CN1439882A - 电场传感器 - Google Patents
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Abstract
具有基板4、在基板4上形成的入射光波导5、在基板4上从入射光波导5分支形成的折射率随外加的电场的强度变化的2个分支光波导6、在基板4上把分支光波导6合流形成的出射光波导7和设在分支光波导6的一边附近的用于屏蔽电场的电场屏蔽部件8。也可以在基板4上设置用于反射从分支光波导6传出的光的反射镜16。也可以基板4是由强电介质晶体形成，并且构成为形成2个分支光波导6的基板4的部分的偏振方向相互方向。
Description
技术领域
本发明涉及测量电池及电磁噪声的电场传感器，特别是测量在空间传播的电磁波的电场强度的电场传感器。
背景技术：
图1是先有的利用波导式元件构成的电场传感器探头101的结构例子。该电场传感器探头101具有垂直C轴切割的铌酸锂晶体的基板102、在该基板102上扩散钛后形成的入射光波导103及从该入射光波导103分支的位相偏移光波导104，105和由这些位相偏移光波导104，105合流而结合成的出射光波导106。入射光波导103的入射端与入射光纤107连接，出射光波导106的出射端与出射光纤108连接。
另外，在位相偏移光波导104，105上设有1对电极109，这些电极109与棒状天线110连接。在图1中，从入射光纤107入射的入射光111射入入射光波导103内之后，能量分配给位相偏移光波导104，105。外部加上电场时，通过棒状天线110在电极109上感应起电压，在位相偏移光波导104，105中沿深度方向相互产生方向相反的电场分量。结果，由于电光效应而引起折射率变化，从而在位相偏移光波导104，105中传播的光波之间产生与外加电场的大小对应的位相差，当它们在出射光波导106中汇合时，因干涉而光强度发生变化。即，从出射光纤108出射的出射光112的强度随外加电场强度变化，通过用光检测器检测其光强度变化便可测量外加电场的强度。
图2是使用图1所示的先有的上述电场传感器探头101的电场传感器。图1的电场传感器探头101的入射光纤107通过发送用光纤113与光源114连接，出射光纤108通过接收用光纤115与光检测器116连接。与光源114连接，出射光纤108通过接收用光纤115与光检测器116连接。光检测器116检测的电信号传送给通常的电压表、电流计或者谱分析仪等测量仪器，图2中未示出。
但是，在先有的这种电场传感器中，检测强电场时，由于电压加到间隔仅为数μm～数十μm的2个电极上感应出来的电荷的放电，容易损坏电极，所以，难于应用于检测强电场。
另外，在先有的这种电场传感器中，通常与电极长度有关的电极电容很大，所以，检测灵敏度也不太高。
发明内容
本发明的目的旨在提供适合于检测强电场的电场传感器。本发明的另一个目的在于提供检测灵敏度高的电场传感器。
本发明提供了一种电场传感器，具有一个传感器探头、一个入射出射光纤、一个循环器、一个光源和一个光检测器，传感器探头构制得使透过的光随加到其上的电场强度而变化，入射出射光纤接所述传感器探头，循环器与所述入射出射光纤的入射出射端耦合，光源供通过所述循环器将光束照射到所述入射出射光纤，光检测器供检测从所述循环器发射出的透射光束，所述传感器探头包括：一个基板一个在基板上形成的一个入射出射光波导、两个第一和第二分支光波导和一个反射镜，入射出射光波导接所述入射出射光纤，两分支光波导从所述入射出射光波导分支出来，其折射率随加到其上的电场强度变化，反射镜供将所述分支光波导来的光束作为反射光束反射到所述第一和第二分支波导上，所述反射光束通过所述入射出射光波导回到所述入射出射光纤中；其特征在于，所述入射出射光纤有一个入射光纤部分和一个出射光纤部分，所述入射出射光波导有一个入射光波导部分和一个出射光波导部分，分别接所述入射光纤部分和所述出射光纤部分，所述第一和所述第二分支光波导为相移光波导，所述基板上在所述入射光波导部分和所述第一和所述第二光分支光波导附近形成有方向性耦合器，供将所述入射光波导部分来的所述入射光束分成两半提供给所述第一和所述第二分支光波导，所述来自所述反射镜的反射光束在通过所述第一和所述第二分支光波导、所述方向性耦合器和所述出射光波导部分返回来之后提供给所述出射光纤部分。
在所述电场传感器中，所述传感器探头还配备有第一和第二电极分别在所述第一和所述第二分支光波导上或所述第一和所述第二分支光波导附近形成。优选地，所述基板由铁电晶体制成，其在形成有所述第一和所述第二分支光波导处的偏振方向彼此相反。
本发明适用于检测强电场的仪器或要求灵敏度高的仪器。
附图说明
图1是先有的电场传感器的电场传感器探头的斜视图，
图2是先有的电场传感器的概略正面图，
图3是本发明实施例的斜视图，
图4是本发明其他实施例的斜视图，
