本發(fā)明屬于光纖傳感，更具體地，涉及一種光學集成的光纖電流互感器。

背景技術：

1、近些年來，隨著電氣設備和世界范圍內(nèi)電力消耗的增加，全光纖電流互感器逐漸成為研究人員十分關注的領域。與傳統(tǒng)的以空心線圈為代表的有源電子式電流互感器相比，光纖電流互感器具有抗電磁干擾、動態(tài)范圍大、體積小、質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)勢，使其成為新一代智能電網(wǎng)的寶貴資產(chǎn)。

2、但隨著全光纖電流互感器近些年來被越來越多的投入工程應用，其長期工作在振動、高低溫等復雜環(huán)境中，這些因素會導致互感器的輸出信號中含有環(huán)境振動的干擾，大大降低了系統(tǒng)的測量精度，嚴重情況下會使電流互感器發(fā)生故障停運。目前已見報道的光纖電流互感器多采用分立元件，無法完全體現(xiàn)光纖電流互感器體積小，質(zhì)量輕的優(yōu)勢，且分立元件之間的連接與固定一定程度上影響了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與抗干擾能力。隨著微納尺度制造工藝的不斷發(fā)展與完善，各種光電器件和系統(tǒng)的集成化小型化已經(jīng)成為了一種必然趨勢。

3、因此，研究一種集成化光纖電流互感器具有很高的研究價值以及實際應用的意義。

技術實現(xiàn)思路

1、針對相關技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供了一種光學集成的光纖電流互感器，旨在解決分立元件導致的光纖電流互感器體積較大，穩(wěn)定性和抗干擾能力較差的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光學集成的光纖電流互感器，包括：集成光芯片、λ/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和信號處理系統(tǒng)；

3、所述集成光芯片的一端通過保偏光纖依次連接所述λ/4波片和所述傳感光纖環(huán)，所述傳感光纖環(huán)的末端設置所述反射鏡，所述集成光芯片的另一端與所述信號處理系統(tǒng)連接；

4、所述集成光芯片上集成了超輻射發(fā)光光源、第一分束/合束波導、起偏/偏振波導、第一相位調(diào)制器、模式轉(zhuǎn)換波導、偏振合束/分束波導、光纖波導耦合器、第二分束/合束波導和第二相位調(diào)制器；

5、所述超輻射發(fā)光光源發(fā)出的入射光束經(jīng)過第一分束/合束波導后經(jīng)過起偏/偏振波導進行模式濾除，通過第二分束/合束波導進行分束，得到第一光束和第二光束；第一光束經(jīng)過第一相位調(diào)制器進行調(diào)制，第二光束經(jīng)過第二相位調(diào)制器進行調(diào)制，相位調(diào)制后的第一光束經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換波導后，其偏振模式與第二光束的偏振模式正交；模式轉(zhuǎn)換后的第一光束和第二光束經(jīng)過偏振合束/分束波導合束后經(jīng)過光纖波導耦合器進入保偏光纖，經(jīng)過λ/4波片和傳感光纖環(huán)后被反射鏡反射，并按原路返回，兩束光在第二分束/合束波導處發(fā)生干涉后經(jīng)第一分束/合束波導分束，其中一束光進入光電探測器形成光電流信號，光電流信號輸入信號處理系統(tǒng)進行解調(diào)。

6、可選的，所述第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器為相位調(diào)制器為薄膜linbo3調(diào)制器或硅基相位調(diào)制器；所述第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器引入的相移大小相等符號相反。

7、可選的，所述λ/4波片采用光纖λ/4波片或雙折射晶體。

8、可選的，所述光纖λ/4波片采用截斷式光纖λ/4波片或全光纖一體化λ/4波片；

9、所述截斷式光纖λ/4波片為熊貓型保偏光纖與橢圓芯光纖進行45°對軸熔接，在橢圓芯保偏光纖的四分之一拍長處截斷；

10、所述全光纖一體化λ/4波片為熊貓型保偏光纖在熔融狀態(tài)下朝著一個方向以不同速率旋轉(zhuǎn)生成。

11、可選的，所述雙折射晶體的厚度為光軸平行于集成光芯片貼合的表面，其中，λ為入射光束的波長，δn＝no-ne，no為快軸折射率，ne為慢軸折射率，將其打磨拋光后貼在集成光芯片上與光纖耦合一端。

