CN208207080U - 一种非对称结构集成光学电场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非对称结构集成光学电场传感器，包括波导基片、设置于波导基片上的光波导及电极结构；光波导包括输入直波导、第一耦合器、上波导、下波导、第二耦合器和输出直波导，所述电极结构设置于所述上波导或所述下波导的两侧；所述上波导与所述下波导的路径长度不同；第一耦合器和第二耦合器均为曲线结构，第一耦合器与输入直波导、上波导和下波导的连接处均为弧形结构，第二耦合器与上波导、下波导和输出直波导的连接处均为弧形结构。本实用新型可以降低整个光波导的传输损耗，以提高传感器的测量精确度。

Description

一种非对称结构集成光学电场传感器

技术领域

本实用新型实施例涉及集成光学器件技术领域，特别是涉及一种非对称结构集成光学电场传感器。

背景技术

电场测量是电气工程领域的基础研究手段，其在诸多领域均具有十分重要的意义。随着光电子技术的发展，集成光学器件在电场测量领域的应用越来越广泛。目前，常用的集成光学器件为非对称结构集成光学电场传感器，现有技术中的非对称结构集成光学电场传感器如图1所示，由于光波导中的耦合器是直接转向结构耦合器，也即耦合器采用的是直线式，且耦合器与相应的波导连接处的曲率半径存在突变，从而导致整个光波导的传输损耗增大，进而使测量误差增大。

鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的非对称结构集成光学电场传感器成为本领域技术人员目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种非对称结构集成光学电场传感器，在使用过程中能够降低整个光波导的传输损耗，提高测量的精确度。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种非对称结构集成光学电场传感器，包括波导基片、设置于所述波导基片上的光波导及电极结构；所述光波导包括输入直波导、第一耦合器、上波导、下波导、第二耦合器和输出直波导，所述电极结构设置于所述上波导或所述下波导的两侧；所述上波导与所述下波导的路径长度不同；所述第一耦合器和所述第二耦合器均为曲线结构，所述第一耦合器与所述输入直波导、所述上波导和所述下波导的连接处均为弧形结构，所述第二耦合器与所述上波导、所述下波导和所述输出直波导的连接处均为弧形结构。

可选的，所述第一耦合器和所述第二耦合器均为3dB耦合器。

可选的，所述上波导和所述下波导中的一个为弯曲波导，另一个为直波导。

可选的，所述弯曲波导为余弦形弯曲波导。

可选的，所述余弦形弯曲波导与所述直波导的臂长差不小于14.68μm。

可选的，所述余弦形弯曲波导的横向长度不小于15mm。

可选的，所述余弦形弯曲波导的横向长度为15mm，所述余弦形弯曲波导的高度为424μm。

可选的，还包括与所述电极结构连接的天线。

可选的，所述天线为三角形偶极子结构天线。

可选的，所述波导基片为铌酸锂晶体基片。

本实用新型实施例提供了一种非对称结构集成光学电场传感器，包括波导基片、设置于波导基片上的光波导及电极结构；光波导包括输入直波导、第一耦合器、上波导、下波导、第二耦合器和输出直波导，电极结构设置于上波导或下波导的两侧；上波导与下波导的路径长度不同；第一耦合器和第二耦合器均为曲线结构，第一耦合器与输入直波导、上波导和下波导的连接处均为弧形结构，第二耦合器与上波导、下波导和输出直波导的连接处均为弧形结构。

可见，本实用新型实施例中的第一耦合器和第二耦合器均为曲线结构，并且第一耦合器和第二耦合器与相应的波导的连接处均为弧形结构，从而可以降低整个光波导的传输损耗，以提高传感器的测量精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种非对称结构集成光学电场传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种非对称结构集成光学电场传感器的结构示意图；

图3为图2中所示的光波导与天线沿Y轴方向的剖面示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种非对称结构集成光学电场传感器，在使用过程中能够降低整个光波导的传输损耗，提高传感器的测量精确度。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1，图1为本实用新型实施例提供的一种一种非对称结构集成光学电场传感器的结构示意图。

该非对称结构集成光学电场传感器，包括波导基片1、设置于波导基片1上的光波导及电极结构3；光波导包括输入直波导21、第一耦合器22、上波导23、下波导24、第二耦合器25和输出直波导26，电极结构3设置于上波导23或下波导24的两侧；上波导23与下波导24的路径长度不同；其中：

第一耦合器22的输入端与输入直波导21的输出端连接，第一耦合器22的第一输出端与上波导23的输入端连接，第一耦合器22的第二输出端与下波导24的输入端连接，上波导23的输出端与第二耦合器25的第一输入端连接，下波导24的输出端与第二耦合器25的第二输入端连接，第二耦合器25的输出端与输出直波导26的输入端连接；第一耦合器22和第二耦合器25均为曲线结构，第一耦合器22与输入直波导21、上波导23和下波导24的连接处均为弧形结构，第二耦合器25与上波导23、下波导24和输出直波导26的连接处均为弧形结构。

