CN1136456C

CN1136456C - 光电传感器

Info

Publication number: CN1136456C
Application number: CNB941904741A
Authority: CN
Inventors: 户叶v一; 户叶祐一; 信; 田辺高信
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2014-07-07
Also published as: EP0997738A3; EP0999455B1; EP0997738B1; CN1111915A; EP0997738A2; EP0999455A2; DE69432825T2; US5583637A; CA2144079A1; WO1995002191A1; DE69431538D1; EP0668506A1; KR100238713B1; DE69431538T2; EP0999455A3; CN1289929A; DE69432825D1; CA2144079C; EP0668506A4

Abstract

是由包含光学晶体的光学部件2-4和11-13构成的，利用通过电场的光的强度、位相和偏振方向中的至少一种的变化来测量该自然或强制发生的电场的强度的光电传感器，其特征是上述光学部件装配并密封到使用由石英等玻璃材料、陶瓷材料和由对表面进行过防带电处理的氯乙烯等构成的塑料材料中的至少一种材料制造的外壳7内。另外，若将外壳7的表面的主要部分加工成梨皮状，则效果更好。另一方面，使用具有绝热效果的材料将具有电光效应的光学晶体包围固定。另外，在光学晶体基板的整个表面上涂敷导电性树脂，在调制电极间涂敷硅树脂。

Description

光电传感器

技术领域

本发明涉及EMC测量(噪声测量)中典型的测量现场内的电场强度所使用的光电传感器。

技术背景

光波导马赫-齐德干涉仪已被用来作为电场传感器，它将光波导分支后把与晶轴平行的电场加到分支后的一方或双方的光波导上使波导光的位相发生变化、然后再合成，由于所加的电场使合成后的光强度发生变化，所以，可以通过测量光强度来测量加到与电极部连接的天线上的电场强度。马赫-齐德干涉仪的出射光强度与加给电极的电场的关系为三角函数波曲线。

图1(a)是先有的光电传感器的一个例子。如图所示，光电传感器是通过在LiNbO₃基板上利用Ti扩散制成光波导式分支干涉仪，在分支后的2条光波导中的1条光波导内设置电极构成光调制器，将该光调制器装入并固定到塑料等容器1内，将光调制器的电极与天线2连接，并且，将偏振状态稳定的光纤3与光调制器的光输入一侧连接，将单模光纤4与光输出一侧连接而构成。自然或强制产生的电场通过天线传送到上述电极上，使光波导进行位相调制。然后，合成后的光由于发生强度调制而具有可以获得与电场对应的光强度的特征。

图2是先有的光波导马赫-齐德干涉仪，在图1(a)的光调制器中使用。如图2所示，光波导马赫-齐德干涉仪具有将光波导12，12分支后通过调制电极22，22将与晶轴平行的电场加到分支后的一方或双方的光波导12，12上，使波导的位相发生变化然后再合成的形状。由于所加的电场使合成后的光强度发生变化，所以，可以作为电场传感器使用，通过测量光强度来测量通过加到调制电极22，22上的微小电压而加到天线2上的电场强度。

图3是图2所示的马赫-齐德干涉仪的光调制特性图。如图3所示，通过马赫-齐德干涉仪进行强度调制后的光的输出强度(相时强度)相对于外加电压按三角函数波(正弦波)曲线变化。因此，当外加电压为0V时，如果预先将光强度调整(光学偏置调整)到位于该三角函数波的直线变化部分(极大值和极小值的中点)，则作为电场传感器其光强度相对于外加电场的变化量呈正比关系，从而可以用光强度测量外加电场。也就是说，作为电场传感器使用时需要这种特性。

