CN116520038A - 具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 - Google Patents
具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116520038A CN116520038A CN202310347653.6A CN202310347653A CN116520038A CN 116520038 A CN116520038 A CN 116520038A CN 202310347653 A CN202310347653 A CN 202310347653A CN 116520038 A CN116520038 A CN 116520038A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electric field
- lithium niobate
- waveguide
- optical
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 118
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 89
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 77
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 50
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 11
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 4
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 22
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 9
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统，属于光学电场传感器技术领域，解决了现有传感器存在体积大、难集成、电极间距较大、灵敏度低且频带较窄的问题。本发明的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，包括MZ波导和分段电极；MZ波导两臂为非对称结构；波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层；脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；铌酸锂平板层高度为200～400nm；电极单元与波导之间为厚500～800nm的二氧化硅缓冲层；电极单元为“LF”形交叉式结构，分段电极总长度为4～15mm。本发明提出的传感器封装尺寸小，利集成，灵敏度高，光约束条件好，频带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光学电场传感器技术领域，具体涉及一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统。
背景技术
随着电磁环境的日益复杂，电磁场传感在多个科学技术领域发挥了非常重要的作用，比如电信、电磁兼容实验测试、高功率宽频带脉冲检测、微波集成电路测试、医疗保健中的电场监测和机电工程中的电场监测等领域。目前，不同种类的天线被广泛应用在不同的电磁测量需求中，但是，由于天线与接收机通过同轴线连接，环境噪声会通过同轴线耦合进入接收机，对测量信号造成干扰；另外，天线体积较大使得测量空间分辨率较低，并且无法适应小体积空间中的电场测量；对于宽带电磁信号的测量需求，往往需要多幅不同工作频段的天线才能覆盖测量的频率范围，造成测量系统复杂，以上问题很大程度上限制了天线对电磁环境的测量能力。基于不同原理和物理效应的电磁场传感器有望成为天线的替代品。传统的宽带电场探头主要是基于导电材料的偶极子电小天线，这类探头会将被测量的电场进行散射，且容易与源或者周围的元素产生耦合。开放式波导探头是一种很有前途的替代方案，但是测量带宽受到尺寸限制，低频时设备长度达到米级。
近些年来，光学电场探测越来越受到人们的关注，比如光纤电场传感器和一些集成光学电场传感器，它们具有远程测量、安全、结构集成、对环境和电场源的干扰极弱等优点。目前性能较好的光学电场传感器主要是基于MZ(Mach–Zehnder，马赫曾德尔)干涉仪的铌酸锂集成光学电场传感器，自从1980年首次被Catherine.H.Bulmer等人提出以来，该技术已经发展了很长一段时间。目前，大部分工作主要通过改变电极的形状来提升传感器的性能。采用偶极子天线、共面波导天线电极、微环天线、锥形电极阵列、单屏蔽电极、领结型天线的传感器已经被设计和制作。分段电极结构被证明可以有效降低电极的有效电容，提升传感器的带宽和灵敏度，因此目前大部分铌酸锂MZ光学电场传感器都采用分段电极的形式。这些电场传感器基于钛扩散或质子交换技术在铌酸锂晶体上制作铌酸锂光波导，这种波导的主要缺点是折射率差小,波导对光的束缚能力差和由较大的弯曲半径(毫米级)，波导宽度较大，一般为几个微米，导致器件体积较大，不适合密集集成。对于光学电场传感器来说，波导较宽使得可以加载在波导两边的电极间距较大，从而导致传感器灵敏度受限；此外，现有大部分光学电场传感器的电极仅在MZ波导的单臂上加载，无法同时调节两个臂的折射率，因此调制效率较低。
综上，现有技术中的铌酸锂集成电场传感器存在的传感器体积较大、不适合器件的密集集成和加载在波导两边的电极间距较大、调制效率较低、传感器灵敏度低且频带较窄的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统，解决了现有技术中的铌酸锂集成电场传感器存在的传感器体积较大、不适合器件的密集集成和加载在波导两边的电极间距较大、调制效率较低、传感器灵敏度低且频带较窄的问题。
本发明提供了一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，包括MZ波导和分段电极；其中，
