全光纤结构（精选7篇）
全光纤结构 篇1
0 引言
具有高峰值功率、高重复频率的超短脉冲激光作为当前的激光技术的一个重要研究方向,已被广泛应用于工业精细加工、精密测量、医疗、光通信等各个领域。20世纪80年代后期,随着光纤技术的迅速发展,以掺Yb光纤为增益介质的超短脉冲光纤激光器[1,2,3],以其转换效率高、体积小、结构紧凑、散热性好等优点成为了激光技术研究和应用的热点之一。
本文利用掺Yb光纤的非线性偏振旋转效应构建了光纤环形腔激光器作为种子源[4,5],通过改变增益光纤的长度、耦合器的输入输出比、在线PC的使用等参数对种子源进行优化,获得了稳定的自启动锁模脉冲,中心波长1 049.2 nm,平均功率70 mW,重复频率41.3 MHz,脉冲宽度50 ps,光谱宽度24.4 nm。利用MOPA全光纤结构[6]对种子源的脉冲进行放大[9,10],得到了中心波长1 063.8 nm,平均功率2.042 W,重复频率41.3 MHz,脉冲宽度45.4 ps的脉冲激光输出,单脉冲能量49.4 nJ,峰值功率1.1 kW,放大器光光转换效率为40.8%。
1 实验装置及原理
种子源环形光纤激光器(图1)由偏振相关隔离器PISO(3 dB透射谱(1 064±20)nm,隔离度40 dB)、两个PC偏振控制器、980/1 064的波分复用器(WDM)、耦合输出器以及在976 nm处吸收系数为250 dB/m的单模掺Yb光纤(纤芯直径6µm,数值孔径0.11)组成,泵浦源为976 nm额定功率500 mW,带尾纤(105/125µm,数值孔径0.22)输出的半导体激光器。
放大级部分(图2)包括光隔离器(3 dB透射谱(1 064±10)nm,隔离度40 dB),(2+1)×1合束器(980/1 064),双包层掺Yb光纤(纤芯10µm,内包层125µm,数值孔径0.075/0.46)11 m,1.6 dB/m@915 nm,泵浦源为6W 915 nm半导体激光器,冷却方式为水冷。
PISO保证腔内的光单向传输,PC为光纤缠绕结构,利用光纤的弹光效应改变光纤中的双折射,从而控制光纤中光的偏振态。其效果可等效为1/4波片加1/2波片加1/4波片的组合,1/4波片用来控制偏振光椭圆度,1/2波片用来控制方位角。图1中,经过PISO的线偏振光,经过PC1变成椭圆偏振光,可看作两个方向旋转的圆偏振光的合成,在经过掺Yb光纤增益时因自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)作用,产生非线性相移。脉冲峰值较两翼处的相移量大,在PISO处产生相干叠加,即附加脉冲锁模效应,使腔内产生自幅度调制饱和吸收体,窄化脉冲。调节PC2光脉冲峰值经历较小的损耗经过隔离器,脉冲两翼则因强损耗而被削弱,得到超短脉冲[4,7,8]。
2 实验结果及讨论
2.1种子源的设计及优化
在环形腔激光器种子源的实验中,整个腔长为130 cm,耦合器输入输出比为90:10,逐渐增加泵浦光功率,并调节PC1和PC2的角度,在经过115 m W的阈值之后,得到调Q锁模脉冲序列,继续增加泵浦光功率到231 mW,该序列均稳定,调Q包络(图3)频率为163 kHz,锁模脉冲频率为20.3 MHz。继续增加泵浦光功率到258 mW,得到连续锁模脉冲序列(图4),频率为20.3 MHz。
截取不同长度100 cm、147 cm、180 cm、400 cm的掺Yb光纤进行实验,在泵浦功率为490 mW时分别得到平均功率为32.6 mW、37.1 mW、38.4 mW、39.9 mW的连续锁模脉冲,中心波长分别为1 036 nm、1 042 nm、1 055 nm、1 076 nm。
换用输入输出比为50:50的耦合器,截取不同长度50 cm、57 cm、60 cm的掺Yb光纤进行实验,在泵浦功率为490 mW时分别得到平均功率为200 mW、180 mW、172 mW的连续锁模脉冲,中心波长分别为1 030 nm、1 031 nm、1 032 nm。
通过实验可知,随着光纤长度的增加,输出脉冲的中心波长向长波方向漂移,开始因为信号得到较大的增益,输出功率逐渐增长到某一最大值,此时泵浦功率消耗殆尽,继续增加光纤长度,不能提供有效的粒子数反转,相反腔内损耗使输出功率逐渐减小。
分别使用输入输出比为90:10、70:30、50:50的耦合器,在泵浦功率为450 mW时得到平均功率分别为29.1 mW、99.3 mW、145.2 mW的锁模脉冲输出。根据激光器斜效率公式
其中:ηq为量子效率,k为耦合器输入输出比,δ为饱和功率比,αs为激光损耗系数,α0为吸收系数。可见在光纤长度L和δ一定的情况下,由于腔内损耗,斜率效率先随耦合输出比k的提高而提高,达到最大值后再逐渐减小,斜率效率最大值小于量子极限,实验中存在着最佳k值另外,由f=c/nL,有效缩短腔长可以得到更高频率的脉冲激光,故实验中又采用以顶压和旋转为调节方式的商用在线式偏振控制器PC,不仅减小了环形腔长,同时也使得对于PC的调节更加方便。
2.2光纤放大器
通过对环形锁模激光器的优化设计,以平均功率为70 mW,中心波长为1 049.2 nm(图5),光谱宽度为24.4 nm,脉冲宽度为50 ps,重复频率为41.3 MHz的脉冲光作为种子源。
采用MOPA结构实现全光纤锁模脉冲放大器。开启种子源,待得到平均功率70 m W的稳定连续锁模激光后,逐渐增加泵浦功率,在0.5 W处开始得到被放大的信号光;当注入泵浦功率为5 W时,得到平均功率2.042 W、中心波长1 063.8 nm(图6)、重复频率41.3 MHz,脉冲宽度45 ps,光谱宽度7.3 nm,单脉冲能量49.4 nJ,峰值功率1.1 kW的锁模脉冲激光,光光转换效率为40.8%(图7),信号光获得了14.6 d B的增益,输出端没有剩余泵浦光。
通过实验可见随着泵浦功率的增加,输出激光的中心波长向长波方向发生了漂移(图8),分析是种子源信号光的谱线宽度较宽,作为放大级增益介质的掺Yb光纤在1 064 nm处具有较强的发射峰,因而在模式竞争中存在着明显的优势,在实验中可观察到随着泵浦功率的增加,输出激光的强度逐渐增强,中心波长逐渐红移,也可视作沿着增益光纤的径向方向,不断转换的反转粒子数在为具有更强发射峰的长波长激光做贡献。
实验中输出端使用了隔离器,存在着较大的插入损耗,若采用角度抛光(8°角)处理,并且换用熔接质量更高的熔接设备,便可以得到更高的光光转换效率。
3 结论
利用掺Yb光纤的非线性偏转效应构建了光纤环形激光器作为种子源,通过改变增益光纤的长度、耦合器的输入输出比、在线PC的使用等参数对种子源进行优化,获得了稳定的自启动锁模脉冲,中心波长1049.2 nm,平均功率70 mW,重复频率41.3 MHz,脉冲宽度50 ps,光谱宽度24.4 nm。利用MOPA全光纤结构对种子源的脉冲进行放大,得到了中心波长1 063.8 nm,平均功率2.042 W,重复频率41.3 MHz,脉冲宽度45 ps,单脉冲能量49.4 nJ,峰值功率1.1 kW的锁模脉冲激光,放大器光光转换效率为40.8%,信号光获得了14.6 d B的增益。实现了全光纤结构的超短脉冲激光放大,为接下来进一步获得更高功率的同类激光提供了条件。
参考文献
[1]Baerm Kafka T,Hall D W.Mode-locked erbium fiber laser[J].Optics Letters(S0146-9592),1989,14(21):1269-1271.
[2]Haberl F,Ober M H,Hofer M,et al.Low-noise operation modes of passively mode-locked fiber laser[J].IEEE Transactions on Photonies Theehnol.Lett(S1041-1135),1991,3(12):1071-1073.
[3]Ober M H,Hofer M,Fermann M E.42-fs pulse generation from a mode-locked fiber laser started with a moving mirror[J].Optics Letters(S0146-9592),1993,18(5):367-369.
[4]Tamura K,Ippen E P,Haus H A,et al.77-fs pulse generation from a streteched-pulse mode-locked all-fiber ring laser[J].Optics Letters(S0146-9592),1993,18(13):1080-1082.
[5]Kim A D,Kutz J N,Muraki D J.Pulse-train uniformity in optical fiber lasers passively mode-locked by nonlinear polarization rotation[J].IEEE Journal of Quantum Electronics(S0018-9197),2000,36(4):465-471.