可以理解的是，本申请的非对称结构集成光学电场传感器中的上波导23与下波导24的光路路径长度不相等，从而形成非对称结构。

需要说明的是，本申请中的第一耦合器22为曲线结构，如图2所示，并且第一耦合器22的输入端与输入直波导21的输出端相连接处为弧形结构，也即该连接处的曲率半径是渐变的，此处的曲率半径没有发生突变，在实际应用中可以使输入直波导21的输出端与第一耦合器22的输入端连接时使连接处的曲率半径呈线性变化，从而降低此处因曲率半径突变而造成的传输损耗。另外，第一耦合器22的第一输出端与上波导23的输入端的连接处以及第一耦合器22的第二输出端与下波导24的输入端的连接处也均为弧形结构，从而降低相应的连接处因曲率半径突变带来的传输损耗。

相应的，第二耦合器25的第一输入端与上波导23的输出端的连接处、第二耦合器25的第二输入端与下波导24的输出端的连接处以及第二耦合器25的输出端与输出直波导26的输入端的连接处均为弧形结构，使相应的连接处的曲率半径不发生突变，也即各个连接处的曲率半径可以呈线性变化，从而降低各个连接处的传输损耗，以进一步降低整个光波导的传输损耗，传输损耗的降低能够相应的降低测量误差，非对称结构集成光学电场传感器的测量精确度得到相应的提升。

具体的，本申请中的电极结构3可以设置于上波导23的两侧，也可以设置于下波导24的两侧，本申请以电极结构3设置于下波导24的两侧为例进行说明，该非对称结构集成光学电场传感器在实际检测中，在外加电场的作用下由电极结构3产生感应电压，该感应电压作用于下波导24上，入射光波(图图2中的110所示)经过输入直波导21后在第一耦合器22处按照预设比例分为两路光波，一路经过上波导23传输至第二耦合器25的第一输入端，另一路经过下波导24传输至第二耦合器25的第二输入端，下波导24中的部分区域在感应电压的作用下折射率发生相应的变化，从而使下波导24中的光波的相位发生变化，该相位的变化能够反映待测电场的电场信息，经过上波导23和下波导24传输的光波经第二耦合器25后耦合，并且耦合得到的透射光波(图2中的111所示)中包含待测电场信息，对透射光波进行分析后即可得到待测电场信息。

进一步的，为了便于对光波进行分析，本申请中的第一耦合器22和第二耦合器25均优选为为3dB耦合器。

具体的，本申请中的第一耦合器22具体可以为第一3dB耦合器，第二耦合器25具体为第二3dB耦合器，入射光波经过输入直波导21后在第一3dB耦合器处功率按照1:1的比例分为两路同相光波，其中一路经过设有电极结构3的波导后相位发生变化，然后再与另一路经过另一个波导的光波在第二3dB耦合器处按照1:1的比例进行耦合，从而得到携带有待测电场信息的光波信息，并对该光波信息进行分析后即可得到待测电场信息。采用3dB耦合器可以降低分析难度，提高测量效率。

进一步的，上波导23和下波导24中的一个为弯曲波导，另一个为直波导。

需要说明的是，当外加电场为0时非对称结构集成光学电场传感器的输出功率为输入功率的一半对应的工作点即为最佳工作点，当非对称结构集成光学电场传感器的工作点位于最佳工作点时，非对称结构集成光学电场传感器的线性工作区可以完全覆盖脉冲信号的场强范围，以提高测量精确度。

还需要说明的是，非对称结构集成光学电场传感器的臂长差(臂长差也即上波导23和下波导24的中心线长度之差)关系到非对称结构集成光学电场传感器工作点的可调节范围，工作点的可调节范围越大，非对称结构集成光学电场传感器的抗工艺误差能力就越强。

通常情况下，加工工艺会造成光程差偏离设计值，或者实验环境温度等影响因素造成折射率发送变化，从而导致在未加电场时工作点偏离设计值的角度，这一角度称为工作点角度误差。另外，非对称结构集成光学电场传感器所采用的可调谐光源为C波段(1530nm～1565nm)的可调谐光源，在实际应用中，可以通过调节可调谐光源对误差进校正，当工作点调节到最佳工作点时，恰好光源波长调节到波长的C波段下限或上限，此时对应的工作点角度误差称为该臂长差下的最大允许工作点角度误差。

如图1所示的现有技术中的非对称结构集成光学电场传感器，由于其上波导和下波导均为直波导，所以其臂长差较小，并且其臂长差的变化范围是有限的，而较小的臂长差使得其工作点的可调节范围较小，在使用可调谐光源(C波段1530nm～1565nm)时，很难将工作点调节到最佳工作点。故，现有技术中的非对称结构集成光学电场传感器的的可调节范围较小，从而影响其测量精度。

