CN105182094B - 集成光学二维电场传感器及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光学二维电场传感器及测量系统，该电场传感器包括铌酸锂基片、光波导和两组偶极子天线，其中铌酸锂晶体的表面通过钛扩散形成两条平行光波导，铌酸锂基片表面沉积一层氧化层，分别在两条光波导臂敷设偶极子天线，两组锥形偶极子天线极化方向正交。从而实现二维电场的测量，包括电场的方向、幅值和频率信息。本发明实现了在一块铌酸锂基片上集成了二维电场测量的功能，具有结构紧凑，体积小，工艺简单，测量精确度高、处理过程容易的优点。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体是涉及一种集成光学二维电场传感器及测量系统。
背景技术
测量电场的分布对高压电工程研究，如电晕放电、间隙放电和高功率电磁脉冲检测，如核磁爆脉冲等有着重要的指导作用。高压电中微秒级别瞬时脉冲的检测有利于理解长间隙放电的物理机制；高功率电磁脉冲的幅值和频率信息可用分析和评估其造成的危害，从而为电子设备的保护提供参考。传统的电场测量系统是采用电学的有源金属传感器。但电学传感器的金属部分如金属探头、同轴电缆对待测电场产生严重畸变，使得测量结果误差很大。且实际的电场干扰电场通常覆盖很宽频带，可能是几kHz到几十GHz。而传统的电学传感器只能工作在某个频点附近很窄的范围内，限制了其测量的带宽范围。为了克服传统电学传感器存在的局限性，研究人员利用了具有线性电光效应晶体如铌酸锂，制作了集成光学电场传感器，其具有灵敏度高、带宽大、体积小等优点。
集成光学电场传感器的研究目前主要集中在一维测量，这仅仅适用于电场方向明确的测量。然而，待测电场的实际方向往往未知。如果传感器的天线极化方向与待测电场方向不一致，测量得到电场幅值是实际电场在天线极化方向上的投影，不能准确地反映实际电场的幅值信息。即使知道待测电场方向，待测电场可能是变化的场，方向也可能随时变化，人为的改变传感器放置方向也不切实际。
所以电场传感器至少能测量一维以上的电场如二维电场和三维电场，才能满足实际电场测量的要求。平行平面电场和球面电场就是二维电场。例如，申请号为201210348311.8的中国专利文献公开了一种基于共路干涉的集成电场传感器，包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结。探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线；调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极。该文献中，集成电场传感器结构较为复杂，测量误差较大，测量准确性较低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种结构紧凑，处理过程简单，检测误差低，检测准确度较高的集成光学二维电场传感器，实现了二维电场矢量的测量。
本发明还提供了一种集成光学二维电场传感器测量系统，该系统测量方便，精度高。
一种集成光学二维电场传感器，包括铌酸锂基片，所述铌酸锂基片上覆设有氧化层，该氧化层面向铌酸锂基片一侧设有的两个平行设置的光波导，另一侧设有与两个光波导位置分别对应的两组偶极子天线，分别跨接不同光波导臂；所述两组偶极子天线的极化方向正交。
本发明中，铌酸锂基片表面的两条平行的光波导沿z向布置，即也是光波导的传输方向，通过钛扩散形成。两个光波导之间的间距为100μm-200μm。
作为优选，所述两组偶极子天线为锥形偶极子天线，其轴线方向与光波导传输方向之间的夹角θ分别为45度和135度。作为进一步优选，每组偶极子天线由两个分别设置在光波导两侧且中心对称的三角形子块组成，两个子块的底边与光波导传输方向相互平行，两个底边的中线构成所述的轴线。
本发明中，所述的偶极子天线为锥形结构。第一组偶极子天线的轴线方向与底边(z方向)成45°夹角，其极化方向为45°，在极化方向有最大电场响应，极化方向的垂直方向响应几乎为零；第二组偶极子天线的轴线方向与底边(z方向)成135°夹角，其极化方向为135°，在极化方向有最大电场响应，极化方向垂直方向的电场响应几乎为零。第一组偶极子天线和第二组偶极子天线的极化方向相互正交，可以分别测量二维电场矢量沿45°和135°两正交分量。