[6]Limpert J,Hofer S,Liem A,et al.100W average power,high energy nanosecond fiber amplifier[J].Applied Physics B:Lasers and Optics(S0946-2171),2002,75(4/5):477-479.
[7]黄绣江,刘永智,隋展,等.全光纤超短脉冲掺Yb3+光纤环形激光器[J].物理学报,2006,55(3):1191-1195.HUANG Xiu-jiang,LIU Yong-zhi,SUI Zhan,et al.All Fiber Ultra-short pulse Yb3+Doped Ring Cavity Fiber Laser[J].Acta Physica Sinica,2006,55(3):1191-1195.
[8]林宏奂,隋展,王建军.被动谐波锁模掺Yb3+光纤环形激光器[J].强激光与粒子数,2006,18(11):1813-1814.LIN Hong-huan,SUI Zhan,WANG Jian-jun.Passive Harmonic Wave Mode-locked Yb3+Doped Ring Cavity Fiber Laser[J].High Power Laser and Particle Beams,2006,18(11):1813-1814.
[9]赵鸿,周寿恒,朱辰,等.大功率光纤激光器输出功率超过1.2kW[J].激光与红外,2006,36(10):930.ZHAO Hong,ZHOU Shou-heng,ZHU Chen,et al.High Power Fiber Laser Over1.2kW Output[J].Laser&Infrared,2006,36(10):930.
[10]段云锋,黄榜才,张鹏,等.全光纤结构脉冲光纤放大器的实验研究[J].中国激光,2007,34(10):1379-1382.DUAN Yun-feng,HUANG Bang-cai,ZHANG Peng,et al.Research on All Fiber Structure Pulsed Fiber Amplifier[J].Chinese Journal of Lasers,2007,34(10):1379-1382.
全光纤电流互感器控制电路设计 篇2
目前检测和控制电路实现主要有两种方案,一种是以数字信号处理芯片(DSP)为核心[4,5],由于DSP的速度越来越快,使得DSP成为很多数据处理和信号检测方案的首选,但在时序控制方面是其瓶颈,由于时序控制精度和速度直接影响光纤电流互感器的检测精度,所以该方案控制精度提高有限;另一种是以现场可编程门阵列(FPGA ) 和DSP为核心器件[6,7], 结合两者的优点, 利用FPGA来完成系统时序控制,DSP实现各种数字信号处理算法,虽然可以获得非常高的控制精度,但系统结构相对复杂, 可靠性下降。 随着FPGA技术的发展,FPGA不仅被用来进行精密时序控制,而且可以实现复杂数字信号处理功能。 本文利用FPGA来实现精密时序控制的同时,实现非常复杂的信号处理算法,并以FPGA为核心器件完成光纤电流互感器信号检测和控制电路设计,利用该电路控制光纤电流互感器传感头进行电流测试和标定。 试验结果表明,系统控制精度达到0.2 S级测量准确度的要求。
1 全光纤电流互感器信号检测与控制原理
全光纤电流传感技术是利用法拉第效应来实现电流检测的, 当一束线偏振光通过处于磁场中的物质时,该偏振光的振动面会发生一定的旋转,从而可通过对此旋转角的测量来获得磁场及产生磁场的电流的信息,其中振动面的旋转角可由式(1)得出:
式中:Φ 为磁致法拉第偏转角;V为光纤的Verdet常数;H为磁场强度;l为光与磁场之间相互作用的距离。
法拉第效应的本质为磁致圆双折射, 其解释是:线偏振光可以分解为两束旋向相反的圆偏振光(左旋和右旋), 外加磁场使得物质对这两束正交圆偏振光的折射率产生差别, 导致它们在物质中的传播速度不再一致,这两束圆偏振光在传播一段距离后会产生一定相位差△ØS, 使对应的线偏振光的偏振面发生旋转, 通过测量该相位差就可以获得磁场及产生磁场的电流信息,同时已证明该相位差 △ØS和法拉第旋转角 Φ 之间的关系为△ØS=2 Φ 。
若光路围绕通电导体闭合,且当磁场H仅由穿过传感光纤圈的导体中的电流I产生时,可利用式(1)和安培环路定律得:
式中:△ØS为磁致法拉第相位差;V为光纤的Verdet常数;N为光束环绕导体的次数;n为传感光纤圈中导体的根数;I为单根导体上通过的电流。
由此可看出, 两束正交圆偏振光受法拉第效应后产生的相位差大小与光束环绕导体的次数和穿过传感光纤圈的总电流大小成正比。 由于光束绕导体的次数已知,所以只要测出 △ØS, 即可计算出待测电流的大小。
2 信号检测与控制电路实现
信号检测与控制电路的总体框图如图1 所示。 光纤传感头将携带有相位差信息的光信号输入到光电探测器(相位差与光电探测器输出信号幅度成正比),光电探测器输出的电压信号首先进行隔直处理,再经过放大和滤波后,经A/D(模数转换器)转换为数字信号,然后送入基于FPGA的数字信号处理单元。 在FPGA内进行数据解调、积分和滤波处理,并由阶梯波生成算法计算出阶梯波台阶高度,之后该阶梯波与固定周期调制方波在时序控制单元控制下叠加,再经FPGA控制的D/A(数模转换器)转换后形成模拟电压波形,驱动相位调制器,至此完成系统的一次闭环反馈。 此外,阶梯波台阶高度数据经数字滤波后由异步串行收发器(UART)传输到控制计算机, 由于该阶梯台阶高度与待测电流大小有关,上层软件通过简单处理就可以得出被测电流大小。 整个系统的时序控制由FPGA内完成, 且要求方波调制、A/D采集、数字阶梯波反馈、数据输出等的时序控制具有严格的同步关系。
2.1 前置放大及滤波电路
由于光电探测器输出信号比较弱,而且含有较高频率的噪声信息,需要对其进行放大和滤波处理后才能进行后续的A/D转换量化为数字信号。 因此前置放大及滤波电路对有用信号的放大和对噪声抑制能力会影响后续测量精度。 前置放大电路采用差分运放AD8130,该芯片具有非常高的共模抑制比,特别适用于微弱信号放大中需要低噪声、 低谐波失真和高共模抑制比的应用中。 光电探测器输出的交流有效方波信号频率为200 kHz左右, 为保证该方波信号无失真通过后端滤波电路,滤波电路的高频截止频率必须以不损失20 倍的方波基频信号的谐波设计,同时为避免高频噪声进入后端采样量化模块, 高频截止带宽不能太宽, 本设计中采用4 MHz带宽的 π 型滤波器实现前端滤波。
2.2 数据采集电路
为保证0.2S级(即千分之二)测量准确度,A/D转换位数需要达到10 位以上。 此外,为保证对200 kHz方波信号每个周期高低电平采样次数,从而可以通过累加求平均来提高采样精度,需要在每个周期内方波高低电平分别进行20 次以上采样后求平均, 这就要求模数转换器采样率大于8 MS/s。 设计中保留一定余量采用量化位数14 位、采样率20 MS/s的模数转换器AD9248。 该芯片采用多级的带有输出错误纠正逻辑的差分流水线结构,集成了两个高性能采样保持放大器和一个基准电压源,只需要提供控制时钟,其转换数据在7 个时钟之后自动出现在数据端口,用于精密时序控制场合非常方便。
2.3 FPGA控制电路
FPGA是光纤电流互感器控制电路实现信号检测与闭环控制的核心。 如图1 所示,其主要功能是负责生成整个控制系统的控制时序; 完成A/D采集控制及数据读取、存储;对采集到的数字信号按预定的解调和积分算法进行处理,将处理后的数据在发送到阶梯波生成算法的同时, 经滤波处理之后传到UART串口控制模块,完成与计算机的数据通信;此外还要将阶梯波生成算法产生的数据与方波数据叠加后控制D/A转换器输出相应的模拟信号。FPGA控制时序如图2 所示,电路上电复位后, FPGA程序加载并对外围A/D、D/A及其他程控电路及接口初始化;FPGA内部时序控制模块产生周期5 μs的调制方波, 该调制方波通过D/A控制接口输出到D/A产生同样周期的模拟方波信号并控制后端光调制器上产生±π/2 的相移, 确保前端光纤传感部分的相位检测灵敏度最高;模数转换器前端输入信号是含有相位差信息的交流信号,该信号的高低电平差值与相位差成正比,通过检测该信号的高低电平差值就可以间接获得当前相位差值,从而根据前面所述理论获得对应电流大小,该信号周期与方波周期一致。FPGA通过时序控制单元控制A/D转换器在每个方波周期内对该信号高电平和低电平分别进行多次采样求平均后相减,获得该信号的解调信息即相位信息。 由于前端光纤传感部分的相位差为0 时表明实现一次闭环控制,因此,上述解调出的相位信息需要经过阶梯波生成算法将相位差信息转换为阶梯波台阶数据, 再经过后端200 kHz固定方波和数字阶梯波叠加生成模块将该台阶数据与方波数据累加输出到D/A转换器,D/A转换器输出模拟信号驱动控制相位调制器产生抵消上述检测到的相位差信息,形成一次闭环控制。 该处设计时应设计阶梯波累加判别程序,当阶梯波累加数据值超过驱动相位调制器产生2π 相移时, 应该减去相位调制器产生2π 相移所对应值后再累加。 由于该阶梯波台阶的高度反映了被测电流引起的相位差值,所以该值与被测电流也成线性关系,可将该值经数字平滑滤波后由FPGA内部设计的UART通信接口传输到上层控制界面用于计算当前被测电流的大小。
