CN112924741A - 基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统，包括：自下而上依次键合的硅衬底层、二氧化硅层和顶硅层，顶硅层包括输入波导、Y型分束器、耦合的第一环形波导和第一直波导、耦合的第二环形波导和第二直波导、Y型耦合器和输出波导；以及覆盖在第一环形波导上的电光聚合物薄膜，电光聚合物薄膜的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使第一直波导和第二直波导的输出光之间产生相位差，实现对被测电压的测量。本发明还公开了一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的测量方法。本发明利用电光聚合物的电光性能和微环马赫曾德尔结构的谐振特性，基于电光效应实现电压实时感知测量。

Description

基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，具体而言，涉及一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统及测量方法。

背景技术

相关技术中，对电压/电场信号的光学测量方法主要采用基于逆压电效应的电压/电场传感器，将逆压电材料在电压作用下的位移或形变转化为光学信号，通过解调实现电压测量，这类传感器灵敏度低、测量范围窄，限制了其在电压传感领域的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统及测量方法，利用电光聚合物的电光性能和微环马赫曾德尔结构的谐振特性，基于电光效应实现电压的实时感知测量。

本发明提供了一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统，所述系统包括：

自下而上依次键合的硅衬底层、二氧化硅层和顶硅层，其中，所述顶硅层包括输入波导、Y型分束器、耦合的第一环形波导和第一直波导、耦合的第二环形波导和第二直波导、Y型耦合器和输出波导，所述输入波导的输出端与所述Y型分束器的输入端相连，所述Y型分束器的两个输出端分别与所述第一直波导的输入端和所述第二直波导的输入端相连，所述第一直波导的输出端和所述第二直波导的输出端分别与所述Y型耦合器的两个输入端相连，所述Y型耦合器的输出端与所述输出波导的输入端相连，所述第一环形波导和所述第二环形波导分别位于所述第一直波导和所述第二直波导两侧；以及

覆盖在所述第一环形波导上的电光聚合物薄膜，其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，以实现对所述被测电压的测量。

作为本发明进一步的改进，所述电光聚合物薄膜的材料采用分散橙3丙烯酰胺和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯、分散红1甲基丙烯酸甲酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯或分散黄7甲基丙烯酸酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液制成，其中，所述电光聚合物溶液旋涂在所述第一环形波导上，所述电光聚合物薄膜的厚度为500～1600nm。

作为本发明进一步的改进，所述第一直波导和所述第二直波导的长度相等，所述第一环形波导和所述第二环形波导的半径相等，所述第一环形波导和所述第一直波导的耦合间距与所述第二环形波导和所述第二直波导的耦合间距相等。

作为本发明进一步的改进，基模偏振态光作为所述输入波导的输入光并通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导，所述基模偏振态光通过偏振控制器对输入光源的输出光进行偏振控制得到，其中，所述输入光源通过单模光纤与所述偏振控制器相连；

所述输出波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器中进行检测。

作为本发明进一步的改进，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地；

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量。

作为本发明进一步的改进，所述第一直波导和所述第二直波导的输入光在所述第一环形波导和所述第二环形波导中传播时，基于倏逝场向所述二氧化硅层和所述电光聚合物薄膜渗透；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导的输入光，I_out为所述输出波导的输出光，所述a为所述第一环形波导和所述第二环形波导的功率传输系数，Δθ为第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导和所述第二环形波导的周长，λ为所述输入波导的输入光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

本发明还提供了一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的测量方法，所述方法包括：

将基模偏振态光输入至输入波导中，经Y型分束器后分别进入第一直波导和第二直波导，分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振；

施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器耦合后传输至输出波导的光强发生改变；

根据检测到的光强的变化量，确定所述被测电压的大小。

作为本发明进一步的改进，输入光源通过单模光纤与偏振控制器相连，

所述将基模偏振态光输入至输入波导中，经Y型分束器后分别进入第一直波导和第二直波导，分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振，包括：

将所述输入光源的输出光经过所述偏振控制器控制后得到所述基模偏振态光；

将所述基模偏振态光通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导，经所述Y型分束器后分别进入所述第一直波导和所述第二直波导；

所述基模偏振态光分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振；

所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器，以对所述输出波导的输出光进行检测。

作为本发明进一步的改进，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地，

所述施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制，包括：

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜的有效折射率的调制；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量。

作为本发明进一步的改进，所述当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器耦合后传输至输出波导的光强发生改变，包括：

