一种保偏光源与光功率探测集成设备

本发明属于光电领域，特别涉及一种保偏光源与光功率探测集成设备。

背景技术：

集成光学电场传感器由于频带宽、体积小等优点在电场测量领域有广泛应用。集成光学电场传感器测量电场的基本原理是基于特定晶体的电光效应，通过待测电场对集成光学电场传感器中传输的偏振光的相位调制，产生携带待测电场信息的偏振光，将调制后的偏振光信号进行光电转化并放大形成电信号。因此，基于集成光学电场传感器的电场测量系统还至少包括光源与光探测器。其中，光源用于产生具有特定波长、光功率的偏振光，光探测器用于将含有待测电场信息的偏振光信号转化、放大为电信号。

传统的测量系统的光源产生的通常为普通激光，对于电场测量，需要额外通过检偏器形成线偏振光；光源产生激光波长、功率受到环境温度影响很大，直接影响集成光学电场传感器的测量精度；光源与光探测为独立设备，二者参数匹配性对测量精度同样有很大影响，且系统组成复杂，不利于应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种保偏光源与光功率探测集成设备，包括：机壳，其特征在于，所述机壳内部安装有电源模块，所述电源模块输出端连接有光源模块的输入端，所述光源模块的输出端与设置在所述机壳上的端口连接；

所述机壳内部还安装有光功率探测模块，所述光功率探测模块的输入端与设置在所述机壳上的端口连接；所述光功率探测模块的输出端与设置在所述机壳上的sma接口连接；

所述光功率探测模块的一端还与所述电源模块的输出端连接。

进一步的，与所述光源模块的输出端相连的所述端口为fc/upc光纤法兰端口。

进一步的，与所述光功率探测模块的输入端相连的所述端口为所述fc/upc光纤法兰端口。

进一步的，所述电源模块内部设置有滤波电路。

进一步的，所述光源模块包括：

模拟/数字温控电路，所述模拟/数字温控电路与光源芯片驱动电路连接，其中，所述模拟/数字温控电路用于控制环境温度为-20～60摄氏度；

所述光源芯片驱动电路输出端与高偏光源芯片的输入端连接，所述高偏光源芯片受所述光源芯片驱动电路驱动，发出线偏振光；

所述高偏光源芯片的输出端通过保偏尾纤与保偏分束器输入端连接，所述保偏分束器输出端通过所述保偏尾纤与所述机壳上的端口连接。

进一步的，所述线偏振光的中心波形为1310nm。

进一步的，所述保偏分束器输出端输出的所述线偏振光的光功率范围为200～300μw。

进一步的，所述光功率探测模块包括：

至少二个检偏器，所述检偏器输入端通过保偏尾纤与设置在所述机壳上的端口连接，所述检偏器输出端通过单模尾纤与光电探测芯片输入端连接；

所述光电探测芯片输出端与耦合放大电路输入端连接，其中，所述耦合放大电路用于调整电路跨阻；

所述耦合放大电路输出端与所述sma接口连接。

进一步的，所述机壳由屏蔽、防尘、防水材料制成。

进一步的，所述电源模块输出端分别与所述光源模块的所述模拟/数字温控电路和所述光源芯片驱动电路连接。

进一步的，所述电源模块输出端还与所述光功率探测模块的所述耦合放大电路连接。

本发明的有益效果为：降低了系统复杂程度，保证了光源的稳定性，减小环境温度对光源输出波长与功率的影响，降低了光功率探测输出噪声，提高传感器测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种保偏光源与光功率探测集成设备示意图；

图2是本发明实施例的一种保偏光源与光功率探测集成设备与传感器示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明涉及一种保偏光源与光功率探测集成设备，集成设备包括电源模块、光源模块、光功率探测模块、机壳、fc/upc法兰接口及sma电缆接口，该设备包括：机壳，所述机壳内部安装有电源模块，所述电源模块输出端连接有光源模块的输入端，所述光源模块的输出端与设置在所述机壳上的端口连接，其中，所述光源模块用于产生线偏振光，将线偏振光提供给光电集成电场传感器。

