CN101251560A - 用于电场测量的耦合型光电集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电场测量的耦合型光电集成传感器，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，在该晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成输入Y形分叉、中间互相平行的光波导；还包括在所述光波导的输出端连接的3dB耦合结构的光波导；在所述中间互相平行的两段光波导中的一段的上表面设置一个电极。本发明从根本上实现两路光波导的推挽干涉固有相位差为90度；不仅可以测量电场信号的幅值，还可用于测量电场的频率、相位等信息；且采用光波导进行信号传输，金属元件尺寸较少，对被测电场的影响很小，位置分辨能力强。无需使用电源就可以实现测量，大大提高了测量频率范围和响应速度，非常适合高电压区域的测量。
Description
技术领域
本发明属于高电压测量技术领域，特别涉及适于高电场幅值情况下的隔离及强电场测量的耦合型光电集成传感器。
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。该传感器不仅要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。
在传统高压测量领域，一般采用电磁感应原理的传感器。常见的一种实现高压电场测量的电场传感器如图1所示；由两个金属半球感应器2及用连接导线4连接在其中的测量电容3所组成；其工作原理为：外加电场1通过两个半球2感应出电压，通过测量电容3上的电压来得到外加电场的值。这种基于电磁感应原理的电场传感器具有以下几个缺点。1、传感器尺寸较大，不能实现空间精确定位测量；2、由于采用电磁感应原理，因此为整个传感器金属结构，对于被测电场的分布影响非常大；3、电源问题难以解决；4、一般采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带宽的路径，很难同时兼顾低频和高频性能，测量的频率范围受到很大限制，难以实现瞬态信号的测量。因此，已有的电场传感器不能完全满足电场测量的要求。在高电压与强电磁环境领域，迫切需要研究开发一种具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积的电场传感器。
近年来，国内外又陆续开发出基于M-Z干涉仪结构的电场测量传感器，但是由于现有M-Z结构为了适用于电场测量，两条分支光路必须采用不对称设计，以保证两条光路之间的固有相位差为90度。这样就大大受限于工艺技术。就我们已有的试验结果，采用这种不对称结构及现有工艺实现的传感器固有相位差很难保证在90度附近。因此，急需设计一种新型结构的传感器，使两条光波导干涉信号的固有相位差为90度。3dB耦合器是光电子领域中的成熟器件，主要用于将光纤中的传输光一分为二，相当于光学中的分束器。本发明考虑借用3dB耦合器的耦合原理，实现两条光路光波的干涉。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于电场测量的耦合型光电集成传感器，利用晶体的电光效应实现电光转换，将空间电场物理量直接调制到通过传感器未被屏蔽的光波导的光波信号上，利用3dB耦合器实现屏蔽和未被屏蔽光波导两路光信号的干涉，以达到在对称光波导结构中实现干涉信号固有相位差90度的目标。通过检测干涉的光波信号，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，通过参数的优化设计使之能够完全适用于高电压与电场的测量领域。
本发明提出的用于电场测量的耦合型光电集成传感器，其特征在于，包括采用具有电光效应的晶片，在该晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成输入Y形分叉、中间互相平行、输出3dB耦合结构的光波导；在所述中间互相平行的两段光波导中的一段的上表面覆设一个电极。
所述电极的宽度与光波导宽度之比为：2～20∶1，电极的长度与两平行的光波导长度之比为1～0.05∶1。
上述光电集成传感器中的晶片，可以为铌酸锂晶片、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种，或者为具有光电效应的聚合物材料。
本发明提出的用于电场测量的耦合型光电集成传感器，可以满足电场的测量，而且还具有以下特点和优点：
1、本发明的光电集成传感器的突出优点是利用3dB耦合器实现了两路光波导中光信号的干涉，并通过采集任意一路的光信号实现电场测量，这样就绕开了光电集成传感器实现两路光信号的固有相位差为90度的设计和工艺难题；而且通过对称设计两路光波导，可以使两路光波的功率实现较好的对称性，有效提高测量的准确度。
2、本发明的光电集成传感器可以进行多种物理量的测量。不仅可以测量电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息。
