CN116482803A - 片上起偏铌酸锂光波导电场传感器及其测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器及其测量系统，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成渐变耦合结构、偏振选择结构、MZ电光调制器和宽带高增益电极、天线结构；通过对传感器输入激光信号，可以将电场信号调制在激光上，并利用长光纤对调制后的激光进行传输；后端再通过光电探测器进行解调并送入接收机中进行测量，可以得到待测电场信息。该传感器结构简单，尺寸小，灵敏度高，干扰小，电场测量结果准确，测量可重复性高。
Description
技术领域
本发明属于宽带电场探测技术领域，尤其涉及一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器及其测量系统。
背景技术
随着电子技术的发展，电磁环境越发复杂化，随之而来的电磁干扰问题也越发严重，电磁兼容设计成为电子设备设计研发中的关键环节之一。电磁兼容设计需要大量的输入数据，而这些输入数据很多情况下需要通过测试测量来得到，因此，电场传感器在电磁兼容的设计环节中作用重大。传统的电场测量采用天线加接收机(及频谱仪)的形式进行测量，虽然测量原理简单，但存在以下缺陷：(1)单个天线带宽较窄，需要多个天线覆盖整个较宽频段，导致测量系统结构复杂。(2)天线和传输线金属结构对待测电场影响较大，导致测量结果准确度低、重复性差。(3)天线体积较大，不利于设备内部狭窄空间的测量。(4)天线加接收机(频谱仪)系统敏感度高，容易受到强电磁干扰的影响。
基于电光效应的光学电场传感器系统可以避免问题。光学电场传感器通过传感介质材料的电光效应，将电场信号调制在激光上，利用低损耗光纤进行长距离传输。传感器探头采用介质材料，工作频带宽，可利用单个探头覆盖较宽频段；介质结构对待测电场干扰小，测量结果准确；体积小，适用于各种空间电场的测量；前后端光电隔离，抗干扰和抗损毁能力强。
基于以上优势，光学电场传感器成为电场测量领域中重要的测量手段。但是，现存的光学电场传感器多采用体状铌酸锂材料上制备光波导结构的形式，由于体状铌酸锂具有一定的厚度，非薄膜状，刻蚀难度高，通常需要采用钛扩散和质子交换的技术，在该体状铌酸锂中制备通道式光波导。基于这种技术在体状铌酸锂材料上制备的光波导结构芯层和包层之间的折射率差较小，通常为10-2量级，因此，其波导宽度较大(通常单模光波导为6-7μm)、束光能力较弱。波导宽度大导致电极间距大，造成电极间电场较小、调制效率低，需要更长的结构完成调制。束光能力弱导致波导中分支结构的转弯半径大，因此也需要更长的结构完成调制。而过长的结构会光电速度失配效果加剧，进而影响探头的带宽。因此，现有的光学电场传感器仍然存在体积大、带宽窄的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明采用薄膜状的铌酸锂晶体材料制备光学电场传感器，并通过在铌酸锂薄膜材料上刻蚀波导结构等传感器结构，构成一体化的电场传感器，该传感器结构简单，尺寸小，灵敏度高，干扰小，电场测量结果准确，测量可重复性高。
采用的技术方案如下：
本发明公开了一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，通过对传感器输入激光信号，可以将电场信号调制在激光上，并利用长光纤对调制后的激光进行传输；后端再通过光电探测器进行解调并送入接收机中进行测量，可以得到待测电场信息。
一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成渐变耦合结构、偏振选择结构、MZ电光调制器和宽带高增益电极、天线结构；其中，所述渐变耦合结构设置在传感器的激光输入端口处，将输入激光中光斑较大的激光耦合到光斑较小的单模光波导中，以实现激光的单模传输；所述偏振选择结构将所述单模光波导中的TM模消除，以实现激光的单偏振传输；所述MZ电光调制器衔接在所述单模光波导之后，并将空间中的待测电场调制到输入的激光上；所述高增益电极将所述MZ电光调制器的波导臂上作用的待测电场的强度增高。
进一步，所述铌酸锂薄膜材料基体以硅片为支撑，在所述硅片上附着2μm-5μm厚度二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上附着300nm-600nm厚度铌酸锂单晶薄膜。
进一步，所述渐变耦合结构为在传感器端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入光纤连接，另一端较窄，与内部单模光波导衔接，将输入光纤的激光逐渐耦合到到1μm宽度的单模光波导中。
进一步，所述偏振选择结构通过在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得TE模导波低损耗通过的同时，TM模导波高损耗衰减，实现传感器单偏振工作状态。
进一步，所述MZ电光调制器包括两个Y分支光波导，每个Y分支光波导均包括两段平行的波导臂，采用偏置的MZ电光调制结构，使得所述传感器工作在MZ电光调制器线性工作点。
进一步，所述高增益电极采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2μm以内，所述高增益电极集成在MZ电光调制器的波导臂上。
进一步，还包括另一个渐变耦合结构，在所述传感器激光出口处的端口处，也就是MZ电光调制器的输出端衔接一个锥形渐变传输通道。
基于所述片上起偏铌酸锂光波导电场传感器进行测量的测量系统包括：激光源、保偏光纤、所述铌酸锂薄膜材料光学电场传感器、单模光纤、光探测器以及频谱仪，激光通过保偏光纤输入到所述光学电场传感器上，待测外电场施加在所述传感器上，输出的经过强度调制的激光通过单模光纤入射到光探测器中，并转换成电信号，最后输入到频谱仪中进行检测，得到待测电场强度的频率和幅值。
基于所述传感器测量系统进行测量的测量方法具体为：
