CN209624671U - 基于mz-wg结构的波导电压传感器、测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于MZ‑WG结构的波导电压传感器、测量系统，其中所述波导电压传感器包括衬底以及设置在所述衬底上的MZ‑WG结构，所述MZ‑WG结构指的是实现马赫曾德回路的硅波导；所述MZ‑WG结构包括两条首尾相互连接的弧形波导，所述其中的一个弧形波导上包裹有压电陶瓷。

Description

基于MZ-WG结构的波导电压传感器、测量系统

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，更具体的，涉及一种基于MZ-WG结构的波导电压传感器、测量系统。

背景技术

在电力系统或者新型电力电池中，电压传感器主要用于测量和保护，防范安全隐患。传统的电压传感器分电磁感应式和电容式两种。其中，传统的电压传感器容易受到强电磁场、空气电流等环节因素影响，导致传输数据不稳定、寿命短等问题，同时输出无法和计算机直接相连，有频带较窄、容量有限的使用问题。

光学电压传感器则利用光路具有的体积小、抗电磁干扰、保证信号完整不失真、绝缘性好、复用性强、测量范围大、测量精度高等一系列优点，在国内外受到了广泛的关注。同时，光学电压传感器可直接输出数字信号，满足微机保护和检测的要求，实现分布式、多功能、智能化的要求，具有很好的发展前景。其不仅仅应用于电力测量系统，也可应用于微电子医疗、交通信号、灵敏智能系统中。

光学电压传感器有多种方案，有基于Pockels效应的块状晶体型方案、基于逆电压效应的双模干涉方案、基于逆压电效应的全光纤型方案、基于特种光纤的全光纤型方案、基于Pockels效应的集成光学型方案等。采用先进的集成光学技术，使得整个检测系统变成超小型，并具有稳定、可靠、带宽大、抗电磁干扰及微扰小等特点。

成熟的光学电压传感技术其大多采用分立的光学器件组成，需要透镜、起偏器、检偏器等组成光学系统和复杂的透镜耦合系统。光学元件多，晶体也不易进行批量生产，同时光学元件的对准、调整非常复杂，而且运行的稳定性尚有待提高。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术提供的光学电压传感技术需要复杂的光学系统和耦合系统而导致的对准复杂、调整复杂、运行的稳定性差的技术缺陷，提供了一种基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其整体的结构简单，使用便捷，使用时无需进行频繁的对准及调整工作，且其运行的稳定性较高。

为实现以上实用新型目的，采用的技术方案是：

一种基于MZ-WG结构的波导电压传感器，包括衬底以及设置在所述衬底上的MZ-WG结构，所述MZ-WG结构指的是实现马赫曾德回路的硅波导；所述MZ-WG结构包括两条首尾相互连接的弧形波导，所述其中的一个弧形波导上包裹有压电陶瓷。

本实用新型的实用新型构思在于利用压电陶瓷的逆压电效应以及弧形波导的材料受应力伸缩的思路，在使用时先向压电陶瓷施加需要测量的电压，并分别向两条弧形波导的输入端输入一束入射光，两束入射光分别进入两条弧形波导中，由于压电陶瓷的逆压电效应，两路入射光在两条弧形波导中的光程发生变化，因而其在两条弧形波导的输出端合束后会发生马赫-曾德干涉，此时通过观察合束后光束对应波峰的中心波长λ的漂移变化，获取中心波长λ后再对压电陶瓷施加的电压进行计算即可。

优选地，所述MZ-WG结构上设置有覆盖层，覆盖层与MZ-WG结构之间具有折射率差。

优选地，所述覆盖层与MZ-WG结构采用同种材料，覆盖层与MZ-WG结构之间通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式实现折射率差。

优选地，所述衬底与覆盖层、MZ-WG结构采用同种材料，其通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式与覆盖层、MZ-WG结构之间实现折射率差。

优选地，所述衬底与覆盖层、MZ-WG结构均采用二氧化硅。

优选地，所述MZ-WG结构的宽为6.0μm，高为6.0μm。

同时，本实用新型还通过了一种基于以上传感器的电压测量系统，其具体的方案如下：

包括宽带光源、1×2分束器、2×1合束器、光谱仪和波导电压传感器，其中宽带光源与1×2分束器的输入端连接，1×2分束器的2个输出端分别与MZ-WG结构的两条弧形波导的一端连接；MZ-WG结构的两条弧形波导的另一端分别与2×1合束器的两个输入端连接，2×1合束器的输出端与光谱仪连接。

其中，所述宽带光源通过光纤与所述1×2分束器的输入端连接，所述2×1合束器的输出端通过光纤与所述光谱仪连接。

上述测量系统的具体工作原理如下:

S1.向波导电压传感器的压电陶瓷施加需要测量的电压；

S2.启动宽带光源，向1×2分束器发出入射光，入射光经过1×2分束器后分为光强度相等的两路，并分别进入MZ-WG结构的两条弧形波导中，由于压电陶瓷的逆压电效应，两路入射光在两条弧形波导中的光程发生变化，并于2×1合束器中进行合束，合束后光束发生马赫-曾德干涉；

S3.通过光谱仪观察合束后光束对应波峰的中心波长λ的漂移变化，获取中心波长λ后将其代入波长-电压的函数关系表达式，计算压电陶瓷施加的电压的数值。

优选地，所述波长-电压的函数关系表达式表示如下：

其中，n_eff为弧形波导的有效折射率，m为干涉条纹级数，ΔL₀为未施加电压时两条弧形波导的臂差，k表示横向压电系数，σ表示电致伸缩系数，β为压电陶瓷对弧形波导应变作用的效率系数，E表示压电陶瓷施加的电压。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用压电陶瓷的逆压电效应以及弧形波导的材料受应力伸缩的思路来达到电压测量的目的，其无需复杂的光学系统和耦合系统，在使用时也无需进行频繁的对准及调整过程，其运行的稳定性较高。

附图说明

图1为波导电压传感器的结构示意图。

图2为电压测量系统的结构示意图。

图3为施加变化电压时，仿真的光波导中光强-波长漂移示意图。

图4为电压-波长漂移量关系示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供了一种基于MZ-WG结构的波导电压传感器，包括衬底1以及设置在所述衬底1上的MZ-WG结构，所述MZ-WG结构指的是实现马赫曾德回路的硅波导；所述MZ-WG结构包括两条首尾相互连接的弧形波导2，所述其中的一个弧形波导2上包裹有压电陶瓷3。

本实用新型的实用新型构思在于利用压电陶瓷3的逆压电效应以及弧形波导2的材料受应力伸缩的思路，在使用时先向压电陶瓷3施加需要测量的电压，并分别向两条弧形波导2的输入端输入一束入射光，两束入射光分别进入两条弧形波导2中，由于压电陶瓷3的逆压电效应，两路入射光在两条弧形波导2中的光程发生变化，因而其在两条弧形波导2的输出端合束后会发生马赫-曾德干涉，此时通过观察合束后光束对应波峰的中心波长λ的漂移变化，获取中心波长λ后再对压电陶瓷3施加的电压进行计算即可。

本实施例中，所述MZ-WG结构上设置有覆盖层4，覆盖层4与MZ-WG结构之间具有折射率差。

本实施例中，所述覆盖层4与MZ-WG结构采用同种材料，覆盖层4与MZ-WG结构之间通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式实现折射率差。

本实施例中，所述衬底1与覆盖层4、MZ-WG结构采用同种材料，其通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式与覆盖层4、MZ-WG结构之间实现折射率差。

本实施例中，所述衬底1与覆盖层4、MZ-WG结构均采用二氧化硅。

本实施例中，所述MZ-WG结构的宽为6.0μm，高为6.0μm。

实施例2

本实施例提供了一种应用实施例1传感器的电压测量系统，如图2所示，其包括宽带光源5、1×2分束器6、2×1合束器7、光谱仪8和波导电压传感器9，其中宽带光源5与1×2分束器6的输入端连接，1×2分束器6的2个输出端分别与MZ-WG结构的两条弧形波导2的一端连接；MZ-WG结构的两条弧形波导2的另一端分别与2×1合束器7的两个输入端连接，2×1合束器7的输出端与光谱仪8连接。

其中，所述宽带光源5通过光纤10与所述1×2分束器6的输入端连接，所述2×1合束器7的输出端通过光纤10与所述光谱仪8连接。

以上电压测量系统的具体工作原理如下：

S1.向波导电压传感器9的压电陶瓷3施加需要测量的电压；

S2.启动宽带光源5，向1×2分束器6发出入射光，入射光经过1×2分束器6后分为光强度相等的两路，并分别进入MZ-WG结构的两条弧形波导2中，由于压电陶瓷3的逆压电效应，两路入射光在两条弧形波导2中的光程发生变化，并于2×1合束器7中进行合束，合束后光束发生马赫-曾德干涉；

