CN103336183A - 一种集成光波导三维电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成光电子领域，特别涉及一种集成光波导三维电场传感器。本发明通过将三只相同的光学三维电场传感器分别固定在正三棱柱支架的三个侧面上，克服了传统一维电场传感器测量性能受被测电场极化方向限制的缺点，实现对任意方向极化的电场进行探测的功能，并且该发明的三维电场传感器具有体积小、易封装、应用范围广泛等特点。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子领域，特别涉及一种集成光波导三维电场传感器。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，电子设备的复杂度越来越大，微电子的技术水平愈高，电子设备的抗毁能力愈差，恶劣的电磁环境会直接影响系统和设备的正常运行，因此电场强度的测量在电磁兼容方面占有重要地位。精确地测量电力设备周围空间电场及其变化对于电力设备的设计制造和安全运行有十分重要的意义（如要设计既小型化又高可靠性的电气设备绝缘结构，了解其电场分布状况是很重要的）。除此之外，在医学、生物等研究领域，电场测量作为一种实验手段也是不可或缺的。在地学领域，电场检测广泛应用于大气环流研究、地质灾害预报、石油及矿产勘探、大气污染检测等方面。航空航天领域，大气电场强度值被列为航天器能否发射的重要条件之一，为保障飞行器的安全升空，航天部门十分重视飞行器发射前雷电的实时探测和监测。
传统的电场测量方法包括有用于低频电场测量的电容式探头，用于射频和微波波段的光纤荧光测温电场传感器，以及用偶极子天线和整流二极管相连接的电场传感器等。但这些电场测量器通常为有源金属结构，会直接干扰被测电场从而导致测量精度下降。相反，集成光学电场传感器具有很好的电绝缘性，极大的带宽，平坦的频率响应，很高的灵敏度以及紧凑的结构等优势。因此正在被广泛地运用于电磁兼容及强电场的测量，成为当今的研究热点之一。
目前的集成光学电场传感器大多为一维传感器，只能对一个方向偏振的电场进行测量，也就是说如果空间电场极化方向和传感方向平行，传感效果就好。如果电场极化方向和传感方向垂直，则效果最差，理论上传感不到。因此，如果被测电场的极化方向未知，就无法使用单一的电场传感器获得准确的电场信息，如频率，强度等。然而实际中要测量的电场，其极化方向往往是不确定的，所以希望有一种新的电场传感器，实现无论电场的极化方向如何，电场传感器的放置方向如何，都可以准确地测量出电场信息。
三维电场传感器能满足全向工作的需求，对于该传感器，要求其体积尽可能的小，以满足更大范围的应用。曾经有国外学者提出一种单片的光波导二维传感器，但是由于现阶段工艺水平的制约，很难制作，真正实用化就更难了。因此，对于三维电场传感器尚且需要更加深入地研究。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明通过将三只相同的光学三维电场传感器分别固定在正三棱柱支架的三个侧面上，克服了传统一维电场传感器测量性能受被测电场极化方向限制的缺点，实现对任意方向极化的电场进行探测的功能，并且该发明的三维电场传感器具有体积小、易封装、应用范围广泛等特点。
本发明的技术方案是：一种集成光波导三维电场传感器，包括三只相同的LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器、正三棱柱支架，其特征在于：所述的三只LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器分别固定在正三棱柱支架的三个侧面上，每只集成光学电场传感器和其所在正三棱柱侧面的侧边平行，且每只集成光学电场传感器的电极与两平行光波导臂的夹角范围在54.6°至54.8之间。
其有益效果是：保证每只电场传感器和其所在正三棱柱侧面的侧边平行，这样可使得三只电场传感器的电极两两互相垂直即构成一种集成光学三维电场传感器，实现全向传感的功能。这种新型的集成光学三维电场传感器克服了传统一维电场传感器测量性能受被测电场极化方向限制的缺点，能对任意方向极化的电场进行探测，较原有的全向电场传感器表现出体积更小，结构更紧凑，更易于封装，应用范围更广泛等优点。
如上所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的LiNbO3集成M-Z 型电场传感器包括：LiNbO3 衬底上的马赫曾德尔干涉仪式光波导、金属金电极以及光波导和电极之间的二氧化硅缓冲层。其有益效果是：减少由于金属金电极吸收带来的光波损耗从而获得稳定的器件性能。
如上所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：马赫曾德尔干涉仪式光波导由输入Y分支光波导、两平行光波导臂和输出Y分支光波导三部分组成。其有益效果是：输入光由输入Y分支光波导分成两部分，经过两平行光波导臂传输后，由输出Y分支光波导将两路光合在一起产生干涉效应实现光强度调制。
如上所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的每只集成光学电场传感器的电极由金属金电极构成。其有益效果是：金属金电极接收空间电场信号并在金属金电极上感应出电压，然后利用LiNbO3晶体的电光效应改变光波导臂折射率进而改变两平行光波导中光的相位差，最终使它们在输出Y分支光波导处发生干涉效应实现光强度调制。
附图及附图说明
图1（a）是发明的集成光学三维电场传感器的横截面结构图;