但是，在先有的光电传感器中，电极间隔非常窄，约为数μm，若有碱离子等杂质混入该电极间，当电压加到电极间时便作为累积电压而保留，从而相对于外加电压的光调制度将发生变化。这种变化在低频时比高频时更容易发生(对直流电压影响最大的直流漂移)。这样，光电传感器的测量精度将降低。另外，当这种光电传感器发生温度变化时，由于在晶体内部将产生载流子，并发生移动，从而在电极附近不均匀地累积电荷，从而产生内部电场，结果是，出射光将变得不稳定(温度漂移)。温度变化越急剧，这种特性变化越显著，如果温度变化非常缓慢，这种变化就很小。下面，利用图1(b)和图1(c)简单地说明温度漂移。在图1(b)中，光电传感器置于周围温度高于室温的30℃的条件下。这时，入射到偏振状态稳定光纤3(图1(a))上的光通过先有的光电传感器从单模光纤4输出的正常的光的波形为A，横轴表示外加电场，纵轴表示光强度，这里，当加到天线上的外加电场为0(V)时，光强度调节到位于极大值和极小值的中点。进行正常的工作时，具有与图1(b)所示的同样的波形。当受温度漂移影响时，如图1(c)所示的那样，从单模光纤4出射的光的波形成为B。在波形B中，当加到天线上的外加电场为0(V)时，光强度在位相上从入射光的波形A偏移π/4。该偏移为温度漂移，使光电传感器的温度特性变坏，从而使灵敏度不稳定。

作为该温度特性的改善对策，有间接的补偿方法在先有的光电传感器使用的光调制器中，向光学晶体施加由佩尔蒂元件等产生的物理应力使其产生与漂移量相等、极性相反的畸变，或者向调制电场追加与畸变相反的电场等。另外，采用在基板表面上形成导电性膜从而将晶体内的电荷抵消的结构，可以防止这种特性变化，这也是大家熟知的。

但是，实质上成为温度特性变坏的原因是向光调制器的热传导，具有抑制该热传导的结构的光电传感器以往还没有。另外，如上所述，为了监视光调制器的输出，测量温度漂移量并施加抵消该漂移的畸变，需要有使这些机构工作的装置，并且也要求精度高。并且，如上所述，对于一般的光调制器，虽然利用半导体膜Si等的导电性膜可以抑制这种特性变化，但是，由于必须采用溅射或真空镀膜等方法，所以，制造工序的时间必然延长。

另一方面。通常制作上述那样的马赫-齐德干涉仪时，相对于上述外加电压的光调制特性随作为基板的LiNbO₃特性及元件的制作条件等而不同。具体说来，虽然可以获得半波长电压及损耗等特性的再现性，但是，却很难使外加电压0V时的光强度与作为电场传感器所需要的极大值和极小值的中点一致。因此，一般采用对制作之后的波导施加应变进行调整的方法(光学偏置调整)。

另外，电场传感器采用由金属制的天线接收电场、在光调制器的电极部分发生外加电压的形状。这时，当传感器周围存在天线以外的金属时，将会干扰电场传感器周围发生的电场。因此，为了除去天线以外的金属部分，其外壳也可以用非金属制造。通常，使用塑料等树脂。这样制作的电场传感器，根据其特性，由于是测量数mV/m量级的电场强度，所以，容易受其周围发生的电场影响。另外，在塑料等树脂制的外壳等上产生的静电场也会达到能使光学偏置发生变化的程度。由于这种外壳的静电场与湿度等的变化关系很大，所以，难于获得总是恒定的光学偏置的元件。但是，为了补偿静电场引起的光学偏置的移动，以往重点放在进行装配之后的光学偏置的调节。

因此，本发明的目的之一旨在消除装配后的外壳材料产生的静电场，同时提高光波导元件的保温性能来消除由马赫-齐德干涉仪的温度漂移引起的光学偏置的变化。

另外，本发明的第2个目的旨在提供一种利用抑制光电传感器外部的热变动向光学晶体的热传导的结构，不需要精度要求高的装置而可以提高温度特性的光电传感器。

本发明的第3个目的旨在提供一种利用廉价并且简单的工序形成导电性膜的光电传感器。

本发明的第4个目的旨在提供一种通过在容易混入杂质的电极间涂敷具有稳定的特性的物质隔断与外界的干涉从而可以很容易地防止污染及杂质混入的光电传感器。

进而，本发明的第5个目的是要提供一种具有消除装配后的外壳材料的静电场从而不会干扰测量电场的结构的光电传感器。

发明的公开

按照本发明，可以获得一种在由包括光学晶体的光学部件构成的利用通过电场的光的强度，位相和偏振方向中的至少一种的变化测量自然或强制发生的电场的强度的光电传感器，其特征在于，将上述光学部件装配到使用具有绝热性的材料和对表面进行过防带电处理的塑料材料中的至少一种材料制成的外壳内。

