CN1291287A

CN1291287A - 用稀土铁石榴石的光波前极化旋转的光学测量方法和装置

Info

Publication number: CN1291287A
Application number: CN99803136.4A
Authority: CN
Inventors: 保尔·G·邓肯; 卡弗尔·E·霍顿; 理查德·O·克劳斯
Original assignee: PAUL G DENKEN
Current assignee: PAUL G DENKEN
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-04-11
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: WO2000023811A1; US6534977B1; CA2360606A1; EP1040361A4; AU1215400A; US6437885B1; CN1187622C; JP2002528707A; EP1040361A1

Abstract

所描述的是稀土铁石榴石传感器元件的设计;询问传感器元件的光学方法;把光传感器元件耦合到波导的方法;以及一个光和电的处理系统,用于监测由于磁场或电流起伏而进行外部调制的线性偏振波前的偏振旋转。传感器元件应用法拉第效应,某些稀土铁石榴石材料的固有特性,在磁场存在时旋转光的偏振状态。可以对传感器元件(17)涂以薄膜镜子(13),以使光通路长度有效地加倍,对给定的场强度或温度变化提供两倍的灵敏度。描述使用稀土铁石榴石传感器元件的半导体传感器系统。

Description

用稀土铁石榴石的光波前极化旋转的光学测量方法和装置

本申请要求1998年10月21日提交的第60／105，126号美国专利申请的权益，并把它全部所揭示的内容引用在此作为参考。

发明背景

1．发明领域

本发明一般涉及使用稀土铁石榴石作为传感器元件的传感器，尤其涉及使用这种石榴石来线性地旋转偏振光，用于磁场、电流或温度起伏测量的传感器。

2．现有技术

在军事和商业中的快速技术发展使小型的、高度加强的诸如磁场、电流和温度之类的参数监测方法的需求惊人地增长。在30年的较好时光中已经研究和开发了能够监测这些参数的光纤传感器，而最近因为材料和制造中的进步，已经看到明显的性能改进。不幸地，许多现有发明的实际实施方面离所要求的使用方便性还有很大距离。

监测磁场和电流的需求是很大的。电力公司始终关心从电产生点到最终目的地-用户的功率损耗。此外，电力公司根据消耗来向用户开帐单；不幸地，他们仍使用在时间上早于大多数现代存储器的监测技术。失去监测电流的能力造成潜在的大量收益的损失。那些把标准电网转换成交流和直流的可变电平的电力电子系统制造厂，在实现它们的设计时经常面对在传感器和控制技术方面的限制。他们对提高效率(发热较少)、对于给定功率密度的较小的设计以及提高开关频率的目标正推动着对传统电流和磁场传感技术的限制。和该行业结合的是一个较老的行业-电动机控制。电动机控制所拥有的人员正不断地通过运行时间参数的最佳化(所有这些参数都是从磁和电流传感器得到的)来寻求提高输出效率的较佳方法。现有传感器能力的物理限制正限制了混合电动机(hybrid-motor)开发中的较大的进步，其中在汽车混合引擎(automotive hybrid engine)的开发上具有相当的影响。

通过传感器工业的固有优点，准备光传感器来进行传感器工业的革命。在许多例子如同在许多传统传感器的情况中，光传感器的带宽仅受到信号处理约束的限制-而不是受到传感器材料的限制。通常光传感器不受电磁干扰(EMI)噪声的影响；因此，在高噪声环境中，它们不需要特殊的屏蔽。结果造成对整个装置加上重量显著减轻的较小的变换器(transducer)电缆，对工业和航天／航空应用是一个附加的优点。这还免除了对靠近监测点放置的局部信号调节设备的需要，结果可能节省了整个系统的成本。因为光传感器和它们传统的传感器对应物相比一般是较小的器件，有可能将它们安装到较小的区域或集成到现有的设计中而仅作很少的修改。在高压或高电流的信号测量中，光纤的介电特性给出固有的隔离，这对电力和功率半导体工业是一个重要的优点。此外，光传感器是惰性的，这允许在可能暴露的环境中使用它们。最后，可以把光传感器放置在信号处理设备的远处，对于航天、航空和汽车工业是一个特别大的优点。

当存在磁场时，某些材料改变入射光的偏振状态。在光纤电信领域中广泛地使用众知为法拉第效应的上述特性，特别为了防止反射光能量返回耦合到光源和改变诸如频率或功率输出等参数。在利用法拉第效应的传感器系统中，把传感器装置放置在磁场中。通过监测入射偏振状态的旋转，可以推断磁场强度的直接测量。

