CN108459210B - 一种无电极结构的无源脉冲电场探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种无电极结构的无源脉冲电场探测器。该探测器同时实现偏置可设置、探头无源和探头无电极化，解决了探测器在核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、超宽带等环境中的应用问题。其结构包括光源和前端探头；光源为可调谐偏振窄谱光源；前端探头包括管壳和晶体；管壳和晶体均为长方体；晶体封装在管壳内；通过钛扩散在晶体表面制备波导波导分为x切y传波导、z切y传波导、y切x传波导以及z切x传波导四种；晶体上的波导两端分别作为光信号输入端和输出端，输入端耦合保偏光纤，输入光偏振方向分别与o光主轴、e光主轴在45°方向对齐，输出端先与检偏器‑45°耦合，再与保偏光纤慢轴对准耦合。

Description

一种无电极结构的无源脉冲电场探测器

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种无电极结构的无源脉冲电场探测器。

背景技术

高空电磁脉冲(HEMP)的场强幅度高、频率范围宽、覆盖面积广，对电子电气设备及系统造成威胁。目前电磁脉冲场环境主要采用IEC6100-2-9中规定的电场峰值50kV/m、前沿2.5ns、半高宽23ns，相应的核电磁脉冲模拟器也依照此标准建设。近年来，随着HEMP模拟装置下各类实验的开展，对电场的测量提出了越来越高的要求。在HEMP环境下的电磁脉冲测量要求探测器的带宽宽、抗干扰能力强、对被测场扰动小。在雷电电磁脉冲(LEMP)、超宽带(UWB)、高功率微波(HPM)等强电磁环境下的电场测量要求与之类似。

国内在核爆电磁脉冲电场测量方面开展了大量工作，主要实现的方式为基于微分测量的电场探测器、基于原始信号测量的光纤传输式电场探测器和基于集成光学的无源电场探测器。前两种电场探测器的研制相对成熟，并已用于核电磁脉冲环境及其效应参数的测量。基于微分测量的电场探测器基于电缆传输，抗干扰能力相对较差，不适于远距离的电场信号传输，基于原始信号测量的光纤传输式电场探测器为有源探测器，需要对前端供电，同时上述两类探测器均含有较多金属成分和较大体积对被测信号容易形成干扰，特别是在狭小空间的电场测量时受到限制。基于集成光学的无源电场探测器利用晶体的电光效应，设计的探测器具有体积更小、带宽更宽、抗干扰能力更强的特点，同时集成光学技术发展成熟，相应的探测器设计技术是目前研究较多的一种技术。但长期以来，将集成光学技术应用于电场测量时，其存在的偏置点设置困难，偏置随温度漂移严重和含有金属电极的问题成为制约其向应用发展的瓶颈。例如基于42m晶体的体电光调制技术设计的电场探测器传输损耗大、且存在偏置点温度漂移问题。广泛使用的M-Z结构的铌酸锂电场探测器具有较高的集成度和较小的传输损耗，但其偏置设置困难，导致其温度稳定性差。电压设置偏置的方式导致前端探头有源，且包含大量金属成分。通过不等臂M-Z结构配合激光器调谐实现了偏置的调节，但其结构导致其必须设计金属电极实现电场感应。目前，并未能同时具有偏置可设置、探头无源且无电极三方面优势的光学探测器出现。

发明内容

为针对现有的技术缺陷，本发明中通过设计形成一种基于铌酸锂晶体的无电极结构的无源脉冲电场探测器，该探测器同时实现偏置可设置、探头无源和探头无电极化，解决了探测器在核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、超宽带等环境中的应用问题。

该探测器的基本设计原理是：

探测器部分由光源和探头构成。探头部分包括管壳和电光晶体，制作时首先设计一定结构的光路，然后采用成熟的集成光学技术在晶体上制作光波导，并将其封装于管壳中进行固定。其中晶体为探测器的核心部分，基于的电光效应，当晶体受到外加电场作用时，其折射率发生变化，进而在特殊的光学结构中形成光功率变化。通过监测输出端光功率，从而实现电场信号的测量。

为了实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

本发明提供的无电极结构的无源脉冲电场探测器，包括光源和前端探头；

光源为可调谐偏振窄谱光源；

前端探头包括管壳和晶体；管壳和晶体均为长方体；晶体封装在管壳内；通过钛扩散在晶体表面制备波导，其传播的光中心波长为1550nm；

波导分为x切y传波导、z切y传波导、y切x传波导以及z切x传波导四种；其中，x、y、z为晶体折射率主轴的方向，x轴和y轴均为o光主轴，z轴为e光主轴；

波导切割和传播方向分为四种情况：

x切y传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，再绕管壳高度方向轴逆时针旋转10度；

z切y传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴逆时针旋转90度，再绕管壳高度方向轴逆时针旋转10度；

y切x传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴顺时针旋转10度；

z切x传传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴顺时针旋转100度；

晶体上的波导两端分别作为光信号输入端和输出端，输入端耦合保偏光纤，输入光偏振方向分别与o光主轴、e光主轴在45°方向对齐，输出端先与检偏器-45°耦合，再与保偏光纤慢轴对准耦合。