图5是本发明其他实施例的概略正面图，
图6是本发明其他实施例的斜视图，
图7是本发明其他实施例的斜视图，
图8是本发明其他实施例的斜视图，
图9是本发明其他实施例的斜视图，
图10是本发明其他实施例的概略正面图，
图11是本发明其他实施例的概略正面
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施例1。
如图3所示，本发明的电场传感器具有传感器探头1、入射光纤2及出射光纤3、光源L和光检测器D。
上述传感器探头1构成为透过的光的强度随外加的电场强度变化。上述入射光纤2和出射光纤3与上述传感器探头1连接。上述光源L由半导体激光器等构成。上述光源L与上述入射光纤2的一端耦合，向该入射光纤2照射光。上述光检测器D检测透过上述传感器探头1从上述出射光纤3出射的透过光。
上述传感器探头1具有基板4、入射光波导5、2个分支光波导6、出射光波导7和电场屏蔽部件8。上述入射光波导5在基板4上形成，与上述入射光纤2连接。上述分支光波导6在上述基板4上从上述入射光波导5分支形成，其折射率随外加的电场的强度变化。上述出射光波导7在上述基板4上把上述分支光波导6合流形成，同时与上述出射光纤3连接。上述电场屏蔽部件8设在上述分支光波导6的一边的附近，屏蔽电场。上述电场屏蔽部件8由导电物质或电波吸收物质等构成。
利用设置在上述分支光波导6上的电场屏蔽部件8将电场屏蔽，在另一边的光波导6中，折射率随外加电场变化，结果，在将它们合流的出射光波导7中，产生光波的位相差，从而可以检测与外加的电场强度的变化对应的出射光的强度。
更具体地说，就是上述分支光波导6在由铌酸锂(LiNbNO3)晶体构成的基板(Z板)4上对称地分支形成。作为用于防止光吸收的缓冲层，将分支光波导6的整个表面上盖上一层二氧化硅(SiO2)膜。然后在分支光波导6的一边形成由金属构成的电场屏蔽部件8。
图4是本发明的其他实施例，在图4的实施例中，对于和图3实施例相同的结构部件标以相同的符号。如图4所示，在上述传感器探头1中，上述电场屏蔽部件8在两边的分支光波导6上形成，并且分支光波导6上的电场屏蔽部件8的长度不同。图4的传感器探头1具有和图3实施例大致相同的特性。
图5是本发明的其他实施例。在图5的实施例中，和图3实施例相同的结构部件标以相同的符号。图5的电场传感器具有构成为透过光的强度随外加的电场强度变化的传感器探头1、与该传感器探头1连接的入射出射光纤9、与该入射出射光纤9的入射出射端耦合的循环器10、通过该循环器10和透镜12向上述入射出射光纤9照射光的光源11、用于检测从上述循环器10出射的透过光的光检测器13和测量从该光检测器13输出的检测信号的测量仪器14。
如图6所示，上述传感器探头1包括具有电光效应的基板4、在该基板4上形成的与上述入射出射光纤9连接的入射出射光波导15、在上述基板4上形成的从上述入射出射光波导15分支的2个分支光波导6、设在上述基板4上的用于反射从上述分支光波导6传出的光的反射镜16和设在上述分支光波导6的一边附近的用于屏蔽电场的电场屏蔽部件8。上述入射出射光纤9由偏振状态稳定光纤构成。上述反射镜16由介质镜、通常的平面镜或者反射涂层构成。
在图5和图6的实施例中，在有上述电场屏蔽部件8的范围内，电场被屏蔽，在另一个分支光波导6中，折射率随外加电场而变化。结果，在将它们合流的入射光波导15中，产生光波的位相差，从而可以测量与外加的电场强度的变化对应的出射光的强度。
图3～图6的电场传感器，由于在光波导上形成的电场屏蔽部件是1个，不会发生放电以及由此引起的损坏，所以，适合于进行强电场的检测。
如图7所示，上述电场传感器探头1不具有图6所示实施例中具有的上述电场屏蔽部件8，但是，具有在上述分支光波导6上形成的1对电极17和与这1对电极17连接的天线1 8。
下面，更具体地说明图7所示的实施例。上述基板4由铌酸锂(LiNbO3)晶体板构成。上述入射出射光波导15上在1000～1100℃的温度下将厚度40～100nm的钛膜图形扩散4～8小时而形成的宽5～10μm的光波导。
上述分支光波导6形成为长度5～20mm。设置的上述反射器16是在与分支光波导6垂直的基板的端面镀上金等金属膜而形成。另外，入射出射光光波导15与偏振稳定型的入射出射光纤9耦合。在分支光波导6上通过作为用于防止光吸收的缓冲层的二氧化硅膜形成电极17，该电极17与天线18连接。
在图7的实施例中，具有与由LiNbO3晶体板构成的基板4垂直的偏振分量的光波从入射出射光纤9射入入射出射光波导15内，将能量一分为二后进入分支光波导6内。在这2个分支光波导6内，产生与从外部施加的电场强度对应的位相偏移，然后再向入射出射光波导15出射。这时，光波以与在2个分支光波导6的传播中产生的位相差对应的光强度即与外加电场的大小对应的光强度在入射出射光波导15中结合后向入射出射光纤9射出。