所述MZ波导包括2个Y分支波导，分别用于实现激光的分束与合束；所述分束后、合束前的MZ波导部分为MZ波导两臂，且所述MZ波导两臂为长度不同的非对称结构，用于使经过所述MZ波导两臂的激光产生光程差；
所述分段电极包括若干个相同的“LF”形交叉式结构的电极单元，每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率。
进一步的，所述MZ波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层。
进一步的，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中，所述铌酸锂层厚度为400～600nm，二氧化硅层厚度为2～3μm，硅基底厚度为0.3～0.6mm。
进一步的，所述脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；所述铌酸锂平板层高度为200～400nm。
进一步的，所述电极单元为金属电极；在所述金属电极与MZ波导之间有一层厚度为500～800nm的二氧化硅缓冲层，用于减小所述金属电极对所述MZ波导的吸收损耗。
进一步的，所述电极单元的调制长度为0.2～0.5mm；所述电极单元在感应电场极化方向上的长度为1～2.5mm；电极间距为3～5um；所述分段电极由8～20个所述电极单元同向排列而成，总长度为4～15mm。
进一步的，所述每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率，包括：
每个所述电极单元用于感应空间中的电信号，在所述MZ波导两臂上产生幅度相等、方向相反的电场，在线性电光效应作用下，改变所述MZ波导两臂的折射率。
本发明还提供了一种测量系统，包括激光器、单模保偏锥形透镜光纤、单模锥形透镜光纤、光电探测器、频谱分析仪和权利要求1～7中任一项所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，用于测量外部电场强度；其中，
所述激光器用于发射线性偏振激光进入所述单模保偏锥形透镜光纤；
所述单模保偏锥形透镜光纤光斑直径为2～3um，用于传输所述线性偏振激光，并将所述线性偏振激光耦合至所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器；
所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器用于将耦合进入的激光进行分束与合束，使得其经过分束后产生的两束激光在所述传感器中长度不同的MZ波导两臂上产生光程差，合束后发生MZ干涉，转换为被外部电场幅度调制的光信号，并耦合进入所述单模锥形透镜光纤；
所述单模锥形透镜光纤用于将耦合进入的被外部电场幅度调制的光信号输入所述光电探测器；
所述光电探测器用于将被外部电场幅度调制的光信号转换成电信号，输入所述频谱分析仪；
所述频谱分析仪用于对所述光电探测器输出的电信号进行观测和分析，得到输出电压，并基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度。
进一步的，所述基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度，包括：
光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，表示为：
其中，Vout是所述光电探测器的输出电压，G为光电转换系数，α是光波导芯片的插入损耗，P0是激光器输出光功率，λ是激光器输出的线性偏振激光的波长，Eπ是半波电场，E是所述外部电场强度，ΔL是所述光程差；
通过预设所述MZ波导两臂的长度差，使得ΔL/λ为2kπ+π/2，k为整数，则所述输出电压与外部电场强度的关系简化为：
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：
(1)本发明的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，通过使用并加工薄膜铌酸锂材料，波导宽度小，电极间距小，实现了更低的半波电压和更小的器件尺寸，传感器的封装尺寸为15*5*4mm，结构紧凑并且可进一步缩小，有利于器件的密集集成，具有良好的光约束条件。
(2)本发明的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，通过使用“LF”形交叉式结构的分段电极，可以同时对MZ波导的两臂施加大小相等、方向相反的电场，提高了MZ干涉仪的调制效率，使得电场传感器的灵敏度高达2.5mV/m；同时，分段电极可以有效降低电极电容，提升传感器的工作带宽；现有采用分段电极的传感器感应的是平行于波导方向上的电场信号，增加电极长度会提高传感器的灵敏度，但是受到电光速度失配的影响，传感器的工作带宽会变低，而本发明中的“LF”形交叉式结构的分段电极感应的是垂直于波导方向上的电场信号，增加感应电场极化方向上的电极长度可以在提升灵敏度的同时不影响传感器的工作带宽，因此传感器可以同时满足高灵敏度和宽频带。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统的示意图；
图2为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器的MZ波导和电极单元的横截面结构示意图；
图3为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器的分段电极结构示意图。
图4为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器的实物图片；
图5为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器在1MHz～1GHz下的频率响应结果；
图6为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器在1GHz～20GHz下的频率响应结果；