S3.通过光谱仪8观察合束后光束对应波峰的中心波长λ的漂移变化，获取中心波长λ后将其代入波长-电压的函数关系表达式，计算压电陶瓷3施加的电压的数值。

波导光路中，宽带光源通过1×2分束器分为光强均等的两束光，进入不等长的两条弧形波导中，因经过的光程不一致，存在光程差，从而引起干涉现象：

其中，n_eff为弧形波导的有效折射率，L₁、L₂分别为两条弧形波导的长度，λ表示波长，n₁、n₂分别表示两条弧形波导的折射率，ΔL表示两条弧形波导的长度差。

当时，即时，光强具有最大值，在光谱仪呈现出波峰点，便于实验中观察干涉变化，当ΔL变化，导致同级波峰位移，从而提供直观的波长漂移现象。

上述分析可得到，当光波导干涉光程差发生变化时，可观察到光强波峰发生移动。

对于贴在在弧形波导上的压电陶瓷，对其施加一个外电场，在外加电场的作用下压电陶瓷会产生应变，其应变主要由逆压电效应和电致伸缩效应共同决定。其应变可以表示为：

ΔX＝kΔE+σΔE²

式中，kΔE表示逆压电效应；σΔE²表示电致伸缩效应；

k表示横向压电系数；σ表示电致伸缩系数；ΔX—应变；E表示电压。

当选择的压电陶瓷的逆压电效应远远大于电致伸缩效应时，外加电压的大小和压电陶瓷形变的大小近似的表示为：

ΔX＝kΔU

当选择的压电陶瓷的电致伸缩效应远远大于逆压电效应时，外加电压的大小和压电陶瓷形变的大小近似的表示为：

ΔX＝σΔU²

由公式可知，从理论上讲，当采用的压电陶瓷为逆压电效应类型时，压电陶瓷的形变量的大小和施加电压的大小为线性关系，当压电陶瓷为电致伸缩类型时，压电陶瓷的形变量的大小和施加电压的大小为平方关系，由于压电陶瓷是容性元件，弹性形变量是压电陶瓷本身固有的特性，所以现实所制作的电压传感器有迟滞效应和非线性效应。

对于光波导而言，压电陶瓷的形变引起了弧形波导伸缩。假设波导仅受轴向应变作用，温度场保持恒定,根据材料长度的应变理论，则有ΔL＝βΔX,β为压电陶瓷对光波导应变作用的效率系数。

由

ΔL＝L₁-L₂＝ΔL₀+βΔX

代入波导干涉公式得：

可见波长和电压的关系是呈二次关系的，其中，n_eff为弧形波导的有效折射率，m为干涉条纹级数，ΔL₀为未施加电压时两条弧形波导的臂差，k表示横向压电系数，σ表示电致伸缩系数，β为压电陶瓷对弧形波导应变作用的效率系数，E表示压电陶瓷施加的电压。

在上述论述中，已经科学严谨地叙述了关于设计的科学性和可操作性，下面通过仿真技术，对于该监测电压的性能进行叙述：

通过Matlab软件仿真，从而得到模拟仿真图如图3所示。

在压电陶瓷片两端加待测电压后，顺次逐渐增大电压，由于压电陶瓷的逆电压效应和电致伸缩效应，两条弧形波导的光程差发生变化，这样会使得干涉相位发生变化，从而引起同一级数波峰发生横向漂移，最后在光谱分析仪上观察不同电压下的干涉光谱图并采集数据。

为了更形象的看出被测电压与波长移动量之间的关系，达到准确测量电压的目的，本实施例将上述仿真数据的峰值进行拟合，具体如图4所示。

图中表示的是严格按照二次函数拟合之后的图像，从中可以看出电压和波长的移动量满足二次函数关系。通过理论设计推导，再到仿真验证，科学严谨地论述了该实用新型设计的科学性和可实用性。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：包括衬底以及设置在所述衬底上的MZ-WG结构，所述MZ-WG结构指的是实现马赫曾德回路的硅波导；所述MZ-WG结构包括两条首尾相互连接的弧形波导，其中的一个所述弧形波导上包裹有压电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：所述MZ-WG结构上设置有覆盖层，覆盖层与MZ-WG结构之间具有折射率差。

3.根据权利要求2所述的基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：所述覆盖层与MZ-WG结构采用同种材料，覆盖层与MZ-WG结构之间通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式实现折射率差。

4.根据权利要求3所述的基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：所述衬底与覆盖层、MZ-WG结构采用同种材料，其通过掺杂或通过扩散和离子交换的方式与覆盖层、MZ-WG结构之间实现折射率差。

5.根据权利要求3所述的基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：所述衬底与覆盖层、MZ-WG结构均采用二氧化硅。

6.根据权利要求1～5任一项所述的基于MZ-WG结构的波导电压传感器，其特征在于：所述MZ-WG结构的宽为6.0μm，高为6.0μm。

7.一种测量系统，其特征在于：包括宽带光源、1×2分束器、2×1合束器、光谱仪和权利要求1～6任一项所述的波导电压传感器，其中宽带光源与1×2分束器的输入端连接，1×2分束器的2个输出端分别与MZ-WG结构的两条弧形波导的一端连接；MZ-WG结构的两条弧形波导的另一端分别与2×1合束器的两个输入端连接，2×1合束器的输出端与光谱仪连接。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于：所述宽带光源通过光纤与所述1×2分束器的输入端连接，所述2×1合束器的输出端通过光纤与所述光谱仪连接。