CN102288839B - 光电集成三维电场传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电集成三维电场传感器系统，属于电场测量技术领域，该系统包括激光源、保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤、传感头、偏振分束器、输出单模光纤和光接收机。其中，激光源的输出端依次通过保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤与传感头的输入端相连，传感头的输出端依次通过保偏尾纤、偏振分束器、输出单模光纤与光接收机的输入端相连。传感头为在与铌酸锂板的表面通过钛金属扩散形成三条平行贯穿的光波导；在第一光波导的表面两侧敷设垂直的偶极子天线和电极，在第三光波导的表面敷设屏蔽电极。本发明适用于检测三维电场，具有工艺简单，空间分辨率高的优点，可以实现抵近测量。

Description

光电集成三维电场传感器系统

技术领域

本发明属于电场测量技术领域，涉及一种基于电光效应的光电集成电场传感器，可应用于三维电场的测量，尤其适于高电场幅值情况下的抵近测量。

背景技术

电场测量正面临着越来越多的需求：在电磁兼容领域，射频电场的测量可用于研究电子设备所产生的电磁辐射，同时可检测外界电场对电子设备本身的影响，此类电场具有幅值低和频率高的特点。在电力系统中，直流、工频及瞬态电场的测量可用于评估设备的绝缘安全，研究局部放电及电晕放电等现象，此类电场具有幅值高和频带宽(DC-100MHz)的特点。在核电磁脉冲领域，电磁辐射的测量可用于研究核电磁辐射的危害及其防护，此类电场上升沿可达数ns，幅值可达数kV/m。传统的电磁式电场传感器已无法满足电场测量对带宽、响应速度、电磁兼容等方面的要求。诞生于20世纪80年代的光电集成电场传感器，经过近30年的发展，可以满足上述各领域电场测量的要求。

值得主意的是，目前关于光电集成电场传感器的研究主要集中于一维测量，即仅适用于电场方向已知的测量。由于电场强度为矢量，至少测量二维电场才能满足方向未知的电场测量要求：对于平行平面场和旋转球面场，必须测量二维电场才能得出电场强度矢量；对于其他方向未知的电场，需要测量三维电场才能求得电场强度矢量。为解决此问题，有人研制了三维电场传感器[K Tajima，R Kobayashi等，“基于马赫-曾德干涉仪的各向同性光学电场传感器的发展”，IEICE Transactions Electron，2002，E85-C(4)：961-967]，图1是其截面剖示图，本质上是将三个一维电场传感头S固定在三棱柱101的三个面上，102是圆柱形的封装管壳。图2是该三维电场传感器系统示意图，激光源103中的光束分别通过输入光纤104进入3支传感头，三支传感头分别测量三个方向的电场。从波导中输出的光通过输出光纤105传输至光接收机106，即可获得三个方向的电场，经过一定的算法可求得合成场强。

但是，已有的这种三维电场传感器的空间分辨率差，三支传感头分别位于截面边长为cm量级的三棱柱的三个面上，在应用中把所测的合成场强看做是三棱柱中心处的电场强度矢量，这种近似会带来较大误差。此外，这种传感器的工艺复杂，传感头的感应方向需要与三棱柱的边成54.7°的角度。因此，上述已知方案受空间分辨率等因素的限制，无法完成强电场抵近测量。

已有共路干涉仪型传感器系统的结构如图3所示，包括激光源207、输入保偏光纤208、传感头S、输出保偏光纤209、偏振分束器210和光探测器211。其中传感头S采用Z向传光的铌酸锂(LiNbO₃)晶体212，在晶体表面利用钛(Ti)金属扩散法制作沿Z方向的直通光波导213。

该传感器的工作原理为：激光源207产生的线偏振光通过输入保偏光纤208进入光波导213后按照TE和TM两种模式传输；在X或Y方向电场的作用下，两种模式的传播常数β_TE和β_TM将发生互补的变化，使波导出射的光变成椭圆偏振光；通过输出保偏光纤209将椭圆偏振态传输至偏振分束器210，经过检偏后偏振态信号转变为光强度信号。光强度信号传输至光探测器211后转变为电压信号，该电压信号与外加电场成正弦函数关系。传感器的传递函数如式1所示。

其中k₁和k₂分别为传感器在X和Y方向电场作用下的刻度因数；

为传感器的光学偏置点，取决于光波导的尺寸；b为传感器的消光比，取决于光纤与光波导的耦合工艺；A反映了光路损耗及光电转换系数。由式1可知，这种共路干涉仪型电场传感器同时受到X和Y两个方向电场的调制作用，只能应用于方向已知的电场测量。