2.4 数模转换及驱动电路
该部分功能是把200 kHz固定方波和数字阶梯波叠加生成模块所输出的数字信号转变为模拟电压信号,经过功率驱动部分的放大和幅度调节控制相位调制器(在D/A满量程输出时, 产生的模拟电压值为相位控制器半波电压的两倍), 从而在光纤传感环中产生一个附加的反馈相移, 抵消掉本次闭环控制周期内检测到的相位差。 D/A选择主要考虑模拟信号输出建立时间、增益误差、输出线性度以及分辨率几个指标。 D/A输出信号建立时间不仅对闭环控制带宽具有重要影响,而且当其建立时间较长时,会对输出阶梯波台阶的前、后沿影响很大, 导致模数转换器前端输入信号的尖峰脉冲拉长,而有效采样时间窗口变短,因此建立时间越短越好。 D/A的增益误差和输出线性度决定了输出模拟信号的误差和线性度,而模拟信号的误差和线性度施加在相位调制器上后或直接影响反馈相位的控制误差,因此需选择增益误差和输出线性度小的模数转换器。 D/A的分辨率直接决定相位控制的最小分辨精度, 其分辨率最好大于A/D的分辨率。 设计中采用16 位的高速D/A芯片AD9726 实现该模数转换功能。 由于该芯片为电流型输出,所以后端采用高速运放AD811 实现电流输出转电压输出和电压幅度放大功能。
3 实验验证及讨论
为验证上述控制电路性能,结合前端光纤电流传感头模块搭建了全光纤电流互感器装置。 同时,采用大电流发生器(交流,有效值0~5 000 A,50 Hz)作为测试电流源,并以0.01 级(误差低于0.01%)的标准电流互感器为基准,按照国标要求,搭建了一套准确度校检系统,以之校检该全光纤电流互感器的测量准确度,从而验证上述控制电路的指标和功能。 图3 是上层控制界面通过串口获得的50 Hz交流电信号的截图, 可见通过上述控制电路可以有效解调出50 Hz交流电信号的周期和幅度信息,从而实现对光纤传感头的闭环控制功能。
在本控制电路基础上搭建的全光纤电流互感器装置样机额定一次电流值Ipr设定为100 A~4 000 A, 根据国标要求,在Ipr的1%~120%范围内,实测电流值i测的测量误差如表1 所示, 其中标准电流值i标指0.01 级标准电流互感器对待测电流进行检测得到的电流值(有效值,与真实值之间的误差低于0.01%),单位为A;样机解调信号的数字输出指样机对待测电流进行解调后输出的数字量;样机解调出的电流值i解, 指样机解调信号的数字输出乘以一个固定变比得到的数值,表征解调输出的电流值(有效值),单位为A;电流误差为i标和i解之间的误差。
根据表1 的数据, 可得到全量程范围内的误差曲线,如图4 所示。 可以直观看出在全量程范围内的实测误差均满足0.2 S级测量准确度的要求。 即设计的电路完成了对光纤传感头的闭环控制和测试数据解调。
本文初步研究了用于全光纤电流互感器的闭环检测控制电路,基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制和数据解调、积分滤波、阶梯波产生等算法,完成了对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制。 该控制电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点,为研制满足电力电网测试需求的全光纤电流互感器奠定了基础。此外, 基于该控制电路研制的全光纤电流互感器样机,经测试, 其额定一次电流100 A~4 000 A范围内均实现了0.2 S级测量准确度, 初步满足电力电网对电流互感器测量准确度的要求。
摘要：论述了全光纤电流互感器检测和控制原理,以单片FPGA为控制核心设计了全光纤电流互感器信号检测与控制硬件电路,并对关键部件指标和检测控制方法进行了分析和讨论。结合前端光纤电流传感头搭建了全光纤电流互感器装置。经实验测试,其在额定一次电流100 A4 000 A范围内均实现了0.2 S级测量准确度,满足电力电网对电流互感器测量准确度的要求。
全光纤结构 篇3
关键词：全光纤电流互感器,分布参数模型,偏心问题,比差
0 引言
随着智能电网的发展, 传输线路的电压等级不断提高, 电磁式电流互感器已经不能满足要求[1,2], 发展新型电流互感器迫在眉睫。全光纤电流互感器 (all-fiber optic current transformer, FOCT) [3,4,5,6,7]是基于Sagnac干涉法的一种新型电流互感器, 其将光作为一种载体, 将被测电流的信息通过传感光纤感应到光信号中, 再通过信号处理解调出来, 这种方法克服了传统电磁式互感器的种种弊端, 具有动态范围宽、绝缘性能好、测量精度高等优点[8,9]。
FOCT安装时会尽量使导线位于传感环中心, 然而由于种种原因也会发生导体偏心问题。文献[10]表明互感器安装位置不对或者一次母线发生偏移就会发生偏心问题。文献[11]指出由于电磁式互感器铁心环直径较大, 实际穿过的电流导体容易偏离环心, FOCT与电磁式互感器结构类似, 这种装配误差也会存在于FOCT中。偏心问题实质就是被测导体偏离圆心, 造成其产生的磁场不均匀地作用在FOCT传感环上, 而使得比差变化的现象。FOCT具有完全闭环结构, 传统理论认为其不会受到偏心问题的影响, 然而实际中FOCT也存在该问题。目前FOCT受被测导体偏心影响的机理尚未明确。通常FOCT采用集中参数模型分析相关问题, 而集中参数模型是理想化的模型, 不适用于研究参数不均匀的情况, 为了便于分析偏心问题产生的原因, 就需要从离散角度出发, 从根源上来分析该问题。由此本文提出了FOCT传感环的分布参数模型, 并且基于该分布参数模型对FOCT受被测导体偏心影响的机理进行了推导, 该机理揭示了传感光纤中的线性双折射和传感环上不均匀磁场的共同作用是造成FOCT会受被测导体偏心影响的原因, 进一步分析了被测导体偏心对FOCT测量准确度的影响, 得出偏心问题只会影响FOCT的比差, 而不会影响FOCT的线性度的结论, 通过偏心实验验证了所提理论和所得结论的正确性。
1 反射式Sagnac光纤电流互感器原理
反射式Sagnac光纤电流互感器[12,13,14,15,16]是一种对称互易结构的光纤互感器, 能够有效降低温度、震动等外界因素对测量结果的影响, 提高测量系统的稳定性和测量结果的准确度。其结构原理如图1所示, 其中A/D表示模数转换, D/A表示数模转换。
由SLD光源发出的光经过耦合器后, 通过光纤偏振器起偏, 形成线偏振光。线偏振光再以45°平均注入保偏光纤的x轴和y轴传输。通过保偏光纤传输到相位调制器进行初始相位调制后, 再传输到λ/4波片。当这两束正交模式的线偏振光通过λ/4波片后, x轴和y轴的线偏振光就分别转变为左旋和右旋的圆偏振光, 进入传感光纤。由于传输电流产生磁场的法拉第效应, 这两束圆偏振光以不同的速度传输, 产生相位差。两束圆偏振光由反射镜反射后, 两束圆偏振光的偏振模式互换 (即左旋光变为右旋光, 右旋光变为左旋光) , 第二次穿过传感光纤, 并和电流产生的磁场再次发生相互作用, 使产生的相位差加倍。经过λ/4波片再把含有法拉第效应的两束圆偏振光转变回模式互换了的正交线偏振光 (原来的x轴线偏振光转换到y轴, y轴线偏振光转换到x轴) 。通过相位调制器进行二次相位调制后, 传输到偏振器使两束模式正交的线偏振光干涉。最后, 干涉光传输到光电转换器, 进行信号采集, 并转换为电信号进行处理。
理想的反射式Sagnac光纤电流互感器的信号输出为:
式中:φ为法拉第旋转角;N为传感光纤缠绕的圈数;V为Verdet常数;I为被测电流瞬时值。
2 FOCT分布参数模型
由于目前光纤制造工艺的缺陷, 传感光纤都会存在线性双折射的问题, 所以带有线性双折射的传感光纤集中参数琼斯矩阵为[17]:
式中:, 其中δ为由光纤中总线性双折射引起的相位差 (光纤中总线性双折射主要由光纤固有线性双折射和由于温度、外力等外部原因引起的暂态双折射构成) 。
由式 (2) 得出FOCT传感环集中参数模型为:
集中参数模型实质是一种理想模型, 只有当传感环的线性双折射和法拉第旋转角处处均匀相等时, 式 (3) 才成立。
被测导体在安装时发生偏心或者传感环相对于被测导体发生较大的振动位移而引起的传感环各点磁场不均匀的现象, 会进一步引起比差偏移等问题。如果依然采用集中参数模型就很难准确分析出造成偏心问题的机理过程和得到准确的结果, 这时就需要利用传感环的分布参数模型从微观角度来分析。
2.1 传感环分布参数模型
将传感环的N圈传感光纤平均分解为n段, (n→∞) , 如图2所示。
根据式 (2) 得出每一小段的琼斯矩阵变为:
式中:φk为每一小段光纤的法拉第旋转角;δk为每一小段光纤中线性双折射引起的相位差;
一般光纤的Verdet常数V非常小[18], 而线性双折射引起的相位差远大于法拉第旋转角, 所以可以近似认为:
再考虑到法拉第旋光元件划分足够细时, 每段的相位差接近于无穷小, 故
于是, 每一段传感光纤的琼斯矩阵元素可近似为:
FOCT与光学晶体结构电流互感器传感部分的机理相同, 传感材料的琼斯矩阵表达式也相同。不同的是FOCT是通过入射光路和反射光路往返两次传感, 而光学晶体结构电流互感器只有入射光路, 没有反射光路, 所以文献[18]提出的光学晶体电流互感器传感部分的分布参数模型可以等效为FOCT传感部分的入射光路琼斯矩阵:
与入射光路推导类似, 通过反射镜返回的传感环反射光路琼斯矩阵为:
于是有:
式 (12) 和式 (16) 分别为FOCT入射光路和反射光路的分布参数模型, 该模型揭示了磁场或总线性双折射的分布特性变化都会对FOCT产生相应的影响。偏心问题主要研究的是磁场在传感光纤上分布特性的问题, 因此假设传感光纤各点总线性双折射均匀一致。由于光纤制造技术的先进性, 光纤中固有线性双折射不均匀程度很低, 可以合理近似认为光纤各处固有线性双折射大小一致;FOCT传感部分金属外壳的保护作用, 温度、外力所引入的暂态线性双折射在光纤中分布也是均匀的。综合以上两点考虑, 这种假设也是合理的。因此, 定义δ0为传感光纤单位长度上线性双折射引起的相位差, 将分布参数模型式 (12) 和式 (16) 简化得:
式中:D=δ0L, D1=δ0 (L-2x) , D2=δ0 (2x-L) , 其中L入射光路全长, L=2πrN, r为光纤环半径;x为左右旋圆偏振光沿着光纤从入射点传感到反射镜之前, 左右旋圆偏振光在传感光纤中传输的距离。
所以FOCT传感环的分布琼斯矩阵即为:
式中:D3=δ0 (L-x) 。
需要指出的是, 式 (19) 成立的前提是光纤各点线性双折射一致性较好, 所以对于研究不均匀分布磁场问题较为适用。
当传感环上参数处处均匀相等时, δ=Lδ0, H (x) =I/2πr, 所以有
此时式 (19) 变为:
可以看出, 当传感环各参数均匀时, 式 (21) 与式 (3) 相同, 即分布参数模型和集中参数模型相等, 验证了所提出的分布参数模型的正确性。
当传感环上各点的磁场和线性双折射都均匀相等时, 集中参数模型和分布参数模型近似相等, 都能够精确地描述法拉第旋光元件的光学变换性质;但当传感环上各点的磁场不再均匀相等或者光纤各点线性双折射有差异时, 集中参数模型就不能准确描述法拉第旋光元件的光学变换性质, 而分布参数模型能够从微观的角度来分析, 依然可以准确地描述变换性质, 此时只有分布参数模型较为适用。
2.2 基于分布参数模型的信号输出
当采用传感环的分布参数模型时, N圈传感环输出光强为:
式中:k (x) =cos ( (L-x) δ0) 。
经过信号处理后, FOCT输出信号为:
由安培环路定则和法拉第磁致旋光效应可知:
则
由上式可知, 当不含线性双折射时, 式 (23) 等于式 (1) , 光纤环上各点磁场即使不均匀对最后的结果也无影响;当含有线性双折射时, 此时输出信号已经不是严格意义上的法拉第旋转角积分, 而是传感环各点法拉第旋转角被加权之后再积分, 而加权系数k (x) 与传感环上的位置有关, 所以最终输出的结果就与磁场在传感环上的分布特性密切相关。
3 FOCT的偏心机理研究
3.1 被测导体位于传感环圆心
当被测导线位于传感环正中心时, 传感环上的磁场处处均匀且相等, 此时有
式中:IA0为当导线位于传感环圆心时的电流传感值。
将式 (26) 代入式 (25) 得:
式中:K1为互感器灵敏度。
由此得到互感器的标准比差为:
式中:I0为标准电流值。
3.2 被测导体偏离传感环圆心
当被测导体偏离传感环圆心时, 即传感环上各点磁场不均匀相等, 如图3所示。
此时传感环单位长度的磁场可以等价为一个位于圆心的被测导线产生的磁场和一个不均匀磁场之和, 即
式中:η (x) 为导线偏心度。
由偏心磁场可以推导出:
式中:θ1为偏心角度;d为偏心距离。
L由仿真计算可知, , 将式 (30) 代入式 (23) 得:
式中:K1′=4V/2πr;K2为偏心系数。
3.3 被测导体偏心对互感器的影响分析
被测导体发生偏心时, 最直观的是会造成比差偏移的问题, 将式 (27) 代入式 (31) 得:
式中:εδ=K1′K2/K1, 为在有线性双折射情况下的偏心比差。
将式 (34) 代入式 (29) , 得到偏心情况下互感器的比差为:
一般εδ和ε0为10-3以下的数量级, 所以有
由式 (36) 可以看出, 当被测导线偏离圆心时, 比差相当于在标准比差ε0的基础上叠加一个偏心比差εδ, 因此偏心只会影响FOCT比差的大小, 不会影响互感器的线性度。对于选定好的FOCT, 其光纤环半径r和Verdet常数V为定值, 偏心比差εδ只与导线偏心度η (x) 和线性双折射引起的相位差δ0有关。
4 仿真分析
令光纤环半径r=0.1m, 偏转角度θ1=0°, δ0=0.6rad/m, 逐步改变偏心距离, 由式 (32) 和式 (36) 可得偏心距离对偏心比差影响的仿真曲线, 如图4所示。
令偏心距离d=0.02m, 其他条件不变, 逐步改变线性双折射引起的相位差δ0的大小, 可得线性双折射对偏心比差影响的仿真曲线, 如图5所示。
由图4和图5可知:当δ0=0时, 即没有线性双折射, 偏心比差εδ=0, 偏心对FOCT无影响;当d=0时, 即不发生偏心, 偏心比差εδ=0, 偏心对FOCT无影响;当δ0≠0且d≠0时, 即存在线性双折射的同时发生偏心, 偏心对FOCT有影响。随着偏心距离d的增大, 偏心比差越大, 偏心影响越严重, 偏心距离与偏心比差成正比;随着线性双折射δ0的变化, 偏心比差也随之而改变。因此, 传感环上的不均匀磁场和传感环中的线性双折射的共同作用是造成偏心现象的根源。
5 试验验证
偏心问题的产生主要是线性双折射和被测导体偏心共同作用的结果。因此, 主要通过线性双折射试验和偏心试验来验证这一理论。
5.1 偏心试验
在室温23.8℃情况下, 先将被测导线置于传感环正中心, 再将FOCT在额定电流600 A进行标定, 最后使被测导体逐步偏离圆心来产生不均匀磁场, 偏心试验系统如附录A图A1所示。
被测导体位于传感环中心和被测导体逐步偏离圆心时, 分别施加5%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%, 120%的额定电流, 测得FOCT比差曲线如图6所示。
由图6可以看出, FOCT会受到偏心导体的影响, 比差等于在标准比差基础上叠加一个偏心比差, 使得FOCT的比差发生偏移, 但是FOCT的线性度几乎不受影响, 试验结果与理论分析一致。
在施加100%额定电流的情况下, 先将被测导体放置于传感环圆心, 测得标准比差为0.013%, 再通过逐渐改变被测导线偏离圆心的距离, 得到被测导体偏心时的比差, 其测量结果如图7所示。
由图7可以看出, 偏离程度越大, 传感环上各点磁场越不均匀, 比差也就越大, 偏心对测量结果的影响也就越严重, 比差与偏心距离近似成正比, 试验结果与仿真结果相吻合。在被测导体偏离传感环3cm范围内, 互感器依然可以达到0.2级。