所述基模偏振态光在所述第一环形波导和所述第二环形波导中传播时，所述基模偏振态光基于倏逝场向所述二氧化硅层和所述电光聚合物薄膜渗透；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导的输入光，I_out为所述输出波导的输出光，所述a为所述第一环形波导和所述第二环形波导的功率传输系数，Δθ为第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导和所述第二环形波导的周长，λ为所述基模偏振态光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

本发明的有益效果为：

使用基于SOI(Silicon-On-Insulator)的微环谐振器结构与传统的CMOS工艺兼容且易于大规模批量生产，同时大幅度减小了传统电压互感器的体积，实现芯片式传感器，利于集成化、微型化；

利用马赫曾德尔结构的谐振特性增强了光波倏逝场与待测电压相互作用的光程，大大减小了传统电压传感器的体积，便于分布贴片式安装测量；

采用非接触式光学电压测量方法，与被测线路无直接电气连接，绝缘强度高，对线路影响小，可以抗电磁干扰，同时减小了安全隐患；

测量系统结构简单，具有灵敏度高、微型化、集成化的特点，通过优化波导的关键尺寸以及电光聚合物的电光性能，可以改变系统的灵敏度，以灵活适用于各种场景之下，实现被测电压的实时精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一示例性实施例所述的一种微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例所述的电光聚合物薄膜与微环耦合马赫曾德尔结构的横截面结构图；

图3为本发明一示例性实施例所述的一种微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统进行电压测试的试验装置示意图；

图4为发明一示例性实施例所述的一种微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的测量方法的流程示意图。

图中，

1、输入波导；2、Y型分束器；3、第一环形波导；4、电光聚合物薄膜；5、第二环形波导；6、第一直波导；7、第二直波导；8、Y型耦合器；9、输出波导；10、二氧化硅层；11、硅衬底层；12、顶层硅；13、1550nm激光器；14、偏振控制器；15、平板电极；16、光电探测器；17、示波器；18、高压源；19、电压测量系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

本发明实施例所述的一种微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统，如图1-2所示，所述系统包括：

自下而上依次键合的硅衬底层11、二氧化硅层10和顶硅层12，其中，所述顶硅层12包括输入波导1、Y型分束器2、耦合的第一环形波导3和第一直波导6、耦合的第二环形波导5和第二直波导7、Y型耦合器8和输出波导9，所述输入波导1的输出端与所述Y型分束器2的输入端相连，所述Y型分束器2的两个输出端分别与所述第一直波导6的输入端和所述第二直波导7的输入端相连，所述第一直波导6的输出端和所述第二直波导7的输出端分别与所述Y型耦合器8的两个输入端相连，所述Y型耦合器8的输出端与所述输出波导9的输入端相连，所述第一环形波导3和所述第二环形波导5分别位于所述第一直波导6和所述第二直波导7两侧；以及

覆盖在所述第一环形波导3上的电光聚合物薄膜4，其中，所述电光聚合物薄膜4的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，所述第一环形波导3的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，以实现对所述被测电压的测量。

电压是电网中的重要感知量，一般采用基于逆压电效应的电压/电场传感器，将逆压电材料在电压作用下的位移或形变转化为光学信号，通过解调实现电压测量，这类传感器灵敏度低、测量范围窄。本发明所述系统基于微环谐振器和马赫曾德尔结构，形成电压的芯片式传感器，利用马赫曾德尔结构的谐振特性增强了光波倏逝场与待测电压相互作用的光程，大大减小了传统电压传感器的体积，便于分布贴片式安装测量。采用马赫曾德尔干涉结构进行相位解调，避免采用光谱仪、可调谐激光器等贵重仪器进行波长解调，大幅降低了测量成本。基于电光效应，通过测量介质材料在外加电压作用下的光学性质改变量(输出光强)获取待测电压大小，实现对电压的实时精确测量，可应用于频带测量范围宽的应用场景下。

可以理解的是，耦合的第一直波导6和第一环形波导3构成一个微环谐振器，耦合的第二直波导7和第二环形波导5构成一个微环谐振器。输入波导1、Y型分束器2、第一直波导6、第二直波导7、Y型耦合器8和输出波导9构成马赫曾德尔干涉仪。两个微环谐振器和马赫曾德尔干涉仪即为所述微环耦合马赫曾德尔结构。当一束光强为I_in的入射光通过输入波导1进入Y型分束器2后，入射光会进行分束，第一直波导6与第二直波导7各得到I_in/2光强，随后各自进入第一环形波导3、第二环形波导5发生谐振，满足环形波导谐振条件的光最终会在Y型耦合器8发生干涉形成最终的输出光强I_out。