买施例1：

如图1、2所示，光源模块包括模拟/数字温控电路、光源芯片驱动电路、高偏光源芯片、第四保偏尾纤、保偏分束器、第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤；第四保偏尾纤输入端与高偏光源芯片的输出端连接，第四保偏尾纤输出端与保偏分束器的输入端连接；第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输入端与保偏分束器的输出端连接，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输出端与机壳上的fc/upc端口连接其中，模拟/数字温控电路，用于接收来自电源模块发送的电，并将温控结果发送给光源芯片驱动电路，保证光源芯片驱动电路在-20℃～60℃环境温度条件下输出稳定的光功率；光源芯片驱动电路，用于接收来自模拟/数字温控电路发送的温控结果，并根据温控结果驱动高偏光源芯片产生1305～1315nm波长的线偏振光；高偏光源芯片，用于接收来自光源芯片驱动电路发送的驱动信号，用于产生1305～1315nm波长的线偏振光，并将1305～1315nm波长的线偏振光发送给第四保偏尾纤；第四保偏尾纤，用于接收来自高偏光源芯片发送的1305～1315nm波长的线偏振光，保持第四保偏尾纤中光传输的偏振态，并将1305～1315nm波长的线偏振光发送给保偏分束器；保偏分束器，用于接收来自第四保偏尾纤发送的1305～1315nm波长的线偏振光，用于形成3个光源输出通道，即第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤，每个光源输出通道的输出光功率控制在200～300uw，并将1305～1315nm波长的线偏振光发送给第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤分别连接第一fc/upc法兰接口、第二fc/upc法兰接口及第三fc/upc法兰接口。通过第一fc/upc法兰接口、第二fc/upc法兰接口及第三fc/upc法兰接口，光源产生的线偏光进入光电集成电场传感器。当有外加电场时，光电集成电场传感器内的线偏振光发生干涉，成为椭圆偏振光。

如图1、2所示，所述机壳内部还安装有光功率探测模块，所述光功率探测模块的输入端与设置在所述机壳上的端口连接；所述光功率探测模块的输出端与设置在所述机壳上的sma接口连接；所述光功率探测模块的一端还与所述电源模块的输出端连接，其中，光功率探测模块，用于接收光电集成电场传感器输出的椭圆偏振光，转化为线偏振光，探测光功率，以电信号的形式输出。

实施例2：

如图1、2所示，光功率探测模块包括第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第一单模尾纤、第二单模尾纤、第三单模尾纤、第一光电探测芯片、第二光电探测芯片、第三光电探测芯片、dc耦合放大电路；第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输出端分别与第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器的输入端连接，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输入端与设置在机壳上的fc/upc端口连接，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤，用于接收来自光电集成电场输出的椭圆偏振光，波长为1305～1315nm，光功率随待测电场不同而不同，将1305～1315nm波长的椭圆偏振光发送给第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器；第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器，用于接收来自第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤发送的1305～1315nm波长的椭圆偏振光，检偏器将保偏尾纤中椭圆偏振光转化为1305～1315nm波长线偏振光，并发送给第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤。

实施例3：

如图1、2所示，光功率探测模块包括第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第一单模尾纤、第二单模尾纤、第三单模尾纤、第一光电探测芯片、第二光电探测芯片、第三光电探测芯片、dc耦合放大电路；第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输出端分别与第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器的输入端连接，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤的输入端与设置在机壳上的fc/upc端口连接，第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器的输出端分别与第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤的输入端连接，第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤的输出端分别与第一光电探测芯片、第二光电探测芯片及第三光电探测芯片的输入端连接，第一光电探测芯片、第二光电探测芯片及第三光电探测芯片的输入端与dc耦合放大电路连接。光功率探测模块，用于接收光电集成电场传感器输出的椭圆偏振光，转化为线偏振光，探测光功率，以电信号的形式输出，包括第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第一单模尾纤、第二单模尾纤、第三单模尾纤、第一光电探测芯片、第二光电探测芯片、第三光电探测芯片、dc耦合放大电路；第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤，用于接收来自光电集成电场输出的椭圆偏振光，波长为1305～1315nm，光功率随待测电场不同而不同，将1305～1315nm波长的椭圆偏振光发送给第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器；第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器，用于接收来自第一保偏尾纤、第二保偏尾纤及第三保偏尾纤发送的1305～1315nm波长的椭圆偏振光，检偏器将保偏尾纤中椭圆偏振光转化为1305～1315nm波长线偏振光，并发送给第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤；第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤，用于接收来自第一检偏器、第二检偏器及第三检偏器发送的1305～1315nm波长的线偏振光，并将1305～1315nm波长的线偏振光发送给第一光电探测芯片、第二光电探测芯片及第三光电探测芯片；第一光电探测芯片、第二光电探测芯片及第三光电探测芯片，用于接收来自第一单模尾纤、第二单模尾纤及第三单模尾纤发送的1305～1315nm波长的线偏振光，探测光功率，将光功率线性转化为弱电信号，并将电信号发送给dc耦合放大电路；dc耦合放大电路，用于接收来自第一光电探测芯片、第二光电探测芯片及第三光电探测芯片发出的电信号并进行放大，从sma电缆接口输出，其等效阻抗大于等于1m欧姆。从光功率到放大后的电信号，典型的线性关系为4.4v/mw。