偶极子天线的几何尺寸，如间距Gap、底边宽度Wa和高度Ha会影响电场传感器的灵敏度和响应带宽。天线间距Gap越大，灵敏度越小，响应带宽几乎没变化；天线底边宽度Wa越窄，灵敏度越低，响应带宽越大；天线高度Ha越高，灵敏度越高，响应带宽越小。这些参数可通过仿真计算得到的。第一组偶极子天线和第二组偶极子天线有相同的间距、底边宽度和高度，两偶极子天线具有相同的灵敏度和响应带宽。作为优选，两组偶极子天线为镜面对称结构。作为优选，三角形子块的底边的宽度要小于三角形子块的高度。
作为优选，所述的氧化层为二氧化硅(SiO2)，目的是使得微波和光波更易实现相位匹配，同时减小由于金属天线吸收带来的光波损耗，厚度为300nm-500nm。
为了实现集成光学电场传感器二维电场矢量的测量，将两个极化方向正交的偶极子天线制作在同一铌酸锂基片的不同波导上，两偶极子天线分别测量二维电场矢量沿45°和135°两正交分量，最终矢量合成从而获得二维电场的方向、幅值和频率信息。将普通锥形偶极子天线设计成斜锥形偶极子，即天线的轴线方向与底边(z方向)成特定的角度45°和135°，从而改变锥形偶极子天线的极化方向为45°和135°。将两偶极子天线制作在同一基片上，其进一步提高了传感器的测量准确性，减小了传感器体积并简化了制作工艺。
作为优选，两组偶极子天线的材料为金属，如金。
本发明还提供了一种集成光学二维电场传感器测量系统，包括光源、以及与光源依次连接的保偏光纤、保偏光纤耦合器、电场传感器、单偏振光纤、光电探测器和信号处理单元，其特征在于，所述电场传感器为上述任一技术方案所述的集成光学二维电场传感器。
本发明提出的集成光学电场传感器，具有以下的特点:
本发明所提出的集成光学二维电场传感器是制作在同一片铌酸锂基片上，和传统的集成光学一维传感器体积相似，相比于已经提出的三维光学电场传感器，体积缩小了很多。
本发明所提出的集成光学二维电场传感器中的天线位于同一铌酸锂平面，距离较近，分别感应到的电场更能近似等同为同一位置的电场，测量误差小，测量准确性更高。
本发明所提出的集成光学二维电场传感器主要基于光波导中TE和TM模式的干涉原理，相比于基于马赫增德尔结构的光波导结构的集成光学电场传感器，其具有更好的温度稳定性。
本发明所提出的集成光学二维电场传感器由铌酸锂基片、光波导、两组偶极子天线、氧化层构成，结构紧凑，制作工艺成熟、简单。
本发明所提出的集成光学二维传感器是通过分别测量正交方向的两个电场值，最后直接矢量合成就可以得到待测电场矢量的方向和幅值，后续矢量合成处理过程简单。
附图说明
图1是本发明实施例中集成光学二维电场传感器的俯视结构图。
图2是图1所述集成光学二维电场传感器在虚线L处对应的横截面示意图。
图3是本发明实施例中集成光学二维电场传感器测量系统的结构框图。
图中，1为铌酸锂(LiNbO3)基片，2为光波导，3为第一组偶极子天线，4为第二组偶极子天线，5为氧化层。
具体实施方式
本发明提出的集成光学二维电场传感器结合附图和具体实施例详细说明如下：
如图1和图2所示，集成光学二维电场传感器具体包括铌酸锂(LiNbO3)基片1、光波导2、第一组偶极子天线3、第二组偶极子天线4、氧化层5；氧化层5覆盖在铌酸锂基片1上表面，两条光波导2覆设在氧化层5与铌酸锂基片1相连接的的底面上，第一组偶极子天线3和第二组偶极子天线4敷设在氧化层5顶面上，分别跨接不同的光波导2。
本发明实施例的铌酸锂基片1表面通过钛扩散形成两条平行的z向光波导2，两平行光波导2的间距为100μm-200μm。
两组偶极子天线的材料为金属，如金，且为锥形结构。两组偶极子天线的极化方向相互垂直。每组偶极子天线由两个分别设置在光波导两侧且中心对称的三角形子块组成，两个三角形子块为斜面三角形结构，其底边与光波导传输方向相互平行，两个底边的中线构成该组偶极子天线的轴线，两个底边相互靠近，两个顶角相互远离。三角形子块的底边的宽度要小于三角形子块的高度。
第一组偶极子天线3的轴线方向与底边(z方向)成45°，其极化方向为45°，在极化方向有最大电场响应，在极化方向的垂直方向的电场响应极其微弱，可忽略其影响；第二组偶极子天线4的轴线方向与底边(z方向)成135°，其极化方向为135°，在极化方向有最大电场响应，在极化方向的垂直方向的电场响应极其微弱，可忽略其影响。第一组偶极子天线3和第二组偶极子天线4的极化方向相互正交，且在各自的极化方向有最大电场响应，在对方的极化方向电场响应极小，可忽略，所以可以同时且独立地测量二维电场矢量沿45°和135°两正交分量，最终矢量合成两天线各自测量得到的电场分量，就可以得到待测二维电场矢量的幅值和方向。