本申请中优选的上波导23或下波导24中的一个为弯曲波导，另一个为直波导，从而能够在波导基片1的尺寸有限的情况下使臂长差增大，臂长差的增大可以进步一扩大工作点的可调节范围，以便提高非对称结构集成光学电场传感器的测量精度。

具体的，如图2所示本申请以上波导23为弯曲波导，下波导24为直波导为例进行介绍。

更进一步的，弯曲波导为余弦形弯曲波导。

需要说的明的是，由于余弦形弯曲波导具有较低的传输损失，所以本申请中的弯曲波导优选为余弦形弯曲波导，其具体形状如图2中所示，图2中的上波导23具体为余弦形弯曲波导。

更进一步的，余弦形弯曲波导与直波导的臂长差不小于14.68μm。

具体的，余弦形弯曲波导与直波导的臂长差大于等于14.68μm，工作点的可调节范围可以达到±90°，从而可以使用可调谐光源将对称结构集成光学电场传感器的工作点调节至最佳工作点。另外，采用余弦形弯曲波导的方式，可以在维持较低传输损耗的情况下将臂长差的长度设计到14.68μm。

更进一步的，余弦形弯曲波导的横向长度不小于15mm。

由于弯曲损耗是产生传输损耗的主要原因，所以为了降低传输损耗，本申请中的余弦形弯曲波导的横向长度优选的不小于15mm，并且当余弦形弯曲波导的横向长度为15mm，余弦形弯曲波导的高度为424μm时，余弦形弯曲波导的弯曲损耗几乎为零，从而将使整体的传输损耗降至最低。

进一步的，该非对称结构集成光学电场传感器还包括与电极结构3连接的天线4。

具体的，为了防止驻波的产生及测量纳秒级的电场，可以设置于电极结构3连接的天线4，并且该天线4优选为三角形偶极子结构天线，因为三角形偶极子结构天线比柱状天线有更好的带宽性能，在与矩形天线等长的情况下，三角形偶极子结构天线具有更小的面积，在测量电场时对待测电场的干扰更小。其中，天线及电池结构均可以为基于材料金制作而成的。具体请参照图3，图3为光波导与天线沿Y轴方向的剖面示意图。

具体的，本申请中的波导基片1可以为铌酸锂晶体基片。当然，也可以采用基于其他材料制作而成的基片，具体可以根据实际情况进行确定，本申请对此不做特殊限定。

本实用新型实施例提供了一种非对称结构集成光学电场传感器，包括波导基片、设置于波导基片上的光波导及电极结构；光波导包括输入直波导、第一耦合器、上波导、下波导、第二耦合器和输出直波导，电极结构设置于上波导或下波导的两侧；上波导与下波导的路径长度不同；第一耦合器和第二耦合器均为曲线结构，第一耦合器与输入直波导、上波导和下波导的连接处均为弧形结构，第二耦合器与上波导、下波导和输出直波导的连接处均为弧形结构。

可见，本实用新型实施例中的第一耦合器和第二耦合器均为曲线结构，并且第一耦合器和第二耦合器与相应的波导的连接处均为弧形结构，从而可以降低整个光波导的传输损耗，以提高传感器的测量精确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，包括波导基片、设置于所述波导基片上的光波导及电极结构；所述光波导包括输入直波导、第一耦合器、上波导、下波导、第二耦合器和输出直波导，所述电极结构设置于所述上波导或所述下波导的两侧；所述上波导与所述下波导的路径长度不同；所述第一耦合器和所述第二耦合器均为曲线结构，所述第一耦合器与所述输入直波导、所述上波导和所述下波导的连接处均为弧形结构，所述第二耦合器与所述上波导、所述下波导和所述输出直波导的连接处均为弧形结构。

2.根据权利要求1所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述第一耦合器和所述第二耦合器均为3dB耦合器。

3.根据权利要求2所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述上波导和所述下波导中的一个为弯曲波导，另一个为直波导。

4.根据权利要求3所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述弯曲波导为余弦形弯曲波导。

5.根据权利要求4所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述余弦形弯曲波导与所述直波导的臂长差不小于14.68μm。

6.根据权利要求4所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述余弦形弯曲波导的横向长度不小于15mm。

7.根据权利要求6所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述余弦形弯曲波导的横向长度为15mm，所述余弦形弯曲波导的高度为424μm。

8.根据权利要求2所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，还包括与所述电极结构连接的天线。

9.根据权利要求8所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述天线为三角形偶极子结构天线。

10.根据权利要求1所述的非对称结构集成光学电场传感器，其特征在于，所述波导基片为铌酸锂晶体基片。