光纤是一种展现较小法拉第效应的材料。根据这一点，已经揭示许多测量流过一个导体的电流量的发明。通过把多圈光纤围绕在导体上并应用安培定律(增加通路长度)，可以直接测量电流量。不幸地，在许多应用中，该传感器方法经常是不现实的，因为通过断开导体、安装光纤线圈装置、然后再连接导体以中断功率是行不通的。已知如稀土铁石榴石(REIG)这样的某些结晶材料比它们的光纤波导对应物呈现更大的每单位磁通密度的法拉第旋转。这些晶体是合成的，并一般(但是不排除)具有一般的公式等式

R_3-xBi_xFe_5-xAyO₁₂

其中R是来自包括Y(钇)、La(镧)、Ce(铈)、Pt(铂)、Nd(钕)、Sm(钐)、Eu(铕)、Gd(钆)、Tb(铽)、Dy(镝)、Ho(钬)、Er(铒)、Tm(铥)、Yb(镱)或Lu(镥)的元素族，A是来自包括Ga(镓)、Sc(钪)、Al(铝)或In(铟)的元素族，而0．3＜=x＜=2．0和0．0＜=y＜=1．0。存在许多生成这些材料的方法，其范围从溶剂(flux)法到丘克拉斯基(Czochralski)法到液相外延生成(LEP)。生成晶体的较佳方法属于主观的或有时取决于感兴趣的工作波长；本发明不含有或要求较佳的方法，从LPE和溶剂法两种方法都可以提供传感器材料。

在传输模式中已经历史性地设计使用REIG材料的传感器外壳-偏振光线性地输入晶体的一侧，沿晶体的长度行进，然后从远处的端面输出。要求在远处端面处的光或是直接确定旋转量，或是把能量耦合回波导，以致可以在远处进行光学处理。虽然可以在许多应用中使这种配置工作，但是在制造期间，这些光学元件的轴的调整使这些配置难于批量生产。在本发明的光纤实施例中，该布局技术还引入了尺寸的限制-分开的引入和导出光纤的要求增加了传感器探头的总尺寸，由于大块状光学系统的增加，常常使在诸如转换磁阻之类的系统应用中监测磁通量变得极困难。

Langeac的第4，563，639号(1986)美国专利揭示了根据法拉第效应的温度和／或电强度测量装置。传感器是绕成螺线管形式的光纤，并连接到一个偏振光源以及光束分离器和光电二极管。通过选择地绞合光纤，由于在引入和导出光纤中的双折射问题得到解决。

Shirai等人的第5，463，316(1995)号和第5，493，222(1996)号美国专利披露了一种反射型磁-光传感器头。该传感器头组件特地采用集成偏光器，由(111)铋替代的铁石榴石单晶薄膜组成的法拉第旋转器以及反射膜，所有的部件都采用单一的结构，这样，每一个部件都与其它的部件接触。上述专利还披露了采用矩形棱镜的此种基本概念的另一实施例。光发射／回收系统采用激光光源、输入校准透镜、半透明反射镜、多模聚合体包覆光纤、输出校准透镜以及单一光电二极管。关于信号处理未作讨论。

Deeter等人的第5，483，161号(1996)美国专利揭示了一种磁场传感器，该传感器应用带有高导磁率的磁光传感元件的高导磁率磁通聚集器来增加测量灵敏度。在传输模式(分开的发送和接收光纤)中使用该传感器并应用凸透镜来对准偏振波前。

发明目的和概述

因此，本发明的目的是提供改进的，用于测量光波前的偏振旋转的传感器。

本发明的另一个目的是提供一个不需要分开的光通路的光纤反射型系统来恢复被测对象。

在一个较佳实施例中，本发明提供使用稀土铁石榴石作为传感器元件的传感器来测量磁场、电流或温度起伏。可以以大块状光学系统的形式来提供本发明，最好以激光光源、偏振器、斩波器、第一表面镜、抗反射涂层、法拉第旋转材料、反射膜、偏振光束分离器和两个低噪声检测器的次序来调整。还可以在光纤系统中实施本发明，所述系统最好包括引出光纤的光源、光隔离器、光纤耦合器、光纤、GRIN透镜、抗反射涂层、法拉第旋转材料、衬底、反射膜、偏振光束分离器和两个低噪声检测器。另一个实施例提供使用稀土铁石榴石传感器元件的半导体传感器系统。

附图简述

下面从附图所示意的较佳实施例的更详细的描述，本发明的上述的和其它的目的、特征和优点将更加清楚，在所述附图中，在各种视图中的相同的参照号表示相同的部件。附图不必按比例定，而是根据本发明的原理突出重点。