在本发明所述的一些实施例中，fc/upc法兰接口包括第一fc/upc法兰接口、第二fc/upc法兰接口及第三fc/upc法兰接口

实施例4：

光功率探测模块包括保偏尾纤、检偏器、单模尾纤、光电探测芯片、dc耦合放大电路；保偏尾纤的输出端分别与检偏器的输入端连接，保偏尾纤的输入端与设置在机壳上的fc/upc端口连接，检偏器的输出端分别与单模尾纤的输入端连接，单模尾纤的输出端分别与光电探测芯片的输入端连接，光电探测芯片的输入端与dc耦合放大电路连接。光功率探测模块，用于接收光电集成电场传感器输出的椭圆偏振光，转化为线偏振光，探测光功率，以电信号的形式输出，包括保偏尾纤、检偏器、单模尾纤、光电探测芯片、dc耦合放大电路；保偏尾纤，用于接收来自光电集成电场输出的椭圆偏振光，波长为1305～1315nm，光功率随待测电场不同而不同，将1305～1315nm波长的椭圆偏振光发送给检偏器；检偏器，用于接收来自保偏尾纤发送的1305～1315nm波长的椭圆偏振光，检偏器将保偏尾纤中椭圆偏振光转化为1305～1315nm波长线偏振光，并发送给单模尾纤；单模尾纤，用于接收来自检偏器发送的1305～1315nm波长的线偏振光，并将1305～1315nm波长的线偏振光发送给光电探测芯片；光电探测芯片，用于接收来自单模尾纤发送的1305～1315nm波长的线偏振光，探测光功率，将光功率线性转化为弱电信号，并将电信号发送给dc耦合放大电路；dc耦合放大电路，用于接收来自光电探测芯片发出的电信号并进行放大，从sma电缆接口输出，其等效阻抗大于等于1m欧姆。从光功率到放大后的电信号，典型的线性关系为4.4v/mw。

实施例5：

光源模块包括模拟/数字温控电路、光源芯片驱动电路、高偏光源芯片、保偏分束器、第一保偏尾纤、第二保偏尾纤、第三保偏尾纤；第三保偏尾纤输入端与高偏光源芯片的输出端连接，第三保偏尾纤输出端与保偏分束器的输入端连接；第一保偏尾纤、第二保偏尾纤的输入端与保偏分束器的输出端连接，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤的输出端与机壳上的fc/upc端口连接其中，模拟/数字温控电路，用于接收来自电源模块发送的电，并将温控结果发送给光源芯片驱动电路，保证光源芯片驱动电路在-20℃～60℃环境温度条件下输出稳定的光功率；光源芯片驱动电路，用于接收来自模拟/数字温控电路发送的温控结果，并根据温控结果驱动高偏光源芯片产生1305～1315nm波长的线偏振光；高偏光源芯片，用于接收来自光源芯片驱动电路发送的驱动信号，用于产生的线偏振光，并将线偏振光发送给第三保偏尾纤；第三保偏尾纤，用于接收来自高偏光源芯片发送的线偏振光，保持第三保偏尾纤中光传输的偏振态，并将线偏振光发送给保偏分束器；保偏分束器，用于接收来自第三保偏尾纤发送的线偏振光，用于形成2个光源输出通道，即第一保偏尾纤、第二保偏尾纤，将线偏振光发送给第一保偏尾纤、第二保偏尾纤，第一保偏尾纤、第二保偏尾纤连接fc/upc法兰接口。通过fc/upc法兰接口，光源产生的线偏光进入光电集成电场传感器。当有外加电场时，光电集成电场传感器内的线偏振光发生干涉，成为椭圆偏振光。

