專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型的光電集成傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高電壓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集成 傳感器，尤其適于高電場(chǎng)幅值情況下的隔離及強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量。
背景技術(shù)：
在高電壓或電磁脈沖環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場(chǎng)。對(duì)之進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵部件就是電 場(chǎng)傳感器。該傳感器不僅能夠耐受強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境，而且要能夠測(cè)量出幅值很高的強(qiáng)電磁場(chǎng)； 為了精確測(cè)量，還要求對(duì)待測(cè)電場(chǎng)影響較小。在高電壓工程電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)電磁感應(yīng)原理的傳感器尺寸較大，整體為金屬結(jié)構(gòu)， 且電源問(wèn)題也難以解決。利用集成光學(xué)技術(shù)研制的光電集成電場(chǎng)傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相 比具有較大優(yōu)勢(shì)，其尺寸小、頻帶寬、可測(cè)場(chǎng)強(qiáng)高，為高電壓工程領(lǐng)域的強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量提供 了一種有效的手段。但其依然是采用金屬電極結(jié)構(gòu)感應(yīng)電場(chǎng)，如圖1所示，采用具有電光效應(yīng)的x方向切割的晶片2，在該晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成Y形分叉 輸入、輸出端、中間互相平行的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)M-Z結(jié)構(gòu))的光波導(dǎo)，在 互相平行的兩段光波導(dǎo)中的一段的表面覆設(shè)一個(gè)金屬電極4。在外加電場(chǎng)l (圖中箭頭為該電場(chǎng)方向)通過(guò)金屬電極4作用到光波導(dǎo)3上，調(diào)制了 光波導(dǎo)的輸出功率，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，檢測(cè)輸出電壓的變化來(lái)得到外加電場(chǎng)。 由于金屬結(jié)構(gòu)的存在，在抵近測(cè)量時(shí)傳感器對(duì)待測(cè)場(chǎng)將產(chǎn)生影響；同時(shí)，金屬電極結(jié)構(gòu)的 電容也限制了傳感器頻帶寬度的提高。也有人針對(duì)弱電場(chǎng)測(cè)量研究了基于疇反轉(zhuǎn)技術(shù)的無(wú)電極光電集成電場(chǎng)傳感器，此種傳 感器也是基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)的，如圖2所示，采用具有電光效應(yīng)的z方向切割的 晶片5，在該晶片表面用質(zhì)子交換方法形成M-Z結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)3，在其中的一段表面利用 鈦擴(kuò)散的方法覆蓋一段疇反轉(zhuǎn)區(qū)域6。疇反轉(zhuǎn)是指通過(guò)外界作用使鐵電晶體內(nèi)部的鐵電疇 的極化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。疇反轉(zhuǎn)區(qū)域的電疇中，與奇數(shù)階張量相聯(lián)系的晶體物理性質(zhì)， 如非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)、電光系數(shù)、壓電系數(shù)等的符號(hào)將發(fā)生改變。由于疇反轉(zhuǎn)區(qū)域6的存在，兩個(gè)分支光波導(dǎo)3在外加電場(chǎng)1 (該電場(chǎng)方向與晶片垂直 指向外)調(diào)制下的產(chǎn)生相位差，通過(guò)Y分叉干涉后，相位差轉(zhuǎn)換為輸出光功率的差異，通 過(guò)光電轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，檢測(cè)輸出電壓的變化來(lái)得到外加電場(chǎng)。這種傳感器是針對(duì)弱電 場(chǎng)測(cè)量的，其設(shè)計(jì)中主要突出了傳感器的靈敏度，傳感器的測(cè)量范圍較小。同時(shí)，由于工 藝條件的限制，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)的固有相位差不易控制，使得傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn) 也難以控制，給傳感器的使用帶來(lái)了較大不便。因此，現(xiàn)有傳感器不能完全滿(mǎn)足強(qiáng)電場(chǎng)抵近測(cè)量的要求。在高電壓與強(qiáng)電磁環(huán)境領(lǐng)域， 迫切需要研究開(kāi)發(fā)一種具有沒(méi)有金屬電極結(jié)構(gòu)、抗干擾能力強(qiáng)、頻帶寬發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，提出一種用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集 成傳感器，可以有效地控制輸出信號(hào)的固有相位差，具有響應(yīng)速度快、頻帶寬的特點(diǎn)，可 以測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)的幅值，還可以用于測(cè)量電場(chǎng)的頻率、相位等信息，特別適用于強(qiáng)電場(chǎng) 測(cè)量。