图1示出光纤磁光传感器装置的示意图，它是基于放在磁场中的材料的法拉第效应的；

图2示出用于电流或磁通密度的低分布(low-profile)测量的光纤磁光传感器装置的示意图；

图3示出能够处理光信号和把它施加到信号处理电子线路的完整的光纤系统；

图4示出LED(发光电二极管)或激光器装置的驱动器部分的功能块图；

图5示出大块光传感器元件的工作；

图6示出能够以灵敏度或频率响应作为传感器元件特征的大块状光学系统的完整的光通路；

图7示出恢复正比于旋转的偏振状态的信号的基本信号处理电子线路；

图8示出与简单的半导体集成一体的传感器元件的原理，以提供使用单个波导的单片的电流监测；

图9示出与简单的半导体集成一体的传感器元件的原理，以提供使用两个波导装置的单片的电流监测。

详细描述

图1示出根据本发明的第一个光纤实施例的磁光传感器装置的示意图。本发明的传感器使用放置在磁场中的材料的法拉第效应。图1所示的传感器17从已知取向2的线性偏振光开始传播单模下极化保偏光纤(PM-SMOF)3。传播波前在通过光纤／GRIN接口4之后与四分之一波长间距级指数(GRIN)透镜5交会。该接口是由光学环氧树脂组成的，它对基本传播波长是透明的，并且环氧树脂的较佳折射率由接口折射率的几何平均值给出，或

\sqrt{R_{f} R_{G}}

其中R_f是光纤纤芯的折射率而R_G是GRIN透镜的折射率。在感兴趣的波长处，R_f、R_G的代表值可以分别是1．45和1．61。在通过GRIN透镜之后，对准了光波前15。该波前和另一个环氧树脂接口交会，给出该接口的较佳折射率为

\sqrt{R_{G} R_{AR}}

其中R_G是GRIN透镜的折射率而R_AR是抗反射(AR)涂层8的折射率，或在省略该涂层的情况下，是REIG晶体10的折射率。再有，R_G、R_AR和R_REIG(R_REIG是REIG晶体在较佳方向上的折射率)的代表值分别是1．61、1．31和2．1。当波前通过REIG晶体传播并存在带某些平行于波前传播方向的分量的磁场H1时，将根据晶体参数和单方向光通路长度L11进行旋转θ(theta)。如果已经在透明的非磁性石榴石衬底12(诸如Gd₃Ga₅O₁₂，也公知为GGG)上外延生成REIG晶体10，则波前将通过GGG衬底传播，并从电介质或可能包含铝的金属薄膜镜13反射。

在从薄膜镜13反射之后，波前跟踪入射通路。在通过REIG晶体10行进之后，由于REIG晶体的非互易性，波前还进行另一次旋转θ(theta)。校准的波前在GRIN透镜5中会聚并再聚焦到光纤3的纤芯上。由于通过薄膜镜13产生加倍的光通路长度，仍是线性偏振的最终的波前16与入射偏振状态偏离一个量2θ(2^*theta)。

如图1所示，在传感器17中存在另外的设计约束。在可见波长范围中的SMOF的模式场直径约为5．5μm(10e-6m)或更小。当波长增加时，光纤的纤芯尺寸也增大，在1300nm处达到9μm和在1550nm处达到11μm。单是这个对放置在系统中的能量的量和恢复的能量的量具有巨大的影响，而且GRIN透镜5的使用使恢复的功率量增加接近4dB。此外，当模式场的大小减小时，在不使用GRIN透镜的系统中出现对磁畴的个别的探测，造成在旋转值中的局部的“热点／死点”。GRIN透镜5的使用使能量2从SMOF光纤3耦合到REIG晶体10，造成光波前在更大的实际传感器材料10的表面区上扩散，因此增加“平均磁畴效应”。在测量中，稳定地和重复地加强该结果。虽然可以省略GRIN，但是对信噪比含有负的关系的返回到检测系统的功率量方面存在重大的损失。

如前所述，可以或可能提供AR涂层8。如果实施，则由一般公式t=N^*λ／4给出AR涂层的厚度t9，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是传播波前的基本波长。管理是否实施AR涂层8的因素是管理总的系统性能的所选择的λ值和定REIG晶体特征的特性。

图1所示传感器17上示出的是在GRIN透镜的端面与或者AR涂层8或者REIG晶体10的入射界面之间测得的角α(alpha)6。实验可以表明，在GRIN上磨成的角为0＜=α＜=11度，可以导致从AR涂层8或REIG晶体10反射的光能量的大量降低。这种连续光能量方面的降低本身表明为背景DC方面的降低，造成对系统灵敏度的重大改进。α(alpha)的值取决于总的系统所需的SNR及操作模式(系统将用于AC和／或DC监视应用)。

图1所示传感器17上示出的是诸如GGG之类的非磁性石榴石衬底12。根据REIG材料10的选择和制造REIG晶体所使用的方法而提供该材料。例如，使用GGG作为种子，通过液相外延(LPE)生成方法来生成REIG，因此将把GGG包含在传感器组成中。对比之下，其它使用通量生成技术生成的REIG要求没有GGG衬底，因此，在传感器组成中可以实施纯REIG晶体。这样的例子是在LPE炉中生成的双取代钇铁石榴石(Bi-YIG)晶体和使用通量技术产生的纯YIG晶体。两者都有较佳的成文的文件而且已经实施了每一种的样品。可用的生成带磁光特性的REIG材料的其它方法还有金属-氧化化学蒸汽沉积法(MOCVD)和溶液-凝胶(sol-gel)过程的使用。关于本发明没有包含较佳的方法。