进一步地，上述可调谐偏振窄谱光源通过光纤输出，其中心波长为1550nm，调谐范围大于3nm，调谐精度小于20pm。

进一步地，上述晶体采用铌酸锂材料制成。

进一步地，上述管壳采用集成光学中常用的陶瓷管壳，尺寸设计主要权衡两方面因素，一方面保证内部晶体不受损伤，一方面保证尽量小的体积。具体尺寸按照探测器的灵敏度要求对应的晶体长度确定。

设计中电场感应方向与折射率主轴具有一定夹角。根据不同材料、不同晶体切向和不同传播方向下电场测量方向与主轴夹角计算结果，在封装时按相反方向旋转，保证电场测量方向与管壳正交。典型结构的角度计算方法见具体实施措施，其余结构与之类似。

此种设计中，输入光通过波导时沿两主轴方向分为幅值完全相等的两个分量，在外加电场的作用下，晶体折射率发生变化，进而影响两分量光的相位，形成与外加电场呈正比的相位差变化量。在通过输出端的检偏器之后，两分量的光耦合，输出光的光功率随被测电场产生变化，通过检测输出光功率实现了外加电场测量。探测器的半波电场(表征灵敏度的参数，半波电场越大，灵敏度越低)由晶体长度决定，晶体长度越长，形成的半波电场越低。

本发明的优点在于：

1、本发明采用的探测器继承了光学探测器带宽宽的特点，如晶体长度为1cm时，其理论带宽可达到5GHz，远远高于现有基于原始信号测量的光纤传输式电场探测器的500MHz，探测范围更大。

2、本发明的探测器将体电光调制技术用于铌酸锂晶体，并合理选取晶体切向、传播方向和在管壳内布局，根据光路结构形成的感应电场方向，设计一定倾斜角度，保证被测电场方向与管壳方向垂直。设计中按照输入光同时包含o光和e光分量的原则，通过折射率差异的方式在传播中形成相位差，从而产生偏置，并利用其偏置与波长相关的特点，通过改变输入光波长的方式实现了其温度可控。

3、与现有技术相比，本发明的探测器通过上述方法取代前端探头施加偏置电压的方式实现探头无源，同时还基于直波导结构取代经典的共模M-Z结构，实现了探头的无电极化，使其成为纯光学的非金属结构，具有极强的抗电磁干扰能力。同时由于其尺寸(<5cm×2cm×1cm)较现有用于电磁脉冲测量的基于光电集成的金属壳体的探测器小很多，其对被测场扰动更小。

附图说明

图1为本发明无电极结构的无源脉冲电场探测器的结构图；

图2为本发明探头部分光路结构示意图；

图3为探头壳体与晶体封装夹角示意图；

图4为传感器感应电场方向示意图。

1-光源、2-保偏光纤、3-管壳、4-晶体、5-波导、6-检偏器。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面结合附图对本发明进一步描述：

实施例：

传感器包结构如图1所示，包括光源1和前端探头两个部分。

光源1要求位可调谐偏振窄谱光源，通过保偏光纤2与前端探头连接。前端探头由管壳3和晶体4构成，管壳3外形为长方体，主要起固定封装作用，采用绝缘陶瓷材料，尺寸控制在5cm×2cm×1cm内。晶体4采用铌酸锂作为材料，通过钛扩散方式在材料上制备波导5，传播的光波长为1550nm。晶体结构如图2所示，光沿Y方向传播，输入光场极化方向与X、Z轴呈45°夹角，检偏器6后通过保偏光纤2引出，检偏器6的偏振方向平行于XZ平面，且与输入光偏振方向垂直。