这里，在本发明中，具有上述绝热性的材料最好至少是从陶瓷材料和玻璃材料中选择的一种，也可以使用含有石英等的玻璃材料代替陶瓷材料。另外，不论哪种情况，外壳表面的一部分或全部(包括内表面)最好加工成梨皮(磨砂)状。

另外，在本发明中，使用对以往使用的塑料等树脂表面进行了防带电处理的塑料材料，通过使该表面具有与半导体相同的电导率可以防止其带电。该塑料材料最好是含氧乙烯的材料。

还有，在本发明中，上述电场最好是通过连接的天线加到上述光学晶体上的。

进而，在本发明中，上述外壳最好是用发泡苯乙烯树脂等具有绝热效果的材料包围固定。

另外，在本发明的光电传感器中，上述光学部件最好是在具有电光效应的光学晶体基板上形成的光波导附近至少设置1对调制电极，并且具有将自然或强制发生的电场导向上述1对调制电极的结构。

按照本发明，可以得到一种在具有电光效应的光学晶体基板上形成的光波导附近至少设置1对调制电极并利用将自然或强制发生的电场导向上述1对调制电极而产生的光强度、位相和偏振方向中的至少一种的变化来测量电场强度的光电传感器，其特征在于，施行在上述整个光学晶体基板上涂敷导电性树脂和在上述调制电极间涂敷硅树脂中的至少一种处理。

即，在本发明中，采用通过使用导电性树脂膜作为导电性膜并将该导电性膜涂敷到整个晶体基板上使由于温度变化而产生的不稳定的电荷移动从而将其消除的结构。使用的导电性膜必须具有对漂移无影响的阻值及材质。另外，在本发明中，使用硅树脂。这种物质不仅与外界的隔绝性好，而且具有速干性和容易涂敷的优点。并且，由于不存在多余的不稳定离子，所以，因其本身不会成为引起电压变化的杂质、是具有长期可靠性的物质而受到注目。在本发明中，上述光学晶体基板的周围最好使用具有绝热效果的材料包围固定。即，在本发明中，通过将光调制器装配并固定到使用热传异率低的材料、包含有气泡的材料、或两者兼备的材料等具有绝热效果的材料制造的容器内，或者使用具有绝热效果的材料将装配并固定了光调制器的容器覆盖起来，从而抑制从光调制器外部进行的热传导。

附图的简单说明：

图1(a)是先有例的光电传感器的结构图，

图1(b)和图1(c)是用于说明图1(a)的温度对光电传感器的光强度与电场的关系的影响的图，

图2(a)是图1(a)的光电传感器的平面图，

图2(b)是图2(a)的光电传感器的输入光的时间与光强度的关系图，

图2(c)是图2(a)的光电传感器的电场信号的电压与时间的关系图，

图2(d)是图2(a)的光电传感器的输出光的时间与光强度的关系图，

图3是图2的光电传感器随外加电压的光调制特性图，

图4是将外壳的上半部去掉后示出的本发明实施例2的光电传感器的结构的视斜图，

图5(a)是本发明实施例3的光电传感器图，

图5(b)和图5(c)是用于说明温度对图5(a)的光电传感器的光强度与电场的关系影响的图，

图6(a)是本发明实施例4的光电传感器图，

图6(b)是图6(a)的光电传感器沿A-A’的剖面图，

图7是图6的光电传感器的外加电压与输出光的关系图，

图8(a)是本发明实施例5的光电传感器的平面图，

图8(b)是图8(a)的光电传感器沿B-B’的剖面图，

图9是图8(a)和图8(b)的光电传感器的外加电压与输出光的关系图，

图10是本发明实施例6的光电传感器图。

实施发明的最佳形态：

下面，为了更详细地说明本发明，参照附图说明实施发明的最佳形态。

实施例1：

本发明实施例1的光电传感器与图1(a)所示的先有的光电传感器相比较只在容器1先有例是塑料制容器而在实施例1中为玻璃容器这一点上不同，其他结构完全相同。

即，光电传感器通过在LiNbO₃基板上利用Ti扩散制作光波导式分支干涉仪，将电极设置到分支后的2条光波导中的1条光波导上，将该光调制器装配并固定到玻璃容器内，将光调制器的电极与天线2连接。并且将偏振状态稳定光纤与光调制器的光入射一侧连接、将单模光纤与光出射一侧连接而构成。