图2中所示的传感器99示出图1的传感器17的基本实施例，把它封装在诸如Polymicro Technologies制造的硅石空心管85中。工作开始于已知取向的线性偏振光93向PM-SMOF81传播。在通过光纤／GRIN接口84之后，传播波前与四分之一波长间距GRIN透镜86交会。该接口是由对基本传播波长透明的光学环氧树脂构成的，环氧树脂的较佳折射率由接口折射率的几何平均给出，或

\sqrt{R_{f} R_{G}}

其中R_f是光纤纤芯的折射率而R_G是GRIN透镜的折射率。在感兴趣的波长处，R_f、R_G的代表值可以分别是1．45和1．61。在通过GRIN透镜之后，对准了光波前。该波前和另一个环氧树脂接口交会，给出该接口的较佳折射率为

\sqrt{R_{G} R_{AR}}

其中R_G是GRIN透镜的折射率而R_AR是AR涂层88的折射率，或在省略该涂层的情况下，是REIG晶体89的折射率。再有，R_G、R_AR和R_REIG(R_REIG是REIG晶体在较佳方向上的折射率)的代表值分别是1．61、1．31和2．1。波前通过REIG晶体传播，在磁场H94和某些平行于波前传播方向的分量出现时，将根据晶体参数和单方向光通路长度进行旋转θ(theta)。在波前已经通过REIG晶体89传播之后，波前将从电介质或可能包含铝的金属薄膜镜90反射。

在从薄膜镜90反射之后，波前跟踪入射通路。在通过REIG晶体89行进之后，由于REIG晶体的非互易性，波前还进行另一次旋转θ(theta)。交会的波前在GRIN透镜86中会聚并再聚焦到光纤81的纤芯上。由于通过薄膜镜90产生加倍的光通路长度，仍是线性偏振的最终的波前92与入射偏振状态93偏离一个量2θ(2^*theta)。

如上所述，可以存在或可以不存在AR涂层88。如果实施，则由一般公式t=N^*λ／4给出AR涂层的厚度t，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是传播波前的基本波长。决定是否实施AR涂层88的因子是决定总的系统性能的所选择的λ值和表示REIG晶体特征的特性。

参考图2，图中示出GRIN透镜86和REIG传感器元件88、89、90的尺寸，以致GRIN透镜89的端面比REIG元件88、89、90的端面小。这不是对传感器设计99的限制，最佳的是GRIN透镜的直径和REIG传感器元件88、89、90直径相同，以致使用最大的元件容量作为传感媒体。

在图2中，可以把物理上包括PM-SMOF81、GRIN透镜86、和REIG传感器元件88、89、90的元件(按光学入射次序)的整个装置装入一个金属或非金属的圆柱外壳中，以提供传感器头的稳定性和提供环境保护程度。一种把传感器装置固定在外壳中的方法是通过环氧树脂滤波器82和89，它们可以或不围绕光纤81和REIG传感器元件88、89、90 360度。如果利用金属的外壳，则必须留心材料的导磁率，因为导磁率有可能再引导磁力线围绕传感器装置而不是通过REIG晶体元件。可能是1mm直径的薄壁硅石(SiO₂)空心管85足以展示本原理，并排除再引导磁力线的任何机会。可能地，代替空心外壳85的Deeter等人的原理(美国专利第5，483，161号)的再设计可以使传感器头的灵敏度更大。该可能的设计修改并不改变传感器99的基本工作。

图3表示支持磁场、电流或温度测量的完整的光纤系统35。把引出到单模光纤(SMOF)24的LED或激光光源20熔接21到来自法拉第隔离器22的输入侧的SMOF。根据引出的组成，LED／激光器20可以使用或可以不使用一个聚焦元件。法拉第隔离器22的输出是根据隔离器制造厂的以SMOF或PM-SMOF行进的，已知偏振取向的线性偏振波前2。把来自法拉第隔离器22的输出光纤熔接21到偏振保持单模光2×2耦合器(PM-SMOC)23的输入臂，致使PM-SMOC的快和慢轴的取向相对于波前2的取向为45度的较佳角度。偏振波前通过PM-SMOC23行进，并使之均等地耦合到每个输出臂。把PM-SMOC23的一个输出臂熔接21到标准PM-SMOF3，并耦合到传感器装置17，如上所述。把PM-SMOC23的另一个输出臂耦合到光电二极管25，它把驱动信息提供给激光器／LED驱动电路。注意，可以省略光电二极管25而不改变整个系统的工作。

