一種具有集成化光路的全光纖電流互感器及其制作工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電流互感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種新型的具有模塊化、集成化光路的全光纖電流互感器及其制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]電流互感器在電網(wǎng)中起著精確快速測(cè)量電流的作用，是智能電網(wǎng)的核心設(shè)備，基于法拉第磁光效應(yīng)的全光纖電流互感器能夠?qū)Ω邏弘娏鲗?shí)現(xiàn)非介入式傳感測(cè)量，是高壓電子式電流互感器的主要發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)主流的全光纖電流互感器(FOCT)的光路使用了相互分離且均具有獨(dú)立封裝外殼的光源、分束器、起偏器、直波導(dǎo)(或Y波導(dǎo))、光電探測(cè)器等光學(xué)器件組成，典型的直波導(dǎo)設(shè)計(jì)方案如圖1a所示，光源101發(fā)出的光經(jīng)過分束器102，進(jìn)入起偏器103進(jìn)行起偏，產(chǎn)生高偏振度的線偏振光，與直波導(dǎo)104進(jìn)行45°熔接后，分裂成偏振方向互相垂直的兩列光波，受到直波導(dǎo)104的閉環(huán)相位調(diào)制，通過光纖延遲環(huán)105、傳輸光纜進(jìn)入敏感環(huán)106中，在敏感環(huán)106中產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)后再經(jīng)反射鏡107反射回來，沿原光路返回至分束器102的另一端最終在光電探測(cè)器108處進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換完成信號(hào)檢測(cè)。圖1b則是采用Y波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方案，Y波導(dǎo)110和保偏分束器111替代起偏器103和直波導(dǎo)104，基本原理與直波導(dǎo)方案是相通的，不詳述。鑒于光學(xué)器件廠家稀少，且各自僅能研制、生產(chǎn)部分器件，光纖電流互感器制造廠目前都是用分離的光學(xué)器件來組建所需要的光路，各光學(xué)器件之間采用尾纖熔接的方式，如圖1a和圖1b中，黑色圓點(diǎn)表示各器件之間的尾纖熔接點(diǎn)109，在光纖延遲環(huán)105之前的光路部分就至少需要5、6個(gè)熔接點(diǎn)。
[0003]熔接點(diǎn)過多對(duì)光路的性能具有諸多不利的影響，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):
[0004]1、增大了光路中的偏振串?dāng)_，降低了光路的信噪比。根據(jù)光纖光學(xué)理論和全光纖電流互感器的光路設(shè)計(jì)知識(shí)，光路中的每一個(gè)熔接點(diǎn)都是一個(gè)不可忽視的偏振串?dāng)_點(diǎn)，遠(yuǎn)比光纖彎折帶來的偏振串?dāng)_點(diǎn)的影響大得多。所以，在其光路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，對(duì)每個(gè)熔接點(diǎn)的熔接角度都會(huì)提出明確的要求，但由于用光纖熔接機(jī)熔接光纖時(shí)并不可能絕對(duì)地精確控制熔接角度，導(dǎo)致熔接角度與設(shè)計(jì)值存在偏差，因而引入了一定幅度的偏振串?dāng)_。很顯然，熔接點(diǎn)越多，光路中引入偏振串?dāng)_的幾率就越大，幅度也越大。故高性能的光路一般要求熔接點(diǎn)越少越好。
[0005]2、增加了光路裝配的工藝復(fù)雜性和可靠性。由于外形尺寸要求，全光纖電流互感器給光路預(yù)留的安裝位置通常不會(huì)太多，這就要求光路裝配比較緊湊、充分利用空間。但是一套光路中不僅有4、5種光學(xué)器件、5、6個(gè)熔接點(diǎn)，還有10余米長(zhǎng)左右的器件尾纖，部分光學(xué)器件還需要焊接電氣導(dǎo)線，不管如何設(shè)計(jì)、布局，整個(gè)光路的裝配工藝都會(huì)顯得非常復(fù)雜、繁瑣，同時(shí)這些工序均無法用機(jī)器只能靠人工完成，其長(zhǎng)期可靠性也是非常令人擔(dān)憂的。
[0006]3、增加了光纖熔接機(jī)的使用頻率，增加了生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)能。顯而易見，熔接點(diǎn)越多，使用光纖熔接機(jī)的次數(shù)則越多，而光纖熔接機(jī)一般都是非常昂貴的設(shè)備，每個(gè)光纖電流互感器制造廠通常也不會(huì)購置太多，頻繁地使用光纖熔接機(jī)，會(huì)降低其壽命，延長(zhǎng)工序時(shí)間，降低了全光纖電流互感器的產(chǎn)能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的全光纖電流互感器的光路設(shè)計(jì)方案中熔接點(diǎn)過多、信噪比低、工藝復(fù)雜、可靠性差以及生產(chǎn)成本高等問題，提供一種新型的全光纖電流互感器的制作工藝，實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的模塊化、集成化光路設(shè)計(jì)，具備信噪比高、體積小、安裝簡(jiǎn)易、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還涉及一種具有集成化光路的全光纖電流互感器。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種全光纖電流互感器的制作工藝，其特征在于，包括光電光路集成工藝和調(diào)制光路集成工藝，