图7为本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器在1GHz下的动态范围。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统。
具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，用于实现激光的分束与合束，使得激光依次经过分束、合束后发生MZ干涉。
所述MZ波导包括2个Y分支波导，分别用于实现激光的分束与合束；分束后、合束前的MZ波导部分为MZ波导两臂，且MZ波导两臂为长度不同的非对称结构，用于使经过MZ波导两臂的激光产生光程差。
分段电极包括若干个相同的“LF”形交叉式结构的电极单元，每个电极单元用于改变MZ波导两臂的折射率。
具体来说，如图2所示为MZ波导和电极单元的横截面结构，为了获得最大的EO系数γ33，使之达到31pm/V，MZ波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，以便电极单元沿z轴形成水平电场。
MZ波导包括脊型波导和铌酸锂平板层；其中，
铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中，铌酸锂层厚度为400～600nm，二氧化硅层厚度为2～3μm，硅基底厚度为0.3～0.6mm。
脊型波导的宽度w为0.6～1.5um，脊深h1为150～400nm；铌酸锂平板层高度h2为200～400nm。
具体来说，电极单元为金属电极；在金属电极与MZ波导之间有一层厚度h3为500～800nm的二氧化硅缓冲层，用于减小金属电极对MZ波导的吸收损耗。
分段电极结构如图3所示，为了同时对MZ波导两臂进行等幅反向施加电压，电极单元的调制长度L1为0.2～0.5mm，电极单元在感应电场极化方向上的长度L2为1～2.5mm；电极间距d为3～5um，进一步减小间隙则通常会导致多余的光吸收，并要求在制造过程中进行更精确的对准。
优选的，分段电极由8～20个电极单元同向排列而成，总长度为4～15mm。
每个电极单元用于感应空间中的电信号，在MZ波导两臂上产生幅度相等、方向相反的电场，在线性电光效应作用下，改变MZ波导两臂的折射率。
为了使本实施例提出的薄膜铌酸锂光学电场传感器发挥作用，本实施例还提出了一种测量系统，包括激光器、单模保偏锥形透镜光纤、单模锥形透镜光纤、光电探测器、频谱分析仪和权利要求1～7中任一项的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，用于测量外部电场强度。
激光器用于发射线性偏振激光进入单模保偏锥形透镜光纤。
单模保偏锥形透镜光纤光斑直径为2～3um，用于传输线性偏振激光，并将线性偏振激光耦合至具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器。
具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器用于将耦合进入的激光进行分束与合束，使得其经过分束后产生的两束激光在传感器中长度不同的MZ波导两臂上产生光程差，合束后发生MZ干涉，转换为被外部电场幅度调制的光信号，并耦合进入单模锥形透镜光纤。
单模锥形透镜光纤用于将耦合进入的被外部电场幅度调制的光信号输入光电探测器。
光电探测器用于将被外部电场幅度调制的光信号转换成电信号，输入频谱分析仪。
频谱分析仪用于对光电探测器输出的电信号进行观测和分析，得到输出电压，并基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度。
具体来说，基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度，包括：
光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，表示为：
其中，Vout是光电探测器的输出电压，G为光电转换系数，α是光波导芯片的插入损耗，P0是激光器输出光功率，λ是激光器输出的线性偏振激光的波长，Eπ是半波电场，E是外部电场强度，ΔL是光程差。
通过预设MZ波导两臂的长度差，使得ΔL/λ为2kπ+π/2，k为整数，则输出电压与外部电场强度的关系简化为：
在实际测试环境中，被测电场强度E远远小于半波电场Eπ，因此光电探测器输出的电压与被测量的电场可以近似为线性关系，表示为：
本实施例针对薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统，开展了频率响应实验。
图4显示了薄膜铌酸锂光学电场传感器的实物图片，传感器的封装尺寸为15*5*4mm，结构紧凑并且可进一步缩小。
薄膜铌酸锂光学电场传感器中MZ波导芯片的制造工艺，首先用EBL在铌酸锂薄膜样品表面形成光波导图案，之后用电子束蒸发镀200nm厚的铬作为掩膜，剥离之后用电感耦合等离子体刻蚀系统以50nm/min的速率对铌酸锂刻蚀200nm深形成脊型波导。之后用电感耦合化学气相沉积系统(ICP-CVD)在波导上面沉积一层600nm厚的二氧化硅。最后采用EBL和电子束蒸发制作金属电极。测试得到波导插入损耗为15dB。
实验中，在电场强度为3V/m时，采用频率范围为DC-1GHz的横电磁波小室和频率范围为1GHz～20GHz的GTM小室测量得到了薄膜铌酸锂光学电场传感器的频率响应，结果如图5和图6所示。可以看出，在10MHz～20GHz频率范围内可以得到波动小于13dB的频率响应。另外，我们利用TEM cell测量了1GHz频率下的动态范围，结果如图7所示，传感器在2.5mV/m～100V/m电场强度的范围内呈线性响应，传感器灵敏度为2.5mV/m。通过增加激光器的输出功率可以进一步提升传感器的灵敏度，测试系统的噪声底限为-120dBm，频谱分析仪的RBW为10Hz。
