CN101710138B - 一种用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，属于高电压测量技术领域。本发明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两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，在互相平行的两段光波导中的一段上方设置栅格电极。栅格电极由两条横向电极及连接横向电极的多条纵向电极构成。本发明提出的用于强电场测量的栅格覆盖光电集成传感器，可以满足大于100kV/m的强电场的测量，而且最大程度的减少电极下Si基涂层对于传感器静态工作点的影响，有效提高其测量稳定性；减少金的用量，降低产品成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，尤其适于高电场幅值情况下的隔离及强电场测量，属于高电压测量技术领域。
背景技术
在高电压或强电磁脉冲环境下，会产生非常强的瞬态电场。对之进行测量的关键部件就是电场传感器。该传感器不仅要求能够克服高电压、强电磁环境下的绝缘与电磁干扰问题，而且还要能够准确测量出这种幅值很高的瞬态强电场。
在传统高压测量领域，一般采用电磁感应原理的传感器。基于电磁感应原理的强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。常见的一种实现高压强电场测量的电磁传感器如图1所示。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。
因此，上述传统的电场传感器不能完全满足强电场测量的要求。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强电场传感器。
近年来，研究人员提出了采用单个波导上方覆盖电极的光电集成器件实现强电场的测量，具体结构如图2和图3所示。但是为了防止波导6上方的电极7金属离子渗透到波导中，影响固有光程差，就在波导与电极之间覆盖上Si基涂层8。经过研究发现由于该涂层的存在，在外界温度变化时，会对传感器的介电参数产生影响，从而对传感器的静态工作点的稳定性产生影响，也就直接影响了测量的准确度。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，利用栅格电极提高静态工作点的稳定性，利用晶体的电光效应将待测的空间电场直接调制到通过传感器光波导的光波信号上，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。本发明的另一个目的是通过改进电极形状设计，去掉波导上方的Si基涂层，以提高静态工作点的稳定性。
本发明提出的用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，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两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，在互相平行的两段光波导中的一段上方设置栅格电极；所述的栅格电极由两条横向电极及连接横向电极的多条纵向电极构成，构成栅格电极的两条横向电极之间的宽度与所述的互相平行的两段光波导之间的宽度之比为：1∶2～5，纵向电极的宽度L1与横向电极的长度L2之比为：L2∶L1＝1∶20～30，横向电极的长度L2与所述的互相平行的两段光波导的长度L3之比为：L3∶L2＝1～0.05∶1。
本发明提出的用于强电场测量的栅格覆盖光电集成传感器，可以满足强电场(大于100kV/m)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采用的栅格形状的电极，可以最大程度的减少电极下Si基涂层对于传感器静态工作点的影响，有效提高其测量稳定性。
2、本发明的光电集成传感器中金属元件尺寸尽可能地减少，对被测电场的影响更小，因此测量准确度更高。
3、本发明的光电集成传感器采用的电极材料，一般为金，其用量比已有的电极更少，因此可以大大降低产品成本。
4、本发明的光电集成传感器可以进行多种物理量的测量。不仅可以用于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。
5、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。
附图说明
图1为已有电磁感应原理的强电场传感器结构示意图。
图2为已有的光电集成传感器的结构示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4为本发明提出的栅格电极光电集成传感器的结构示意图。
图5是图4的B-B剖视图。
图6为应用本发明的光电集成强电场测量系统的示意图。
图1-图6中，1是外加电场，2是两个半金属球，3是电容，4是连接导线，5是具有电光效应的晶片，6是光波导，7是全覆盖电极，8是Si基涂层，9是栅格电极，9-1是横向电极，9-2是纵向电极，10是保偏光纤，11是强电场传感器，12是单模光纤，13是光电转换器，14是射频电缆，15是电信号检测器，16是激光源。
具体实施方式
本发明提出的用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，其结构如图4和图5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两端Y形分叉、中间互相平行的光波导6，在互相平行的两段光波导中的一段上方设置栅格电极9。栅格电极9由两条横向电极及连接横向电极的多条纵向电极构成，构成栅格电极的两条横向电极之间的宽度与所述的互相平行的两段光波导之间的宽度之比为：1∶2～5，纵向电极的宽度L1与横向电极的长度L2之比为：L2∶L1＝1∶10～30，横向电极的长度L2与所述的互相平行的两段光波导的长度L3之比为：L3∶L2＝1～0.05∶1。
本发明提出的用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器的工作原理是：测量系统中的光线输入到本发明的光电集成传感器，光波导6的输入端的Y分叉将光束分配成两个功率相等的光束，在两个非对称的条形波导中的光波，沿y轴方向分别传输以后，两个支路有一定的相位差，当不存在外界电场1的作用时，两条分支光波导中传播的光束存在着固有相位差φ0；当沿x轴方向施加外界电场1，由于上面的光波导被栅格电极9有效屏蔽，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。由于两条光路中的光波再合成时发生了干涉，在相移φ较小的条件下，激光的输出功率与外加电场近似成正比关系。因此，只要测量得到光功率，就可以得到待测强电场的值。
用本发明提出的用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器组成的强电场测量系统的结构示意图如图6所示。其工作原理是：激光源16输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)10耦合至本发明的强电场传感器11，该偏振光经外加电场，通过强电场传感器调制，输出的激光通过单模光纤(SMF)12传送至光电转换器13，并完成光功率到电压信号的转换，电压信号由射频电缆14传输至电信号检测器15，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16采用激光器STL5411。光电转换器13的作用是将光功率转换成电压信号输出。电信号检测器15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。
本发明提出的用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器中，在光波导6的一侧平行段上设计了栅格形状的电极9，该栅格电极由两条水平金属电极及连接水平电极的多条垂直电极构成。该设计与已有的的直接覆盖光波导电极不同，可以最大程度的减少电极等覆盖层对于传感器静态工作点的影响，因此可以有效提高测量稳定性。采用的栅格形状电极9附近的电场利用电磁场仿真技术进行了优化设计，通过参数的优化设计使之能够有效屏蔽电场对一侧光波导中光波的调制，从而能够实现两个光波导在外加电场下的相位差，实现电场测量之目的。
本发明中的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。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。设计完成的强电场传感器，经过Ti扩散或质子交换形成波导，并设置电极。
Claims (1)
1.一种用于强电场测量的栅格电极光电集成传感器，其特征在于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两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，在互相平行的两段光波导中的一段上方设置栅格电极；所述的栅格电极由两条横向电极及连接横向电极的多条纵向电极构成，构成栅格电极的两条横向电极之间的宽度与所述的互相平行的两段光波导之间的宽度之比为：1∶2～5，纵向电极的宽度L1与横向电极的长度L2之比为：L2∶L1＝1∶20～30，横向电极的长度L2与所述的互相平行的两段光波导的长度L3之比为：L3∶L2＝1～0.05∶1。
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