发明内容

本发明的目的旨在克服已有技术的不足之处，提供一种光电集成三维电场传感器系统，适用于检测三维电场，具有工艺简单，空间分辨率高的优点，可以实现抵近测量。

本发明提出的一种光电集成三维电场传感器系统，该系统包括激光源、保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤、传感头、偏振分束器、输出单模光纤和光接收机。其中，激光源的输出端依次通过保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、第一段保偏尾纤与传感头的输入端相连，传感头的输出端依次通过第二段保偏尾纤、信号偏振分束器、输出单模光纤与光接收机的输入端相连；其特征在于，该传感头为在沿垂直光轴方向切割与沿平行光轴方向通光的铌酸锂板的表面通过钛金属扩散形成三条平行贯穿的光波导；在第一光波导的表面敷两侧设垂直的偶极子天线和电极，在第三光波导的表面敷设屏蔽电极。

所述偶极子天线可为两个三角形，对称设置在电极的两侧且与电极垂直，所述屏蔽电极为直接覆盖在第三光波导表面的长条状电极。

所述偶极子天线可为两个三角形，对称设置在电极的两侧且与电极垂直，所述屏蔽电极可为在第三光波导的两侧敷设的两条天线电极，该电极两端覆盖第三光波导。

为解决已有的光电集成三维电场传感器存在的问题，将三个一维的共路干涉仪型传感头制作在同一基片上，从而改进三维传感器的空间分辨率并简化工艺。传感头的基本结构是直波导，通过检偏把电场对光偏振态的改变转化成对光强度的调制，从而实现对电场的测量。

本发明的特点：

本发明利用其波导结构简单的特点，通过在相邻的直通波导表面或附近设计不同的天线及电极结构，可实现三维电场的测量。

本发明在具有电光效应的基片上制作三条直通光波导用于电场传感。在三条直通波导的表面或附近设计不同的天线和电极结构，可用于感应不同方向的电场。

本发明在应用时，传感头的输入端和输出端可分别通过长度短于50cm的保偏尾纤与起偏器和偏振分束器相连，可以提高测量系统的稳定性。

与原有的光电集成三维电场传感器相比，本发明的有益效果如下：

1)提高了测量的准确性。不同波导的间距为100μm量级，把所测三个位置处的电场矢量近似为同一个位置处的电场矢量所产生的误差较小。

2)减小了对原场的干扰。本发明所提出三维传感头的尺寸和已有的一维传感头尺寸相近，比已有的三维传感头小很多。

附图说明

图1为现有三维光电集成电场传感器的截面剖示图。

图2为现有三维光电集成电场传感器系统示意图。

图3为现有共路干涉仪型电场传感器系统示意图。

图4为本发明实施例1的结构示意图。

图5为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

本发明的光电集成三维电场传感器系统结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种光电集成三维电场传感器系统，该系统包括激光源、保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤、传感头、偏振分束器、输出单模光纤和光接收机。其中，激光源的输出端依次通过保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、第一段保偏尾纤与传感头的输入端相连，传感头的输出端依次通过第二段保偏尾纤、偏振分束器、输出单模光纤与光接收机的输入端相连；该传感头为在Y向(与基板垂直方向)切割Z向(与激光束平行方向)通光的铌酸锂(LiNbO₃)板的表面通过钛(Ti)金属扩散形成三条平行的直通(贯穿铌酸锂(LiNbO₃)板的表面)的光波导；在第一光波导的表面两侧敷设垂直的偶极子天线和电极，在第三光波导的表面敷设屏蔽电极。

本发明把三个共路干涉仪型传感器集成在同一条光波导上，其原理是：在Z向传光X向(或Y向)切割的铌酸锂(LiNbO₃)晶体表面通过钛(Ti)金属扩散制作直通波导后，该波导中的光可受X向或Y向电场(E₁或E₂)的调制，如式1所示。在式1中，仅通过一个方程无法求解两个未知量E₁和E₂。考虑相邻三条波导的作用，并将作用于三条光波导的电场近似为相等，则有

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中k_mn为第m条波导对某方向电场响应的刻度因数。为求解该方程，需使刻度因数矩阵的行列式不为0，即

$\mathrm{\Δ}=\left|\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right|\≠0---\left(3\right)$

式2揭示了进行三维电场测量的方法，在实际应用中可通过校准实验获取刻度因数矩阵。为满足式3的要求，需要改变相邻波导对电场的响应。一种有效的方案是在波导表面或附近敷设天线和电极，利用不同的天线及电极结构，使各条波导对应的刻度因数产生差异。