其中，硅衬底层11、二氧化硅层10和顶硅层12采用绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)材料制作。与传统的CMOS工艺兼容且易于大规模批量生产，同时大幅度减小了传统电压互感器的体积，实现芯片式传感器，利于集成化、微型化。

其中，所述第一直波导6和所述第二直波导7的长度相等，所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的半径相等，所述第一环形波导3和所述第一直波导6的耦合间距与所述第二环形波导5和所述第二直波导7的耦合间距相等。

其中，所述顶硅层12的厚度为150nm～280nm，所述硅衬底层11的厚度为400nm～700nm、所述二氧化硅层10的厚度为2μm～3μm。通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、IPC深硅刻蚀和去胶处理，在所述顶硅层12中得到所述输入波导1、所述Y型分束器2、所述第一直波导6、所述第一环形波导3、所述第二直波导7、所述第二环形波导5、所述Y型耦合器8和所述输出波导9，可以理解的是所述顶硅层12中的各个波导均为硅波导。所述输入波导1、所述Y型分束器2、所述第一环形波导3、所述第二环形波导5、所述第一直波导6、所述第二直波导7、所述Y型耦合器8和所述输出波导9的高度均为150nm～280nm，宽度均为350nm～600nm，用于支持单模光传输。所述第一直波导6与所述第二直波导7的长度均为30μm～400μm，所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的半径均为5μm～100μm。所述第一直波导6和所述第一环形波导3、所述第二直波导7和所述第二环形波导5的耦合间隙均为100nm～300nm。

例如，顶硅层12厚度为220nm，硅衬底层11厚度为500μm，二氧化硅层10厚度为3μm。所述输入波导1、所述Y型分束器2、所述第一环形波导3、所述第二环形波导5、所述第一直波导6、所述第二直波导7、所述Y型耦合器8和所述输出波导9的宽度均为400nm，刻蚀高度均为220nm。所述第一直波导6和所述第二直波导7的长度均为300μm。所述第一直波导6和所述第二直波导7之间存在间距，间距例如为100μm，防止相互干扰，影响分光效果。所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的半径均为40μm。所述第一直波导6和所述第一环形波导3、所述第二直波导7和所述第二环形波导5的耦合间隙均为150nm。上述参数为示例性举例，本发明对各个参数的具体取值不做限定。

一种可选的实施方式中，所述电光聚合物薄膜4的材料采用分散橙3丙烯酰胺和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯、分散红1甲基丙烯酸甲酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯或分散黄7甲基丙烯酸酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液制成，其中，所述电光聚合物溶液旋涂在所述第一环形波导3上，所述电光聚合物薄膜4的厚度为500～1600nm。

本发明利用电光聚合物具有较大的非线性光学效应、超快的响应速度、低的介电常数、高的激光损伤阈值、价格低、优良的可加工性和可集成性以及分子结构易于调节等优点，制备所述电光聚合物薄膜，可以获得更高的电光系数，提升电光性能的同时又能兼备良好的热稳定性和相容性，得到灵敏度高的电光器件。所述电光聚合物薄膜4采用复合材料制备的电光聚合物溶液制成，例如分散橙3丙烯酰胺和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液、分散红1甲基丙烯酸甲酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液或分散黄7甲基丙烯酸酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液，本发明对电光聚合物溶液的复合材料不做具体限定。在制备时，将电光聚合物溶液利用匀胶机旋涂在所述第一环形波导3上，其中，匀胶机转速例如设定为5000r/min，旋转时间例如设定为40s，可获得例如1000nm的电光聚合物薄膜，将该电光聚合物薄膜用烘箱在例如106℃附近烘烤例如12小时后，对其进行电晕极化处理(其中，极化电压例如采用10kV，极化电流例如采用40μA)，梯度升温至106℃附近完成极化，并保持电压不变，将电光聚合物薄膜自然冷却至室温。上述制备过程中的各个参数为示例性举例，可根据需要制备的电光聚合物薄膜的厚度适应性调整制备过程中的各个参数。

一种可选的实施方式，本发明所述系统在进行电压测量时，如图3所示，基模偏振态光作为所述输入波导1的输入光并通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导1，所述基模偏振态光通过偏振控制器14对输入光源13的输出光进行偏振控制得到，其中，所述输入光源13通过单模光纤与所述偏振控制器14相连；所述输出波导9的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器16和示波器17中进行检测。其中，输入光源13例如采用1550nm激光器，本发明对激光器的型号不做具体限制。可以理解的是，本发明采用基模偏振态光进行耦合，可以实现更低的损耗，更低的色散。本发明采用锥形光纤来入射光，并将光从锥形光纤的大端入射，可以提高入射端损伤阈值，准直入射光束，提高光束质量。

