CN108896838A - 一种集成光波导电场传感器及利用其的电场测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成光波导电场传感器及利用其的电场测量***，属于电场测量技术领域。本发明提供的电场传感器为：在一片铌酸锂晶片表面制作集成光波导马赫增德尔干涉仪和调制电极；在另一片铌酸锂晶片表面制作偶极子天线和平面螺旋电感；两片铌酸锂晶片侧面之间使用紫外固化胶粘接在一起；两片铌酸锂晶片底面使用紫外固化胶分别与固定垫片粘接在一起；平面螺旋电感和调制电极之间使用连接导线相连接。利用其的电场测量***包括保偏激光源，保偏光纤、集成光波导电场传感器、单模光纤、光电探测器、传输电缆、信号处理单元。本发明提供的集成光波导电场传感器通过设计平面螺旋电感加载天线，可实现低频电场测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成光波导电场传感器及利用其的电场测量***，属于电场测量技术领域。
背景技术
随着我国超高压、特高压输变电工程的建设实施，电压等级不断升高，对各类电气设备绝缘性能的要求不断提高。为了更好地设计电气设备的绝缘参数，需要对高电压工程领域出现的间隙放电电场、电晕电场、快速暂态过电压等进行测量研究。以集成光学技术为基础的集成光波导电场传感器具有响应快、频带宽、对被测电场干扰小、绝缘性好等优点，适合用于测量这类暂态强电场。
但是，目前对集成光波导电场传感器的研究大多集中在如何提高器件的灵敏度和带宽，以便用于测量电磁兼容领域频率更高的射频电场。注意到高电压工程领域中的暂态强电场具有带宽大（DC-GHz）、场强高（可达MV/m）的特点。因此，现有的集成光波导电场传感器已经不能满足这类暂态电场的测量要求，尤其是低频段响应还需要进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种集成光波导电场传感器及利用其的电场测量***，通过设计平面螺旋电感加载天线和调制电极，使电场传感器能够适应低频电场的测量。同时，本发明将传感器天线和调制电极分别制作在两片铌酸锂晶片上，即传感器天线和调制电极保持相对独立，如此一方面保证器件的微型化，另一方面可通过更换传感器天线获得不同测量指标，给实际使用提供很大方便。
本发明技术方案是：一种集成光波导电场传感器，包括铌酸锂晶片1、调制电极3、偶极子天线4、平面螺旋电感5、紫外固化胶6；
在一片x切y传铌酸锂晶片1表面制作由输入Y形光波导、直波导臂、输出Y形光波导构成的集成光波导马赫增德尔干涉仪2，并在制作好的集成光波导马赫增德尔干涉仪2的两条直波导臂两侧或其中一条直波导臂的两侧制作调制电极3；在另一片铌酸锂晶片1表面制作偶极子天线4和平面螺旋电感5，平面螺旋电感5一端直接和偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3相连接，平面螺旋电感5包括左右两个，其中一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂外侧的调制电极3连接，另一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂内侧的调制电极3连接；两片分别制作有偶极子天线4和调制电极3的铌酸锂晶片1侧面之间使用紫外固化胶6粘接在一起；两片分别制作有偶极子天线4和调制电极3的铌酸锂晶片1底面使用紫外固化胶6共同粘接在底部的铌酸锂晶片1上。
具体地，所述的调制电极3由四片平行电极片构成，其中两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂的内侧，并将它们的一端通过连接电极片结合在一起，另外两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂的外侧，同样将它们的一端通过连接电极片结合在一起，左侧的平面螺旋电感5一端与偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极相连接，右侧的平面螺旋电感5一端与偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂内侧的两片平行电极相连接。
具体地，所述的调制电极3包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极片和设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂之间的一片平行电极，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极片通过连接电极片结合在一起后通过连接导线7与左侧的平面螺旋电感5连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂之间的一片平行电极通过连接电极片连接导线7后与右侧的平面螺旋电感5连接。
具体地，所述的调制电极3包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2其中一条直波导臂两侧的两片平行电极片，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂内侧的平行电极片通过连接电极片连接导线7后与右侧的平面螺旋电感5连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂外侧的平行电极片通过连接电极片连接导线7后与左侧的平面螺旋电感5连接。
优选地，所述的调制电极3为使用光刻技术制作成的推挽式调制电极。
优选地，所述的集成光波导马赫增德尔干涉仪2通过质子交换方法制作在一片铌酸锂晶片表面。
优选地，所述的平面螺旋电感5和偶极子天线4使用光刻技术制作在另一片铌酸锂晶片表面。
一种利用所述的集成光波导电场传感器的电场测量***，包括：
保偏激光源8，用于为测量***提供光信号；
保偏光纤9，用于将保偏激光源8输出光信号输入所述的集成光波导电场传感器10；
单模光纤11，用于将所述的集成光波导电场传感器10输出的已调光信号输入光电探测器12；
光电探测器12，用于将所述的集成光波导电场传感器10输出已调光信号转换为电信号；
传输电缆13，用于将光电探测器12输出电信号输入电信号处理单元14；
信号处理单元14，用于提取被测电场的信息。
本发明的有益效果是：（1）通过设计一种加载平面螺旋电感天线，使集成光波导电传感器能够用于测量低频电场；（2）通过将加载平面螺旋电感天线与调制电极分别制作在两片铌酸锂晶片上，天线和电极保持相对独立，使得仅需要更换不同结构的天线而保持调制电极不变，即可获得不同的测量指标，给实际应用带来很大方便，同时保证了传感器的微型化。
附图说明
图1是现有的一种集成光波导电场传感器结构示意图；
图2是本发明提供的一种集成光波导电场传感器结构示意图；
图3是本发明提供的一种集成光波导电场传感器等效电路图；
图4是为应用本发明提供的一种集成光波导电场传感器的电场测量***的连接结构图；
图5为本发明提供的一种集成光波导电场传感器中调制电极3的另一种结构示意图；
图6为本发明提供的一种集成光波导电场传感器中调制电极3的另一种结构示意图。
图中各标号为：1-铌酸锂晶片，2-集成光波导马赫增德尔干涉仪，3-调制电极，4-偶极子天线，5-平面螺旋电感，6-紫外固化胶，7-连接导线，8-保偏激光源，9-保偏光纤，10-集成光波导电场传感器，11-单模光纤，12-光电探测器，13-传输电缆，14-电信号处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-4所示，一种集成光波导电场传感器，包括铌酸锂晶片1、调制电极3、偶极子天线4、平面螺旋电感5、紫外固化胶6；
在一片x切y传铌酸锂晶片1表面制作由输入Y形光波导、直波导臂、输出Y形光波导构成的集成光波导马赫增德尔干涉仪2，并在制作好的集成光波导马赫增德尔干涉仪2的两条直波导臂两侧或其中一条直波导臂的两侧制作调制电极3；在另一片铌酸锂晶片1表面制作偶极子天线4和平面螺旋电感5，平面螺旋电感5一端直接和偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3相连接，平面螺旋电感5包括左右两个，其中一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂外侧的调制电极3连接，另一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂内侧的调制电极3连接；两片分别制作有偶极子天线4和调制电极3的铌酸锂晶片1侧面之间使用紫外固化胶6粘接在一起；两片分别制作有偶极子天线4和调制电极3的铌酸锂晶片1底面使用紫外固化胶6共同粘接在底部的铌酸锂晶片1上。
进一步地，所述的调制电极3由四片平行电极片构成，其中两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂的内侧，并将它们的一端通过连接电极片结合在一起，另外两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂的外侧，同样将它们的一端通过连接电极片结合在一起，左侧的平面螺旋电感5一端与偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极相连接，右侧的平面螺旋电感5一端与偶极子天线4相连接，另一端通过连接导线7与调制电极3中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂内侧的两片平行电极相连接。通过上述结构，使得本发明的集成光波导电场传感器成为一种平面螺旋电感加载天线集成光波导电场传感器。
优选地，所述的调制电极3为使用光刻技术制作成的推挽式调制电极。
优选地，所述的集成光波导马赫增德尔干涉仪2通过质子交换方法制作在一片铌酸锂晶片表面。
优选地，所述的平面螺旋电感5和偶极子天线4使用光刻技术制作在另一片铌酸锂晶片表面。
该传感器的工作原理是：当偶极子天线4接收到空间电场时，会在调制电极3之间产生感应电压，利用铌酸锂晶片1的电光效应，该感应电压将使光波导的有效折射率发生变化，从而改变光波导中传输的光波相位，并进一步在集成光波导马赫增德尔干涉仪2输出端由光波的干涉效应将该光波相位变化转化为光强度变化，最后由光电转换和电信号处理即可获得被测电场的信息。
如图3所示为本发明提供的一种集成光波导电场传感器简化等效电路图，其中h e 为传感器偶极子天线4的有效长度，E为空间待测电场信号，L a 为平面螺旋电感5的电感值，C m 为传感器调制电极3的等效电容，Va指的是调制电极3间的感应电压。