在本发明所述的一些实施例中，与所述光源模块的输出端相连的所述端口为fc/upc光纤法兰端口。

在本发明所述的一些实施例中，与所述光功率探测模块的输入端相连的所述端口为所述fc/upc光纤法兰端口。

在本发明所述的一些实施例中，所述电源模块内部设置有滤波电路。

在本发明所述的一些实施例中，所述光源模块包括：

模拟/数字温控电路，所述模拟/数字温控电路与光源芯片驱动电路连接，其中，所述模拟/数字温控电路用于控制环境温度为-20～60摄氏度；

所述光源芯片驱动电路输出端与高偏光源芯片的输入端连接，所述高偏光源芯片受所述光源芯片驱动电路驱动，发出线偏振光；

所述高偏光源芯片的输出端通过保偏尾纤与保偏分束器输入端连接，所述保偏分束器输出端分三路通过所述保偏尾纤与所述机壳上的端口连接。

在本发明所述的一些实施例中，所述线偏振光的中心波形为1310nm。

在本发明所述的一些实施例中，所述保偏分束器输出端分三路输出的所述线偏振光的光功率范围为200～300μw。

在本发明所述的一些实施例中，所述光功率探测模块包括：

至少二个检偏器，所述检偏器输入端通过保偏尾纤与设置在所述机壳上的端口连接，所述检偏器输出端通过单模尾纤与光电探测芯片输入端连接；

所述光电探测芯片输出端与耦合放大电路输入端连接，其中，所述耦合放大电路用于调整电路跨阻；

所述耦合放大电路输出端与所述sma接口连接。

在本发明所述的一些实施例中，所述机壳由屏蔽、防尘、防水材料制成，机壳具有屏蔽、防尘、防水性能。

在本发明所述的一些实施例中，所述电源模块输入端分别与所述光源模块的所述模拟/数字温控电路和所述光源芯片驱动电路连接。

在本发明所述的一些实施例中，所述电源模块输入端还与所述光功率探测模块的所述耦合放大电路连接。

在本发明所述的一些实施例中，(1)光源模块采用高偏光源芯片，产生特定波长、特定光功率的线偏振光，典型的波长为1310nm，典型的偏振消光比≥20db；(2)光源芯片的驱动电路采用数字或模拟温控电路，保证在-20～60℃范围内输出光功率稳定；典型的相对强度噪声：≤-130db；(3)光源模块通过保偏分束器形成3或4个光源输出通道，每个通道的输出光功率控制在一定范围，典型的光功率值为250±50μw(每通道)；(4)光源模块采用pm(125/250)保偏尾纤输出，设置fc/upc法兰接口；(5)光功率探测模块可以探测3或4路光功率，每路均集成检偏器；(6)光功率探测模块采用dc耦合前置放大电路，3db带宽典型值为dc～50mhz；采用高阻输出，典型输出噪声≤vpp2mv；(7)光功率探测模块设置fc/upc法兰接口，电输出为sma接口；(8)光源模块与光功率探测模块由电源模块供电，供电电压为5v，电源模块接口为适配器或usb；(9)电源模块设置滤波电路，防止外部电源浪涌对光源模块与光功率模块供电的影响；(10)设备整体外壳应具有一定的屏蔽、防尘、防水性能。

实施例6：

选取高偏光源芯片，设计模拟或数字温控电路，保证在环境温度-20℃～60℃范围内输出光源波长及功率稳定；根据温控电路输出，光源芯片驱动电路驱动高偏光源芯片，产生中心波形为1310nm的线偏振光，选择低插入损耗及高消光比的保偏分束器，调整光路，使得光源输出被分成3路，每路输出光功率控制在200～300μw，形成光源模块。选取光电探测芯片，设计dc耦合放大电路，调整电路跨阻，使得光电转换系数为4mv/μw，同时保证3db带宽为dc～50mhz，调整光路并挑选检偏器，使得每路光功率探测输出具有相近的范围，形成光功率探测模块。将光源模块和光功率探测模块与包含滤波电路的电源模块集成，选择具有屏蔽、防水、防尘功能的机壳，在机壳侧壁设置fc/upc光纤法兰，并通过pm(125/250)尾纤与光源模块及光功率探测模块相连接，在机壳侧壁设置sma电缆接口，用于输出电信号，在机壳侧壁设置usb或者适配器接口，与电源模块相连。

在本发明中直接输出具有一定功率、偏振消光比≥20db的线偏振光，作为集成光学电场传感器的输入光源，且在一定温度范围内，光源波长与功率保持稳定；同时可探测集成光学电场传感器输出光功率，3db带宽典型值为dc～50mhz，且输出噪声≤vpp2mv。

