CN109975618B - 抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法 - Google Patents

抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法，芯片包括铌酸锂晶片、两平行直波导、T形电极、两平行条形电极、反射膜。本发明提供的电场传感芯片通过设置两条相同的直波导、T形电极和两片相同的条形平行电极，使得被测电场信号对两波导中的光波产生相反的调制作用，而由温度等外部因素引起的直流漂移相同，在系统输出端采用电信号采集处理器进行差分运算即可抵消直流漂移，有效地克服了集成光波导电场传感器普遍存在直流漂移问题，实现稳定、准确地对电场进行测量。

Description

抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法
技术领域
本发明涉及一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法，属于电磁场测量技术领域。
背景技术
集成光电子技术应用集成光子与集成电子的制作工艺将光电子单元或器件集成在一片基片上，具有体积小、重量轻、性能优越等优点，具有广阔的应用前景与发展空间。集成电光电场传感器具有频带宽、体积小、绝缘性好、抗干扰能力强等优点，在国防、电力、航空航天等领域具有重要应用研究价值。但是，由于传感器所用晶体的折射率会受温度、应力、湿度等外界环境因素的影响而发生变化，导致器件的静态工作点随外界环境因素的变化发生漂移，即产生直流漂移。
为解决这一问题，如文献“Bulmer C H,Moeller R P,Burns W K.Linearinterferometric waveguide modulator for electromagnetic-field detection[J].Optics Letters,1980,5(5):176.”和文献“Howerton M W,Bulmer C H,Burns WK.Linear 1×2directional coupler for electromagnetic field detection[J].Applied Physics Letters,1988,52(22):1850-1852.”所述。目前普遍采用的办法是，设计制作集成光波导马赫增德尔干涉仪的波导臂具有四分之一的长度差，或者设计传感器为3dB耦合器结构，将器件的静态工作点设置在π/2。但是这种方法并没有对直流漂移进行抑制，因此当外界环境因素发生变化时，传感器的静态动作点依然会发生漂移。
发明内容
本发明提供了一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法，通过在同一片铌酸锂晶片表面设置两条结构尺寸相同的平行直波导，并在两平行直波导周围设置T形电极和平行电极，在两平行直波导末端端面设置反射膜，在系统输出端采用信号采集处理器进行差分处理，可以有效地抑制直流漂移对传感芯片的影响。
本发明的技术方案是：一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，包括：
铌酸锂晶片1、两平行直波导2、T形电极3、两平行条形电极4、反射膜5；
在一片铌酸锂晶片1表面设置两平行直波导2，在两平行直波导2的外侧设置两平行条形电极4，T形电极3中带一个悬空端的边位于两平行直波导2的内侧，T形电极3中带两个悬空端的边与两平行直波导2垂直，在两平行直波导2的末端端面设置反射膜5，在两平行直波导2的输入端面进行抛光处理。
所述T形电极3中带一个悬空端的边与两平行条形电极4之间的距离相等。
一种采用抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统，所述测量系统包括：波长可调激光器6、保偏光纤7、1×2保偏光耦合器8、三端口保偏光环形器9、单模光纤10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、传输电缆13、信号采集处理器14以及集成光波导电场传感芯片；
波长可调激光器6由保偏光纤7与1×2保偏光耦合器8的输入端相连接；1×2保偏光耦合器8的两输出端经保偏光纤7与两个三端口保偏光环形器9的端口1相连接；三端口保偏光环形器9的端口2经保偏光纤7与两平行直波导2相连接；两平行直波导2末端的反射膜5反射光再次进入两平行直波导2，并由保偏光纤7输入三端口保偏光环形器9的端口2，再由环形器9的端口3输出；三端口保偏光环形器9端口3输出光由单模光纤10分别接入第一光电探测器11和第二光电探测器12；第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号由传输电缆13与信号采集处理器14相连接；电信号采集处理器14，对第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号进行采集与计算处理，最后输出被测电场信号。
一种采用抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统进行直流漂移抑制的方法，所述方法为：
