集成光學(xué)二維電場傳感器及測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是設(shè)及一種集成光學(xué)二維電場傳感器及測量系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 測量電場的分布對高壓電工程研究，如電暈放電、間隙放電和高功率電磁脈沖檢 巧。，如核磁爆脈沖等有著重要的指導(dǎo)作用。高壓電中微秒級別瞬時(shí)脈沖的檢測有利于理解 長間隙放電的物理機(jī)制；高功率電磁脈沖的幅值和頻率信息可用分析和評估其造成的危 害，從而為電子設(shè)備的保護(hù)提供參考。傳統(tǒng)的電場測量系統(tǒng)是采用電學(xué)的有源金屬傳感器。 但電學(xué)傳感器的金屬部分如金屬探頭、同軸電纜對待測電場產(chǎn)生嚴(yán)重崎變，使得測量結(jié)果 誤差很大。且實(shí)際的電場干擾電場通常覆蓋很寬頻帶，可能是幾曲Z到幾十GHz。而傳統(tǒng)的 電學(xué)傳感器只能工作在某個(gè)頻點(diǎn)附近很窄的范圍內(nèi)，限制了其測量的帶寬范圍。為了克服 傳統(tǒng)電學(xué)傳感器存在的局限性，研究人員利用了具有線性電光效應(yīng)晶體如妮酸裡，制作了 集成光學(xué)電場傳感器，其具有靈敏度高、帶寬大、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 集成光學(xué)電場傳感器的研究目前主要集中在一維測量，運(yùn)僅僅適用于電場方向明 確的測量。然而，待測電場的實(shí)際方向往往未知。如果傳感器的天線極化方向與待測電場 方向不一致，測量得到電場幅值是實(shí)際電場在天線極化方向上的投影，不能準(zhǔn)確地反映實(shí) 際電場的幅值信息。即使知道待測電場方向，待測電場可能是變化的場，方向也可能隨時(shí)變 化，人為的改變傳感器放置方向也不切實(shí)際。
[0004] 所W電場傳感器至少能測量一維W上的電場如二維電場和S維電場，才能滿 足實(shí)際電場測量的要求。平行平面電場和球面電場就是二維電場。例如，申請?zhí)枮?201210348311. 8的中國專利文獻(xiàn)公開了一種基于共路干設(shè)的集成電場傳感器，包括妮酸裡 基片、娃基片、墊片、探測單元和調(diào)制單元，妮酸裡基片和娃基片通過紫外固化膠相互粘接， 妮酸裡基片和娃基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘結(jié)。探測單元包括兩個(gè)上接觸電 極、連接導(dǎo)線和兩個(gè)偶極子天線；調(diào)制單元包括兩個(gè)下接觸電極、光波導(dǎo)和兩個(gè)調(diào)制電極。 該文獻(xiàn)中，集成電場傳感器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測量誤差較大，測量準(zhǔn)確性較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊，處理過程簡單，檢測誤差 低，檢測準(zhǔn)確度較高的集成光學(xué)二維電場傳感器，實(shí)現(xiàn)了二維電場矢量的測量。
[0006] 本發(fā)明還提供了一種集成光學(xué)二維電場傳感器測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量方便，精度 局。
[0007] -種集成光學(xué)二維電場傳感器，包括妮酸裡基片，所述妮酸裡基片上覆設(shè)有氧化 層，該氧化層面向妮酸裡基片一側(cè)設(shè)有的兩個(gè)平行設(shè)置的光波導(dǎo)，另一側(cè)設(shè)有與兩個(gè)光波 導(dǎo)位置分別對應(yīng)的兩組偶極子天線，分別跨接不同光波導(dǎo)臂；所述兩組偶極子天線的極化 方向正交。
[0008] 本發(fā)明中，妮酸裡基片表面的兩條平行的光波導(dǎo)沿z向布置，即也是光波導(dǎo)的傳 輸方向，通過鐵擴(kuò)散形成。兩個(gè)光波導(dǎo)之間的間距為100ym-200ym。
[0009] 作為優(yōu)選，所述兩組偶極子天線為錐形偶極子天線，其軸線方向與光波導(dǎo)傳輸方 向之間的夾角0分別為45度和135度。作為進(jìn)一步優(yōu)選，每組偶極子天線由兩個(gè)分別設(shè) 置在光波導(dǎo)兩側(cè)且中屯、對稱的=角形子塊組成，兩個(gè)子塊的底邊與光波導(dǎo)傳輸方向相互平 行，兩個(gè)底邊的中線構(gòu)成所述的軸線。