本发明的实施例1结构如图4所示，包括激光源L、保偏光纤耦合器C、输入保偏光纤1、起偏器P、保偏尾纤2、传感头S、偏振分束器PBS、输出单模光纤3和光接收机D；其中，激光源L的输出端依次通过保偏光纤耦合器C、输入保偏光纤1、起偏器P、保偏尾纤2与传感头S的输入端相连，传感头S的输出端依次通过保偏尾纤2、偏振分束器PBS、输出单模光纤3与光接收机D的输入端相连；该传感头S为在Y向切割Z向通光的铌酸锂(LiNbO₃)基板4的表面通过钛(Ti)金属扩散形成三条直通的光波导5、光波导6和光波导7；在光波导5的表面两侧敷设垂直的偶极子天线8和电极9，在光波导7的表面敷设屏蔽电极10。

本实施例的工作原理：传感头S的输入、输出端分别通过长约50cm的保偏尾纤2与起偏器P和偏振分束器PBS相连：激光源L产生的线偏振光通过保偏光纤耦合器C后分为三束，线偏振光进入光波导之前，先经过光纤起偏器起偏，再通过保偏尾纤2进入光波导，这样可以消弱输入保偏光纤1所带来的影响；从传感头S的三个波导出射的光经过保偏尾纤2进入偏振分束器PBS进行椭圆偏振光的检偏，转变为光强度信号后通过输出单模光纤3传输至光接收机D，这样可以减弱输出光纤3带来的影响。

在光波导5的表面附近敷设垂直的偶极子天线8和电极9，偶极子天线8可感应X方向电场，光波导5本身受X和Y方向电场的调制作用，因此光波导5结合偶极子天线8、电极9可测量X和Y方向的电场，所对应的刻度因数为k₁₁和k₁₂。光波导6直接感应X和Y方向的电场，所对应的刻度因数为k₂₁和k₂₂，由于偶极子天线8及电极9的作用，使k₁₁＞＞k₂₁。在光波导7的表面敷设屏蔽电极10，该屏蔽电极导致光波导7分别受到X、Y和Z方向电场的调制，所对应的刻度因数为k₃₁，k₃₂和k₃₃。则该三维电场传感器的传递函数可表示为

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& 0\\ k_{21}& k_{22}& 0\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中刻度因数矩阵的行列式为Δ＝k₃₃×(k₁₁k₂₂-k₁₂k₂₁)，由于k₃₃≠0，且k₁₁＞＞k₂₁，k₂₁≈k₂₂，可保证Δ≠0，满足式3的要求。

更具体的说，该实施例的设计参数为：为保证激光在波导中的单模传输，光波导5～7的宽度可设计为10μm；光波导的最大长度取决于铌酸锂(LiNbO₃)晶圆的尺寸，最小长度取决于测量的灵敏度要求，本实施例的三个光波导的长度可选为40mm。第一光波导的偶极子天线8的长度可选为2mm，为了提高天线的频响特性，可将天线8设计为底部宽度为100μm的两个三角形，对称设置在两电极9的两侧且与电极垂直。两电极9的长度和间距决定了传感器的灵敏度以及传感器的频响特性，两电极9的长度可选为2mm，与光波导的间距可选为80μm。屏蔽电极10为直接覆盖在光波导7表面的长条状电极，其长度亦决定了传感器的灵敏度，长度可选为10mm，宽度可选为100μm。

本发明的实施例2结构如图5所示，本实施例2的结构与图4的实施例基本相同，不同之处为光波导7的两侧敷设了两条一体化的天线电极11，电极两端覆盖光波导7该天线电极可感应Z方向的电场，与图4所示的实施例相比，可大大提高刻度因数k₃₃。天线电极11的长度可选为500μm，电极的与光波导7的间距可选为80μm。

Claims (3)

1.一种光电集成三维电场传感器系统，该系统包括激光源、保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤、传感头、偏振分束器、输出单模光纤和光接收机；其中，激光源的输出端依次通过保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、第一段保偏尾纤与传感头的输入端相连，传感头的输出端依次通过第二段保偏尾纤、偏振分束器、输出单模光纤与光接收机的输入端相连；其特征在于，该传感头为在沿垂直光轴方向切割与沿平行光轴方向通光的铌酸锂板的表面通过钛金属扩散形成三条平行贯穿的光波导；在第一光波导的表面两侧敷设垂直的偶极子天线和电极，在第三光波导的表面敷设屏蔽电极。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述偶极子天线为两个三角形，对称设置在电极的两侧且与电极垂直，所述屏蔽电极为直接覆盖在第三光波导表面的长条状电极。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述偶极子天线为两个三角形，对称设置在电极的两侧且与电极垂直，所述屏蔽电极为在第三光波导的两侧敷设的两条天线电极，该电极两端覆盖第三光波导。

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