偶极子天线的几何尺寸，如间距Gap、底边宽度Wa和高度Ha会影响电场传感器的灵敏度和响应带宽。天线间距Gap越大，灵敏度越小，响应带宽几乎没变化；天线底边宽度Wa越窄，灵敏度越低，响应带宽越大；天线高度Ha越高，灵敏度越高，响应带宽越小。上述这些参数可通过仿真实验得到。第一组偶极子天线3和第二组偶极子天线4有相同的间距、底边宽度和高度，两偶极子天线具有相同的灵敏度和响应带宽。因此需要根据实际使用的场合，综合考虑灵敏度和响应带宽范围，选择合适的偶极子天线尺寸。
所述的氧化层5为二氧化硅(SiO2)，目的是使得微波和光波更易实现相位匹配，同时减小由于金属天线吸收带来的光波损耗，厚度为300nm-500nm。
图3为本发明的一种集成光学二维电场传感器测量系统示意图。光源，如半导体激光器，输出线偏振光，经保偏光纤输入保偏光纤耦合器，分为两路等功率的线偏振光，再经过保偏光纤，分别输入电场传感器的两条光波导。与电场传感器输入端相连的保偏光纤的偏振轴以45°与其对接耦合。线偏振光在电场传感器光波导中可分为幅度相等且正交的两个模式，TE和TM波。TE波和TM波在光波导中分别有相速βTE，βTM。当铌酸锂基片上表面所在二维平面内待测电场为零时，天线无感应电场，光波导的折射率无变化，TE波和TM波的相速不发生改变，两偏振态光波之间无相位差变化；当铌酸锂基片上表面所在二维平面内待测电场不为零时，天线接收与其极化方向相同的电场，在天线间隙产生感应电压，感应电压在天线与波导的作用区域形成电场，作用于光波导。感应电场改变对应的作用区域光波导的折射率，从而改变了光波的相速。由于相速βTE，βTM的变化而使得TE波和TM波之间相位差发生变化。与电场传感器的波导输出端相连的单偏振光纤以45°与其对接耦合。两正交的TE波和TM波在单偏振光纤的偏振轴上发生干涉。干涉光输出经过单偏振光纤，进入光电探测器检测出相对应的电信号，电信号映射出待测电场的强度和频率信息。
该系统的传输函数表示为：
其中V为光电探测器检测出的电压；A为输出电压的最大值，由光电探测器的转换系数和光路光功率决定；b为消光比；为初始相位差；E为待测电场，Eπ为半波电场，传感器相位变化π所对应施加的电场强度。
第一组偶极子天线接收沿45°方向的电场分量，第二组偶极子天线接收沿135°方向的电场分量。最终两路光电探测器检测出的电信号分别进入信号处理单元，信号处理单元将通过电信号计算得到的电场分量合成实际电场矢量的方向、大小。
Claims (8)
1.一种集成光学二维电场传感器，包括铌酸锂基片，其特征在于，所述铌酸锂基片上覆设有氧化层，该氧化层面向铌酸锂基片一侧设有的两个平行设置的光波导，另一侧设有与两个光波导位置分别对应的两组偶极子天线；所述两组偶极子天线的极化方向正交；每组偶极子天线由两个分别设置在光波导两侧且中心对称的三角形子块组成，两个子块的底边与光波导传输方向相互平行，两个底边的中线构成该组偶极子天线的轴线。
2.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，所述两组偶极子天线为锥形偶极子天线，其轴线方向与光波导传输方向之间的夹角θ分别为45度和135度。
3.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，两组偶极子天线为镜面对称结构。
4.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，三角形子块的底边的宽度要小于三角形子块的高度。
5.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，两组偶极子天线的材料为金。
6.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，氧化层为二氧化硅，厚度为300nm-500nm。
7.根据权利要求1所述的集成光学二维电场传感器，其特征在于，两个光波导之间的间距为100μm-200μm。
8.一种集成光学二维电场传感器测量系统，包括光源、以及与光源依次连接的保偏光纤、保偏光纤耦合器、电场传感器、单偏振光纤、光电探测器和信号处理单元，其特征在于，所述电场传感器为权利要求1-7任一所述的集成光学二维电场传感器。
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