图1（b）是发明的集成光学三维电场传感器三维结构示意图;
图1（c）是固定安装在正三棱柱支架上的每只 LiNbO3集成 M-Z 型电场传感器俯视图。
图2 是固定安装在正三棱柱支架上的每只 LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器的横截面图。
图3 是固定安装在正三棱柱支架上的每只 LiNbO3集成 M-Z 型电场传感器的马赫曾德尔干涉仪式光波导结构图。
图4 是固定安装在正三棱柱支架上每只 LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器的金属金电极结构图。
具体实施方式
附图标记说明:
附图1：1—LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器，2—正三棱柱支架，3— LiNbO3 衬底，4—马赫曾德尔干涉仪式光波导，5—金属金电极；
附图2：3—LiNbO3 衬底， 4—马赫曾德尔干涉仪式光波导，6—二氧化硅缓冲层；
附图3：7—输入Y 分支光波导，8—两平行光波导臂，9—输出Y分支光波导；
附图4：5—金属金电极，8—两平行光波导臂；
下面结合附图对本发明作进一步说明：
首先利用退火质子交换技术，在x切y传LiNbO3衬底上形成集成 M-Z 型 LiNbO3 光波导电场传感器的光波导，包括一个输入Y 分支光波导7，两平行光波导臂8和一个输出Y 分支光波导9。然后在制作光波导的晶片上覆盖一层二氧化硅缓冲层6以减少由于金属电极吸收带来的光波损耗从而获得稳定的器件性能。最后在二氧化硅缓冲层6上通过光刻、真空蒸镀及电镀工艺形成和两平行光波导臂8成54.7° 的金属金电极5，制作完成后采用绝缘材料进行封装便形成一只可实用的集成光学电场传感器。
将设计、制作、封装好的上述三只相同的LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器1按图1（a）、图1（b）图1（c）所示那样固定安装在一个正三棱柱支架2的三个侧面上，其横截面如附图2所示。保证每只安装好的集成光学电场传感器和其所在的正三棱柱侧面的侧边平行，这样即构成一种集成光学三维电场传感器。其中任一只LiNbO3 集成M-Z 型电场传感器包括：LiNbO3 衬底3上的马赫曾德尔干涉仪式光波导4、金属金电极5以及光波导和电极之间的二氧化硅缓冲层6。
如附图3所示，马赫曾德尔干涉仪式光波导4由输入Y分支光波导7、两平行光波导臂8和输出Y分支光波导9三部分组成。
如附图4所示，每只集成光学电场传感器的电极由一对与两平行光波导臂8成54.7°的金属金电极5构成。每只LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器的金属金电极5与两平行光波导臂8的夹角为54.7°。使得当三只电场传感器固定安装在一个正三棱柱支架2的三个侧面上时，它们的电极形成两两互相垂直的结构从而实现全向传感的功能。
本文所属的每只LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器的金属金电极5与两平行光波导臂8的夹角一般容许误差在0.1°之内，即角度范围可以在54.6°至54.8°之间，但优选54.7°。
综上，本发明通过设计、制作、封装三只电极与两平行波导臂成54.7° 的集成光学电场传感器，然后将它们安装固定在一个正三棱柱支架2的三个侧面上即使得三只电场传感器的电极两两互相垂直，最终构成一种三维电场传感器实现全向传感的功能。该三维电场传感器能对任意方向极化的电场进行探测，克服了传统一维电场传感器测量性能受被测电场极化方向限制的缺点，较原有的全向电场传感器表现出体积更小，结构更紧凑，更易于封装，应用范围更广泛等优点。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，这些等同变形和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种集成光波导三维电场传感器，包括三只相同的LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器、正三棱柱支架，其特征在于：所述的三只LiNbO3 集成 M-Z 型电场传感器分别固定在正三棱柱支架的三个侧面上，每只集成光学电场传感器和其所在正三棱柱侧面的侧边平行，且每只集成光学电场传感器的电极与两平行光波导臂的夹角范围在54.6°至54.8之间。
2.如权利要求1所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的每只集成光学电场传感器的电极与两平行光波导臂的夹角为54.7°。
3.如权利要求1所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的LiNbO3 集成M-Z 型电场传感器包括：LiNbO3 衬底上的马赫曾德尔干涉仪式光波导、金属金（Au）电极以及光波导和电极之间的二氧化硅缓冲层。
4.如权利要求3所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的马赫曾德尔干涉仪式光波导由输入Y分支光波导、两平行光波导臂和输出Y分支光波导三部分组成。
5.如权利要求1、2、3或4所述的集成光波导三维电场传感器，其特征在于：所述的每只集成光学电场传感器的电极由金属金电极构成。
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