5.2 温度试验
由于FOCT的线性双折射与温度密切相关, 其变化主要由温度引起, 所以通过改变试验温度来改变线性双折射对偏心比差的影响。
将FOCT置于温控箱中, 使被测导线偏离圆心2cm, 设置变温范围为-10~70℃, 每升温5℃, 保温1h来确保传感环受热均匀。保温1h后, 向FOCT施加600A额定电流, 在每个温度节点测得温度偏心对比差的影响曲线, 如图8所示。
由图8可以看出, FOCT偏心比差随着温度升高时而变化, 说明线性双折射不但是FOCT偏心问题产生的根源之一, 而且其变化会对FOCT偏心比差产生影响。
6 结语
本文建立的FOCT传感环分布参数模型, 对于分析不均匀磁场, 可以较准确地描述法拉第旋光元件的光学变换性质和机理过程。通过传感环分布参数模型提出了FOCT被测导体偏心问题的产生机理, 该机理揭示了FOCT会受被测导体偏心影响的根源是传感光纤中存在线性双折射。当被测导体发生偏心, 线性双折射与传感环上的不均匀磁场同时作用, 就会发生比差偏移的现象。通过实验验证了所提理论的正确性, 同时表明被测导体偏心只会影响到FOCT的比差, 而不会影响FOCT的线性度, 偏心比差相当于在原来正常比差的基础上叠加一个小的偏心比差。
本文通过建立FOCT的分布参数模型揭示了其受到偏心影响的机理, 尚未对偏心影响的具体规律进行深入探讨。偏心影响应当包含两个维度的问题, 即偏心距离的大小和偏心角度, 这需要进一步的深入研究。
全光纤结构 篇4
1) 绝缘结构复杂、体积大、成本高。
2) 存在磁饱和。造成电流互感器二次电流数值和波形的严重失真而导致继电保护误动作。
3) 电流测量线性范围小。当电流过大或过小时,比差和相差等测量误差会加大。
4) 互感器二次侧输出开路时,二次侧的感应电动势有可能达到数千伏。这不但危及人身设备安全,还有可能使二次绕组和二次设备的绝缘遭到损害,甚至使铁芯因过热而损毁。
5) 过载能力差。电流互感器二次侧负载超过所容许的数值时,励磁电流会大大增加,使得铁芯进入饱和状态,从而影响测量精度。长时间运行还会使铁芯损耗增大、发热严重甚至烧坏绝缘。当绝缘和散热介质为矿物油时,还存在因绝缘击穿而可能导致的燃烧、爆炸的危险。
6) 输入功率大,功率损耗大。
7) 无法保证暂态测量的精确度,给继电保护的可靠性和灵敏性构成威胁,这也是目前变电站综合自动化系统中测量和保护不容易实现数据完全共享的主要根源。
基于光学传感技术的光学电流互感器(Optical Current Transformer, OCT)与罗氏线圈或低功耗铁芯线圈式的电子式电流互感器(Electrical Current Transformer,ECT)一直受到国内外的广泛关注和深入研究。OCT与ECT均具有无磁饱和、安全性高等特点,被公认为是替代电磁式电流互感器的理想产品。按照敏感环方式的不同,OCT又可分为磁光玻璃式和全光纤式两种型式。二者基本原理一致。全光纤式(Fiber Optical Current Transformer, FOCT)采用全光纤光路通过一个相位调制器实现电流信号的闭环检测,从而大大提高了传感器的测量精度和长期稳定性,性能比磁光玻璃式好,成为国际上OCT发展的主流方向。
本文在介绍FOCT原理及特点的基础上,着重分析了FOCT在工程应用中所面临的问题并提出了解决措施。
1 FOCT的原理、特点及研究现状
1.1 磁光法拉第效应
磁光法拉第效应是指当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过磁光材料时,线偏振光的振动平面将产生偏转(见图1)。线偏振光振动平面偏转角θF与磁场强度和光在磁场中所经历的路径距离成正比,用数学公式表达为
θF=∫VHdl (1)
式中:θF为通过介质的光的振动平面偏转角的大小;V为维尔德(verdet)常数;H为磁场强度;l为光在磁场中所经历的路径距离。
如果敏感路径是闭合环路,那么穿过敏感环路的电流所产生的磁场将作用于闭合环路,根据安培环路定律,可得:
式中:Nl为敏感路径的圈数(或匝数);I为通过环路的总电流数。
式(2)表明,通过磁光材料(光纤或者磁光玻璃)线偏振光振动平面的偏转角大小,与光学环路的匝数及穿过光学环路的总电流成正比。如果能够检测到光信号的偏振旋转角,也就能得到对应的被测电流值,这就是磁光法拉第效应电流互感器的基本原理。
1.2 FOCT的组成及工作原理
FOCT的工作原理如图2所示,光源发出的连续光经过耦合器到达偏振器后被转化为线偏振光,以45°角进入相位调制器,分解为两束正交的线偏振光,沿光纤的两个轴(X轴和Y轴)传播。在相位调制器上施加合适的调制算法,两束受到调制的光波进入了光纤线圈,在电流产生的磁场的作用下,两束光波之间产生正比于载体电流的相位角。经反射镜反射后两束光波返回到相位调制器,到达偏振器后发生干涉,干涉光信号经过耦合器进入光电探测器,探测器输出的电压信号被信号处理电路接收并运算,运算结果通过数字接口输出。当汇流排没有电流时,两束光信号的相位差为零,信号处理电路输出也为零。当有电流通过时,两束光信号存在一个相位差Δφi=4NVI,其中,N是光纤的匝数;V是维尔德常量;I是被测电流。信号处理电路对相位差进行解调,得到被测电流的数字值并输出。
此电流检测方案的优点在于:①“全对称”的互易光路设计,互易是指两束光波走过的是同一条路径,如基于萨格耐克(Sagcac)效应光纤陀螺光路。此方案通过一个反射镜可以使两束光波在同一条路径上严格“同步”,这就是“全对称”光路,可以大大降低温度、振动对光路的影响,使得光路稳定性提高;②可以利用自动控制、滤波等算法,通过数字处理系统对相位调制器进行负反馈控制,保证整个系统的工作点稳定,从而实现了高的灵敏度以及在大测量范围内的精度;③可以通过软件增加多个附加控制模块来抑制由于光电器件随时间老化带来的误差,提高系统的长期稳定性和工作寿命。
1.3 FOCT的主要特点
与传统电磁式电流互感器相比,FOCT存在以下优点。
1) 绝缘性能好、安全性高。
FOCT一次侧与二次侧之间通过绝缘性能很好的光缆连接,使其绝缘结构大大简化,也不存在电磁式电流互感器二次开路带来的安全隐患。实际应用中,电压等级越高,其优势越明显。而且也没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。
2) 动态范围大、测量精度高。
在电力系统中,故障电流往往是正常运行电流的几十倍。传统电磁式电流互感器由于存在磁饱和问题,难以实现电流在大范围内的精确测量。OCT具有很宽的动态范围,可同时实现测量和继电保护的需要,免除采用电磁感应式互感器时需多个测量通道的复杂结构。一个测量通道额定电流可测到几十至几千安培,过电流范围可达几万安培。FOCT采用了闭环检测技术,在全量程范围内均能保证很好的测量精度(样机型式鉴定试验中,50 kA电流信号下的复合误差达到0.8%)。
3) 频率响应范围宽。
FOCT闭环系统传递函数是一阶惯性环节,是完全线性的,其3 dB带宽达10 kHz,可以准确地进行电网暂态、高频大电流与直流的测量,这对简化继电保护判据、提高保护的可靠性、快速性具有十分重要的意义。
4) 敏感环制作柔性强,适用面广。
与磁光玻璃式OCT不同,FOCT敏感环制作是在非磁性金属骨架上绕制光纤,制作柔性强,敏感头仅数公斤,适用于传统的绝缘支柱式、悬挂式应用,还可组合到GIS、断路器高压设备中,共用支撑绝缘子,由此可减少变电站占地面积和工程费用。
5) 绿色环保、成本潜力大。
FOCT与传统电磁式电流互感器相比,金属耗材少、占地面积小(组合式甚至不占地方)、重量轻、无充油气、符合绿色环保要求。连接通过少量光缆,使电缆沟和电缆大为减少,占地可减少15%,一次投资可减少20%,寿命周期成本可降低25%以上[1],给用户较高综合性价比。
由于FOCT的绝缘结构简单,因此FOCT在110 kV以上电压等级中,已经具备很强的价格竞争力。目前FOCT的价格在110 kV及以下电压等级中与传统电磁式电流互感器相比较贵。但是,虽然采购成本高一些,其综合成本并不高,而且,FOCT是一项光、机、电一体化的新技术,随着产品成熟度和产量的增加,产品成本还会逐渐降低。
6) 能适应电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。