当集成光波导电场传感芯片接收到水平电场E时，会在T形电极3与两平行条形电极4之间产生方向相反的感应电压V1与感应电压V2，利用铌酸锂晶片1的电光效应，该感应电压将对两平行直波导2中传输的光波产生相反的相位调制作用，即将电场信息加载到光波上，加载有电场信号的光波传输到两平行直波导2的末端经反射膜5反射后再次进入两平行直波导2，并再次受到感应电压V1与感应电压V2的调制，该反射光透射出两平行直波导2的输入端面后与经过抛光面反射的光波相互叠加，并发生干涉效应，转换成光强度的变化，再由三端口保偏光环形器9的端口2输入、端口3输出，接着经单模光纤10分别输入第一光电探测器11和第二光电探测器12，转换成电信号；
设第一光电探测器11和第二光电探测器12的光电转换系数分别为G1和G2，则第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电压Vout1(t)和Vout2(t)分别为：
Figure BDA0001982869860000021
Figure BDA0001982869860000031
取m＝1、2，则式(1)和式(2)中：km、am、Pinm分别为两平行直波导2的损耗系数、消光系数、输入光功率，
Figure BDA0001982869860000038
为被测水平电场E引起的两平行直波导的光波相位变化，
Figure BDA0001982869860000039
为光波通过两平行直波导2产生的固有相位变化，
Figure BDA00019828698600000310
为由外界环境因素如温度、湿度、应力的变化引起两平行直波导2中的光波导相位变化即为直流漂移，将
Figure BDA00019828698600000311
和
Figure BDA00019828698600000312
进一步表示为：
Figure BDA0001982869860000032
Figure BDA0001982869860000033
Figure BDA0001982869860000034
取m＝1、2，则式(3)(4)(5)中，λ为激光器输出光波长，γ33为铌酸锂晶片1的电光系数，nem为两平行直波导2的有效折射率，Γm为T形电极3与两平行条形电极4之间形成的电场Vm/dm与两平行直波导2中的光波导电场之间的重叠因子，Vm为T形电极3与两平行条形电极4之间的感应电压，dm为T形电极3与两平行条形电极4之间的间距，Lelm为电极与两平行直波导2之间的电光互作用长度，Lwlm为两平行直波导2的长度；
分析公式(3)(4)可知，若设计两平行直波导2的结构尺寸相同，两平行条形电极4的结构尺寸相同，T形电极3中带一个悬空端的边与两平行条形电极4之间的距离相等，并且被测水平电场E在两平行条形电极4与T形电极3之间感生的感应电压大小相等、方向相反，则有ne1＝ne2，Γ1＝Γ2，Lel1＝Lel1，d1＝d2，V1＝-V2，a1＝a2于是令
Figure BDA0001982869860000035
同时通过调节波长可调激光器6的输出波长，使得
Figure BDA00019828698600000313
则(1)(2)式简化为：
Figure BDA0001982869860000036
Figure BDA0001982869860000037
进一步地，通过调节两平行直波导2的输入光功率使得k1Pin1＝k2Pin2，并且设计第一光电探测器11和第二光电探测器12的光电转换系数G1＝G2，令k1G1Pin1＝G，则进一步将公式(6)(7)式简化为：
Figure BDA00019828698600000314
Figure BDA0001982869860000041
更进一步地，考虑小信号调制的情况bV1<<1，则将公式(8)(9)式进一步简化为：
Figure BDA0001982869860000042
Figure BDA0001982869860000043
注意到两平行条形直波导2的结构尺寸完全相同，并且制作在同一片铌酸锂晶片1上，由此可以认为外界环境因素变化引起的直流漂移相等
Figure BDA0001982869860000044
因此，在本测量系统中，采用信号采集处理器14对第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号进行差分运算可得系统输出电信号Vout(t)为：
Vout(t)＝-2Ga1bV1＝-2Ga1bFE(12)
式(12)中V1＝FE，F为T形电极3与两平行条形电极4接收被测水平电场E的接收系数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的电场传感芯片通过设置两条相同的直波导、T形电极和两片相同的条形平行电极，使得被测电场信号对两波导中的光波产生相反的调制作用，而由温度等外部因素引起的直流漂移相同，在系统输出端采用电信号采集处理器进行差分运算即可抵消直流漂移，有效地克服了集成光波导电场传感器(集成电光调制器)普遍存在直流漂移问题，实现稳定、准确地对电场进行测量。
(2)通过在条平行直光波导末端设置反射膜，形成反射结构，使得仅在芯片一端有光纤连接，给实际操作带来很大方便。
(3)采用反射式结构，相当于将电光作用长度增加了一倍，由此可实现在保证芯片长度不变的情况下，将测量灵敏度增加一倍。或者说在保证测量灵敏不变的情况下，将传感芯片的长度减小为原来的一半，大大减小了器件的整体尺寸。
附图说明
图1是本发明提供的一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片结构示意图；