本发明实施例的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器与已发表的同类型传感器的性能对比，如表1所示。R.Zeng等人针对强电场测量集成电光传感器的设计与应用，公开了一种采用铌酸锂晶体制造的传感器，带宽/平坦度为100kHz～18GHz/30dB，灵敏度为43.1mV/m；J.Zhang,F.Chen and B.Liu公开了一种采用铌酸锂晶体制造的集成光电传感器，该传感器尺寸为55x 15x10mm，带宽/平坦度为100kHz-26GHz/20dB，灵敏度为245mV/m；C.T.Lee and W.H.Huang公开了一种集成方位角铌酸锂光电电磁场传感器，该传感器采用马赫-曾德尔波导调制器和微多环形天线，尺寸为10x 10mm，带宽为1.4GHz-5.2GHz，灵敏度为2.24mV/m；H.Y.Lee等人公开了一种反射型分段光电电场传感器，该传感器的尺寸为45x 3x 0.5mm，带宽/平坦度为750MHz-6GHz/20dB，灵敏度为10mV/m；而实验表明，本发明实施例公开的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，尺寸为15x 5x 4mm，带宽/平坦度为1MHz-20 GHz/13dB，灵敏度为2.5mV/m，结构紧凑并且可进一步缩小，有利于器件的密集集成，具有良好的光约束条件，并且可以同时满足高灵敏度和宽频带。
表1具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器与现有同类型传感器的性能对比
与现有技术相比，本发明的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，一方面，通过使用并加工薄膜铌酸锂材料，波导宽度小，电极间距小，实现了更低的半波电压和更小的器件尺寸，传感器的封装尺寸为15*5*4mm，结构紧凑并且可进一步缩小，有利于器件的密集集成，具有良好的光约束条件。另一方面，通过使用“LF”形交叉式结构的分段电极，可以同时对MZ波导的两臂施加大小相等、方向相反的电场，提高了MZ干涉仪的调制效率，使得电场传感器的灵敏度高达2.5mV/m；同时，分段电极可以有效降低电极电容，提升传感器的工作带宽；现有采用分段电极的传感器感应的是平行于波导方向上的电场信号，增加电极长度会提高传感器的灵敏度，但是受到电光速度失配的影响，传感器的工作带宽会变低，而本发明中的“LF”形交叉式结构的分段电极感应的是垂直于波导方向上的电场信号，增加感应电场极化方向上的电极长度可以在提升灵敏度的同时不影响传感器的工作带宽，因此传感器可以同时满足高灵敏度和宽频带。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，包括MZ波导和分段电极；其中，
所述MZ波导包括2个Y分支波导，分别用于实现激光的分束与合束；所述分束后、合束前的MZ波导部分为MZ波导两臂，且所述MZ波导两臂为长度不同的非对称结构，用于使经过所述MZ波导两臂的激光产生光程差；
所述分段电极包括若干个相同的“LF”形交叉式结构的电极单元，每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率。
2.根据权利要求1所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述MZ波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层。
3.根据权利要求2所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中，所述铌酸锂层厚度为400～600nm，二氧化硅层厚度为2～3μm，硅基底厚度为0.3～0.6mm。
4.根据权利要求3所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；所述铌酸锂平板层高度为200～400nm。
5.根据权利要求4所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述电极单元为金属电极；在所述金属电极与MZ波导之间有一层厚度为500～800nm的二氧化硅缓冲层，用于减小所述金属电极对所述MZ波导的吸收损耗。
6.根据权利要求5所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述电极单元的调制长度为0.2～0.5mm；所述电极单元在感应电场极化方向上的长度为1～2.5mm；电极间距为3～5um；所述分段电极由8～20个所述电极单元同向排列而成，总长度为4～15mm。
7.根据权利要求6所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率，包括：
每个所述电极单元用于感应空间中的电信号，在所述MZ波导两臂上产生幅度相等、方向相反的电场，在线性电光效应作用下，改变所述MZ波导两臂的折射率。
8.一种测量系统，其特征在于，包括激光器、单模保偏锥形透镜光纤、单模锥形透镜光纤、光电探测器、频谱分析仪和权利要求1～7中任一项所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，用于测量外部电场强度；其中，
所述激光器用于发射线性偏振激光进入所述单模保偏锥形透镜光纤；
所述单模保偏锥形透镜光纤光斑直径为2～3um，用于传输所述线性偏振激光，并将所述线性偏振激光耦合至所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器；
所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器用于将耦合进入的激光进行分束与合束，使得其经过分束后产生的两束激光在所述传感器中长度不同的MZ波导两臂上产生光程差，合束后发生MZ干涉，转换为被外部电场幅度调制的光信号，并耦合进入所述单模锥形透镜光纤；
所述单模锥形透镜光纤用于将耦合进入的被外部电场幅度调制的光信号输入所述光电探测器；
所述光电探测器用于将被外部电场幅度调制的光信号转换成电信号，输入所述频谱分析仪；
所述频谱分析仪用于对所述光电探测器输出的电信号进行观测和分析，得到输出电压，并基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度，包括：
光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，表示为：
