CN101251559A - 一种用于强电场测量的无电极型的光电集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，属于高电压测量技术领域。该传感器包括采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成的输入端Y形分叉、中间平行对称两分支的光波导，利用畴工程方法在其中一分支光波导的表面覆盖一畴反转区域，其特征在于，在该光波导输出端连接有构成2×2的3dB波导定向耦合器的光波导。本发明可以满足强电场(大于3000kV/m)的测量；不仅可以测量强电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息；具有位置分辨能力强、响应速度快、频带宽的特点。
Description
技术领域
本发明属于高电压测量技术领域，特别涉及一种用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，尤其适于高电场幅值情况下的隔离及强电场测量。
背景技术
在高电压或电磁脉冲环境下，会产生非常强的电场。对之进行测量的关键部件就是电场传感器。该传感器不仅能够耐受强电场环境，而且要能够测量出幅值很高的强电磁场；为了精确测量，还要求对待测电场影响较小。
在高电压工程电场测量领域，传统电磁感应原理的传感器尺寸较大，整体为金属结构，且电源问题也难以解决。利用集成光学技术研制的光电集成电场传感器与传统的传感器相比具有较大优势，其尺寸小、频带宽、可测场强高，为高电压工程领域的强电场测量提供了一种有效的手段。但其依然是采用金属电极结构感应电场，如图1所示，采用具有电光效应的x方向切割的晶片2，在该晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成Y形分叉输入、输出端、中间互相平行的马赫-曾德尔干涉仪结构(简称M-Z结构)的光波导，在互相平行的两段光波导中的一段的表面覆设一个金属电极4。
在外加电场1(图中箭头为该电场方向)通过金属电极4作用到光波导3上，调制了光波导的输出功率，通过光电转换成电压信号后，检测输出电压的变化来得到外加电场。由于金属结构的存在，在抵近测量时传感器对待测场将产生影响；同时，金属电极结构的电容也限制了传感器频带宽度的提高。
也有人针对弱电场测量研究了基于畴反转技术的无电极光电集成电场传感器，此种传感器也是基于马赫-曾德尔干涉仪结构的，如图2所示，采用具有电光效应的z方向切割的晶片5，在该晶片表面用质子交换方法形成M-Z结构的光波导3，在其中的一段表面利用钛扩散的方法覆盖一段畴反转区域6。畴反转是指通过外界作用使铁电晶体内部的铁电畴的极化方向发生反转的现象。畴反转区域的电畴中，与奇数阶张量相联系的晶体物理性质，如非线性光学系数、电光系数、压电系数等的符号将发生改变。
由于畴反转区域6的存在，两个分支光波导3在外加电场1(该电场方向与晶片垂直指向外)调制下的产生相位差，通过Y分叉干涉后，相位差转换为输出光功率的差异，通过光电转换成电压信号后，检测输出电压的变化来得到外加电场。这种传感器是针对弱电场测量的，其设计中主要突出了传感器的灵敏度，传感器的测量范围较小。同时，由于工艺条件的限制，马赫-曾德尔干涉仪结构的固有相位差不易控制，使得传感器的静态工作点也难以控制，给传感器的使用带来了较大不便。
因此，现有传感器不能完全满足强电场抵近测量的要求。在高电压与强电磁环境领域，迫切需要研究开发一种具有没有金属电极结构、抗干扰能力强、频带宽度大、体积小、使用方便的强电场传感器。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，可以有效地控制输出信号的固有相位差，具有响应速度快、频带宽的特点，可以测量强电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息，特别适用于强电场测量。
本发明提出的用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，包括采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成的输入端Y形分叉、中间平行对称两分支的光波导，利用畴工程方法在其中一分支光波导的表面覆盖一畴反转区域，其特征在于，在该光波导输出端连接有构成2×2的3dB波导定向耦合器(简称3dB耦合器)的光波导。
该定向耦合器是由两个相距很近且相互平行的光波导构成的，由于间距很小，光波导折射率分布发生了畸变，从而引起两波导中的导模相互耦合。对于一个输入、输出端均为两支光波导的2×2的3dB耦合器，其中任一光波导输入光功率的一半会耦合到另一光波导输出光功率中。
该电畴反转区域内电光系数的符号反向，在传感器分支波导两臂之间形成推挽结构，实现电光调制。
上述光电集成传感器中的晶片为铌酸锂晶片。上述畴反转区域采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、外加电场极化法中的任何一种得到。
本发明的特点：