图8所示的实施例具有在图7的实施例中分离的入射光波导5和分支光波导6以及在基板4上与电极17一体形成的天线19。上述分支光波导6通过光方向性耦合器20与入射光波导5耦合，光方向性耦合器20的另一端与出射光波导7耦合。
从上述入射光波导5射入的入射光在光方向性耦合器20中一分为二后射入分支光波导6内，发生与电场强度对应的位相偏移后再回到光方向性耦合器20内。在该光方向性耦合器20内，当上述位相偏移为零时，返回来的光全部与入射光波导5耦合，但是，位相偏移不为零时，与位相偏移的大小对应地，光强度减小，与出射光波导7耦合并传导给出射光纤3。
图9所示的实施例不具有图6实施例中具有的电场屏部件8，但是，在形成上述分支光波导6之一的基板的部分，具有晶体的偏振方向与其他部分反转180°的偏振反向部分21。该偏振反向部分21通过在应发生反转的部分设置钛膜并使之发生急剧的温度变化或者利用照射电子束等方向形成，并且，在偏振反向部分21上形成光波导是利用伴有退火处理的质子交换法等进行。
在本实施例中，同一方向的电场加到2个分支光波导6上时，由于偏振方向相反，所以，相互发生方向相反的折射率变化，从而在2个分支光波导6之间产生位相差。因此，在本实施例中不需要设置电极。本实施例的电场传感器探头1可以非常小型化，所以可以检测狭小区域的电场，由于不含金属电极，适合于检测需要高耐压的强电场。
在图10所示的电场传感器中，图6～图9中的任一个示出的电场传感器探头1的入射出射光纤9与收发用的偏振稳定型的光纤22连接。在本实施例中，作为光分离器使用半透明反射镜23。从半导体激光器24出射的光由透镜25变为平行光后其能量的一半通过半透明反射镜23，利用透镜26与光纤22耦合，传送给电场传感器探头1。另一方面，从光纤22返回来的光利用透镜26变为平行光后其能量的一半由半透明反射镜23反射后，与光检测器27耦合，检测电信号传送给测量仪器28。
图11所示的电场传感器中，图6～图9中任一个示出的电场传感器探头1的光纤与收发用的光纤22连接。在本实施例中，作为光分离器，使用由石榴红膜29和偏光棱镜30构成的循环器。从半导体激光器24出射的沿X方向偏振的入射光由透镜25变为平行光后通过基本上保持了其能量的偏光棱镜30后，入射到具有法拉第效应的石榴红膜29上。设定为利用磁铁31将磁场加到石榴红膜29上时，上述入射光的偏振方向转动45°。
在上述光纤22和电场传感器探头1中，偏振方向保持不变，所以，从光纤22返回来的光的偏振方向与向光纤22入射的入射光相同。上述返回来的光通过石榴红膜30时，由于偏振方向再转动45°，所以返回来的光成为与上述入射光正交的偏振光，通过偏光棱镜30基本上保持其能量反射后与光检测器27耦合。在本实施例中，具有可以大幅度地减少光能损失的特点，从而可以得到灵敏度更高的传感器。
Claims (3)
1.一种电场传感器，具有一个传感器探头、一个入射出射光纤、一个循环器、一个光源和一个光检测器，传感器探头构制得使透过的光随加到其上的电场强度而变化，入射出射光纤接所述传感器探头，循环器与所述入射出射光纤的入射出射端耦合，光源供通过所述循环器将光束照射到所述入射出射光纤，光检测器供检测从所述循环器发射出的透射光束，所述传感器探头包括：一个基板一个在基板上形成的一个入射出射光波导、两个第一和第二分支光波导和一个反射镜，入射出射光波导接所述入射出射光纤，两分支光波导从所述入射出射光波导分支出来，其折射率随加到其上的电场强度变化，反射镜供将所述分支光波导来的光束作为反射光束反射到所述第一和第二分支波导上，所述反射光束通过所述入射出射光波导回到所述入射出射光纤中；
其特征在于，所述入射出射光纤有一个入射光纤部分和一个出射光纤部分，所述入射出射光波导有一个入射光波导部分和一个出射光波导部分，分别接所述入射光纤部分和所述出射光纤部分，所述第一和所述第二分支光波导为相移光波导，所述基板上在所述入射光波导部分和所述第一和所述第二光分支光波导附近形成有方向性耦合器，供将所述入射光波导部分来的所述入射光束分成两半提供给所述第一和所述第二分支光波导，所述来自所述反射镜的反射光束在通过所述第一和所述第二分支光波导、所述方向性耦合器和所述出射光波导部分返回来之后提供给所述出射光纤部分。
2.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述传感器探头还配备有第一和第二电极分别在所述第一和所述第二分支光波导上或所述第一和所述第二分支光波导附近形成。
3.如权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述基板由铁电晶体制成，其在形成有所述第一和所述第二分支光波导处的偏振方向彼此相反。
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