CN105353231A - 一种适用于二维电场测量的光学传感装置 - Google Patents

一种适用于二维电场测量的光学传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于二维电场测量的光学传感装置，包括依次相连的输入保偏光纤、传感单元、输出单模光纤、光电探测器和信号处理单元，所述传感单元包括：铌酸锂基底；设置在铌酸锂基底上的第一Y光波导和两个马赫增德尔结构光波导；所述第一Y光波导输入端与激光源输出端相连，输出端分别与两个马赫增德尔结构光波导的输入端相连；所述两个马赫增德尔结构光波导的输出端与光电探测器相连；在每个马赫增德尔结构光波导的任一单个波导臂敷设偶极子天线，两个偶极子天线的极化方向正交。本发明利用一个传感头元件实现二维电场测量，优点是灵敏度高，测量精确度高、处理过程容易。

Description

一种适用于二维电场测量的光学传感装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体是涉及一种适用于二维电场测量的光学传感装置。
背景技术
随着电子设备的大量使用，电磁干扰变得日益严重，很大程度上影响了其他设备的使用，所以测量设备周围的电场分布并采取抗干扰措施变得十分必要。传统的电场测量系统是采用电学的有源金属传感器。但电学传感器的金属部分如金属探头、同轴电缆对待测电场产生严重畸变，使得测量结果误差很大。且实际的电场干扰电场通常覆盖很宽频带，可能是几kHz到几十GHz。而传统的电学传感器只能工作在某个频点附近很窄的范围内，限制了其测量的带宽范围。为了克服传统电学传感器存在的局限性，研究人员利用了具有线性电光效应晶体如铌酸锂，制作了集成光学电场传感器，其具有灵敏度高、带宽大、体积小等优点。
集成光学电场传感器的研究目前主要集中在一维测量，这仅仅适用于电场方向明确的测量。然而，待测电场的实际方向往往未知。如果传感器的天线极化方向与待测电场方向不一致，测量得到电场幅值是实际电场在天线极化方向上的投影，不能准确地反映实际电场的幅值信息。即使知道待测电场方向，待测电场可能是变化的场，方向也可能随时变化，人为的改变传感器放置方向也不切实际。
所以电场传感器至少能测量一维以上的电场，才能满足实际电场测量的要求。平行平面电场和球面电场就是二维电场。例如，申请号为201210348311.8的中国专利文献公开了一种基于共路干涉的集成电场传感器，包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结。探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线；调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极。该文献中，集成电场传感器结构较为复杂，测量误差较大，测量准确性较低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种灵敏度高、准确性高的适用于二维电场测量的光学传感装置，实现了利用一个传感头进行二维电场矢量测量的功能。
一种适用于二维电场测量的光学传感装置，包括激光源、以及与激光源依次相连的输入保偏光纤、传感单元、输出单模光纤、光电探测器和信号处理单元，所述传感单元包括：
铌酸锂基底；
设置在铌酸锂基底上的第一Y光波导和两个马赫增德尔结构光波导；所述第一Y光波导输入端通过输入保偏光纤与激光源输出端相连，输出端分别与两个马赫增德尔结构光波导的输入端相连；所述两个马赫增德尔结构光波导的输出端通过输出单模光纤与光电探测器相连；在每个马赫增德尔结构光波导的任一单个波导臂敷设偶极子天线，两个偶极子天线的极化方向正交。
作为优选，所述铌酸锂基底由铌酸锂晶体制成，铌酸锂晶体的取向为x切(垂直于晶体表面)y向传光。
实际制作时，在铌酸锂晶体表面通过钛扩散或者质子交换形成一分二的第一Y光波导和两个马赫增德尔结构的光波导，一分二的第一Y光波导为功率等分Y波导，第一Y光波导的两个输出端分别和马赫增德尔结构的光波导相连，分别在两个马赫增德尔结构光波导的单个波导臂敷设锥形偶极子天线。作为优选，所述的马赫增德尔结构光波导是由两个第二Y光波导和两条平行直波导构成，两个第二Y光波导的分支分别与两条平行直波导相连。
作为优选，所述两个偶极子天线为锥形天线，两个锥形天线的轴线方向与对应直波导传输方向之间的夹角分别为45度或135度。本发明中所述的偶极子天线为锥形结构，其中一个偶极子天线设计成斜45°，即天线的轴线方向与底边成45°，另一个偶极子天线设计成斜135°，即天线的的轴线方向与底边成135°，两个偶极子天线的极化方向相互正交。
作为优选，每个偶极子天线由两个分别设置在光波导两侧且中心对称的三角形子块组成，两个子块的底边与对应直波导传输方向相互平行，两个底边的中线构成所述的轴线。
作为优选，两个偶极子天线为镜像结构。
本发明中，所述的激光源为高稳定性光源，输出为线偏振光，如半导体激光器。
本发明中，所述的传感装置的灵敏度和响应带宽与偶极子天线的尺寸，如天线间距、宽度和高度有关。偶极子天线的材料为金属，如金。
作为优选，所述的信号处理单元用于处理两个光电探测器输出的电信号：进行频率识别，矢量幅值合成，方向计算。可以采用DSP或者FPGA。
本发明提出的一种适用于二维电场测量的光学传感装置，能够实现灵敏度高、准确性高、处理过程容易的二维电场测量，其中的传感单元结构简单，制作工艺成熟，适用于电磁兼容，电磁脉冲等电场测定。
附图说明
图1是本发明实施例一种适用于二维电场测量的光学传感装置结构框图；
图2是本实施例中传感装置中的传感单元结构示意图；
图3是传感单元中两个偶极子天线的结构示意图。
上述附图中：
1、激光源；2、输入保偏光纤；3、传感单元；4、铌酸锂基底；5、第一Y光波导；6、马赫增德尔结构的光波导；7、第一偶极子天线；8、第二偶极子天线；9、输出单模光纤；10、光电探测器；11、信号处理单元。
具体实施方式
本发明提出的一种适用于二维电场测量的光学传感装置结合附图和具体实施例详细说明如下：
本实施例的一种适用于二维电场测量的光学传感装置如图1-3所示，该装置包括激光源1、输入保偏光纤2、传感单元3、输出单模光纤9、光电探测器10和信号处理单元11。
其中，激光源1的输出端依次通过输入保偏光纤2与传感单元3的输入端相连，传感单元的两路输出端分别通过两根输出单模光纤9、与两个光电探测器10的输入端相连，光电探测器10的输出端与信号处理单元11相连。
所述的激光源1为高稳定性光源，输出为线偏振光，如半导体激光器。
所述的传感单元3以铌酸锂晶体为基底，即铌酸锂基底4，在铌酸锂基底4表面通过钛扩散或者质子交换形成一分二的第一Y光波导5和两个马赫增德尔结构的光波导6，第一Y光波导5的输入端通过输入保偏光纤2与激光源1的输出端相连，第一Y光波导5的两个输出端分别和马赫增德尔结构的光波导6的输入端相连，分别在两个马赫增德尔结构光波导6的单个波导臂敷设锥形偶极子天线。
所述的铌酸锂晶体取向为x切(垂直于晶体表面)y向传光。
所述的马赫增德尔结构的光波导6是由两个第二Y光波导和两条平行直波导构成，两个第二Y光波导的分支分别与两条平行直波导相连。
所述的偶极子天线有两个，均为锥形结构。第一偶极子天线7的轴线方向与底边成45°，极化方向为45°，在极化方向有最大电场响应，在极化方向的垂直方向，电场响应相对微弱，可忽略其影响。第二偶极子天线8的轴线方向与底边成135°，极化方向为45°，在极化方向有最大电场响应，在与极化方向垂直的方向电场响应相对微弱，可忽略其影响。第一偶极子天线7和第二偶极子天线8的极化方向相互正交，且在各自的极化方向有最大电场响应，在对方的极化方向电场响应极弱，可以忽略其影响，所以可以同时且独立地测量二维电场矢量的正交的两个分量，最终矢量合成两天线各自测量得到的电场分量，就可以得到待测二维电场矢量的幅值。
所述的传感装置的灵敏度和响应带宽与偶极子天线的尺寸，如天线间距、宽度和高度有关。偶极子天线的材料为金属，如金。
所述的信号处理单元11用于处理两个光电探测器输出的电信号：进行频率识别，矢量幅值合成，方向计算。可以采用DSP或者FPGA。
本发明的工作原理如下：
激光源输出的线偏振光经过保偏光纤传输，耦合后进入电场传感单元，光波在电场传感单元的光波导内以TE模传输。光波经过第一Y光波导分为等功率的两路，两路光分别进入马赫增德尔结构光波导。
当无外界电场时，光波经过马赫增德尔光波导的两个非对称的波导传播后，光波合成发生干涉，输出的光功率为一定值。当铌酸锂上表面所在二维平面内存在与天线极化方向相同的电场E时，天线接收电场并在两天线上产生感应电压V，感应电压在天线与波导的作用区域形成电场，作用于光波导。电极间的电场改变了作用光波导的折射率，从而改变了光波导中光波的相位。上下波导臂光波的相位差发生变化，光波合成发生干涉，输出的光功率发生变化。
马赫增德尔结构光波导传输函数表示为：
其中P为马赫增德尔结构波导输出的光功率；A为马赫增德尔结构波导输出的光功率峰值，与光源功率和传输损耗等有关；b为马赫增德尔结构波导的消光比；φ0为马赫增德尔结构波导的上下臂存在的固有相位差；V为电极间的感应电压，则有V＝k·E，k为常数，E为入射电场。Vπ为马赫增德尔结构波导的半波电压，表示为
V π = λ 0 · G a p Γ · n e 3 r 33 · L
其中λ0为真空中的波长；Gap为天线间距；Г为电光重叠积分因子，表示光场和电场相互作用的程度；ne为非寻常光折射率；r33为光波导的电光系数；L为天线与光波导作用区域长度。
上述公式中的未知参数可通过标准电场进行标定。
平面内的二维电场可以任意分解为相互垂直的电场分量，其中一个马赫增德尔结构波导的天线极化方向为45°，受到45°方向电场的调制；另外一个马赫增德尔结构波导的天线极化方向为135°，受到135°方向电场的调制。两路马赫增德尔结构波导输出的已调光波分别经过光电探测器转换为相对应的电信号，再经过信号处理单元计算出待测电场沿45°和135°的正交分量，并进行矢量合成，得出待测电场矢量的幅值、方向，频率。