本發(fā)明提出的用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集成傳感器，包括采用具有電光效應(yīng) 的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成的輸入端Y形分叉、中間平行對(duì) 稱(chēng)兩分支的光波導(dǎo)，利用疇工程方法在其中一分支光波導(dǎo)的表面覆蓋一疇反轉(zhuǎn)區(qū)域，其特 征在于，在該光波導(dǎo)輸出端連接有構(gòu)成2x2的3dB波導(dǎo)定向耦合器(簡(jiǎn)稱(chēng)3dB耦合器) 的光波導(dǎo)。該定向耦合器是由兩個(gè)相距很近且相互平行的光波導(dǎo)構(gòu)成的，由于間距很小，光波導(dǎo) 折射率分布發(fā)生了畸變，從而引起兩波導(dǎo)中的導(dǎo)模相互耦合。對(duì)于一個(gè)輸入、輸出端均為 兩支光波導(dǎo)的2x2的3 dB耦合器，其中任一光波導(dǎo)輸入光功率的一半會(huì)耦合到另一光波 導(dǎo)輸出光功率中。該電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)電光系數(shù)的符號(hào)反向，在傳感器分支波導(dǎo)兩臂之間形成推挽結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。上述光電集成傳感器中的晶片為鈮酸鋰晶片。上述疇反轉(zhuǎn)區(qū)域采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子 交換加快速熱處理法、外加電場(chǎng)極化法中的任何一種得到。 本發(fā)明的特點(diǎn)本發(fā)明利用晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，通過(guò)晶體波導(dǎo)上的疇反轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)⒖臻g電場(chǎng) 物理量直接調(diào)制到光波信號(hào)上，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的光波信號(hào)，即可以還原待測(cè)的電場(chǎng)信 號(hào)。該傳感器采用電磁場(chǎng)仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有金屬元件且晶片本身可以耐受很高 的電場(chǎng)，完全適用于高電壓與強(qiáng)電場(chǎng)的測(cè)量領(lǐng)域。該傳感器中的光通路利用集成光學(xué)技術(shù) 中的光波導(dǎo)工藝實(shí)現(xiàn)，疇反轉(zhuǎn)區(qū)域通過(guò)集成光學(xué)技術(shù)中的疇工程方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果1、 本發(fā)明的光電集成傳感器可以進(jìn)行多種物理量的測(cè)量。不僅可以測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào) 的幅值，還可以用于測(cè)量電場(chǎng)的頻率、相位等信息，是一種時(shí)域測(cè)量傳感器。2、 本發(fā)明的光電集成傳感器中沒(méi)有金屬元件，對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的影響很小，且感應(yīng)電場(chǎng) 作用的有效區(qū)域很小，位置分辨能力強(qiáng)。3、 本發(fā)明的光電集成傳感器采用了 Y分叉-平行分支波導(dǎo)-3dB耦合器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形 式，可以有效地控制輸出信號(hào)的固有相位差，即傳感器的靜態(tài)工作點(diǎn)。4、 本發(fā)明的光電集成傳感器的響應(yīng)速度快、頻帶寬，因此大大提高了測(cè)量頻率范圍 和響應(yīng)速度。5、 本發(fā)明的傳感器的最大可測(cè)電場(chǎng)幅值僅受限于晶體本身的矯頑電場(chǎng)，通過(guò)合理設(shè) 計(jì)的傳感器可以測(cè)量大于3000 kV/m的電場(chǎng)。


圖1為現(xiàn)有光電集成強(qiáng)電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為針對(duì)弱電場(chǎng)測(cè)量的基于疇反轉(zhuǎn)技術(shù)的無(wú)電極光電集成電場(chǎng)傳感器示意圖。圖3為本發(fā)明的無(wú)電極光電集成傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是圖3的A—A的剖視圖。圖5為應(yīng)用本發(fā)明的無(wú)電極型光電集成強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集成傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所 示，包括采用具有電光效應(yīng)的z方向切割的晶片5，在晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交 換方法形成輸入端Y形分叉、中間平行對(duì)稱(chēng)的分支光波導(dǎo)3、輸出端連接一個(gè)2x2的3dB 耦合器的光波導(dǎo)7，用疇工程方法在互相平行的兩段光波導(dǎo)中的一段上形成的表面覆蓋一 電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域6，該區(qū)域的寬度與光波導(dǎo)寬度相同，電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域6 (覆蓋光波導(dǎo))的長(zhǎng) 度選取，決定于待測(cè)場(chǎng)的強(qiáng)度。本發(fā)明的實(shí)施例的一組結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)是輸入單偏振光波長(zhǎng)1550 nm，光波導(dǎo)寬度7 pm， 3 dB耦合器的耦合間距10 耦合段長(zhǎng)度3 mm，疇反轉(zhuǎn)區(qū)域的寬度7 長(zhǎng)度3 mm， 中間平行對(duì)稱(chēng)的分支光波導(dǎo)長(zhǎng)度為5mm。上述光電集成傳感器中的晶片l可以為鈮酸鋰(LiNb03)晶片。上述電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)?采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子交換加快速熱處理法、外加電場(chǎng)極化法中的任何一種得到。