CN1862264A - 一种用于强电场测量的电极天线一体化光电集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于强电场测量的电极天线一体化光电集成传感器，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上设置三个顶部带有凸起的门字形电极天线，三个门字形电极天线互相平行横跨在互相平行的两段光波导上。本发明的光电集成传感器，可测量强电场信号的幅值、频率、相位等信息；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，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，因此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
技术领域
本发明涉及一种用于强电场测量的电极天线一体化光电集成传感器，尤其适于电场幅值较高情况下的传感器隔离及强电场信号测量，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。该传感器不仅要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进行电场测量。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上的电压来测得外加电场的值。
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、宽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电极天线一体化光电集成传感器，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电极天线一体化光电集成传感器，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上设置三个顶部带有凸起的门字形电极天线，三个门字形电极天线互相平行横跨在互相平行的两段光波导上。
上述光电集成传感器中的电极天线的宽度可以为光波导宽度的1～10倍。
上述光电集成传感器中的晶片，可以为铌酸锂晶片、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种。
本发明提出的用于强电场测量的电极天线一体化光电集成传感器，可以满足强电场(大于50kV/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是已有电磁感应原理的强电场传感器结构示意图。
图2是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剖视图。
图4是应用本发明光电集成传感器的光电集成强电场测量系统示意图。
图1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。图2和图3中，5是具有电光效应的晶片，6是光波导，7是复用的门字形电极天线。图4中，8是激光源，9是保偏光纤，10是强电场传感器，11是单模光纤，12是光电转换器，13是射频电缆，14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电极天线一体化光电集成传感器，其结构如图2所示，采用具有电光效应的晶片5，在晶片5的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上设置三个顶部带有凸起的门字形电极天线7，三个门字形电极天线7互相平行横跨在互相平行的两段光波导上。
上述光电集成传感器中的晶片5，可以为铌酸锂晶片、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种。
上述光电集成传感器中的电极天线的宽度可以为光波导宽度的1～10倍。
本发明专利的工作原理为：利用钛金属扩散或质子交换的方法制作的光电集成强电场传感器的结构如图2所示。光线经由单模光波导6输入到传感器，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光波导中的光波，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y轴方向施加外界电场E，由于电极天线对两个分支光波导的作用，以及由于Pockels效应，在两个分支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。
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，并设置电极。其中，电极天线的宽度为光波导宽度的3倍。
用本发明提出的电极天线一体化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8输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)9耦合至本发明的强电场传感器10，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)11传送至光电转换器12，并完成光功率到电压信号的转换，电压信号由射频电缆13传输至电信号检测器14，通过对电压信号的检测得到被测电场的大小。该系统中的激光源8可以采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411。光电转换器12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14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 (3)
1、一种用于强电场测量的电极天线一体化光电集成传感器，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上设置三个顶部带有凸起的门字形电极天线，三个门字形电极天线互相平行横跨在互相平行的两段光波导上。
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。
3、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电极天线的宽度为光波导宽度的1～10倍。
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