[0010] 本發(fā)明中，所述的偶極子天線為錐形結(jié)構(gòu)。第一組偶極子天線的軸線方向與底邊 (Z方向）成45°夾角，其極化方向?yàn)?5°，在極化方向有最大電場響應(yīng)，極化方向的垂直方 向響應(yīng)幾乎為零；第二組偶極子天線的軸線方向與底邊（Z方向）成135°夾角，其極化方 向?yàn)?35°，在極化方向有最大電場響應(yīng)，極化方向垂直方向的電場響應(yīng)幾乎為零。第一組 偶極子天線和第二組偶極子天線的極化方向相互正交，可W分別測量二維電場矢量沿45° 和135°兩正交分量。
[0011] 偶極子天線的幾何尺寸，如間距Gap、底邊寬度Wa和高度化會影響電場傳感器的 靈敏度和響應(yīng)帶寬。天線間距Gap越大，靈敏度越小，響應(yīng)帶寬幾乎沒變化；天線底邊寬度 Wa越窄，靈敏度越低，響應(yīng)帶寬越大；天線高度化越高，靈敏度越高，響應(yīng)帶寬越小。運(yùn)些 參數(shù)可通過仿真計(jì)算得到的。第一組偶極子天線和第二組偶極子天線有相同的間距、底邊 寬度和高度，兩偶極子天線具有相同的靈敏度和響應(yīng)帶寬。作為優(yōu)選，兩組偶極子天線為鏡 面對稱結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選，=角形子塊的底邊的寬度要小于=角形子塊的高度。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的氧化層為二氧化娃（Si化)，目的是使得微波和光波更易實(shí)現(xiàn)相 位匹配，同時(shí)減小由于金屬天線吸收帶來的光波損耗，厚度為300nm-500nm。
[0013] 為了實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)電場傳感器二維電場矢量的測量，將兩個(gè)極化方向正交的偶極 子天線制作在同一妮酸裡基片的不同波導(dǎo)上，兩偶極子天線分別測量二維電場矢量沿45° 和135°兩正交分量，最終矢量合成從而獲得二維電場的方向、幅值和頻率信息。將普通錐 形偶極子天線設(shè)計(jì)成斜錐形偶極子，即天線的軸線方向與底邊（Z方向）成特定的角度45° 和135°，從而改變錐形偶極子天線的極化方向?yàn)?5°和135°。將兩偶極子天線制作在同 一基片上，其進(jìn)一步提高了傳感器的測量準(zhǔn)確性，減小了傳感器體積并簡化了制作工藝。
[0014] 作為優(yōu)選，兩組偶極子天線的材料為金屬，如金。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種集成光學(xué)二維電場傳感器測量系統(tǒng)，包括光源、W及與光源 依次連接的保偏光纖、保偏光纖禪合器、電場傳感器、單偏振光纖、光電探測器和信號處理 單元，其特征在于，所述電場傳感器為上述任一技術(shù)方案所述的集成光學(xué)二維電場傳感器。
[0016] 本發(fā)明提出的集成光學(xué)電場傳感器，具有W下的特點(diǎn)：
[0017] 本發(fā)明所提出的集成光學(xué)二維電場傳感器是制作在同一片妮酸裡基片上，和傳統(tǒng) 的集成光學(xué)一維傳感器體積相似，相比于已經(jīng)提出的=維光學(xué)電場傳感器，體積縮小了很 多。
[0018] 本發(fā)明所提出的集成光學(xué)二維電場傳感器中的天線位于同一妮酸裡平面，距離較 近，分別感應(yīng)到的電場更能近似等同為同一位置的電場，測量誤差小，測量準(zhǔn)確性更高。
[0019] 本發(fā)明所提出的集成光學(xué)二維電場傳感器主要基于光波導(dǎo)中TE和TM模式的干設(shè) 原理，相比于基于馬赫增德爾結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)電場傳感器，其具有更好的溫 度穩(wěn)定性。
[0020] 本發(fā)明所提出的集成光學(xué)二維電場傳感器由妮酸裡基片、光波導(dǎo)、兩組偶極子天 線、氧化層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊，制作工藝成熟、簡單。
[0021] 本發(fā)明所提出的集成光學(xué)二維傳感器是通過分別測量正交方向的兩個(gè)電場值，最 后直接矢量合成就可W得到待測電場矢量的方向和幅值，后續(xù)矢量合成處理過程簡單。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中集成光學(xué)二維電場傳感器的俯視結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖2是圖1所述集成光學(xué)二維電場傳感器在虛線L處對應(yīng)的橫截面示意圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中集成光學(xué)二維電場傳感器測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[00巧]圖中，1為妮酸裡化iNb03