FOCT一般以弱功率数字量输出,适应日趋广泛采用的微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。
FOCT有传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点,符合未来电站、变电所发展的需要,是传统电流互感器较为理想的更新产品。
1.4 国内外对FOCT的研究现状
国外对OCT的研究工作开展较早,20世纪90年代瑞典ABB、德国西门子等公司研制成功了开环方案的磁光玻璃式OCT并得到一定的应用,但由于其测量精度的长期稳定性和产品的可靠性存在较大隐患,ABB公司又开始了技术更为先进的FOCT的研发工作。2004年,加拿大Nxtphase和ABB分别报道了其研制的新型闭环光纤电流互感器的研究成果。通过解决光路稳定性和数字处理等多项关键技术,他们开发的系统产品均通过IEC的相关标准,并在多处发电厂、输变电站完成了挂网试运行,并在运行过程中表现出了高可靠性和高精度。
国内对OCT的研究始于20世纪90年代初期,由于磁光玻璃式OCT实现较为简单,其光路设计和相应的数字处理比较容易,多家研究机构对此方案开展了大量的研究工作。而FOCT由于数字闭环处理过程相对复杂,国内只有个别单位开展了研究工作,南瑞航天(北京)电气控制技术有限公司所研制FOCT产品于2008年初通过了武汉高压研究院的电子式互感器型式鉴定试验并进行了挂网试运行。
2 FOCT对继电保护的有利影响
1) 促进继电保护新原理的研究。目前的保护算法多基于采用电流的工频分量,这需要经过滤波,就不可避免地会产生延时。为了提高保护动作速度,可采用故障后的暂态分量构成高速保护。传统的电磁式电流互感器由于频响范围较窄而不能完全再现一次电流波形,而FOCT测量的频响范围宽,能够真实地反映一些高频信号,为暂态量保护提供可靠的数据,促进高速保护的发展。
2) 提高继电保护的可靠性。电流互感器饱和一直是影响保护正确动作的重要因素。例如, 在保护出口短路时,常规电流互感器可能会在一次侧大电流下饱和,使得二次电流不能正确反映一次电流而使保护拒动。由于FOCT在大的动态范围内能保持良好的线性,其二次侧能正确地反映一次电流的值,从而提高继电保护的可靠性。
3) 为保护提供新的功能。由于FOCT的动态范围大,正常和故障时均可较准确地反映一次大电流的值,因此许多测量的功能可在保护中实现。另外,由于FOCT频率特性好,可以记录故障初瞬间和断路器预分合时刻的波形,从而具有录波和断路器状态监视的功能。
4) 提高现场的安全性。进出FOCT的都是弱的光信号,因此二次侧开路时不会产生危险的高电压,提高了现场人员的安全和设备的可靠性。
5) FOCT 的稳态精度和暂态精度都可达到0.2级,使继电保护的灵敏度、选择性和快速性得到显著提高,从而提高故障测距的精度。此外,由于稳态测量精度和暂态测量精度相同,从而可以建立厂站统一的综合数据网,保护系统与测量系统共享数据也为保护下放提供了方便的条件。
6) FOCT 的输出信号为数字信号,容易与数字式保护/仪表接口,省去了微机保护装置中的小电流互感器及模数转换模块,使得微机保护装置的硬件显著简化,也降低了成本。
3 FOCT在工程应用中存在的问题及解决途径
与传统电磁式电流互感器相比,FOCT在理论上存在着较大的优势,但在工程实际应用中所面临诸多新问题,阻碍了FOCT的实用化进程。国内经过多年的理论研究及工程实践,摸索出解决这些问题的一些行之有效的措施,为FOCT的工程应用奠定了技术基础。以下为针对这些主要问题并给出已证明是较为有效的解决途径。
3.1 FOCT的使用寿命
制约FOCT使用寿命的有光学元器件、电子元器件及光路工艺。目前,光学元器件在光通信中广泛应用,其使用寿命普遍可在10 a以上,大量的加速寿命与可靠性试验也验证了这一点。而电子元器件可使用寿命为10～15 a。FOCT采用全光纤光路,各断点处采用专用熔接设备进行熔接并采取保护措施因而具有较高的可靠性。事实上,寿命不仅和设计有关,和材料元器件选择,生产过程的工艺和质量控制也密切相关。
3.2 温度的影响
温度变化对光源、光纤光路、敏感环以及由此对光学器件及光纤光路带来影响,并最终体现在测量误差中。对这些影响采取如表2中措施,最终准确度可控制在0.2级以内。
3.3 长期运行稳定性
互感器在长期运行中均面临稳定性的难题,对任一种OCT来说,电子器件、光学器件性能的缓慢变化将影响互感器的测量准确度,如放大电路缓慢漂移,光源功率的衰减,光路损耗的增大,敏感材料双折射的缓慢变化,以及FOCT调制器效率的漂移等。FOCT的长期稳定性是其实用化必须解决的问题,也是很多家研究单位遇到的难题。我们通过多项设计和工艺处理,较好地解决了稳定性问题。
4 结语
光学电流互感器OCT和电子式互感器ECT与传统电磁式电流互感器相比,均具有明显的技术优势,随着OCT与ECT广泛的工程应用,替代传统电流互感器的趋势已很明显。其中,全光纤电流互感器FOCT以其更为先进的技术特点和使用优势成为新型电流互感器发展的主流方向。
摘要：介绍了全光纤电流互感器(FOCT)的基本原理、主要特点,并与罗氏线圈、磁光玻璃式电流互感器进行了较为详细的对比。分析了FOCT的广泛应用对继电保护带来的有利影响,还分析了FOCT在工程应用中所面临的主要问题,并提出了解决措施。
关键词：全光纤电流互感器,特点,工程应用
参考文献
[1]刘青,王增平,徐岩,等.光学电流互感器对继电保护系统的影响研究[J].电网技术,2005,29(1):13-14.
[2]滕林,刘万顺,李贵存,等.光学电流传感器及其在继电保护中的应用[J].电网技术,2002,26(1):31-33.
全固态大模场光子晶体光纤的研究 篇5
随着相关领域技术的飞速发展,光纤激光器技术的应用已经涵盖了光纤通信、工业制造等多个方面。大模场光纤可以有效解决传统光纤激光器受到的制约,大幅提高输出功率。PCF(光子晶体光纤)结构灵活多变,为设计大模场光纤提供了新的途径。但是一般PCF含有空气孔,不仅熔接和掺杂困难,制备时还经常发生空气孔坍塌的现象,而且光纤热阻大,不利于大功率下长时间运转。AS-PCF(全固态光子晶体光纤)不含空气孔,能有效解决上述问题,更适于用作增益光纤,可使光纤激光器的输出功率提高几个数量级[1,2]。2007年,Tsuchida等[3]提出一种光子晶体掺杂光纤,其在1.064μm波长处模场面积达1400μm2。2008年,Fevrier等人[4]提出一种AS-PCF,其纤芯材料为Yb3+和Al2O3 共掺,纤芯面积达到1300μm2。2010年,郭艳艳等[5]提出一种新 型全固态 掺镱PCF,其模场面 积可达2000μm2。2012年,FantingKong等人[6]首次采用空间光谱法 提出一种AS-PCF,其模场面 积达1000μm2。
本文提出一 种全固态 掺镱正方 晶格PCF,在1.06μm波长处,该光纤的 基模模场 面积可达4405μm2,并可实现单模传输和低弯曲损耗,适用于研制高功率光纤激光器。
1基本理论
我们使用全矢量FEM(有限元法)对光纤特性进行了数值模拟。其原理是用许多子域来代表整个求解区域,在子域中用相应的插值函数表示未知函数,从而将无限个自由度的边值问题转化为有限个自由度的问题,然后通过变分法得到一组代数方程,最后通过该 方程组求 解。具体方 法是使用 基于FEM的多物理 场仿真软 件COMSOLMultiphysics,并结合MATLAB软件对光纤结构和特性进行模拟和仿真。
使用COMSOLMultiphysics软件最终可以计算出光纤传播常数β和不同模式的有效折射率neff,通过neff的虚部Im(neff)可以得到该模式的CL(限制损耗)[7](单位为dB/m)如下:
式中,λ为波长,单位为μm。光纤的模场面积可以通过求解域积分得到(单位为μm2)[8]:
式中,E(x,y)为光传播时的横向电场分布。
应用于光纤激光器的光纤,由于激光器尺寸限制,会面临光纤弯曲和缠绕的问题,这会导致传播常数和有效折射率的变化,进而导致光纤泄漏损耗的变化。光纤弯曲导致折射率在横截面的分布发生变化,直光纤情形下的折射率不再适用于以上公式,因此需要对折射率进行弯曲修正后再用于特性分析。光纤弯曲后的折射率变化可以用式(3)表示[9]:
式中,n0(x,y)为直光纤横截面的折 射率分布;R为光纤弯曲半径;θ为光纤弯曲方向与+x方向的夹角,即光纤弯曲方向角。当光纤缠绕多次时,θ=0°或360°[10],光纤折射率可表示为
所以弯曲损耗可用公式(5)表示(单位为dB/m):