12、可選的，所述起偏/偏振波導為直通波導或者s彎波導；

13、所述起偏/偏振波導用于將入射光束進行模式濾除，得到te模式的光束。

14、可選的，所述模式轉(zhuǎn)換波導為刻蝕波導或亞波長光柵波導；

15、所述模式轉(zhuǎn)換波導用于將相位調(diào)制后的第一光束由te模式轉(zhuǎn)變?yōu)閠m模式。

16、可選的，所述第一分束/合束波導和第二分束/合束波導均為y分支波導、多模干涉波導、絕熱耦合波導和定向耦合波導中的一種。

17、可選的，所述偏振合束/分束波導為多模干涉波導、定向耦合波導、光子晶體波導、馬赫-曾德爾干涉波導中的一種。

18、可選的，所述光纖波導耦合器為光纖波導端面耦合器或光柵耦合器。

19、通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，能夠取得以下有益效果：

20、1、本發(fā)明提供了一種光學集成的光纖電流互感器，在全光纖電流互感器的基礎上，將傳感光纖以外的部件全部集成到光芯片上，只需利用現(xiàn)在的微納加工工藝即可實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，相比于原有系統(tǒng)，無分立元件、無空間光路、結(jié)構(gòu)簡單且更加緊湊，通過一定的封裝技術，可以使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，降低了設備的封裝和安裝成本。同時，采用反射式結(jié)構(gòu)和相位生成載波解調(diào)方案，提高靈敏度的同時具有高的解調(diào)精度及抗干擾能力。

21、2、本發(fā)明提供了一種光學集成的光纖電流互感器，由于片上器件有很強的偏振相關性，對tm模式損耗會大，本方案在集成光芯片中通過第二分束/合束波導進行分束，先用te模進行處理，分兩路進行相位調(diào)制，再通過模式轉(zhuǎn)換波導將其中一路調(diào)制后的光由te模式轉(zhuǎn)變?yōu)閠m模式，再通過偏振分束/合束波導將兩路光合并后輸出，減少損耗。

22、3、本發(fā)明提供了一種光學集成的光纖電流互感器，同一芯片上可制作多套系統(tǒng)，形成冗余提高可靠性。

技術特征：

1.一種光學集成的光纖電流互感器，其特征在于，包括：集成光芯片、λ/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和信號處理系統(tǒng)；

2.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器為相位調(diào)制器為薄膜linbo3調(diào)制器或硅基相位調(diào)制器；所述第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器引入的相移大小相等符號相反。

3.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述λ/4波片采用光纖λ/4波片或雙折射晶體。

4.如權(quán)利要求3所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述光纖λ/4波片采用截斷式光纖λ/4波片或全光纖一體化λ/4波片；

5.如權(quán)利要求3所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述雙折射晶體的厚度為光軸平行于與集成光芯片貼合的表面，其中，λ為入射光束的波長，δn＝no-ne，no為快軸折射率，ne為慢軸折射率，將其打磨拋光后貼在集成光芯片上與光纖耦合一端。

6.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述起偏/偏振波導為直通波導或者s彎波導；

7.如權(quán)利要求6所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述模式轉(zhuǎn)換波導為刻蝕波導或亞波長光柵波導；

8.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述第一分束/合束波導和第二分束/合束波導均為y分支波導、多模干涉波導、絕熱耦合波導和定向耦合波導中的一種。

9.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述偏振合束/分束波導為多模干涉波導、定向耦合波導、光子晶體波導、馬赫-曾德爾干涉波導中的一種。

10.如權(quán)利要求1所述的光纖電流互感器，其特征在于，所述光纖波導耦合器為光纖波導端面耦合器或光柵耦合器。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種光學集成的光纖電流互感器，屬于光纖傳感技術領域。該光纖電流互感器包括：集成光芯片、λ/4波片、傳感光纖環(huán)、反射鏡和信號處理系統(tǒng)；在集成光芯片中，超輻射發(fā)光光源發(fā)出的光束經(jīng)過第一分束/合束波導后經(jīng)過起偏/偏振波導進行模式濾除，通過第二分束/合束波導進行分束，分兩路經(jīng)過相位調(diào)制器進行調(diào)制，其中一路調(diào)制后再經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換波導轉(zhuǎn)換模式，再經(jīng)過偏振合束/分束波導合束后經(jīng)過光纖波導耦合器進入光纖；在光纖中經(jīng)過λ/4波片和傳感光纖環(huán)后被反射鏡反射，并按原路返回，兩束光在集成光芯片中發(fā)生干涉后合束進入光電探測器形成光電流信號，光電流信號輸入信號處理系統(tǒng)進行解調(diào)。實現(xiàn)了光纖電流互感器的小型化與集成化。

技術研發(fā)人員：夏歷,李燦
受保護的技術使用者：華中科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2