Claims (7)

1.一种适用于二维电场测量的光学传感装置，包括激光源、以及与激光源依次相连的输入保偏光纤、传感单元、输出单模光纤、光电探测器和信号处理单元，其特征在于，所述传感单元包括：
铌酸锂基底；
设置在铌酸锂基底上的第一Y光波导和两个马赫增德尔结构光波导；所述第一Y光波导输入端与激光源输出端相连，输出端分别与两个马赫增德尔结构光波导的输入端相连；所述两个马赫增德尔结构光波导的输出端与光电探测器相连；在每个马赫增德尔结构光波导的任一单个波导臂敷设偶极子天线，两个偶极子天线的极化方向正交。
2.根据权利要求1所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，所述铌酸锂基底由铌酸锂晶体制成，铌酸锂晶体的取向为x切y向传光。
3.根据权利要求1所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，所述的马赫增德尔结构光波导是由两个第二Y光波导和两条平行直波导构成，两个第二Y光波导的分支分别与两条平行直波导相连。
4.根据权利要求3所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，所述两个偶极子天线为锥形天线，两个锥形天线的轴线方向与对应直波导传输方向之间的夹角分别为45度或135度。
5.根据权利要求4所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，每个偶极子天线由两个分别设置在光波导两侧且中心对称的三角形子块组成，两个子块的底边与对应直波导传输方向相互平行，两个底边的中线构成所述的轴线。
6.根据权利要求5所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，两个偶极子天线为镜像结构。
7.根据权利要求1所述的适用于二维电场测量的光学传感装置，其特征在于，所述信号处理单元为DSP或者FPGA。
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