如果光纤结构同时具有x和y方向的轴对称性,那么y方向弯曲损耗可以用相同理论计算。
掺镱光纤激光器的激射光波长由镱离子的光谱特性决定,其激射光谱在0.9~1.2μm,典型值为1.06μm,本文将重点研究1.06μm处的光纤特性。
2结构设计和优化
一直以来对PCF的研究以三角晶格为主,近年来对正方晶格结构的研究逐渐增多。研究表明,在相同孔间距Λ和占空比d/Λ条件下,正方晶格结构能够获得更大的模场面积。光纤激光器产生高质量单模激光的条件是增益介质满足单模传输条件,即纤芯内二阶模的限制损耗CL2nd >1dB/m,基模的限制损耗CL<0.01dB/m。因此我们设计的光纤既要拥有大模场面积,又要满足单模传输条件和低弯曲损耗条件。
在文献[3]中,Tsuchida等提出了一种单模传输和低弯曲损耗PCF结构,其纤芯由光纤中心缺失的两层空气孔形成,并去掉了第四层空气孔,最内层包层由两种尺寸的空气孔间隔排列组成。光在这种结构中传播时基模被限制在纤芯区域,高阶模泄漏到缺失的包层环中。经过优化后的结构可以实现纤芯区域的单模传输,模场面积达到1400μm2,同时具备低弯曲损耗特性。随后该研究小组又进一步优化了这个结构,设计了一种全固态大模场PCF[11],与文献[3]结构不同的是优化了最内层介质柱的排列,分别研究了两种方式排列的光纤的传输特性,获得了更大的模场面积,同时保持了光纤的单模传输特性和低弯曲损耗特性。
我们用正方晶格取代上述三角晶格设计了一种全固态掺镱PCF,如图1所示,最内层大介质柱沿x方向排列,小介质柱沿y方向排列,去掉一层包层环,包层介质柱尺寸d/Λ=0.3。用掺入镱离子的纯石英作为基底以实现增益,用掺入少量氧化硼的石英柱(n0=1.452)替代空气孔,氧化硼耐热性好且不易结晶,添加到石英的网格结构中可以增加热稳定性。因为正方晶格结构的光纤具有轴对称性,只要大尺寸介质柱沿x或y方向排列,即可以获得相同的模场面积和CL。在光纤参量中,介质柱尺寸、介质柱间距和折射率差都会影响光纤特性,只是影响的程度不同。下面就研究光纤参量对光纤基模模场面积和CL的影响,以及如何优化这些参数并获得最佳结构。
(1)大介质柱尺寸d1/Λ、介质柱间距Λ和折射率差Δn对基模模场面积的影响。首先,设大介质柱直径d1/Λ分别为0.3、0.5、0.7和0.9,ns=1.460(此处,ns为基底材料折射率,且Δn=ns-n0,由于n0固定,所以这里ns也能体现 折射率差),d1/Λ与光纤基模模场面积的关系如图2(a)所示。从图中可以看出,随着d1/Λ的增大,包层最内层介质柱对基模的限制也在增大,基模模场面积逐渐减小,同时具有线性减小的趋势。d1/Λ =0.3时,模场面积超过4800μm2;d1/Λ =0.9时,模场面积 为3800μm2。然后,再设d1/Λ =0.5,ns分别为1.460、1.465、1.470、1.475和1.480,分别研究 Λ =15、20和25μm时的基模模场面积,结果如图2(b)所示。从图中可以看出,纤芯和介质柱折射率差Δn和孔间距Λ都是影响基模模场面积的因素之一,Δn越小,基模模场面积越大,这是因为两种材料的折射率越接近,模式受到的限制也越小;Λ越大,纤芯面积越大,因而基模模场面积越大,但Λ对模场面积的影响远大于Δn对模场面积的影响,在适当范围内增大孔间距Λ是提高基模模场面积的最有效方法。考虑制成后的光纤直径,选定Λ =25μm。
(a) d1/Λ 与基模模场面积的关系(b) Λ和 △n 与基模模场面积的关系
(2)大介质柱尺寸d1/Λ和折射率差Δn对基模FM和纤芯二阶模HOMCL的影响。首先,设Λ =25μm,d1/Λ分别设为0.3、0.5、0.7和0.9,计算FM和HOMCL,结果如图3(a)所示。从图中可以看出,随着波长的增大,CL也在逐渐增大,在1.06μm波长处,HOMCL均>1dB/m,d1/Λ分别为0.5、0.7和0.9时,FMCL<0.01dB/m,但d1/Λ为0.3时不满足这一条件,所以d1/Λ=0.5、0.7和0.9时均满足单模传输条件,其中d1/Λ =0.5时模场面积最大,故我们选择d1/Λ=0.5这一结构。然后,研究折射率差Δn对CL的影响。选择结构d1/Λ=0.5,Λ=25μm,ns分别为1.460、1.470和1.480时,分别研究其模式CL,得到光纤FM和HOMCL随波长变化的规律,如图3(b)所示。从图中可以看出,折射率差Δn越大,CL越低,其中FMCL均<0.01dB/m,但ns=1.470和1.480时,HOMCL<1dB/m,不满足单模传输条件,因此我们可以选择ns=1.460。
(a) d1/Λ 不 同时光纤的 CL(b) △n 不 同时光纤的 CL
对光纤激光器来说,尺寸问题会制约其在工业、医疗和军事方面的应用,激光器小型化一直是研究人员追求的目标之一。为了提高增益,在光纤激光器中使用的增益光纤可达数米,所以将增益光纤以很小的弯曲半径缠绕起来可以大大减小激光器尺寸,但同时会产生光纤的弯曲损耗。光纤弯曲损耗过大,纤芯内模式会沿着弯曲方向泄漏到包层中,降低增益效果,引起模式混乱,所以必须检验所设计的结构是否具有低弯曲损耗。本文讨论了优化结构在1.06μm波长处弯曲半径为5~20cm时的弯曲损耗,结果如图4所示。从图 中可以看 出,弯曲半径<8cm时,FM和HOM弯曲损耗随着半径的增大急剧减小,二者差值在8cm处迅速增大;弯曲半径>8cm时,随着弯曲半径的增大,FM弯曲损耗接近0.01dB/m。依据现有光纤激光器产品尺寸,光纤在激光器内部缠绕次数一般在数十次,要求弯曲损耗不超过0.5dB/m,可见所设计的光纤符合低弯曲损耗条件,可以应用于光纤激光器产品中作为增益光纤。
3结束语
本文提出了一种全固态掺镱正方晶格PCF,并通过优化介质柱尺寸和排列使该光纤满足单模传输特性和低弯曲损耗特性,在1.06μm波长处获得基模模场面积4405μm2,弯曲半径>8cm时仍可单模传输。这种全固态掺镱正方晶格PCF具有特性好、制备难度低和热稳定性好等特点,可为研制高功率光纤激光器提供较好的基础。
摘要：光纤激光器相较于传统激光器拥有巨大优势。为了研制具有更佳输出特性的光纤激光器,文章提出一种全固态掺镱正方晶格光子晶体光纤,利用全矢量有限元法对光纤结构和特性进行模拟。通过规划缺陷位置、优化掺入氧化硼的介质柱尺寸,使该光纤在1.06μm处基模模场面积达到4 405μm2,可满足单模传输条件并且具有低弯曲损耗特性,在弯曲半径!8cm时仍可以单模传输。该光纤可以在高功率光纤激光器中作为增益光纤使用。
全光纤结构 篇6
电流互感器是电力系统中的重要设备,目前国内广泛使用的铁磁线圈电流互感器,尽管稳态测量精度能够满足0.2级电能计量的要求,但由于自身结构上的局限性,在短路故障时会存在磁路饱和现象,导致动态测量能力差,容易造成保护装置误动和拒动。随着电力工业的不断发展,传统带铁心的电磁感应式互感器已经越来越不能适应电力系统的要求。
电子式电流互感器是利用光学和电子学原理来实现电力系统电流测量的新型互感器。与传统的电磁式电流互感器相比较,电子式电流互感器具有体积小、质量轻、频带响应宽、无饱和现象等诸多优点,有望成为传统电磁感应式互感器的理想替代品,已经受到国内外研究人员的普遍重视。
电子式电流互感器有两种传感原理:法拉第电磁感应原理和法拉第磁旋光效应原理。属于法拉第电磁感应原理的有铁心线圈和空心线圈两种传感结构,空心线圈结构的电流互感器又叫做Rogowski线圈电流互感器。属于法拉第磁旋光效应原理的包括块状玻璃和光纤两种传感结构,这类电流互感器又叫做光学电流互感器。其中全光纤电流互感器(FOCT)相对于其他类型的电子式互感器具有测量精度高、动态范围宽、抗环境电磁干扰能力强、敏感环安装方式简单灵活等优点,下面详细介绍一下全光纤电流互感器的原理及其在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的应用方式。
1 FOCT的工作原理
全光纤电流互感器利用了法拉第磁旋光效应原理,如图1所示。法拉第效应是指当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时,线偏振光的偏振面会线性地随着平行于光学方向磁场的大小发生旋转,旋转角为θ。
在互感器中光纤形成闭合环路,还需遵守安培环路定理:
式中v为磁光材料的费尔德(Verdet)常数;l为光通过的路径;H为被测电流在光路上产生的磁场强度;i为载流导体中流过的交流电流[1]。