传感器装置17的输出是光16的旋转偏振状态，所述光16和入射光束平行的磁场强度成正比。该波前通过PM-SMOC23(如图3所示从右到左)返回行进，并分离成两个通路：一个向光源20返回行进而另一个向保持分析器29和光电二极管31、33行进。相应于前一个通路，该波前相移45度加上正比于传感器17测量到的磁场强度的量。在通过隔离器22传播之后，波前将进行附加的45度旋转，造成总旋转为90度±传感器旋转2θ(theta)。该光能量将耦合回激光器／LED光源20，但是该信号的相对强度约等于正向功率乘以旋转2θ的正弦并减少9dB。换言之，到光源的反向耦合能量可以描述为

Pr≈Pi^*sin(2θ)-9dB

其中Pr是入射在光源20上的反射功率量，Pi是光源原始输出并耦合到发射光纤的功率量，而θ(theta)是由外磁场引起的单通路旋转。虽然该值明显地足于影响在光源腔体的量子效应中的变化，但是可以对该值进行补偿，以及除了固有的反面(back-facet)监测光电二极管122(图4)之外，在某种程度上使使用功率监测光电二极管25的电子减到最少。

至于行进在图3的左下臂中的信号，由于PM-SMOC23的特性而现在至少降低3dB的波前16通过接口26从耦合器臂耦合到GRIN透镜27。如同在传感器臂中一样，两者通过光学环氧树脂(环氧树脂所具有的折射率是PM-SMOC臂纤芯折射率和GRIN透镜27的折射率的几何平均值)耦合。GRIN27的输出是经对准的波前，现在该波前入射到分析器29上，在该情况下，分析器是具有500∶1消光比的正交偏振光束分离器(PBS)。在较佳实施例中，使GRIN附到带有环氧树脂(环氧树脂所具有的折射率是GRIN27的折射率和PBS29的折射率之间的几何平均值)的PBS29上。如此地放置PBS，以致它把两个输出30和32分别提供给两个低噪声光电二极管31和33。每个输出与另一个正交，即，每个输出的相对强度与另一个无关，致使两个强度描述偏振矢量的旋转状态。

在图4中示出LED／激光器驱动电子线路139的主要功能的方框图。该组成有助于降低噪声，所述噪声调制LED／激光器，结果，在图7的信号处理功能119中检测到。在通过精确的低噪声基准电压源接通之后，过很短时间就开始工作。该源是到运算放大器(opamp)子系统127的一个输入。另一个输入是从光电链产生的，该光电链包括正向功率监测光电二极管25、低噪声变换阻抗(I-V)放大器子系统123和第8级Butterworth低通滤波器子系统125。在接通时刻，该第二链的输入接近于零，因此127的输入之间的误差很大。把该大电压命令发送到另一个运算放大器子系统128的输入。如同上述光电转换链中一样，到运算放大器128的第二输入包括反面监测光电二极管122、低噪声I-V放大器子系统124和第8级Butterworth低通滤波器子系统126。在接通时刻，该第二链的输入接近于零，因此128的输入之间的误差很大。把该大误差命令发送到低噪声跨导(V-I)放大器子系统129，它把来自前一级128的命令电压转换成电流命令。当在系统35(图3)中的光功率上升而两个I-V转换链成为非零时，降低它们到运算放大器子系统127、128(因此到V-I转换器129)的输入的相应的误差命令。然后电流命令对LED／激光器20进行偏置，系统最后稳定到预定的光输出电平。

根据LED／激光器20是否具有可用的反面光电二极管监测器，在图4中的第二光电转换链可以是选择的。在不提供运算放大器128的情况下，它可以旁路并直接连接到V-I放大器129。这样做的影响是在系统中增加了潜在的噪声。

可以设置低通滤波器125和126以提供约220kHz的信号响应带宽，但是一般设置得较低以使系统中的噪声最小。注意，这些滤波器对检测系统带宽的影响最小；提供它们只是为了除去在功率产生系统139中的随机强度噪声和电子噪声。这些滤波器125、126对在产生系统139中的噪声功率的突然增加或降低控制环路响应速率，并根据LED／激光器源20的规定的特性进行修整。

在图5中示出传感器元件79，它是传感器机构的基础。根据所打算的元件的应用，传感器元件79至少包括两层，可能是四层。已知取向61的线性偏振光在自由空间62以近似直角的角度入射到元件79的端面。该波前穿透厚度t69的AR层63，或在省略涂层的情况下，穿透REIG晶体64。当波前通过REIG晶体传播并存在带某些平行于波前传播方向的分量的磁场H71时，将根据晶体参数和单方向光通路长度L70进行旋转θ(theta)。如果已经在透明的非磁性石榴石衬底65(诸如GGG)上外延生成REIG晶体64，则波前将通过GGG衬底传播，并从电介质或可能包含铝的金属薄膜镜66反射。