[0010]所述光電光路集成工藝，在一基底上，先制作出均無封裝外殼的具有光源電氣引線的光源芯片以及具有光電探測(cè)器電氣引線的光電探測(cè)器芯片，再將分光棱鏡安裝在光源芯片輸出光以及光電探測(cè)器芯片輸入光的交匯處，并在分光棱鏡的三個(gè)端面上均粘貼準(zhǔn)直器以便對(duì)光進(jìn)行聚焦和親合，光源芯片的輸出光學(xué)端面、光電探測(cè)器芯片的輸入光學(xué)端面分別與其各自對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直器之間形成空間光路；
[0011]所述調(diào)制光路集成工藝，在與光電光路集成工藝相同或不同的基底上進(jìn)行對(duì)包括無封裝外殼并具有波導(dǎo)電氣引線的相位調(diào)制器的調(diào)制光路的集成；
[0012]當(dāng)兩集成工藝在不同基底時(shí)，所述光電光路集成工藝最后用一段光纖與分光棱鏡的端面貼合的第三只準(zhǔn)直器進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，以作為光電光路的輸出尾纖；所述調(diào)制光路集成工藝是在制作出均無封裝外殼并具有波導(dǎo)電氣引線的調(diào)制光路的各組件后，通過與相位調(diào)制器的光學(xué)端面按特定角度進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定的技術(shù)進(jìn)行調(diào)制光路的各組件的連接，且集成的調(diào)制光路留有輸入尾纖和輸出尾纖；對(duì)集成的光電光路和調(diào)制光路分別進(jìn)行封裝，再將光電光路的輸出尾纖與調(diào)制光路的輸入尾纖按0°熔接；
[0013]當(dāng)兩集成工藝在相同基底時(shí)，在分光棱鏡的端面貼合的第三只準(zhǔn)直器輸出光軸方向設(shè)置無封裝外殼的調(diào)制光路的組件以形成空間光路，通過與相位調(diào)制器的輸入光學(xué)端面對(duì)準(zhǔn)、固定后依次進(jìn)行調(diào)制光路的各組件的連接，并在兩集成工藝完成后將光電光路和調(diào)制光路一起進(jìn)行整體封裝。
[0014]當(dāng)調(diào)制光路中的相位調(diào)制器為直波導(dǎo)芯片且兩集成工藝在不同基底時(shí)，所述調(diào)制光路集成工藝的步驟為:
[0015]先在另一基底上制作出均無封裝外殼的起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片，并使二者光軸在一條直線上且偏振主軸平行，所述直波導(dǎo)芯片具有直波導(dǎo)電氣引線；再用一段光纖與起偏器芯片的輸入光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，作為調(diào)制光路的輸入尾纖；然后用第一段保偏光纖一端按照45°與起偏器芯片的輸出光學(xué)端面對(duì)準(zhǔn)、固定，再將所述第一段保偏光纖另一端與直波導(dǎo)芯片的輸入光學(xué)端面按0°進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定；最后再用第二段保偏光纖與直波導(dǎo)芯片的輸出光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，作為調(diào)制光路的輸出尾纖。
[0016]當(dāng)調(diào)制光路中的相位調(diào)制器為直波導(dǎo)芯片且兩集成工藝在不同基底時(shí)，所述調(diào)制光路集成工藝的步驟為:
[0017]先在另一基底上制作出均無封裝外殼的起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片，并使二者光軸在一條直線上且偏振主軸45°，所述直波導(dǎo)芯片具有直波導(dǎo)電氣引線；再用一段光纖與起偏器芯片的輸入光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，作為調(diào)制光路的輸入尾纖；然后在起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片之間安裝第四只準(zhǔn)直器并使第四只準(zhǔn)直器的光軸與二者光軸重合，第四只準(zhǔn)直器與起偏器芯片、直波導(dǎo)芯片之間形成空間光路；最后再用一段保偏光纖與直波導(dǎo)芯片輸出光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，作為調(diào)制光路的輸出尾纖。
[0018]當(dāng)調(diào)制光路中的相位調(diào)制器為Y波導(dǎo)芯片且兩集成工藝在不同基底時(shí)，所述調(diào)制光路集成工藝的步驟為:
[0019]先在另一基底上制作無封裝外殼并具有Y波導(dǎo)電氣引線的Y波導(dǎo)芯片，再用一段光纖與Y波導(dǎo)芯片的輸入光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定作為調(diào)制光路的輸入尾纖；然后用第三段和第四段保偏光纖分別按照0°、90°與Y波導(dǎo)芯片的兩個(gè)輸出光學(xué)端面對(duì)準(zhǔn)、固定作為Y波導(dǎo)芯片的兩根輸出尾纖；最后將所述兩根輸出尾纖進(jìn)行熔融、拉絲、耦合制作成分光器，并留出其中一根尾纖作為調(diào)制光路的輸出尾纖。
[0020]當(dāng)調(diào)制光路中的相位調(diào)制器為直波導(dǎo)芯片且兩集成工藝在相同基底時(shí)，所述調(diào)制光路集成工藝的步驟為:
[0021]在所述分光棱鏡的端面貼合的第三只準(zhǔn)直器輸出光軸方向設(shè)置制作均無封裝外殼的起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片以形成空間光路，并使起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片的光軸在一條直線上且偏振主軸45°，所述直波導(dǎo)芯片具有直波導(dǎo)電氣引線；然后在起偏器芯片和直波導(dǎo)芯片之間安裝第四只準(zhǔn)直器并使第四只準(zhǔn)直器的光軸與二者光軸重合，第四只準(zhǔn)直器與起偏器芯片、直波導(dǎo)芯片之間形成空間光路；最后再用一段保偏光纖與直波導(dǎo)芯片輸出光學(xué)端面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、固定，作為調(diào)制光路的輸出尾纖。
[0022]—種具有集成化光路的全光纖電流互