本发明利用晶体的电光效应实现电光转换，通过晶体波导上的畴反转区域将空间电场物理量直接调制到光波信号上，通过检测经过调制的光波信号，即可以还原待测的电场信号。该传感器采用电磁场仿真技术进行设计，由于没有金属元件且晶片本身可以耐受很高的电场，完全适用于高电压与强电场的测量领域。该传感器中的光通路利用集成光学技术中的光波导工艺实现，畴反转区域通过集成光学技术中的畴工程方法实现。
本发明的有益效果：
1、本发明的光电集成传感器可以进行多种物理量的测量。不仅可以测量强电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息，是一种时域测量传感器。
2、本发明的光电集成传感器中没有金属元件，对被测电场的影响很小，且感应电场作用的有效区域很小，位置分辨能力强。
3、本发明的光电集成传感器采用了Y分叉-平行分支波导-3dB耦合器的波导结构形式，可以有效地控制输出信号的固有相位差，即传感器的静态工作点。
4、本发明的光电集成传感器的响应速度快、频带宽，因此大大提高了测量频率范围和响应速度。
5、本发明的传感器的最大可测电场幅值仅受限于晶体本身的矫顽电场，通过合理设计的传感器可以测量大于3000kV/m的电场。
附图说明
图1为现有光电集成强电场传感器结构示意图。
图2为针对弱电场测量的基于畴反转技术的无电极光电集成电场传感器示意图。
图3为本发明的无电极光电集成传感器的结构示意图。
图4是图3的A-A的剖视图。
图5为应用本发明的无电极型光电集成强电场测量系统的示意图。
具体实施方式
本发明提出的用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，其结构如图3和图4所示，包括采用具有电光效应的z方向切割的晶片5，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成输入端Y形分叉、中间平行对称的分支光波导3、输出端连接一个2×2的3dB耦合器的光波导7，用畴工程方法在互相平行的两段光波导中的一段上形成的表面覆盖一电畴反转区域6，该区域的宽度与光波导宽度相同，电畴反转区域6(覆盖光波导)的长度选取，决定于待测场的强度。
本发明的实施例的一组结构尺寸参数是：输入单偏振光波长1550nm，光波导宽度7μm，3dB耦合器的耦合间距10μm，耦合段长度3mm，畴反转区域的宽度7μm，长度3mm，中间平行对称的分支光波导长度为5mm。
上述光电集成传感器中的晶片1可以为铌酸锂(LiNbO3)晶片。上述电畴反转区域为采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、外加电场极化法中的任何一种得到。利用离子扩散法制备电畴反转区域时，晶体表面提供离子的金属膜覆盖一支光波导，该离子的金属膜的长度为预计实现反转区域的长度，其宽度与光波导通道的宽度相同，扩散完毕后通过蚀刻的方法去掉该金属膜；利用质子交换加快速热处理法制备电畴反转区域时，质子交换区段覆盖一支光波导，该质子交换区段长度为预计实现反转区域的长度，其宽度与光波导通道的宽度相同；利用外加电场极化法制备电畴反转区域时，晶体表面的金属电极覆盖一支光波导，该金属电极长度为预计实现反转区域的长度，其宽度与光波导通道的宽度相同，极化完毕后通过蚀刻的方法去掉该金属电极。
本发明的具体应用强电场测量系统的结构如图5所示。具体的工作原理是：激光源8产生的线偏振激光通过保偏光纤9输入传感器10，传感器输入端的Y分叉将光束分配成两个功率相等的光束，分别进入两个对称的条形波导，沿y轴方向分别传输；当沿z轴方向施加外界电场1，电畴反转区域中电光系数的符号相反，由于Pockels效应，在两个分支波导中传输的光束产生相位差
之后两条光路中的光波进入一个3dB耦合器发生耦合，并分别输出；在
较小的条件下，两个输出端的激光的输出功率都与外加电场成正比关系。取其中一个输出端的信号耦合输出，输出的光信号通过单模光纤11输入光电转换器12，将光功率信号转换为电压信号，经由射频电缆13进入电信号检测器。因为光电转换器12输出的电压信号与输入的光功率信号成正比，后者又和外加电场成正比，所以通过检测电压信号即可得到的外加电场。
本发明的无电极型的光电集成传感器可以用于高电压工程领域的强电场测量，包括工频电场测量、电力系统操作冲击电场测量、雷电冲击电场测量和快速暂态脉冲电场测量等。不仅可以测量待测电场的幅值，而且可以测量待测电场的时域波形，可以用于研究电力系统设备的运行状况，长空气间隙放电的过程机理和其他需要测量强电场的应用领域。
Claims (3)
1、一种用于强电场测量的无电极型光电集成传感器，其特征在于，包括采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成的输入端Y形分叉、中间平行对称两分支的光波导，利用畴工程方法在其中一分支光波导的表面覆盖一畴反转区域，其特征在于，在该光波导输出端连接有构成2×2的3dB波导定向耦合器的光波导。
2、如权利要求1所述的光电集成传感器，其特征在于，所述的晶片为铌酸锂晶片。
3、如权利要求1所述的光电集成传感器，其特征在于，所述电畴反转区域的制备是采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、外加电场极化法中的任何一种畴工程方法。
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