[发明专利]一种直波导相位调制器、集成组件及制备方法

说明书

本发明公开了一种直波导相位调制器、集成组件及制备方法，采用双折射效应更小的钽酸锂晶体作为直波导相位调制器的基底晶体，正交偏振光波的光程差更小、偏振相关的传输损耗和耦合损耗更低。另外，将具有起偏器和耦合器功能的Y分支波导耦合器与直波导相位调制器集成在同一块钽酸锂晶片上。基于该集成组件的光纤电流互感器系统的可靠性更高、装配复杂程度更低、制造成本更低。

技术领域

本发明可应用于光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种直波导相位调制器、集成组件及制备方法。

背景技术

以法拉第磁光效应为基础的全光纤电流互感器具有绝缘性强、体积小、重量轻、动态范围大、全数字化等特点，与传统的电磁感应式电流互感器相比，在继电保护要求更高、电气设备自动化程度要求更高、绝缘能力要求更强的电力电气系统中具有更为突出的优势。常见的光纤电流互感器主要有基于Y波导相位调制器的Sagnac干涉型光路、基于Y波导相位调制器的共线型光路以及基于直波导相位调制器的共线型光路这三种技术方案，其中以基于直波导的共线型光纤电流互感器光路的空间互异性和时间互异性最好且温度误差最小。

参考图1，图中所示为现有采用直波导相位调制器的共线型光纤电流互感器的光路结构示意图。光纤电流互感器的工作原理为：光波从激光光源发出后经过光纤耦合器和光纤起偏器后形成线偏振光，采用45°光纤熔接后将光功率平均地分配到保偏光纤的两个偏振轴上。两个线偏振光波模式经由传输光纤传输至1/4波片，分别转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，在传感光纤环圈中传输时会在闭合磁场的作用下形成非互异相位差。返回的圆偏振光经过1/4波片重新转化为线偏振光，再次经过光纤起偏器时则会产生干涉光信号。通过在光纤电流互感器的光路中接入相位调制器，可以解调出干涉光信号中所含有的相位信息，也即载流导体上的电流数值。

由图1和共线型光纤电流互感器的基本工作原理可知，直波导相位调制器的两个偏振模式之间存在的折射率差和光波导模式分布差异所导致的光程差、偏振相关传输损耗差异以及偏振相关耦合损耗差异等，对光纤电流互感器的非互异相位误差、干涉光信号对比度等有着重要的影响。

在现有技术中，一般采用钛扩散技术在铌酸锂晶体中制备钛扩散光波导，以此为基础制备直波导相位调制器。和另一种常见的铌酸锂光波导制备技术质子交换相比，钛扩散光波导可以同时传输正交偏振的光波模式，而质子交换光波导仅能传输单一偏振的光波模式。但基于铌酸锂钛扩散波导的直波导相位调制器存在着如下问题：

(1)铌酸锂晶体存在着比较明显的双折射效应。根据Sellmeier方程，在1310nm工作波长且处于25℃室温条件下，同组分的铌酸锂晶体的折射率no和ne分别为2.220和2.145，因而折射率差为0.075。一般地，应用于光纤电流互感器的铌酸锂直波导相位调制器的波导芯片长度约在40mm，因而正交偏振的两束光波在铌酸锂晶体中传输的光程差为3mm。两个线偏振光波之间光程差的存在必然会对光纤电流互感器光路的时间互异性造成影响。

(2)铌酸锂晶体由于沿寻常光晶轴和异常光晶轴的离子扩散速率的不同，TE和TM光波导模式分布(即光斑尺寸)存在着差异，一方面会引起不同偏振态的光波在波导中经历的传输损耗存在不同，另一方面也会引起不同偏振态的光波在光纤耦合点的耦合效率存在不同，最终会对正交偏振光波的干涉光信号的对比度形成较大影响。

(3)为利用铌酸锂晶体的最大电光系数γ₃₃，直波导相位调制器一般采用X切晶体并选择Y轴方向为光波导的光束传播方向。X切Z传铌酸锂晶体虽然具有很小的双折射效应，但无法利用最大电光系数γ₃₃，会导致调制器半波电压的大幅升高。

(4)参考图1，在光纤电流互感器光路系统装配中，需要将图1中的虚线框中各个分立的光纤无源器件或有源器件进行光纤熔接互连，特别是需要将光纤起偏器和直波导相位调制器进行45°的光纤对轴熔接。过多的光纤熔接点和过多的分立的光纤无源/有源器件，必然会对光纤电流互感器的可靠性、装配复杂程度、制造成本产生很大影响。

发明内容