CN1844942A - 一种用于强电场测量的光电集成传感器 - Google Patents

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本发明涉及一种用于强电场测量的光电集成传感器，属于高电压测量技术领域。采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极和两个偶极子天线，电极与偶极子天线相连。本发明的光电集成传感器，可以满足强电场(大于100kV/m)的测量；不仅可以测量强电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息；光电集成传感器中金属元件尺寸较少，对被测电场的影响很小，因此位置分辨能力强。传感器中采用光波导进行信号传输，无需使用电源就可以实现测量，因此非常适合高电压区域的测量；响应速度快、灵敏度高，因此大大提高了测量频率范围和响应速度。

Description

一种用于强电场测量的光电集成传感器
技术领域
本发明涉及一种用于强电场测量的光电集成传感器，尤其适于电场幅值较高情况下的传感器隔离及强信号测量，属于高电压测量技术领域。
背景技术
在高电压或电磁脉冲环境下，会产生非常强的电场。对之进行测量的关键部件就是电场传感器。该传感器不仅能够耐受强电场环境，而且要能够测量出幅值很高的强电磁场。
在传统高压测量领域，一般采用电磁感应原理的传感器。基于电磁感应原理的强电场传感器具有以下几个缺点。1、传感器尺寸较大，不能实现空间精确定位测量；2、由于采用电磁感应原理，因此为整个传感器金属结构，对于被测电场的分布影响非常大；3、电源问题难以解决；4、一般采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带宽的路径，很难同时兼顾低频和高频性能，测量的频率范围受到很大限制，难以实现瞬态信号的测量。常见的一种实现高压强电场测量的电磁传感器如图1所示。外加电场1通过两个半球2感应出电压，通过测量电容3上的电压来得到外加电场。
因此，已有的强电场传感器不能完全满足强电场测量的要求。在高电压与强电磁环境领域，迫切需要研究开发一种具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积的强电场传感器。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于强电场测量的光电集成传感器，利用晶体的电光效应实现电光转换，将空间电场物理量直接调制到通过传感器光波导的光波信号上，通过检测经过调制的光波信号，即可以还原待测的电场信号。该传感器采用电磁场仿真技术进行设计，通过参数的优化设计使之能够完全适用于高电压与强电场的测量领域。
本发明提出的用于强电场测量的光电集成传感器，采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极和两个偶极子天线，电极与偶极子天线相连。
上述光电集成传感器中的晶片为铌酸锂(LiNbO3)晶片、硅酸铋(Bi12SiO20)晶片、锗酸铋(Bi4Ge3O12)晶片或磷酸氧钛钾(KTP)晶片中的任何一种。
本发明提出的用于强电场测量的光电集成传感器，可以满足强电场(大于100kV/m)的测量，而且还具有以下特点和优点：
1、本发明的光电集成传感器可以进行多种物理量的测量。不仅可以测量强电场信号的幅值，还可以用于测量电场的频率、相位等信息。
2、本发明的光电集成传感器中金属元件尺寸较小，对被测电场的影响很小，因此位置分辨能力强。
3、本发明的光电集成传感器中采用光波导进行信号传输，传感器中无需使用电源就可以实现测量，即无源测量，因此非常适合高电压区域的测量。
4、本发明的光电集成传感器的响应速度快、灵敏度高，因此大大提高了测量频率范围和响应速度。
附图说明
图1为现有电磁感应原理的强电场传感器结构示意图。
图2为本发明的光电集成传感器的结构示意图。
图3是图2的A-A的剖视图。
图4为由本发明的光电集成传感器组成的强电场测量系统的结构示意图。
图1～图4中，1是外加电场，2是两个半金属球，3是电容，4是连接导线，5是具有电光效应的晶片，6是光波导，7是电极，8是偶极子天线，9是激光源，10是保偏光纤，11是强电场传感器，12是单模光纤，13是光电转换器，14是射频电缆，15是电信号检测器。
具体实施方式
本发明提出的用于强电场测量的光电集成传感器，其结构如图2和图3所示，采用具有电光效应的晶片5，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导6，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极7和两个偶极子天线8，电极7与偶极子天线8相连。
上述光电集成传感器中的晶片1可以为铌酸锂(LiNbO3)晶片、硅酸铋(Bi12SiO20)晶片、锗酸铋(Bi4Ge3O12)晶片或磷酸氧钛钾(KTP)晶片中的任何一种。
光电集成传感器采用集成光电工艺制作。设计完成的强电场传感器，经过Ti扩散或质子交换形成波导和电极。
本发明提出的用于强电场测量的光电集成传感器的工作原理是：测量系统中的光线输入到本发明的光电集成传感器，输入端的Y分叉将光束分配成两个功率相等的光束，在两个非对称的条形波导中的光波，沿y轴方向分别传输以后，两个支路有一定的相位差，当不存在外界电场1的作用时，两条分支光波导中传播的光束存在着固有相位差φ0；当沿z轴方向施加外界电场E，由于偶极子天线的作用，则在所示的电极区域形成沿z方向的均匀电场，作用于分支光波导。由于Pockels效应，在两个分支光波导中传输的光束增加了相移φ。由于两条光路中的光波再合成时发生了干涉，在相移φ较小的条件下，激光的输出功率与外加电场成正比关系。因此，只要测量得到光功率，就可以得到待测强电场的值。
由本发明的光电集成传感器组成的强电场测量系统的结构示意图如图4所示。其工作原理是：激光源9输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)10耦合至强电场传感器11，该偏振光经外加电场，通过强电场传感器调制，输出的激光通过单模光纤(SMF)12传送至光电转换器13，并完成光功率到电压信号的转换，通过对电压信号的检测可得到被测电场的大小。该系统中的激光源9可以采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411。光电转换器13的作用是将光功率转换成电压信号输出，其型号为：NewFocus 1592。电信号检测器根据待测信号的特征可以选用相应的示波器、频谱仪、接收机等。完成电信号的测量与记录。

Claims (2)

1、一种用于强电场测量的光电集成传感器，其特征在于采用具有电光效应的晶片，在晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极和两个偶极子天线，电极与偶极子天线相连。
2、如权利要求1所述的光电集成传感器，其特征在于其中所述的晶片为铌酸锂晶片、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种。
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