即使将这样构成的实施例1的光电传感器置于高于室温的30℃环境下，光调制特性也不发生变化。

实施例2：

图4将石英外壳的上半部去掉后稍倾斜地看本发明实施例2的光电传感器的图。在LiNbO₃Z基板11(晶轴Z方向)上利用Ti图形制作成马赫-齐德干涉仪图形后，利用热扩散形成光波导12。然后，在光波导12的面上形成SiO₂膜，在其上形成调制用电极图形13。为了使激光向光波导12入射和出射，将其端面研磨后，将偏振方向一定的光纤3与入射光一侧连接，将单模光纤4与出射光一侧连接。这样构成的器件的光调制特性为先前说明过的图2所示的形状。选择了最适合作光电传感器的器件之后，进而将电场检测用的天线6与调制用电极13连接，最后将其整体装配进石英外壳7内。外壳的组装使用有机粘接剂进行密封，以使外界不会影响内部元件。另一方面，为了进行比较，准备了外壳使用丙烯酰基系列塑料的先有型的光电传感器。这里，它们的器件都使用光调制特性相同的器件。

为了证实本发明的效果，在将电极短路的状态下用丙烯酰基海绵将制成的各器件包起来，通过在室温下放置1天对外壳加上静电场后，测量各个光电传感器的光调制特性，已确认先有型的光电传感器发生了光学偏置变化，但是，本发明的光电传感器则未见发生变化。另外，关于外部温度变化，在使用丙烯酰基系列塑料制的外壳的先有的光电传感器中发生光学偏置变化的状态下(室温+10℃)，在使用本发明的石英外壳的光电传感器中光学偏置也不发生变化。

另外，作为本发明的光电传感器，对于对石英外壳施行了梨皮状加工后的光电传感器，和上述一样进行比较时，可以获得比上述情况更好的结果。另外，作为外壳使用陶瓷时，也可以获得与使用石英时相同的结果。

上述本发明实施例2的光电传感器，通过使用玻璃(石英)或陶瓷作为外壳，可以获得组装之后的光调制特性不变、对于室温的温度变化光学偏置也不发生变化的稳定的特性。即，本发明实施例2的光电传感器，由于器件的保温状态稳定，所以，只要在室温下使用(主要在电波暗室内使用的EMC测量是在室温环境下进行的)就可以不考虑温度漂移的影响，从而可以提供去掉针对温度漂移的加工工序的生产效率高的光电传感器。

在本发明的实施例2中，通过使用这样的方法，可以消除外壳材质产生的静电场，另外，可以减小外部温度的变化对外壳内部的温度变化的影响。

实施例3：

图5是本发明实施例3的光电场传感器。如图5所示，利用Ti扩散在LiNbO₃基板上制作光波导式分支干涉仪，将电极设在分支后的2条光波导中的1支光波导上，然后将该光调制器装配并固定到玻璃容器1内，将光调制器的电极与天线2连接。将偏振状态稳定光纤3与光调制器的光入射一侧连接，将单模光纤4与光出射一侧连接，将它们组合在一起便构成光电传感器。在图5中，该光电传感器的周围置于30℃的条件下。这时，入射到偏振状态稳定光纤3内的光经过该光电传感器本体从单模光纤4射出，光的正常波形为C，横轴表示外加电场，纵轴表示光强度，这里，当加给天线的外加电场为0(V)时，将光强度调节到位于极大值与极小值的中点。以上的结构与实施例1相同。本发明实施例3的光电传感器和实施例1不同的地方在于使用具有绝热效果的发泡苯乙烯5包裹起来。

在本发明实施例3的光电传感器中，如图5(b)所示，当入射到偏振状态稳定光纤3内的光经过该光电传感器从单模光纤4射出的光的正常波形为C而进行0点调整时，在加给天线的外加电场为0V时将光强度调节到位于极大值与极小值的中点，和先有例是一样的，但是，如图5(c)所示，从单模光纤4射出的光的波形D与波形C重合，不受温度漂移影响，这一点是不同的。即，在波形D中，加给天线的外加电场为0V时，光强度为0，与正常的出射光波形C没有变化。因此，利用发泡苯乙烯5抑制光电传感器的温度漂移(参见图1(c))，可以获得温度特性好并且稳定的灵敏度。

