铌酸锂环形平面波导在波长解调应用中的关键技术研究

The goal of this project is to study a wavelength demodulation system of optical fiber sensor with characters of high precision and stability. Combined optoelectronic integrated technology with sensor technology, we propose a research direction of wavelength demodulation technology based on optical waveguide devices. In this research, we set up a theory model about the chiasma interference of multiple beam light, which provides future research direction. We study the interference character of four polarized light beam in PBS. Connection of wavelength and optical field distribution is also explored in this project. We not only propose the conception of annular optical waveguide but also set up a model..We design and optimize the configuration of annular optical waveguide and electropolar parameter of traveling wave. We take the annular optical waveguide as the optical access of two interference beam light and set up a theory model of wavelength demodulation with high stability character. We study the issue of optical waveguide device and optical fiber coupling and set up the theory model based on LiNbO3 optoelectronic device and system simulation. A novel technique about the wavelength demodulation is propose, which will start the new application of waveguide device in the field of wavelength demodulation..This project propose a novel technique: using optical waveguide device in the field of wavelength demodulation. This project will start a new studying orientation in the field of optical fiber sensor, and will have beneficial effect on optoelectronic technic and communication subject in intercross, infiltration and development. the anticipated results of this project will give advance to the science of optical fiber sensor considerably.

项目以研究高精度和高稳定性的光纤传感器波长解调系统为目标。将光电集成技术与波长解调技术相结合，提出基于光波导器件的波长解调技术研究方向；建立多束偏振光交叉干涉的理论分析模型，研究四束偏振光在PBS中干涉的相关特性，探索波长与光场分布的关系，为后续研究提供指导；提出将环形光波导应用于波长解调，建立环形光波导的模型，设计和优化环形波导结构和行波电极参数，将其作为两束干涉光的光通路，建立可实现高稳定性波长解调的理论模型；研究光波导器件与光纤耦合的问题；建立基于LiNbO3光电集成器件的理论分析模型与系统仿真，提出基于光波导器件的全新波长解调方案，研究光波导器件在波长解调领域中新的应用。.该项目提出将波导器件用于波长信号的解调，研究成果将促进我国光纤光栅传感领域上的一个崭新研究方向，促进光电集成技术与信息学科等的相互交叉、渗透及发展，预期成果可对我国光传感技术的发展起到一定的推动作用。

光纤传感器因其独特的结构和传感机理，广泛使用于电学传感器难以胜任的特殊领域。但某些特殊应用场景，光学传感器还有些卡脖子的关键问题亟待解决。项目组重点围绕光学传感器在工程应用中遇到的关键问题，在波长解调系统的微型化与高精度问题和柔直电力传输系统中光学传感器与大功率芯片的集成问题两方面开展研究：.1.基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调结构.传统的光纤光栅波长解调方法有很多，其中干涉解调法是性价比较高的方法，但传统的非平衡M-Z型干涉解调法使用铌酸锂材料做波导，上下臂长差非常小，调制电压对改变光程差效果有限，从而导致解调精度变低。为了提高解调精度，如何增加臂长差成为了关键所在。项目组研究人员提出了一种大光程差铌酸锂环形波导器件结构方案。设计方案中信号臂和参考臂两臂之间加金属电极，无需增加调制电压，选择增加臂长差来影响相位差，从而提高解调精度。.2.适用于大功率芯片的光学传感及其工程化.随着电力传输的电流等级不断攀升，其核心部件大功率换流芯片的可靠性成为系统安全运行的关键。作为柔性直流输电换流阀的核心元件，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的运行状态将直接关系到整个系统的安全。目前对IGBT结温的实时监测在国内外一直都是个难点，光纤传感是解决该问题的最佳方案。项目组研究人员将研制的新型铌酸锂环形平面波导传感系统引入IGBT芯片内部，实现集成化直接测量，为柔性直流输电换流阀的在线监测提供了一种新的思路和方法，并在此基础上研制应用于柔直换流站的实时监测系统，填补了国内该领域的空白，满足我国军事、民生安全和光电信息产业的发展需求。.在本项目资金资助下发表期刊论文11篇、会议论文4篇；申报发明专利9件；研制基于光学传感的大功率IGBT芯片实时采集模块；研制“柔直换流站安全运行监测系统”一代样机和二代样机；两代样机在工程中试用，共计获得国家电网公司等企业7项横向项目资助，累计获得项目资助622.69万元，用于推进采集模块和样机产品化，工程化。