步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1μm宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；
步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中TM模式，形成激光的单偏振传输；
步骤三：强度调制：将步骤二中传输的激光在MZ光电调制器第一个Y分支处平均分成两路，分别进入MZ光电调制器干涉的光波导两臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的激光的相位发生改变，最终在MZ光电调制器第二个Y分支处输出的激光强度发生改变，其变化规律为：
Iout＝IinαE
其中，Iout为传感器输出功率，Iin为激光光源输入功率α为传感器调制系数，E为待测电场强度；
步骤四、待测电场强度计算：步骤三中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号Vrf；则待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为Eout＝Vrf+AF，其中AF为经过精度标定之后的测量系统的天线系数。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
1.本发明所采用的铌酸锂薄膜形成的单模光波导的芯层和包层折射率差为0.7左右，远高于传统工艺(钛扩散、质子交换，约为6-7μm)，因而单模光波导宽度为1μm以内，束光能力强，有利于减小传感器尺寸。
2.本发明设置的高增益宽带电极间距为2μm以内，极间电场较传统工艺大，调制效率提升，有助于降低电极尺寸和光路尺寸，从而提升带宽。
3.本发明直接在铌酸锂薄膜上刻蚀了片上偏振选择结构，无需外加起偏器，降低了传感器复杂度，节约了成本、减小了尺寸。
4.本发明采用了高增益宽带电极-天线结构，增大了灵敏度，提升了带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是片上起偏铌酸锂光波导电场传感器结构示意图；
图2是铌酸锂薄膜材料基体示意图；
图3是铌酸锂薄膜材料光学电场的测量系统示意图；
图4(a)是偏振选择结构进行对TE极化的高斯光束进行偏振选择后的效果图；
图4(b)是偏振选择结构进行对TM极化的高斯光束进行偏振选择后的效果图。
附图标记说明：
1-保偏光纤、2-偏振选择结构、3-渐变耦合结构、4-高增益电极结构、5-MZ电光调制器、6-单模光纤、7-激光源、8-铌酸锂薄膜材料的光学电场传感器、9-光探测器、10-频谱仪、11-射频传输线、12-待测电场、13-铌酸锂单晶薄膜、14-二氧化硅、15-硅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
图1所示为片上起偏铌酸锂光波导电场传感器8结构图，所述传感器以铌酸锂薄膜为基体，在光路的方向上依次刻蚀渐变耦合结构3、偏振选择结构2、MZ电光调制器5、高增益电极4、天线结构(未示出)，通过在所述传感器8两个端面处外直接连接锥形透镜光纤，实现由保偏光纤1、传感器8、单模光纤6的光路联通。
所述渐变耦合结构3为在传感器8激光输入的端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入保偏光纤1连接，另一端较窄，与内部单模光波导衔接，将输入保偏光纤1的激光逐渐耦合到到1μm宽度的单模光波导中。此外，还可以在在传感器8激光输出的端口也设置相同的锥形渐变传输通道，衔接在MZ电光调制器之后。
所述偏振选择结构2为在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得TE模导波低损耗通过的同时，TM模导波高损耗衰减，实现传感器单偏振工作状态。
所述MZ电光调制器5与设置有偏振选择结构2的单模光波导衔接，包括包括两个Y分支光波导，每个Y分支光波导均包括两段平行的波导臂，所述采用偏置的MZ电光调制器结构，使得所述传感器工作在MZ电光调制器线性工作点，线性检测范围保证对电场检测的精确度。
所述高增益电极4采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2μm以内，所述高增益电极集成在MZ电光调制器的所述平行的波导臂上，可以设置在上波导臂或者下波导臂上，通过增强待测电场的强度来提高检测的灵敏度。所述天线采用现有电场传感器的常规天线结构。
图2所示为铌酸锂薄膜材料基体，是通过在硅基体上附着铌酸锂单晶薄膜实现，具体包括0.5mm的硅15支撑结构，在所述硅支撑结构上附着2-5μm厚度的二氧化硅衬底14，在所述二氧化硅衬底上附着300-600nm的铌酸锂单晶薄膜结构13，可以采用x切y传d铌酸锂单晶薄膜结构。图1所示的传感器结构通过微纳加工的方法刻蚀在铌酸锂薄膜结构上。
图3所示为片上起偏铌酸锂光波导电场传感器的测量系统示意图。激光源发7出的激光通过保偏光纤1输入到传感器8上，待测电场12施加在传感器8上，实现通过待测电场12对输入的激光进行强度调制。之后得到的强度调制激光通过单模光纤6入射到光探测器9中，并转换成电信号，最后通过射频传输线11输入到频谱仪10中进行检测。频谱仪读出信号，获得待测电场强度的频率和幅值。具体测量方法包括如下步骤：
步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1μm宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；
步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中TM模式，形成激光的单偏振传输。