在从薄膜镜66反射之后，波前近似地跟踪垂直通路，但是由于入射波前61未对准而与轴稍有偏离。在通过REIG晶体64行进之后，由于REIG晶体的非互易性，波前进行另一次旋转θ(theta)。由于通过薄膜镜66产生加倍的光通路长度，仍是线性偏振的最终的波前67从入射偏振状态偏离2θ(2^*theta)的量。

可以存在或可以不存在AR涂层63。如果实施，则由一般公式t=N^*λ／4给出AR涂层的厚度t69，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是传播波前的基本波长。决定是否实施AR涂层69的因子是决定总的系统性能的所选择的λ值和表示REIG晶体特征的特性。图6表示支持磁场、电流或温度测量的完整的大部分光学系统59。氦-氖(HeNe)激光光源通过偏振器42发射高度相干的光，该偏振器对光波前指定已知的偏振状态43。该波前通过光斩波器44行进，使用该斩波器来调制激光光源41使之能进行低电平信号测量。经调制的光束在位置46处射到第一表面镜45，致使对镜45的垂直线和对传感器元件79的垂直线不平行。这样引导光波前离开垂直轴到传感器元件79。如上所述，在通过传感器元件传播之后，波前输出传感器元件79并在位置48处射到镜45。这样引导经调制的光波前49通过自由空间趋向在波前的通路中对准的PBS50。PBS50把波前分成两个强度无关的波束；所述强度是波前49的偏振角的函数。如此地放置两个低噪声光电二极管52、54，使来自PBS50的光输出51和53入射在它们的有效表面上。

在图7中示出模拟电子线路，以实现从某个初始开始值对偏振状态的旋转值进行计量。电子的光电系统是整个信号处理系统的准备部分，并表示更大的运算的基础，所述更大的运算是使用连续的长期监测应用的每个系统所需要的。

在两个独立的强度到达光电二极管31和33时开始光电前端119的工作。这些信号是偏振矢量的分解的正交分量，以致可以粗略地估计偏振状态如下

β=Arctan(p／s)

其中β是旋转值，p是强度分量之一，而s是另一个强度分量。通过低噪声阻抗变换(I-V)运算放大器子系统103和105处理每个光电二极管的输出，以提供正比于电流输入的电压。为了本讨论，把I-V变换器103的输出称为p分量而把I-V变换器105的输出称为s分量106。这些都是任意地指定的。

虽然在上述讨论中p／s的关系是有效的，但是考虑到图3的LED／激光器源20的共模强度起伏，还有受限制的讨论的动态范围(如果s趋向于0则发生方向性的损耗)，迫使更加强的算法。虽然存在大量的可能方法来测量偏振状态的旋转，但是为了实施的方便性，选择了Mansuripur等人的方法的修改方法(应用光学，29(9)，1990年3月20日)。相应地，所选择的方法使用如下的差／和关系

\frac{p - s}{p + s}

其中已在上面对p和s作出定义。

图7的余下部分详细说明提供该值的主要功能部分。信号s106通过增益为一的反相放大器108反相并提供给加法放大器107。到该放大器107的另一个输入是p输入；因此，00所产生的输出是p-s109。还把信号s施加到加法放大器110，它的另一个输入是信号p；该放大器110的输出是p+s111。把这些信号输出109、111施加到对数除法放大器112以产生所要求的输出113。

信号处理系统119的前端的输出表示偏振状态旋转值的直接测量，它可以是磁通密度、电流或温度的函数。该值包括稳态直流分量，该分量可以是温度、稳态磁场或在系统中的反向散射波(backscatter)的函数；以及交流分量，它包含在所测量的信号中出现的动态信息。根据应用，可以放弃直流分量，允许仅监测动态信号，或可以包括直流分量，以指示交流和直流值两者。一般，把这些输出信号发送到诸如模数转换器、微处理器和／或数模转换器之类的另外的信号处理元件。组成是完全特定应用的。

图8示出应用于功率电子器件的本发明的一个实施例。所示出的是n-沟道增强型MOSFET(MOS场效应)功率电子器件，但是用本技术可以应用于任何的功率电子器件。已知取向150的线性偏振光通过平面波导151传播，并射到一个有角度的接口152，在那里它通过REIG晶体153反射到反射电介质或金属边界154。如在17(图1)的情况中，当出现磁场159具有场矢量159的某些部分与传播方向平行时，光进行θ(theta)的旋转。这个已经从薄膜154反射而离开的经旋转的波前通过REIG晶体153跟踪入射通路，在那里当所述磁场159出现时，它再经受另一次旋转θ(theta)。现在该波前已经总共旋转2θ(2^*theta)，射入波导的边界152，并作为经旋转的波前155离开波导151反射到在衬底上的光源点。