根据上述结果，本发明实施例3使用了具有绝热效果的光电传感器，可以抑制周围的温度变化引起的温度漂移的影响，从而可以提高温度特性、保持传感器灵敏度的稳定。另外，在本发明的实施例3中，可以减小光电传感器的周围温度变化引起的对光调制器的光学晶体的影响，从而可以提供温度特性好的光电传感器。在本发明的实施例3中，不仅可以提高以往成为问题的光电传感器的温度特性，而且成本较低、不必增加生产工序时间，从而可以提供生产效率高的光传感器。

实施例4：

图6是本发明实施例4的光电传感器的主要部件的图。如图6所示，在LiNbO₃晶体X基板11上形成将Ti(膜厚800)热扩散光波导(以下，简称为光波导)12分支后再合流的分支干涉式光波导，制作成在分支后到合流前之间形成调制电极13的马赫-齐德干涉仪20。将器件两端75mm的2根微小偶极子天线(图中未示出)和图2所示的一样分别与对应的调制电极13连接。将偏振方向一定的光纤与光输入一侧连接，将单模光纤与光输出一侧连接(图中未示出)。输入光采用1.3μm波长的激光，输出的光经O/E变换后进行测量。将直流电压加到这样制作的光电传感器的微小偶极子部，根据光输出强度相对于外加电压的变化，求出半波长电压Vπ。

在这样制作的光电传感器的光调制器部分涂敷本发明的导电性涂料形成导电性树脂膜14(工序时间约为5秒/个)，并在恒温槽内确认出射光强度相对于温度变化如何变化。在-10℃～60℃的温度范围内，逐次变化10℃进行了试验。为了进行比较对照，对于未进行导电性涂层等加工的光电传感器也进行了同样的试验。试验的数据，根据图7的SG曲线25将光强度作为电压偏移来处理，并用半波长电压Vπ进行规格化。

未使用导电性涂料的光电传感器，光强度不稳定，在25℃附近也发生强弱的变化。另外，还确认了相对于温度变化大于半波长电压的偏移量。与此相反，使用了本发明的光电传感器，可以确认在25℃附近光强度不变化，在-10℃～60℃的温度环境下，光学偏置的偏移量小于±0.3％(用半波长电压规格化)。

根据上述结果，可以确认按照本发明的实施例4，对于提高光电传感器的温度特性是有效的。另外，根据实施例4还可以确认本发明与先有的方法相比，以非常低的成本和很容易的工序便可达到要求，所以，对提高生产效率作用很大。因此，在本发明的实施例4中，已判明可以提供利用低成本和简单的工序形成导电性膜的光电传感器。

实施例5：

图8是本发明实施例5的光电传感器的主要部分的图。如图8所示，在LiNbO₃晶体X基板11上形成将Ti(膜厚800)热扩散光波导12分支后再合流的分支干涉式光波导，和实施例4一样，制成在分支后到合流前之间形成调制电极13的马赫-齐德干涉仪，在实施例5中，在与光波导12相邻的调制电极13部分涂敷硅树脂17。将器件两端75mm的2根微小偶极子天线分别与对应的调制电极13连接。将偏振方向一定的光纤与光输入一侧连接，将单模光纤与光输出一侧连接(图中未示出)。输入光采用1.3μm波长的激光，输出的光经O/E变换后进行测量。将直流电压加到这样制作的光电传感器的微小偶极子部，根据光输出相对于外加电压的强度变化求出半波长电压Vπ。其结果示于图9。将容易发生特性变坏的直流电压(12V)加到这样制作的光电传感器上，放置100小时后测量直流偏移量。同样对未涂硅树脂的样品也进行测量，进行比较。