(1)结构原理模型

在体电光调制的传感器中，传感器输入输出模型为：

式中，I_in,I_out分别为输入和输出光功率，g为传输损耗，Δφ为两折射率主轴光分量通过波导后形成的相位差；

作为典型的铌酸锂晶体，受外加电场作用时，晶体折射率变化为：

式中，n_i为折射率椭球方程中各项的折射率，γ₂₂、γ₁₃、γ₃₃、γ₅₁为铌酸锂晶体的电光张量，E_X,E_Y,E_Z分别为外加电场在X,Y,Z三方向分量。

以x切y传结构的探头为例为例，当仅存在Y和Z方向电场时，通过长度为L的光路后，两极化方向的相位差为：

式中λ为光波长，L为波导长度，n_o和n_e分别为o光和e光折射率，E_YZ为外加电场在YZ平面的分量，θ为E_YZ与Z轴夹角，A和δ为引入的参数：

则通过光路后相位变化可分为交流和直流两部分。交流部分的相位变化与施加电场大小和方向相关，决定探测器的灵敏度和测量方向；直流部分的相位变化为固定相位差，受波导长度和激光波长的影响，决定探测器的工作点。

(2)电场传感

交流部分相位变化表示为：

在YZ平面选取δ为0°参考方向，新参考方向下δ的角度为：

θ'＝θ-δ

则

式中，E'为总电场在参考方向的分量。

可以看出，实际上对电场探测器的电场为外加电场在参考方向上的分量，测量方向与Z轴呈δ角，如图4所示。若将其偏置点设为π/2，忽略其直流项，传感器的传输函数可表示为：

E_π为传感器半波电场，代表相位变化一个π所需的外加电场：

铌酸锂是典型的3m晶体，材料的参数见表1。根据相关参数，可近似计算出对应的角度δ和半波电场E_π(波长1550nm，波导长度L＝1cm)。为便于传感器在测量中的使用，保证被测电场方向与管壳宽度方向平行，设计中将晶体与管壳呈δ角布放，此处δ取10度，如图3所示。探测器的最大测量值按半波电场的四分之一计算，其不失真的最大测量值约140kV/m。

表1

按照上述同样的方法，可求得当z切y情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向逆时针旋转90度，再绕管壳高度方向逆时针旋转10度。

当y切x传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向顺时针旋转10度；

当z切x传传情况下晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向顺时针旋转100度；

(3)偏置设置

两分量直流部分相位变化表示为：

此部分相位变化决定探测器的工作点，在实际工作点设置时可调节激光器波长，使：

若激光器波长变化范围为Δλ_max，则只需保证在其变化范围内波长改变一个周期，便可使探测器从任意工作点状态调节至最佳工作点。

激光器波长调节精度为Δλ，若要求在一个周期内调节步进数大于m次，则有

在此设计中，波导长度取1cm，一个周期内调节步进数大于100，要求激光器的中心波长1550nm，变化范围大于3nm，最小调节精度小于20pm。目前的商用器件满足此要求。

通过此种方式可实现任意偏置点的设置，当温度等外界因素导致偏置点偏离最佳位置时，可通过实时跟踪光功率变化，根据反馈结果改变光源波长来实现偏置点的调节。

Claims (4)

1.一种无电极结构的无源脉冲电场探测器，其特征在于：包括光源和前端探头；

光源为可调谐偏振窄谱光源；

前端探头包括管壳和晶体；管壳和晶体均为长方体；晶体封装在管壳内；通过钛扩散在晶体表面制备波导，其传播的光中心波长为1550nm；

波导分为x切y传波导、z切y传波导、y切x传波导以及z切x传波导四种；其中，x、y、z为晶体折射率主轴的方向，x轴和y轴均为o光主轴，z轴为e光主轴；

波导切割和传播方向分为四种情况：

x切y传情况下：晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，再绕管壳高度方向轴逆时针旋转10度；

z切y传情况下：晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴逆时针旋转90度，再绕管壳高度方向轴逆时针旋转10度；

y切x传情况下：晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴顺时针旋转10度；

z切x传传情况下：晶体的摆放方式为晶体按照切面朝上，传播方向沿管壳长边后，绕传播方向轴顺时针旋转100度；

晶体上的波导两端分别作为光信号输入端和输出端，输入端耦合保偏光纤，输入光偏振方向分别与o光主轴、e光主轴在45°方向对齐，输出端先与检偏器-45°耦合，再与保偏光纤慢轴对准耦合；

波导输入光按照同时包含o光和e光分量的原则，通过折射率差异的方式在传播中形成相位差，从而产生偏置。

2.根据权利要求1所述的无电极结构的无源脉冲电场探测器，其特征在于：

所述可调谐偏振窄谱光源通过光纤输出，其中心波长为1550nm，调谐范围大于3nm，调谐精度小于20pm。

3.根据权利要求1或2所述的无电极结构的无源脉冲电场探测器，其特征在于：所述晶体采用铌酸锂材料制成。

4.根据权利要求3所述的无电极结构的无源脉冲电场探测器，其特征在于：管壳采用集成光学中常用的陶瓷管壳。

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