当磁场159的方向垂直于衬底的平面时，在器件169中表示的技术代表一种组成。在场对于衬底的平面是水平的情况下，可以制造波导，致使省略有角度的接口152，而传感器装置153、154可以放置在波导末端以代替152。如此定出在169中的取向，以示出在一个特定的应用中的一个特定的实施例；随着每个半导体的几何形状的不同，将相应地改变波导／传感器的结构。对于在半导体领域监测中的使用，本传感器／波导结构的应用不包含任何限制。

器件169的实施例不是唯一的。图9示出在图8中所表示的相同的原理，但是省略了反射衬底154(图8)，而同时增加附加的波导156。附加波导156作为传输通路的延续，并将已知偏振状态155的经调制的光波前带到半导体衬底的边缘，以供接着的检测和处理。

当已经特别地示出本发明和参考它的较佳实施例来描述本发明时，熟悉本领域的人员将理解可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下在形式上和细节上作出各种变化。

Claims

在本发明的实施中，要求保护的专有的特征或特权定义如下：

1．一种磁光传感器元件包括：

晶体衬底；

在所述晶体衬底的第一面上的薄膜反射表面；

在所述晶体衬底的第二面上的稀土铁石榴石薄膜，所述第二面和所述第一面对置；以及

在所述稀土铁石榴石衬底上的抗反射涂层。
2．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，所述薄膜反射表面包括放置在所述晶体衬底上的电介质镜。
3．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，所述薄膜反射表面包括放置在所述晶体衬底上的金属镜。
4．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，所述晶体衬底相对于入射偏振波前的波长在光学上是透明的。
5．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，把所述稀土铁石榴石薄膜放置在所述晶体衬底的所述第二面上。
6．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，在所述晶体衬底的所述第二面上生成所述稀土铁石榴石薄膜。
7．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，所述抗反射涂层具有厚度t，它在下列范围内：

0＜=t＜=N^*．λ／4

其中λ表示入射偏振波前的基本波长，而N是一个奇整数倍数致使

1＜=N＜=∞
8．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，把所述抗反射涂层放置在所述稀土铁石榴石衬底上。
9．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于，通过所述稀土铁石榴石薄膜和支持晶体衬底，薄膜反射表面使总的单向光通路长度加倍。
10．一种磁光传感器元件包括：

晶体衬底，所述晶体衬底相对于来自传感器光源的入射偏振波前的波长是光学地透明的，所述晶体衬底进一步包括稀土铁石榴石晶体；

放置在所述稀土铁石榴石晶体的一侧的电介质薄膜镜；以及

厚度0＜=t＜=N^*λ／4的抗反射涂层，其中λ是入射偏振波前的基本波长，而N是一个奇整数倍数致使1＜=N＜=∞，所述抗反射涂层放置在稀土铁石榴石衬底的对面的一端。
11．如权利要求10所述的磁光传感器元件，其特征在于，通过所述稀土铁石榴石薄膜和支持晶体衬底，薄膜反射表面使总的单向光通路长度加倍。
12．根据权利要求1的磁光传感器元件，其特征在于进一步包括：

渐变折射率透镜，用于把光能量耦合到所述晶体衬底。
13．根据权利要求12的磁光传感器元件，其特征在于，把所述渐变折射率透镜光学地调谐到来自传感器光源的入射偏振波前的四分之一波长上。
14．如权利要求12所述的磁光传感器，其特征在于，所述渐变折射率透镜是直角圆柱形的，并通过光学上透明的环氧树脂黏合到所述晶体衬底的抗反射一侧。
15．如权利要求13所述的磁光传感器，其特征在于，所述渐变折射率透镜包括在基本波长处的四分之一间距透镜。
16．如权利要求12所述的磁光传感器元件，其特征在于，在所述渐变折射率透镜的至少一端上进行抛光到相对于圆柱的旋转对称轴测量为0＜=α＜=11度的平面角。
17．如权利要求12所述的磁光传感器，其特征在于，如此地安排以致通过所述传感器元件传播的入射平面偏振光束沿所述渐变折射率透镜的轴行进，通过所述晶体衬底，并以基本上垂直的入射角入射到所述薄膜镜。
18．一种磁光传感器探头，包括：

晶体衬底；

在所述晶体衬底的第一面上的薄膜反射表面；

在所述晶体衬底的第二面上的稀土铁石榴石薄膜，所述第二面和所述第一面对置；

渐变折射率透镜，用于把光能量耦合到所述晶体衬底；以及

与所述渐变折射率透镜耦合的光纤。
19．如权利要求18所述的磁光传感器探头，其特征在于，所述光纤包括偏振保持单模光纤。
20．如权利要求19所述的磁光传感器探头，其特征在于，进一步包括在所述稀土铁石榴石衬底上的抗反射涂层。
21．如权利要求19所述的磁光传感器探头，其特征在于，使用光学环氧树脂把所述偏振保持单模光纤黏合到所述渐变折射率透镜。
22．一种光纤传感器系统，包括：

