括金、銀、鋁、銅、鉬、鉻等金屬，線柵結(jié)構(gòu)周期為O. 05-50微米，線柵的膜厚為O. 01-2微米，結(jié)構(gòu)區(qū)域覆蓋光纖纖芯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、3、5、6所述的全光纖外差電流傳感實(shí)現(xiàn)外差測(cè)量的方法光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。
全文摘要
一種全光纖外差電流傳感器，包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器光源、一個(gè)普通光纖偏振控制器、一個(gè)光纖電流感應(yīng)單元、一段端面有亞波長(zhǎng)金屬光柵的光纖和第一、第二兩個(gè)光功率計(jì)、第一和第二兩個(gè)光纖環(huán)路器，其中半導(dǎo)體激光器光源輸出端通過(guò)光纖偏振控制器接第一光纖環(huán)路器后再連接光纖電流感應(yīng)單元；第一光纖環(huán)路器第三端并聯(lián)第二光纖環(huán)路器的第一端口，第二光纖環(huán)路器的第二端設(shè)有端面金屬光柵和第一光功率計(jì)，第二光纖環(huán)路器的第三端接第二光功率計(jì)。采用基于光纖端面納米金屬線柵的全光纖光路，電流傳感器在靈敏度、穩(wěn)定性、及器件本身簡(jiǎn)化方面都有很大提高。
文檔編號(hào)G01R15/24GK102590577SQ20121006217
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者周峰, 徐飛, 胡偉, 趙云, 陸延青 申請(qǐng)人:南京大學(xué)