图2是采用本发明提供的一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构成的电场测量系统实施框图；
图中各标号为：1-铌酸锂晶片，2-两平行直波导，3-T形电极，4-两平行条形电极，5-反射膜，6-波长可调激光器，7-保偏光纤，8-1×2保偏光耦合器，9-三端口保偏光环形器，10-单模光纤，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-传输电缆，14-信号采集处理器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1所示，一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，包括：
铌酸锂晶片1、两平行直波导2、T形电极3、两平行条形电极4、反射膜5；
在一片铌酸锂晶片1表面设置两平行直波导2，在两平行直波导2的外侧设置两平行条形电极4，T形电极3中带一个悬空端的边位于两平行直波导2的内侧，T形电极3中带两个悬空端的边与两平行直波导2垂直，在两平行直波导2的末端端面设置反射膜5，在两平行直波导2的输入端面进行抛光处理。
进一步地，可以设置所述T形电极3中带一个悬空端的边与两平行条形电极4之间的距离相等。两平行直波导2中两直波导的结构尺寸完全相同；两平行条形电极4中两电极的结构尺寸完全相同。
如图2所示，一种采用抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统，所述测量系统包括：波长可调激光器6、保偏光纤7、1×2保偏光耦合器8、三端口保偏光环形器9、单模光纤10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、传输电缆13、信号采集处理器14以及集成光波导电场传感芯片；
波长可调激光器6由保偏光纤7与1×2保偏光耦合器8的输入端相连接；1×2保偏光耦合器8的两输出端经保偏光纤7与两个三端口保偏光环形器9的端口1相连接；三端口保偏光环形器9的端口2经保偏光纤7与两平行直波导2相连接；两平行直波导2末端的反射膜5反射光再次进入两平行直波导2，并由保偏光纤7输入三端口保偏光环形器9的端口2，再由环形器9的端口3输出；三端口保偏光环形器9端口3输出光由单模光纤10分别接入第一光电探测器11和第二光电探测器12；第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号由传输电缆13与信号采集处理器14相连接；电信号采集处理器14，对第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号进行采集与计算处理，最后输出被测电场信号。
一种采用抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统进行直流漂移抑制的方法，所述方法为：
波长可调激光器输出光由保偏光纤输入1×2保偏光耦合器分成两部分，再由三端口保偏光环形器的端口1输入、端口2输出后分别输入两条互相平行的直波导，在直波导的输入端面(抛光面)处，一部分光透射过抛光面继续在直波导中进行传输，另一部分在抛光面处反射后再次输入保偏光纤。
当集成光波导电场传感芯片接收到水平电场E时，会在T形电极3与两平行条形电极4之间产生方向相反的感应电压V1与感应电压V2，利用铌酸锂晶片1的电光效应，该感应电压将对两平行直波导2中传输的光波产生相反的相位调制作用，即将电场信息加载到光波上，加载有电场信号的光波传输到两平行直波导2的末端经反射膜5反射后再次进入两平行直波导2，并再次受到感应电压V1与感应电压V2的调制，该反射光透射出两平行直波导2的输入端面后与经过抛光面反射的光波相互叠加，并发生干涉效应，转换成光强度的变化，再由三端口保偏光环形器9的端口2输入、端口3输出，接着经单模光纤10分别输入第一光电探测器11和第二光电探测器12，转换成电信号；
设第一光电探测器11和第二光电探测器12的光电转换系数分别为G1和G2(单位V/W)，则第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电压Vout1(t)和Vout2(t)分别为：
Figure BDA0001982869860000061
Figure BDA0001982869860000062
取m＝1、2，则式(1)和式(2)中：km、am、Pinm分别为两平行直波导2的损耗系数、消光系数、输入光功率，
Figure BDA0001982869860000066
为被测水平电场E引起的两平行直波导的光波相位变化，
Figure BDA0001982869860000067
为光波通过两平行直波导2产生的固有相位变化，
Figure BDA0001982869860000068
为由外界环境因素如温度、湿度、应力的变化引起两平行直波导2中的光波导相位变化即为直流漂移，将
Figure BDA0001982869860000069
和
Figure BDA00019828698600000610
进一步表示为：
Figure BDA0001982869860000063
Figure BDA0001982869860000064
Figure BDA0001982869860000065