其中，Vout是所述光电探测器的输出电压，G为光电转换系数，α是光波导芯片的插入损耗，P0是激光器输出光功率，λ是激光器输出的线性偏振激光的波长，Eπ是半波电场，E是所述外部电场强度，ΔL是所述光程差；
通过预设所述MZ波导两臂的长度差，使得ΔL/λ为2kπ+π/2，k为整数，则所述输出电压与外部电场强度的关系简化为：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310347653.6A CN116520038A (zh) | 2023-04-03 | 2023-04-03 | 具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310347653.6A CN116520038A (zh) | 2023-04-03 | 2023-04-03 | 具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116520038A true CN116520038A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87398488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310347653.6A Pending CN116520038A (zh) | 2023-04-03 | 2023-04-03 | 具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116520038A (zh) |
-
2023
- 2023-04-03 CN CN202310347653.6A patent/CN116520038A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5781003A (en) | Electric field sensor | |
| CN105353231B (zh) | 一种适用于二维电场测量的光学传感装置 | |
| US5625284A (en) | Electric field sensor having sensor head with unbalanced electric field shield to shield branched optical waveguides against an applied electric field | |
| KR100356566B1 (ko) | 전계센서 | |
| CN112858795A (zh) | 一种基于平衡探测的集成光波导电场传感器及系统 | |
| Tian et al. | Broadband High-Sensitivity Thin-Film LiNbO 3 Based E-Field Sensor With LF-Shaped Electrode | |
| CN101251560A (zh) | 用于电场测量的耦合型光电集成传感器 | |
| Liu et al. | Broadband electric field sensor with large dynamic range and high sensitivity based on lithium niobate on insulator | |
| CN116520038A (zh) | 具有lf交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统 | |
| CN108957152A (zh) | 一种基于波长解调的集成光波导电场传感器系统及其测量方法 | |
| CN1428609A (zh) | 宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统 | |
| US20200274220A1 (en) | Photonic integrated circuit | |
| Li et al. | QAM signal with electric field sensor based on thin-film lithium niobate | |
| Xiao et al. | A two-dimensional LiNbO3 photonic E-field sensor using inclined dipole antennas | |
| Forber et al. | Dielectric EM field probes for HPM test & evaluation | |
| Sun et al. | Integrated optical electric field sensor with telescopic dipole | |
| JP3404606B2 (ja) | 電界センサ | |
| CN105182094A (zh) | 集成光学二维电场传感器及测量系统 | |
| CN219574218U (zh) | 光学电场传感器及电场测量装置 | |
| Zhang et al. | A three-axis optical electric field sensor for high-altitude nuclear electromagnetic pulse (HNEMP) measurement | |
| Ohara et al. | Two-dimensional field mapping of microstrip lines with a band pass filter or a photonic bandgap structure by fiber-optic EO spectrum analysis system | |
| JP3435588B2 (ja) | 電界センサ | |
| JP3355502B2 (ja) | 電界センサ | |
| CN115032741A (zh) | 波导及包含其的光芯片 | |
| CN117452676A (zh) | 一种基于铌酸锂薄膜的相干合成波导放大器及实现方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |