一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片及其光學(xué)電流傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)電流傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片和帶有該集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)電流傳感是智能電網(wǎng)，特別是特高壓智能電網(wǎng)的中關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過過去近30年來的努力，光學(xué)電流傳感器的技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，并在高壓和特高壓輸電系統(tǒng)得到較為廣泛的應(yīng)用。但這類光學(xué)電流傳感器其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用成本較高的光學(xué)相位閉環(huán)技術(shù)，除了使用寬帶光源之外，還必須使用昂貴光相位調(diào)制器，光纖延遲線，及高速光信號(hào)接收單元(通常稱為Pin-FIT)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。因而目前的光學(xué)電流傳感器的成本相當(dāng)高，在高壓或特高壓輸電系統(tǒng)使用，對(duì)其成本的要求還可以忍受，因?yàn)槭褂玫牧肯鄬?duì)比較少。但如果用于中壓或中壓以下的配網(wǎng)輸電系統(tǒng)，目前這樣的成本是無法忍受的。
[0003]因此，設(shè)計(jì)性能可靠且低成本的光學(xué)電流傳感器是十分有意義的。如圖2所示，申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710041685.4的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種全光纖電流傳感器，該全光纖電流傳感器由3x3保偏光纖耦合器組成。本發(fā)明的一實(shí)施例直通式干涉型全光纖電流傳感器包括有光源、3x3保偏光纖耦合器、光纖偏振器、1/4光纖波片和傳感光纖環(huán)；光源連接到3x3保偏光纖親合器的一端，3x3保偏光纖親合器的其中兩端口分別和兩個(gè)光纖偏振器連接，兩個(gè)光纖偏振器的另一端分別通過1/4光纖波片接到傳感光纖環(huán)；3x3保偏光纖耦合器的其中一端口空置；3x3保偏光纖耦合器的剩余兩端口分別通過兩個(gè)光電探測(cè)器與信號(hào)處理器相連接。其雖然提出了一個(gè)低成本方案，不需要光相位調(diào)制器，不需要光相位延遲線，以及高速光信號(hào)接收單元。但看似簡(jiǎn)單，實(shí)際做起來也非常困難，特別是全光纖3x3保偏耦合器生產(chǎn)工藝復(fù)雜，其溫度特性的一致性很難保證。同時(shí)在該方案中，3x3耦合器和2x2耦合器之間有一段相對(duì)較長(zhǎng)的光纖(一般在1米左右)，當(dāng)傳感器的受振動(dòng)，對(duì)傳感器的性能也存在一定程度的影響。然而為確保光學(xué)電流傳感器的穩(wěn)定性，確保傳感器中的每個(gè)分立器件或整個(gè)光路的穩(wěn)定是至關(guān)重要的，因此在實(shí)際的生產(chǎn)過程中實(shí)施該方案很困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的就是提供一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片和帶有該集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器。其可大幅降低光學(xué)電流傳感器成本、提高溫度穩(wěn)定性及抗機(jī)械振動(dòng)，更重要的是可大幅提高規(guī)模化生產(chǎn)的能力。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片包括3X3光纖親合器和2X2光纖親合器；所述3X3光纖親合器和所述2X2光纖親合器通過兩個(gè)傳輸臂連接，且其中一個(gè)傳輸臂上串接有偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器。
[0006]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述3X3光纖親合器的三個(gè)波導(dǎo)有效長(zhǎng)度為15mm。
[0007]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述2X2光纖親合器的兩個(gè)波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度為10mm。
[0008]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述兩個(gè)傳輸臂的波導(dǎo)長(zhǎng)度均為25mm。
[0009]—種帶集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器包括有光源、光探測(cè)器、信號(hào)處理器、集成光路芯片、1/4光纖波片、電流傳感環(huán)；所述集成光路芯片的第一端口通過一個(gè)光探測(cè)器與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第三端口通過另一個(gè)光探測(cè)器與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第二端口與光源連接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通過1/4光纖波片連接到所述電流傳感環(huán)一端，所述電流傳感環(huán)的另一端設(shè)有反射鏡。其中該集成光路芯片包括3X3光纖親合器和2X2光纖親合器；所述3X3光纖耦合器和所述2X2光纖耦合器通過兩個(gè)傳輸臂連接，且其中一個(gè)傳輸臂上串接有偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0011]本發(fā)明用一塊集成光路芯片來替代里面的現(xiàn)有技術(shù)中的分立光器件，該集成光學(xué)芯片包含了 3x3光纖親合器，2x2光纖親合器，偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器(偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器又叫做TM/TE模的轉(zhuǎn)換器)。由于集成光器件本身的偏振隔離度可以做到很高，因此現(xiàn)有技術(shù)中的二個(gè)起偏器在集成學(xué)的芯片中并不需要，這樣也可降低芯片的復(fù)雜度，有助于降低芯片的成本。同時(shí)，采用集成光學(xué)的設(shè)計(jì)概念，包含3x3耦合器和2x2耦合器功能的芯片體積可以做到非常小。3x3耦合器功能部分的的三個(gè)波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度在15_左右，2x2耦合器功能部分的二個(gè)波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度為10mm左右，連接3x3親合器和2x2親合器的傳輸臂波導(dǎo)長(zhǎng)度在25_左右，它的長(zhǎng)度只有分立器件結(jié)構(gòu)中所需長(zhǎng)度的1/40，可以大大提高抗振動(dòng)能力。集成芯片中的TM/TE模的轉(zhuǎn)換器(偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器)可以實(shí)現(xiàn)類似于分立式結(jié)構(gòu)中“90度熔接點(diǎn)”的功能，其實(shí)質(zhì)就是把一個(gè)水平線偏振光轉(zhuǎn)換成一個(gè)垂直線偏振光(或?qū)⒁粋€(gè)垂直線偏振光轉(zhuǎn)換成一個(gè)水平線偏振光)。
[0012]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0013]本發(fā)明的【附圖說明】如下。
[0014]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中高成本光學(xué)電流傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中基于分立式光器件的低成本光學(xué)電流傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中的光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中的帶集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中的帶集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021 ] 實(shí)施例1，如圖5所示，一種帶集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器包括有光源、光探測(cè)器(圖中為PD1和TO2)、信號(hào)處理器、集成光路芯片、1/4光纖波片、電流傳感環(huán)；所述集成光路芯片的第一端口通過一個(gè)光探測(cè)器(圖中的光探測(cè)器roi)與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第三端口通過另一個(gè)光探測(cè)器(圖中的光探測(cè)器ro2)與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第二端口與光源連接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通過1/4光纖波片連接到所述電流傳感環(huán)一端，所述電流傳感環(huán)的另一端設(shè)有反射鏡。當(dāng)然，所述集成光路芯片也可以是第五端口空置，所述集成光路芯片的第四端口通過1/4光纖波片連接到所述電流傳感環(huán)一端。
[0022]本實(shí)施例光學(xué)電流傳感器中的集成光路芯片如圖3所示，其包括3X3光纖耦合器和2X2光纖耦合器；所述3X3光纖耦合器和所述2X2光纖耦合器通過兩個(gè)傳輸臂連接，且其中一個(gè)傳輸臂上串接有TM/TE模的轉(zhuǎn)換器(TM/TE模的轉(zhuǎn)換器也稱之為偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器)。所述3X3光纖耦合器的三個(gè)波導(dǎo)有效長(zhǎng)度為15_(毫米)左右。所述2X2光纖耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度為10_左右。所述兩個(gè)傳輸臂的波導(dǎo)長(zhǎng)度均為25_左右。圖中實(shí)線為光纖或光路，虛線為電信號(hào)控制或傳輸導(dǎo)線。
[0023]如果利用集成光學(xué)工藝，一次可以加工幾十到幾百片這樣的集成光路芯片(加工好以后按要求進(jìn)行切割)，這樣可以大幅降低電流傳感器成本。
[0024]實(shí)施例2，由于在很多應(yīng)用場(chǎng)合，在一個(gè)電流測(cè)量點(diǎn)需要多個(gè)光學(xué)電流傳感器或多冗余使用。為節(jié)省空間和提高效率，在切割芯片時(shí)，我們可以根據(jù)要求，將多個(gè)光學(xué)電流傳感器的器件單元集成在同一個(gè)芯片上，這樣也可以大幅縮小電流傳感器列陣的體積。作為一個(gè)例子，如圖6所示，其就是一個(gè)具有3路電流傳感器的結(jié)構(gòu)。其中，圖6中所示3路電流傳感器中的3路電流傳感器用集成光路芯片如圖4所示，該3路電流傳感器用集成光路芯片包含3個(gè)實(shí)施例1中的集成光路芯片所需的集成器件，其安裝過程與實(shí)施例1中單個(gè)集成芯片單元是一樣的。為簡(jiǎn)潔起見，圖6中沒有標(biāo)注3路電流傳感器用集成光路芯片的光路端口(其與實(shí)施例1是類似對(duì)應(yīng))。圖中實(shí)線為光纖或光路，虛線為電信號(hào)控制或傳輸導(dǎo)線。
[0025]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片，其特征在于:其包括3X3光纖耦合器和2X2光纖耦合器；所述3X3光纖耦合器和所述2X2光纖耦合器通過兩個(gè)傳輸臂連接，且其中一個(gè)傳輸臂上串接有偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片，其特征在于:所述3X3光纖耦合器的三個(gè)波導(dǎo)有效長(zhǎng)度為15_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片，其特征在于:所述2X2光纖耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)的有效長(zhǎng)度為10_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片，其特征在于:所述兩個(gè)傳輸臂的波導(dǎo)長(zhǎng)度均為25mm。5.一種帶集成光路芯片的光學(xué)電流傳感器，其特征在于:其包括有光源、光探測(cè)器、信號(hào)處理器、集成光路芯片、1/4光纖波片、電流傳感環(huán)；所述集成光路芯片的第一端口通過一個(gè)光探測(cè)器與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第三端口通過另一個(gè)光探測(cè)器與信號(hào)處理器連接，所述集成光路芯片的第二端口與光源連接，所述集成光路芯片的第四端口空置，所述集成光路芯片的第五端口通過1/4光纖波片連接到所述電流傳感環(huán)一端，所述電流傳感環(huán)的另一端設(shè)有反射鏡。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光學(xué)電流傳感器用集成光路芯片及其光學(xué)電流傳感器，所述集成光路芯片包括3×3光纖耦合器和2×2光纖耦合器；所述3×3光纖耦合器和所述2×2光纖耦合器通過兩個(gè)傳輸臂連接，且其中一個(gè)傳輸臂上串接有偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的集成光路芯片可大幅降低光學(xué)電流傳感器成本、提高溫度穩(wěn)定性及抗機(jī)械振動(dòng)，更重要的是可大幅提高光學(xué)電流傳感器的規(guī)?；a(chǎn)的能力。
【IPC分類】G02B6/12, G01R19/00
【公開號(hào)】CN105425016
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510991896
【發(fā)明人】楊芾藜, 黃勇, 李斌
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司, 上海康闊光通信技術(shù)有限公司, 重慶前衛(wèi)計(jì)保電力設(shè)備有限責(zé)任公司
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月24日