采用高偏光源芯片代替低偏光源芯片，通过保偏分束器实现多路输出线偏振光；这种设计代替了以往由低偏光源产生普通激光，经过普通分束器之后再通过检偏器形成偏振光的方案，减少了光学器件数量，简化了系统，降低了光学器件引入的插入损耗；鉴于集成光学电场传感器的静态工作点会随光源波长发生变化，为提高测量准确度，需要光源波长稳定。为此，在高偏光源芯片的驱动电路中设计了温度补偿控制电路，通过检测芯片温度构成负反馈控制电路，调节驱动电流大小，减小环境温度对光源输出波长的影响，提高光源波长的稳定性；整体考虑光源输出功率、光探测器的光电转换系数与电信号输出幅值范围，设计与单路光功率、集成光学电场传感器调制深度、频率响应要求相适应的光探测器耦合放大电路，在保证测量带宽、输出幅值的同时，降低光探测器输出的噪声，提高集成光学电场测量系统的准确性。

本发明可通过实例做进一步的说明：

步骤一：选取高偏光源芯片，设计模拟或数字温控电路，保证在环境温度-20～60℃范围内输出光源波长、功率稳定；根据温控电路输出，光源芯片驱动电路驱动高偏光源芯片，产生中心波形为1310nm的线偏振光；选择低插入损耗、高消光比的保偏分束器，调整光路，使得光源输出被分成至少2路，每路输出光功率控制在200～300μw；形成光源模块。

步骤二：选取光电探测芯片，设计dc耦合放大电路，调整电路跨阻，使得光电转换系数为4mv/μw；同时保证3db带宽为dc～50mhz；调整光路并挑选检偏器，使得每路光功率探测输出具有相近的范围；形成光功率探测模块。

步骤三：将光源模块、光功率探测模块与包含滤波电路的电源模块集成，选择具有屏蔽、防水、防尘功能的机壳，在机壳侧壁设置fc/upc光纤法兰，并通过pm(125/250)尾纤与光源、光功率探测模块相连接；在机壳侧壁设置sma电缆接口，用于输出电信号；在机壳侧壁设置usb或者适配器接口，与电源模块相连。

本发明的目的在于提供一种保偏光源与光功率探测集成设备，直接输出具有一定功率、偏振消光比≥20db的线偏振光，作为集成光学电场传感器的输入光源，且在一定温度范围内，光源波长与功率保持稳定；同时可探测集成光学电场传感器输出光功率，3db带宽典型值为dc～50mhz，且输出噪声≤vpp2mv。

如图2所示，在本发明中，保偏光源与光功率探测集成设备与外部设备传感器相连接，传感器接收光源模块保偏尾纤发出的信号，并将信号传送给光功率探测模块的保偏尾纤，通过本发明的技术可以使传感器测量电场更加准确。

本发明的目的在于提供一种保偏光源与光功率探测集成设备，直接输出具有一定功率、偏振消光比≥20db的线偏振光，作为集成光学电场传感器的输入光源，且在一定温度范围内，光源波长与功率保持稳定；同时可探测集成光学电场传感器输出光功率，3db带宽典型值为dc～50mhz，且输出噪声≤vpp2mv。

本发明的优势如下：

首先，采用高偏光源芯片代替低偏光源芯片，通过保偏分束器实现多路输出线偏振光；这种设计代替了以往由低偏光源产生普通激光，经过普通分束器之后再通过检偏器形成偏振光的方案，减少了光学器件数量，简化了系统，降低了光学器件引入的插入损耗；

其次，鉴于集成光学电场传感器的静态工作点会随光源波长发生变化，为提高测量准确度，需要光源波长稳定。为此，在高偏光源芯片的驱动电路中设计了温度补偿控制电路，通过检测芯片温度构成负反馈控制电路，调节驱动电流大小，减小环境温度对光源输出波长的影响，提高光源波长的稳定性；

最后，整体考虑光源输出功率、光探测器的光电转换系数与电信号输出幅值范围，设计与单路光功率、集成光学电场传感器调制深度、频率响应要求相适应的光探测器耦合放大电路，在保证测量带宽、输出幅值的同时，降低光探测器输出的噪声，提高集成光学电场测量系统的准确性。

通过本发明，降低了系统复杂程度，保证了光源的稳定性，减小空温度对光源输出波长与功率的影响，降低了光功率探测输出噪声，提高传感器测量结果的准确性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。