光源，用于辐射光束；

偏振装置，用于使所述光束偏振；

光纤耦合器；

晶体衬底，在它的一个面上有稀土铁石榴石薄膜；

渐变折射率透镜装置，它光学地耦合到所述光纤耦合器；

光束分离器，它光学地耦合到所述渐变折射率透镜装置；以及

检测器装置，用于把光能量转换到电能量。
23．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于，所述偏振装置包括法拉第隔离器。
24．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于，所述光纤耦合器包括2×2光纤耦合器。
25．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于，所述检测器装置包括两个信号恢复光电二极管。
26．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于，所述光源包括激光光源。
27．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于，所述光源包括LED光源。
28．根据权利要求22的光纤传感器系统，其特征在于进一步包括：

正向功率监测光电二极管，所述光纤耦合器的一个输出臂终止于所述光电二极管。
29．根据权利要求23的光纤传感器系统，其特征在于，

通过透镜系统把所述光源耦合到所述光纤，致使所述光源的输出有效地耦合到所述光纤的纤芯；

所述光源输出一个任意的偏振状态；

把所述光源熔接到所述法拉第隔离器的输入；

所述法拉第隔离器把在所述隔离器输入处的所述任意偏振状态偏振和旋转到已知偏振状态；

所述光纤耦合器包括2×2偏振保持单模耦合器，对它如此地安排以致所述耦合器输出臂之间的功率比是1∶1，致使把由所述法拉第隔离器产生的已知偏振状态保持在每个输出臂中；

所述光纤耦合器的一个输出臂到正向功率监测光电二极管处终止；

所述光纤耦合器的另一个输出臂熔接到所述光纤，所述光纤光学地耦合到所述晶体衬底；

把所述光纤耦合器的余下的臂耦合到所述渐变折射率透镜；

所述光束分离器的输出有两个独立的光强度；

放置所述信号恢复光电二极管致使来自所述光束分离器的输出入射到它们的有效区域。
30．根据权利要求22的传感器系统，其特征在于，所述光束分离器是偏振光束分离器，在它的两个输出强度之间提供至少500∶1的消光比。
31．根据权利要求28的传感器系统，其特征在于，在所述光源的驱动电子线路中，正向监测功率二极管提供附加的补偿和降低噪声。
32．一种块状光学传感器系统，包括：

光源；

光偏振器；

镜子

REIG晶体；

偏振光束分离器，如此地放置以致它从所述第一表面镜子接收入射光；以及

在所述偏振光束分离器的正交输出的通路中的检测器装置。
33．根据权利要求32的块状光学传感器系统，其特征在于，所述检测器装置包括两个恢复光电二极管。
34．根据权利要求32的块状光学传感器系统，其特征在于，进一步包括光学斩波器。
35．根据权利要求32的块状光学传感器系统，其特征在于，所述镜子包括第一表面镜子。
36．根据权利要求32的块状光学传感器系统，其特征在于，如此地放置所述镜子以致入射光能量入射到镜子上，被反射到所述REIG晶体，并在从所述REIG晶体返回之后进一步离开轴反射到所述偏振光束分离器。
37．一种半导体场传感器系统，包括：

光源，用于辐射光束；

光波导；

REIG晶体传感器；

在所述REIG晶体传感器一侧的薄膜镜子；以及

半导体衬底。
38．根据权利要求37的半导体场传感器系统，其特征在于，所述薄膜镜子包括电介质镜子。
39．根据权利要求37的半导体场传感器系统，其特征在于，所述薄膜镜子包括金属镜子。
40．根据权利要求37的半导体场传感器系统，其特征在于，把所述薄膜镜子放置在所述REIG晶体传感器的一个面上。
41．根据权利要求37的半导体场传感器系统，其特征在于，所述光波导对于所述光束的波长是透明的。
42．根据权利要求37的半导体场传感器系统，其特征在于，所述光波导包含的角度足以把所述光束的入射波前引导到REIG晶体传感器，而且其中把所述薄膜镜子放置在REIG晶体传感器的远侧末端，致使所述入射波前对所述REIG晶体行进两次。
43．一种半导体场传感器系统，包括：

光源，用于辐射光束；

两个不同的光波导，它们对于入射光的波长透明；

REIG晶体传感器；以及

半导体衬底。
44．根据权利要求43的半导体传感器系统，其特征在于，所述第一光波导包含的角度足以把所述光束的入射波前引导到所述REIG晶体传感器，并且其中所述第二光波导包含的角度足以把来自所述REIG晶体传感器的信号输出引导到检测光学和电子线路。