一种可选的实施方式，本发明所述系统在进行电压测量时，如图3所示，所述系统(即电压测量系统19)放置于平板电极15中间，所述平板电极15的上表面连接至高压源18，所述平板电极15的下表面接地；通过所述高压源18对所述平板电极15施加被测电压，所述电光聚合物薄膜4的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜4的有效折射率的调制。其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极15上的被测电压值，d为所述平板电极15的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜4的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜4的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜4的有效折射率的改变量。

可以理解的是，平板电极15包括平行放置的一个上极板和一个下极板，上极板接至高压源18，下极板接地。高压源18施加被测电压后，两个极板间产生均匀电场，在均匀电场作用下电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变，两个极板间的电压即为被测电压为U。所述系统采用非接触式光学电压测量方法，与被测线路无直接电气连接，绝缘强度高，对被测线路影响小，可以抗电磁干扰，同时减小了安全隐患。

一种可选的实施方式，所述第一直波导6和所述第二直波导7的输入光在所述第一环形波导3和所述第二环形波导5中传播时，基于倏逝场向所述二氧化硅层10和所述电光聚合物薄膜4渗透；

当所述电光聚合物薄膜4的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导3的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光经所述Y型耦合器8耦合后传输至所述输出波导9，所述输出波导9输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导1的输入光，I_out为所述输出波导9的输出光，所述a为所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的功率传输系数，Δθ为第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的周长，λ为所述输入波导1的输入光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

可以理解的是，光在波导中传输时并没有全部限制在波导中，而是会基于倏逝场向所述二氧化硅层10和所述电光聚合物薄膜4渗透，当所述电光聚合物薄膜4的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变时，相当于波导层的上包层发生变化，所述第一环形波导3中有效折射率会相应改变。进而改变所述第一直波导6和所述第二直波导7的相位差，最终导致所述Y型耦合器8处的干涉效果发生变化，输出光强发生改变，即所述输出波导9的输出光强发生改变，通过检测输出光强的变化量，即可实现电压的实时测量。

所述系统结构简单，具有灵敏度高、微型化、集成化的特点，通过优化波导的关键尺寸以及电光聚合物薄膜的电光性能，可以改变所述系统的灵敏度，以灵活适用于各种场景之下，实现被测电压的实时精确测量。

本发明实施例所述的一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的测量方法，其中，所述系统如前述实施方式所述，这里不再赘述。如图4所示，所述方法包括：

将基模偏振态光输入至输入波导1中，经Y型分束器2后分别进入第一直波导6和第二直波导7，分别在第一环形波导3和第二环形波导5中传播并产生谐振；

施加被测电压，以对电光聚合物薄膜4的有效折射率进行调制；

当所述电光聚合物薄膜4的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导3的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器8耦合后传输至输出波导9的光强发生改变；

根据检测到的光强的变化量，确定所述被测电压的大小。

一种可选的实施方式中，输入光源13通过单模光纤与偏振控制器14相连，

所述将基模偏振态光输入至输入波导1中，经Y型分束器2后分别进入第一直波导6和第二直波导7，分别在第一环形波导3和第二环形波导5中传播并产生谐振，包括：

将所述输入光源13的输出光经过所述偏振控制器14控制后得到所述基模偏振态光；

将所述基模偏振态光通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导1，经所述Y型分束器2后分别进入所述第一直波导6和所述第二直波导7；

所述基模偏振态光分别在第一环形波导3和第二环形波导5中传播并产生谐振；

所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光经所述Y型耦合器8耦合后传输至所述输出波导9，所述输出波导9的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器16和示波器17，以对所述输出波导9的输出光进行检测。

一种可选的实施方式中，所述系统放置于平板电极15中间，所述平板电极15的上表面连接至高压源18，所述平板电极15的下表面接地，

所述施加被测电压，以对电光聚合物薄膜4的有效折射率进行调制，包括：

通过所述高压源18对所述平板电极15施加被测电压，所述电光聚合物薄膜4的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜4的有效折射率的调制；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极15上的被测电压值，d为所述平板电极15的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜4的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜4的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜4的有效折射率的改变量。

一种可选的实施方式中，所述当所述电光聚合物薄膜4的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导3的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器8耦合后传输至输出波导9的光强发生改变，包括：