取m＝1、2，则式(3)(4)(5)中，λ为激光器输出光波长，γ33为铌酸锂晶片1的电光系数，nem为两平行直波导2的有效折射率，Γm为T形电极3与两平行条形电极4之间形成的电场Vm/dm与两平行直波导2中的光波导电场之间的重叠因子，Vm为T形电极3与两平行条形电极4之间的感应电压，dm为T形电极3与两平行条形电极4之间的间距，Lelm为电极与两平行直波导2之间的电光互作用长度，Lwlm为两平行直波导2的长度；
分析公式(3)(4)可知，若设计两平行直波导2的结构尺寸相同，两平行条形电极4的结构尺寸相同，T形电极3中带一个悬空端的边与两平行条形电极4之间的距离相等，并且被测水平电场E在两平行条形电极4与T形电极3之间感生的感应电压大小相等、方向相反，则有ne1＝ne2，Γ1＝Γ2，Lel1＝Lel1，d1＝d2，V1＝-V2，a1＝a2于是令
Figure BDA0001982869860000071
同时通过调节波长可调激光器6的输出波长，使得
Figure BDA0001982869860000078
则(1)(2)式简化为：
Figure BDA0001982869860000072
Figure BDA0001982869860000073
进一步地，通过调节两平行直波导2的输入光功率使得k1Pin1＝k2Pin2，并且设计第一光电探测器11和第二光电探测器12的光电转换系数G1＝G2，令k1G1Pin1＝G，则进一步将公式(6)(7)式简化为：
Figure BDA0001982869860000074
Figure BDA0001982869860000075
更进一步地，考虑小信号调制的情况bV1<<1，则将公式(8)(9)式进一步简化为：
Figure BDA0001982869860000076
Figure BDA0001982869860000077
注意到两平行条形直波导2的结构尺寸完全相同，并且制作在同一片铌酸锂晶片1上，由此可以认为外界环境因素变化引起的直流漂移相等
Figure BDA0001982869860000079
因此，在本测量系统中，采用信号采集处理器14对第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号进行差分运算可得系统输出电信号Vout(t)为：
Vout(t)＝-2Ga1bV1＝-2Ga1bFE(12)
式(12)中V1＝FE，F为T形电极3与两平行条形电极4接收被测水平电场E的接收系数。
根据(12)式，经过差分运算后传感芯片的直流漂移被很好地抑制掉，同时测量系统输出电信号与被测水平电场成比例关系，并且调制效果增加了一倍。
综上，本发明通过在一片铌酸锂晶片表面同时制作两条完全相同的直光波导，并在两平行直波导周围设置T形电极和平行电极，在两平行直波导末端端面设置反射膜，在系统输出端采用信号采集处理器进行差分处理，有效地克服了集成光波导电场传感器普遍存在的直流漂移问题，实现稳定、准确地对电场进行测量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，其特征在于：包括：
铌酸锂晶片(1)、两平行直波导(2)、T形电极(3)、两平行条形电极(4)、反射膜(5)；
在一片铌酸锂晶片(1)表面设置两平行直波导(2)，在两平行直波导(2)的外侧设置两平行条形电极(4)，T形电极(3)中带一个悬空端的边位于两平行直波导(2)的内侧，T形电极(3)中带两个悬空端的边与两平行直波导(2)垂直，在两平行直波导(2)的末端端面设置反射膜(5)，在两平行直波导(2)的输入端面进行抛光处理。
2.根据权利要求1所述的抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，其特征在于：所述T形电极(3)中带一个悬空端的边与两平行条形电极(4)之间的距离相等。
3.一种采用权利要求1所述的抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：波长可调激光器(6)、保偏光纤(7)、1×2保偏光耦合器(8)、三端口保偏光环形器(9)、单模光纤(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、传输电缆(13)、信号采集处理器(14)以及集成光波导电场传感芯片；
波长可调激光器(6)由保偏光纤(7)与1×2保偏光耦合器(8)的输入端相连接；1×2保偏光耦合器(8)的两输出端经保偏光纤(7)与两个三端口保偏光环形器(9)的端口1相连接；三端口保偏光环形器(9)的端口2经保偏光纤(7)与两平行直波导(2)相连接；两平行直波导(2)末端的反射膜(5)反射光再次进入两平行直波导(2)，并由保偏光纤(7)输入三端口保偏光环形器(9)的端口2，再由三端口保偏光环形器(9)的端口3输出；三端口保偏光环形器(9)端口3输出光由单模光纤(10)分别接入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号由传输电缆(13)与信号采集处理器(14)相连接；信号采集处理器(14)，对第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号进行采集与计算处理，最后输出被测电场信号。
4.一种采用权利要求3所述的测量系统进行直流漂移抑制的方法，其特征在于：所述方法为：