步骤三：强度调制：将步骤二中传输的激光在MZ光电调制器第一个Y分支处平均分成两路，分别进入MZ光电调制器干涉的光波导两臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的激光的相位发生改变，最终在MZ光电调制器第二个Y分支处输出的激光强度发生改变，其变化规律为：
Iout＝IinαE
其中，Iout为传感器输出功率，Iin为光源输入功率,α为可测量得到的传感器调制系数，E为待测电场强度；
步骤四、待测电场强度计算：步骤三中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号幅度Vrf，单位dBμV；则待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为Eout＝Vrf+AF，其中AF为经过标定之后的测量系统的天线系数，这个天线系数是测量系统的已知参数，是电场传感器的传递系数，单位为dB/m。
图4所示为偏振选择结构选偏效果图。其中，图4(a)中为在所述传感器的一端输入一个TE极化的高斯光束的传播场分布图，图4(b)中为在所述传感器的一端输入一个TM极化的高斯光束的传播场分布图。由图可以看出，TM极化光衰减较大，而TE极化光可以较低的衰减通过选偏结构，从而实现单偏振传输。事实上，其对TM极化和TE极化的消光比可以达到20dB以上。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成渐变耦合结构、偏振选择结构、MZ电光调制器和宽带高增益电极、天线结构；其中，所述渐变耦合结构设置在传感器的激光输入端口处，将输入激光中光斑较大的激光耦合到光斑较小的单模光波导中，以实现激光的单模传输；所述偏振选择结构将所述单模光波导中的TM模消除，以实现激光的单偏振传输；所述MZ电光调制器衔接在所述单模光波导之后，并将空间中的待测电场调制到输入的激光上；所述高增益电极将所述MZ电光调制器的波导臂上作用的待测电场的强度增高。
2.根据权利要求1所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜材料基体以硅片为支撑，在所述硅片上附着2μm-5μm厚度二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上附着300nm-600nm厚度铌酸锂单晶薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，所述渐变耦合结构为在传感器端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入光纤连接，另一端较窄，与所述传感器内部单模光波导衔接，将输入光纤的激光逐渐耦合到到1μm宽度的单模光波导中。
4.根据权利要求3所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，所述偏振选择结构通过在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得TE模导波低损耗通过的同时，TM模导波高损耗衰减，实现所述传感器单偏振工作状态。
5.根据权利要求4所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，所述MZ电光调制器包括两个Y分支光波导，每个Y分支光波导均包括两段平行的波导臂，所述MZ电光调制器采用偏置的MZ电光调制结构，使得所述传感器工作在MZ电光调制器线性工作点。
6.根据权利要求5所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，所述高增益电极采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2μm以内，所述高增益电极集成在MZ电光调制器的所述平行的波导臂上。
7.根据权利要求6所述的一种片上起偏铌酸锂光波导电场传感器，其特征在于，还包括另一个渐变耦合结构，在所述传感器激光出口处的端口处，也就是MZ电光调制器的输出端衔接一个锥形渐变传输通道。
8.基于权利要求1-7任一项所述片上起偏铌酸锂光波导电场传感器进行测量的测量系统，其特征在于，包括：激光源、保偏光纤、所述铌酸锂薄膜材料光学电场传感器、单模光纤、光探测器以及频谱仪，激光通过保偏光纤输入到所述光学电场传感器上，待测外电场施加在所述传感器上，输出经过强度调制的激光通过单模光纤入射到光探测器中，并转换成电信号，最后输入到频谱仪中进行检测，得到待测电场强度的频率和幅值。
9.基于权利要求8所述测量系统的测量方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1μm宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；
步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中TM模式，形成激光的单偏振传输；
步骤三：强度调制：将步骤二中传输的激光在MZ光电调制器第一个Y分支处平均分成两路，分别进入MZ光电调制器干涉的光波导两臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的激光的相位发生改变，最终在MZ光电调制器第二个Y分支处输出的激光强度发生改变，其变化规律为：
Iout＝IinαE
其中，Iout为传感器输出功率，Iin为激光光源的输入功率,α为可测量得到的传感器调制系数，E为待测电场强度；
步骤四、待测电场强度计算：步骤三中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号幅度Vrf；则待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为Eout＝Vrf+AF，其中AF为经过精度标定之后的测量系统的天线系数。
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