3、本发明的光电集成传感器中金属元件尺寸较少，对被测电场的影响很小，因此位置分辨能力强。
4、本发明的光电集成传感器中采用光波导进行信号传输，传感器中无需使用电源就可以实现测量，即无源测量，因此非常适合高电压区域的测量。
5、本发明的光电集成传感器的响应速度快、灵敏度高，因此大大提高了测量频率范围和响应速度。
附图说明
图1为现有电磁感应原理的电场传感器结构示意图。
图2为本发明的光电集成传感器的结构示意图。
图3是图2的A-A的剖视图。
图4为应用本发明的光电集成电场测量系统的示意图。
具体实施方式
本发明提出的用于电场测量的耦合型光电集成传感器，其结构如图2所示，采用具有电光效应的晶片5，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成互相平行的三段光波导6、第一段两平行的光波导形成Y形分叉的一个输入端71，第三段两平行的光波导形成两个平行的输出端72，第二段两平行的光波导的两端分别向外倾斜与第一、第三段的两光波导相连构成3dB耦合器9，在第一段互相平行的两段光波导中的一段的上表面敷设一个电极8，电极8的宽度与光波导71宽度之比为2～20∶1，电极8的长度与光波导71长度之比为1～0.05∶1；3dB耦合器9中的光波导宽度与其它光波导相同，平行段光波导长度一般取1-10mm。例如一个实施例中，电极的宽度与光波导宽度之比为：20∶1，电极的长度与光波导71长度之比为0.9∶1，3dB耦合器9中平行段光波导长度为6mm，。
另一个实施例中，电极的宽度与光波导宽度之比为：2∶1，电极的长度与光波导71长度之比为0.2∶1；3dB耦合器9中平行段光波导长度为1.5mm。
上述光电集成传感器中的晶片，可以为铌酸锂(LiNbO3)晶片、硅酸铋(Bi12SiO20)、锗酸铋(Bi4Ge3O12)和磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的任何一种，或者为具有光电效应的聚合物材料。本发明的一个实施例中，晶片的材料为铌酸锂(LiNbO3)。
光电集成传感器采用集成光电工艺制作。设计完成的电场传感器，经过Ti扩散或质子交换形成光波导、Y分叉、3dB耦合器，并在晶片上淀积基层金属，制作电极，并通过光刻确定电极图形，完成电极覆设，电极可以采用高纯度金属层，本发明的一个实施例中采用金电极。
本发明提出的用于电场测量的耦合型光电集成传感器的工作原理是：测量系统中的光波输入到本发明的光电集成传感器，光波导输入端的的Y分叉6将光束分配成两个功率相等的光束，在两个对称的平行波导71中的光波，沿z轴方向施加外界电场1，由于上面的光波导被金属电极8挡住，电极对正其覆盖的分支光波导所在区域起到屏蔽和削弱作用，作用在两条光波导上的电场具有不同的幅值，由于Pockels效应，在两个分支光波导中传输的光束产生相位差φ。两条光波导中的光波在3dB耦合器9的作用下发生干涉，在相移φ较小的条件下，任何一路光波导激光的输出功率与外加电场成线性关系，且两臂的变化呈推挽结构。因此，只要测量得到任何一路光波导的光功率，或者两路光波导光功率的差值，就可以得到待测电场的值。
用本发明提出的耦合型光电集成传感器组成的电场测量系统的结构示意图如图4所示。其工作原理是：激光源10输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)11耦合至本发明的电场传感器12，该偏振光经外加电场，通过电场传感器调制，输出的激光通过单模光纤(SMF)13传送至光电转换器14，并完成光功率到电压信号的转换，电压信号由射频电缆15传输至电信号检测器16，通过对电压信号的检测得到被测电场的大小。该系统中的激光源10可以采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411。光电转换器14的作用是将光功率转换成电压信号输出，其型号为：NewFocus 1592。电信号检测器16根据待测信号的特征可以选用相应的示波器、频谱仪、接收机等，完成电信号的测量与记录。
Claims (3)
1、一种用于电场测量的耦合型光电集成传感器，包括采用具有电光效应的晶片，在该晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成输入Y形分叉、中间互相平行的光波导；其特征在于，还包括在所述光波导的输出端连接的3dB耦合结构的光波导；在所述中间互相平行的两段光波导中的一段的上表面设置一个电极。
2、如权利要求1所述的光电集成传感器，其特征在于，所述电极的宽度与光波导宽度之比为：2～20∶1，电极的长度与两平行的光波导长度之比为1～0.05∶1。
3、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、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种，或为具有光电效应的聚合物材料。
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