所述基模偏振态光在所述第一环形波导3和所述第二环形波导5中传播时，所述基模偏振态光基于倏逝场向所述二氧化硅层10和所述电光聚合物薄膜4渗透；

当所述电光聚合物薄膜4的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导3的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，所述第一直波导6和所述第二直波导7的输出光经所述Y型耦合器8耦合后传输至所述输出波导9，所述输出波导9输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导1的输入光，I_out为所述输出波导9的输出光，所述a为所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的功率传输系数，Δθ为第一直波导6和所述第二直波导7的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导3和所述第二环形波导5的周长，λ为所述输入波导1的输入光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统，其特征在于，所述系统包括：

自下而上依次键合的硅衬底层、二氧化硅层和顶硅层，其中，所述顶硅层包括输入波导、Y型分束器、耦合的第一环形波导和第一直波导、耦合的第二环形波导和第二直波导、Y型耦合器和输出波导，所述输入波导的输出端与所述Y型分束器的输入端相连，所述Y型分束器的两个输出端分别与所述第一直波导的输入端和所述第二直波导的输入端相连，所述第一直波导的输出端和所述第二直波导的输出端分别与所述Y型耦合器的两个输入端相连，所述Y型耦合器的输出端与所述输出波导的输入端相连，所述第一环形波导和所述第二环形波导分别位于所述第一直波导和所述第二直波导两侧；以及

覆盖在所述第一环形波导上的电光聚合物薄膜，其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，以实现对所述被测电压的测量。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述电光聚合物薄膜的材料采用分散橙3丙烯酰胺和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯、分散红1甲基丙烯酸甲酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯或分散黄7甲基丙烯酸酯和二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯的电光聚合物溶液制成，其中，所述电光聚合物溶液旋涂在所述第一环形波导上，所述电光聚合物薄膜的厚度为500～1600nm。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一直波导和所述第二直波导的长度相等，所述第一环形波导和所述第二环形波导的半径相等，所述第一环形波导和所述第一直波导的耦合间距与所述第二环形波导和所述第二直波导的耦合间距相等。

4.如权利要求1所述的系统，其中，基模偏振态光作为所述输入波导的输入光并通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导，所述基模偏振态光通过偏振控制器对输入光源的输出光进行偏振控制得到，其中，所述输入光源通过单模光纤与所述偏振控制器相连；

所述输出波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器中进行检测。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地；

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述第一直波导和所述第二直波导的输入光在所述第一环形波导和所述第二环形波导中传播时，基于倏逝场向所述二氧化硅层和所述电光聚合物薄膜渗透；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导的输入光，I_out为所述输出波导的输出光，所述a为所述第一环形波导和所述第二环形波导的功率传输系数，Δθ为第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导和所述第二环形波导的周长，λ为所述输入波导的输入光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的基于微环耦合马赫曾德尔结构的电压测量系统的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

将基模偏振态光输入至输入波导中，经Y型分束器后分别进入第一直波导和第二直波导，分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振；

施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器耦合后传输至输出波导的光强发生改变；

根据检测到的光强的变化量，确定所述被测电压的大小。

8.如权利要求7所述的方法，其中，输入光源通过单模光纤与偏振控制器相连，

所述将基模偏振态光输入至输入波导中，经Y型分束器后分别进入第一直波导和第二直波导，分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振，包括：

将所述输入光源的输出光经过所述偏振控制器控制后得到所述基模偏振态光；

将所述基模偏振态光通过锥形光纤垂直耦合进入所述输入波导，经所述Y型分束器后分别进入所述第一直波导和所述第二直波导；

所述基模偏振态光分别在第一环形波导和第二环形波导中传播并产生谐振；

所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器，以对所述输出波导的输出光进行检测。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地，

所述施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制，包括：

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜的有效折射率的调制；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，U为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r₃₃为所述电光聚合物薄膜的电光系数，n_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，Δn_EO为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，经Y型耦合器耦合后传输至输出波导的光强发生改变，包括：

所述基模偏振态光在所述第一环形波导和所述第二环形波导中传播时，所述基模偏振态光基于倏逝场向所述二氧化硅层和所述电光聚合物薄膜渗透；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述第一环形波导的有效折射率相应发生变化，使所述第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，所述第一直波导和所述第二直波导的输出光经所述Y型耦合器耦合后传输至所述输出波导，所述输出波导输出光的光强发生改变；

其中，所述系统的传输函数为：

式中，I_in为所述输入波导的输入光，I_out为所述输出波导的输出光，所述a为所述第一环形波导和所述第二环形波导的功率传输系数，Δθ为第一直波导和所述第二直波导的输出光之间产生相位差，L_R为所述第一环形波导和所述第二环形波导的周长，λ为所述输入波导的输入光在真空中的波长，k为倏逝场耦合系数。

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