全光纤电流互感器工作原理如图2所示。光源发出的光经消偏后,进入集成光学器件,起偏为线偏光,通过45°熔接点分成偏振方向相互垂直的两束光,它们在进入传感头之前,被λ/4波片转换成左、右旋圆偏振光,经历一次法拉第磁旋光效应后被反射镜反射,再次经历法拉第磁旋光效应,然后通过λ/4波片转换回线偏振光,返回到集成光学器件进行干涉。由于干涉的两束光都两次经历法拉第旋转,因此其相位差为四倍的法拉第相位差。通过信号处理电路为相位调制器施加一个大小相等、方向相反的等效相位差,以抵消法拉第磁旋光效应引起的相位差,从而实现系统的闭环控制[2,3]。
2 全光纤电流互感器的优势
在法拉第磁旋光效应的基础上,全光纤电流互感器综合利用了光纤传感技术和闭环控制技术,很好地克服了其他电子式电流互感器的缺点,具体表现为:
(1)闭环控制(负反馈)技术扩大了准确度下的动态范围。对于采用Rogowski线圈和磁光玻璃等电子式电流互感器而言,都是采用的开环控制技术,在准确度和动态范围的稳定性方面有一定局限性,所以要达到高性能的要求还需要进一步研究。而全光纤电流互感器采用基于全数字闭环控制技术,对各种可能出现的偏差进行校正,真正达到一个完善的自适应控制系统,从原理和实现的手段上保证了电子互感器的精度和动态范围。
(2)共光路、差动信号解调方式提高了抗干扰能力。对于磁光玻璃式电子式电流互感器而言,光信号输入端和输出端不在同一点,走的路径是一个单向路径,当受到温度变化,振动以及电磁场辐射等外界因素的干扰,单向路径受干扰源的影响就可能会产生同向误差,使得产品的精度出现不稳定性,也影响了产品的实际使用效果。而对于全光纤电流互感器而言,光信号输入输出端在同一点,采用同一个光路,即使受到温度变化、振动以及电磁场辐射等因素的干扰,同一光路路径受干扰源影响所出现的误差也会互相抵消,从而提高了输出的稳定性。
(3)全光纤结构提高了系统的可靠性。全光纤电流互感器中敏感元件和传输元件都为光纤,可以熔融连接,不受外界环境温度的影响,真正做到了敏感元件的长期稳定性和免维护,提高了系统的可靠性[4,5]。
3 FOCT在GIS中的集成方式
GIS组合电器各气室之间通过法兰连接,传统的互感器需要安装在GIS气室中,然后通过法兰同其他气室连接,从而完成互感器同GIS的安装。全光学电流互感器因其一次二次部分绝缘、体积小的特点,可直接安装在法兰内部,这样通过此法兰完成GIS气室连接后,也完成了互感器的安装,解决了传统互感器同GIS组合电器连接安装时存在的密封性问题,并大大减小了GIS电器整体体积。
全光纤电流互感器沉入法兰的安装方法如图3所示,互感器直接固定在安装法兰,安装法兰上具有3个通过一次导体的通过孔,安装法兰同法兰上盖之间的通过孔封口处采用绝缘垫进行密封以及绝缘,以隔断法兰和法兰上盖在互感器内部的感应电流。安装法兰外侧边沿留有二次光纤出线口,用于引出互感器二次光纤出线。
这种方式很好地解决了互感器与GIS的配合问题,不但不影响GIS的气室大小,甚至安装传统电流互感器的GIS气室还可以缩小,尤其便于将GIS的老站改造为智能变电站。全光纤电流互感器不需像传统互感器一样每相安装磁屏蔽套筒,结构大大简化,同时由于互感器本身不包含载流体,因此没有动稳定及热稳定的问题。
这种安装方式对于GIS的基础结构影响不大,只需要将相关的GIS法兰更换为适于安装全光纤电流互感器的法兰即可。该方法已经在贵阳的沙河变电站、山东潍坊的穆村变电站得到成功应用。
4 结语
目前全光纤电流互感器已在陕西750 k V延安变、华东500 k V苏州东变、江苏500 k V常熟南变以及国内多个220 k V、110 k V变电站投入运行,运行至今情况稳定。随着电子式互感器技术的不断发展,全光纤电流互感器以其带宽高、绝缘简单、抗干扰能力强等优点,必将成为新型电流互感器发展和应用的主流方向。
摘要：阐述了全光纤电流互感器工作原理,基于法拉第磁旋光效应,综合利用光纤传感技术和闭环控制技术,使其精度和抗干扰能力等方面优于其他电子式电流互感器。介绍了该互感器在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)法兰中的集成方法,解决了传统互感器同GIS连接安装时存在的密封性问题,并大大减小了GIS整体体积,具有很好的发展前景。
关键词：全光纤电流互感器,法拉第磁旋光效应,偏振光,闭环控制,气体绝缘金属封闭开关设备,法兰
参考文献
[1]乔峨,安作平,罗承沐,等.光电式电流互感器的开发与应用——21世纪互感器技术展望[J].变压器,2000,37(1):40-43.
[2]尚秋峰.光学电流互感器实用化方法的研究[D].保定:华北电力大学,2005.
[3]平绍勋,黄仁山.光电式电流互感器的现状和发展[J].高压电器,2001,37(3):43-46.
[4]陈卓娅,赵玉富,谷晓冉,任颖.新型电子式电流互感器[J].河南电力,2006(1):43-45.
全光纤结构 篇7
近日, 首届世界光纤光缆大会在武汉隆重举行。会议期间, 亨通光电股份有限公司执行副总孙义兴, 亨通光导新材料有限公司总经理马建强、总工程师肖华, 围绕光纤产业链上下游延伸拓展、自主研发创新等内容接受了通信世界全媒体的采访。
近年来, 亨通不断拓展光纤预制棒-光纤-光缆-光器件-光网络的光纤通信全产业链, 加快研发海底光缆、光纤预制棒、超低损光纤等高端产品, 取得了长足进步。
不断拓展产品类别
在光纤领域, 亨通结合最新的光纤技术发展方向, 推出了专门针对城域网、接入网、骨干网以及海洋光网大容量通信的6款新型光纤产品。
骨干网应用的高速光纤仍然具备很高的技术门槛, 目前超低损耗光纤和大有效面积光纤成为业界热议焦点。亨通光电和长飞是仅有的两家入选2016年国家工业强基工程“超低损耗光纤”项目的企业。在大有效面积方面, 亨通G.654.E光纤现已成功应用于中国联通陆地干线工程。
在光缆上亨通也推出了系列新品, 包括高防鼠等级不锈钢带光缆、阻燃耐火光缆、超细气吹微缆、EPFU高性能光纤束、易识别光缆、新型7.0mm中心管式全介质自承式光缆、隐形敷设系列光缆、低摩擦皮线系列光缆、可导雷电的移动基站用防鼠拉远光缆等。
而光纤预制棒是光纤光缆产业链“皇冠上的明珠”, 占据了产业价值的70%。掌握该技术无疑是判断一家光纤光缆企业是否具备核心竞争力的基础指标。
亨通光电是中国少数掌握光纤预制棒核心技术的光纤光缆企业, 据悉, 亨通光电光纤预制棒拉丝年产能已达6000万芯公里, 不仅满足自身光纤需求, 同时也能向战略合作伙伴供应。在芯棒技术方面, 亨通光电早在3年前便研发成功直径200毫米、长达6米的全球最大尺寸光纤预制棒, 目前仍然位居世界第一。
今年3月, 亨通光电宣布以自有资金人民币5亿元, 投资设立全资子公司江苏亨通光导新材料有限公司 (亨通光导) , 规划光纤预制棒产能1500吨, 将分期建设。同时, 为有效整合原有光纤预制棒业务, 进一步提升核心竞争力, 实现资源的优化配置, 拟将公司原光纤预制棒相关业务, 统一重组与整合到亨通光导。
亨通对光纤光缆技术的融合运用, 代表了未来5~10年光纤的发展方向, 将全面支撑我国大容量光通信网络的建设。
自主研发与产业合作并驾齐驱
亨通光电在发展过程中, 伴随着不同阶段的创新, 之前是产业链向上游延伸, 从光缆到光纤再到光纤预制棒以及向更高环节的延伸。“企业发展到一定阶段, 必须要将创新模式引领到一个新阶段。对亨通而言, 就是从研发生产型企业向创新创造型企业转变。”马建强表示。
从研发层面看, 亨通将进行研发体系、研发机制、研发管理等多维度的创新, 目的是为了将创新形成一个闭环。根据外部市场的需求, 不同的技术按需求被分为储备技术、重点研发技术及产业化技术等多个层次, 并在市场中不断接受反馈, 形成有序推进的研发过程。
另外, 从今年起, 亨通正式引入了IBM的IPD (集成产品开发方法) 研发体系。该项目运用科学搭建和有效运作的研发管理体系, 旨在解决亨通在产品创新体系上的一系列问题与挑战, 以此推动研发体系的深刻变革。
孙义兴表示, 亨通极其注重研发路径的选择。例如, 在光纤预制棒这一核心产品上, 亨通采用了两种方式, 一是和国外企业合作进行研发, 另一种就是自主研发。一方面扭转亨通在国内光纤预制棒技术起步较晚的劣势, 另一方面可通过完全的自主研发来掌握核心技术和充分的技术主导权。
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