利用離 子擴(kuò)散法制備電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，晶體表面提供離子的金屬膜覆蓋一支光波導(dǎo)，該離子的金 屬膜的長(zhǎng)度為預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度，其寬度與光波導(dǎo)通道的寬度相同，擴(kuò)散完畢后通 過(guò)蝕刻的方法去掉該金屬膜；利用質(zhì)子交換加快速熱處理法制備電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，質(zhì)子交 換區(qū)段覆蓋一支光波導(dǎo)，該質(zhì)子交換區(qū)段長(zhǎng)度為預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度，其寬度與光波 導(dǎo)通道的寬度相同；利用外加電場(chǎng)極化法制備電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，晶體表面的金屬電極覆蓋 一支光波導(dǎo)，該金屬電極長(zhǎng)度為預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度，其寬度與光波導(dǎo)通道的寬度相 同，極化完畢后通過(guò)蝕刻的方法去掉該金屬電極。本發(fā)明的具體應(yīng)用強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。具體的工作原理是激光源8 產(chǎn)生的線(xiàn)偏振激光通過(guò)保偏光纖9輸入傳感器IO，傳感器輸入端的Y分叉將光束分配成兩 個(gè)功率相等的光束，分別進(jìn)入兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的條形波導(dǎo)，沿少軸方向分別傳輸；當(dāng)沿z軸方向 施加外界電場(chǎng)l，電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域中電光系數(shù)的符號(hào)相反，由于Pockds效應(yīng)，在兩個(gè)分支波 導(dǎo)中傳輸?shù)墓馐a(chǎn)生相位差^之后兩條光路中的光波進(jìn)入一個(gè)3dB耦合器發(fā)生耦合，并 分別輸出；在伊較小的條件下，兩個(gè)輸出端的激光的輸出功率都與外加電場(chǎng)成正比關(guān)系。 取其中一個(gè)輸出端的信號(hào)耦合輸出，輸出的光信號(hào)通過(guò)單模光纖11輸入光電轉(zhuǎn)換器12， 將光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)由射頻電纜13進(jìn)入電信號(hào)檢測(cè)器。因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器12 輸出的電壓信號(hào)與輸入的光功率信號(hào)成正比，后者又和外加電場(chǎng)成正比，所以通過(guò)檢測(cè)電 壓信號(hào)即可得到的外加電場(chǎng)。本發(fā)明的無(wú)電極型的光電集成傳感器可以用于高電壓工程領(lǐng)域的強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量，包括工 頻電場(chǎng)測(cè)量、電力系統(tǒng)操作沖擊電場(chǎng)測(cè)量、雷電沖擊電場(chǎng)測(cè)量和快速暫態(tài)脈沖電場(chǎng)測(cè)量等。 不僅可以測(cè)量待測(cè)電場(chǎng)的幅值，而且可以測(cè)量待測(cè)電場(chǎng)的時(shí)域波形，可以用于研究電力系 統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，長(zhǎng)空氣間隙放電的過(guò)程機(jī)理和其他需要測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1、一種用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集成傳感器，其特征在于，包括采用具有電光效應(yīng)的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成的輸入端Y形分叉、中間平行對(duì)稱(chēng)兩分支的光波導(dǎo)，利用疇工程方法在其中一分支光波導(dǎo)的表面覆蓋一疇反轉(zhuǎn)區(qū)域，其特征在于，在該光波導(dǎo)輸出端連接有構(gòu)成2×2的3dB波導(dǎo)定向耦合器的光波導(dǎo)。
2、 如權(quán)利要求1所述的光電集成傳感器，其特征在于，所述的晶片為鈮酸鋰晶片。
3、 如權(quán)利要求1所述的光電集成傳感器，其特征在于，所述電疇反轉(zhuǎn)區(qū)域的制備是 采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子交換加快速熱處理法、外加電場(chǎng)極化法中的任何一種疇工程方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)電極型光電集成傳感器，屬于高電壓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器包括采用具有電光效應(yīng)的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成的輸入端Y形分叉、中間平行對(duì)稱(chēng)兩分支的光波導(dǎo)，利用疇工程方法在其中一分支光波導(dǎo)的表面覆蓋一疇反轉(zhuǎn)區(qū)域，其特征在于，在該光波導(dǎo)輸出端連接有構(gòu)成2×2的3dB波導(dǎo)定向耦合器的光波導(dǎo)。本發(fā)明可以滿(mǎn)足強(qiáng)電場(chǎng)(大于3000kV/m)的測(cè)量；不僅可以測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)的幅值，還可以用于測(cè)量電場(chǎng)的頻率、相位等信息；具有位置分辨能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、頻帶寬的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R29/12GK101251559SQ20081010416
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者何金良, 嶸 曾, 歡 李, 犇 牛, 博 王, 耿屹楠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)