当集成光波导电场传感芯片接收到水平电场E时，会在T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间产生方向相反的感应电压V1与感应电压V2，利用铌酸锂晶片(1)的电光效应，该感应电压将对两平行直波导(2)中传输的光波产生相反的相位调制作用，即将电场信息加载到光波上，加载有电场信号的光波传输到两平行直波导(2)的末端经反射膜(5)反射后再次进入两平行直波导(2)，并再次受到感应电压V1与感应电压V2的调制，该反射光透射出两平行直波导(2)的输入端面后与经过抛光面反射的光波相互叠加，并发生干涉效应，转换成光强度的变化，再由三端口保偏光环形器(9)的端口2输入、端口3输出，接着经单模光纤(10)分别输入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)，转换成电信号；
设第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)的光电转换系数分别为G1和G2，则第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电压Vout1(t)和Vout2(t)分别为：
Figure FDA0003307541940000021
Figure FDA0003307541940000022
取m＝1、2，则式(1)和式(2)中：km、am、Pinm分别为两平行直波导(2)的损耗系数、消光系数、输入光功率，
Figure FDA0003307541940000023
为被测水平电场E引起的两平行直波导的光波相位变化，
Figure FDA0003307541940000024
为光波通过两平行直波导(2)产生的固有相位变化，
Figure FDA0003307541940000025
为由外界环境因素变化引起两平行直波导(2)中的光波导相位变化即为直流漂移，将
Figure FDA0003307541940000026
和
Figure FDA0003307541940000027
进一步表示为：
Figure FDA0003307541940000028
Figure FDA0003307541940000029
Figure FDA00033075419400000210
取m＝1、2，则式(3)(4)(5)中，λ为激光器输出光波长，γ33为铌酸锂晶片(1)的电光系数，nem为两平行直波导(2)的有效折射率，Γm为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间形成的电场Vm/dm与两平行直波导(2)中的光波导电场之间的重叠因子，Vm为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间的感应电压，dm为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间的间距，Lelm为电极与两平行直波导(2)之间的电光互作用长度，Lwlm为两平行直波导(2)的长度；
分析公式(3)(4)可知，若设计两平行直波导(2)的结构尺寸相同，两平行条形电极(4)的结构尺寸相同，T形电极(3)中带一个悬空端的边与两平行条形电极(4)之间的距离相等，并且被测水平电场E在两平行条形电极(4)与T形电极(3)之间感生的感应电压大小相等、方向相反，则有ne1＝ne2，Γ1＝Γ2，Lel1＝Lel1，d1＝d2，V1＝-V2，a1＝a2于是令
Figure FDA0003307541940000031
同时通过调节波长可调激光器(6)的输出波长，使得
Figure FDA0003307541940000032
则(1)(2)式简化为：
Figure FDA0003307541940000033
Figure FDA0003307541940000034
进一步地，通过调节两平行直波导(2)的输入光功率使得k1Pin1＝k2Pin2，并且设计第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)的光电转换系数G1＝G2，令k1G1Pin1＝G，则进一步将公式(6)(7)式简化为：
Figure FDA0003307541940000035
Figure FDA0003307541940000036
更进一步地，考虑小信号调制的情况bV1<<1，则将公式(8)(9)式进一步简化为：
Figure FDA0003307541940000037
Figure FDA0003307541940000038
注意到两平行直波导(2)的结构尺寸完全相同，并且制作在同一片铌酸锂晶片(1)上，由此可以认为外界环境因素变化引起的直流漂移相等
Figure FDA0003307541940000039
因此，在本测量系统中，采用信号采集处理器(14)对第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号进行差分运算可得系统输出电信号Vout(t)为：
Vout(t)＝-2Ga1bV1＝-2Ga1bFE(12)
式(12)中V1＝FE，F为T形电极(3)与两平行条形电极(4)接收被测水平电场E的接收系数。
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