测量之后，为了制造一种恶劣的环境，进行100小时的用普通自来水加湿的60℃及60％的恒温恒湿试验后，进行同样的直流偏移测量时，涂敷了硅树脂的样品直至产生初始直流偏移为止的时间没有变化，而未涂硅树脂的样品的时间则缩短了10倍以上。另外，在本发明的实施例5中，容易混入杂质的电极间具有稳定的特性，即不存在多余的离子，可靠性高，通过涂敷物质可以切断与外界的干涉，从而可以提供可以很容易防止污染及混入杂质的光电传感器。并且，现已确认，若利用本发明实施例5的光电传感器，则可提供不仅生产工序非常容易，而且可以抑制直流漂移量的变化的稳定的光电传感器。另外，在本发明的实施例5中，只要能避免涂敷硅树脂时混入杂质，就可以提供具有长期的稳定特性的光电传感器。并且，不需要特定的设备，作业非常容易，几乎不会增加工序时间。

实施例6：

图10是本发明实施例6的光电传感器的图，参见图10，在LiNbO₃晶体Z基板21上利用Ti图形制作和图2所示的先有例一样的马赫-齐德干涉仪图形后，利用热扩散制成光波导12。然后，在波导12面上形成SiO₂膜，再在其上形成调制电极22的图形。为了使激光向光波导入射和出射，将其端面研磨后将偏振方向一定的光纤与入射光一侧连接，将单模光纤与出射光一侧连接。这样制作的器件的光调制特性和先有例一样，呈现图3所示的特性。到此为此，和先有例的结构相同。然后，在本发明的实施例6中，进而将电场检测用的天线2与调制电极22连接，最后将其整体如图10所示的那样装配到外壳内。在图10中，未示出天线。外壳的组装使用有机粘接剂进行密封，以使外界不会影响内部器件。

这时，使用本发明实施例6的经过防带电处理的氯乙烯板和比较用的未经任何处理的氯乙烯板分别组装成外壳后进行带电测量。首先，将相同强度的电场加到上述2种外壳上，经过一定时间后分别测量它们的带电量，比较它们的数值。结果，加电场30秒后，在本发明实施例6的经过防带电处理的外壳上几乎未发现带电量，相反，在未经任何处理的比较例的外壳上，则测量到了与外加电场强度的大约二分之一相当的带电量。

根据上述结果，使用本发明实施例6的外壳的光电传感器，由于没有因外壳带电而对周围电场的干扰影响，所以，可以只对要测量的电场进行光调制。进而，在本发明的实施例6中，可以提供消除组装后外壳材料产生的静电场、具有不会干扰测量电场的结构的光电传感器。另外，在本发明的实施例6中，通过使用经过防带电处理的塑料材料，可以消除外壳材质发生的静电场，从而可以提供能测量未受干扰影响的电场的光电传感器。在本发明的实施例6中，可以减小光电传感器的周围温度变化对光调制器的的光学晶轴的影响，从而可以提供温度特性好的光电传感器。在本发明的实施例6中，不仅可以提高以往成为问题的光电传感器的温度特性，而且可以提供成本较低、不增加生产工序时间、生产效率高的光电传感器。

如上所述，在本发明的实施例1-6中，利用可以抑制光电传感器外部的热变化向光学晶体的热传递的结构，便可提供不需要要求精度高的装置而可以提高温度特性的光电传感器。

产业上的利用可能性：

如上所述，本发明的光电传感器可以应用于EMC测量(噪声测量)中典型的测量现场内的电场强度的情况。

Claims

1.一种光电传感器，由含光学晶体的光学部件构成，利用光通过电场时强度、相位和偏振方向三者之中的至少一种的变化测定自然或强制产生的电场的强度，其特征在于，所述光学部件配置在第一绝热材料制成外壳中。

2.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述第一种绝热的材料为选自陶瓷原料和玻璃原料的至少一种原料。

3.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述外壳表面的主要部分经过磨粗处理。

4.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述电场通过连接到所述光学晶体的天线施加到上述光学晶体上。

5.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述外壳还用第二绝热材料固定包围起来。

6.如权利要求5所述的光电传感器，其特征在于，所述第二绝热材料由发泡苯乙烯树脂组成。

7.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述光学元件具有这样的结构：在具有光电效应的光学晶体衬板上形成有光波导，光波导附近配置有至少一对调制电极，自然或强制产生的电场即引到此一对调制电极上。