分析该简化等效电路可知，传感器天线感应电压h e E、平面螺旋电感L a 、以及调制电极等效电容C m 构成一个低通滤波器。利用平面螺旋电感5的高频滤波特性，通过设计平面螺旋电感5的结构参数，可使集成光波导电场传感器10获得良好的低频响应特性。
一种利用所述的集成光波导电场传感器的电场测量***，包括：
保偏激光源8，用于为测量***提供光信号；
保偏光纤9，用于将保偏激光源8输出光信号输入所述的集成光波导电场传感器10；
单模光纤11，用于将所述的集成光波导电场传感器10输出的已调光信号输入光电探测器12；
光电探测器12，用于将所述的集成光波导电场传感器10输出已调光信号转换为电信号；
传输电缆13，用于将光电探测器12输出电信号输入电信号处理单元14；
信号处理单元14，用于提取被测电场的信息。
该电场测量***的基本工作原理是：保偏激光源8输出光经保偏光纤9输入集成光波导传感器10；当集成光波导电场传感器10接收到空间电场时，由于电光效应，晶体的折射率会发生变化，从而使集成光波导电场传感器10波导中传输的光波相位发生变化，并由集成光波导马赫增德尔干涉仪2的干涉效应将光相位变化转换为光强度变化，即实现被测电场对光信号的强度调制。强度已调制的光信号经过单模光纤11传输进入光电探测器12转换为电信号，再由传输电缆13输入电信号处理单元14进行处理，从而获得被测电场的信息。
该电场测量***的基本工作原理是：保偏激光源8输出光经保偏光纤9输入集成光波导传感器10；当集成光波导电场传感器10接收到空间电场时，由于电光效应，晶体的折射率会发生变化，从而使电场传感器波导中传输的光波相位发生变化，并由马赫增德尔干涉仪的干涉效应将光相位变化转换为光强度变化，即实现被测电场对光信号的强度调制。强度已调制的光信号经过单模光纤11传输进入光电探测器12转换为电信号，再由传输电缆13输入电信号处理单元14进行处理，从而获得被测电场的信息。
本发明提供的一种集成光波导电场传感器：通过设计一种加载平面螺旋电感5的偶极子天线4，使集成光波导电传感器具有良好的低频响应特性，能够对低频电场进行测量；由于将加载平面螺旋电感5的偶极子天线4与调制电极3分别制作在两片铌酸锂晶片上，偶极子天线4和调制电极3之间保持相对独立，使得仅通过更换不同结构的偶极子天线4而保持调制电极3不变即可获得不同的测量指标，给实际应用带来很大方便，同时保证了集成光波导电场传感器10的微型化。
实施例2：如图5所示，本实施例与实施例1的区别之处在于调制电极3的结构不同，本实施例中：所述的调制电极3包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极片和设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂之间的一片平行电极，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂外侧的两片平行电极片通过连接电极片结合在一起后通过连接导线7与左侧的平面螺旋电感5连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2两直波导臂之间的一片平行电极通过连接电极片连接导线7后与右侧的平面螺旋电感5连接。
实施例3：如图6所示，本实施例与实施例1的区别之处在于调制电极3的结构不同，本实施例中：具体地，所述的调制电极3包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2其中一条直波导臂两侧的两片平行电极片，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂内侧的平行电极片通过连接电极片连接导线7后与右侧的平面螺旋电感5连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪2直波导臂外侧的平行电极片通过连接电极片连接导线7后与左侧的平面螺旋电感5连接。
图2、图5、图6所示调制电极3的特点为，当天线4接收到空间被测电场时，会在调制电极上产生感应电压，因此将在图 2和图5所示上波导臂两侧的电极和下波导臂两侧的电极上产生极性相反的感应电压，进而对两波导臂中传输的光波产生相反的调制作用，即实现推挽式调制；而在图6所示的调制电极3上产生单一方向的感应电压，即同等条件下调制效果仅为图2和图5所示电极结构的一半。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种集成光波导电场传感器，其特征在于：包括铌酸锂晶片（1）、调制电极（3）、偶极子天线（4）、平面螺旋电感（5）、紫外固化胶（6）；
在一片x切y传铌酸锂晶片（1）表面制作由输入Y形光波导、直波导臂、输出Y形光波导构成的集成光波导马赫增德尔干涉仪（2），并在制作好的集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）的两条直波导臂两侧或其中一条直波导臂的两侧制作调制电极（3）；在另一片铌酸锂晶片（1）表面制作偶极子天线（4）和平面螺旋电感（5），平面螺旋电感（5）一端直接和偶极子天线（4）相连接，另一端通过连接导线（7）与调制电极（3）相连接，平面螺旋电感（5）包括左右两个，其中一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）直波导臂外侧的调制电极（3）连接，另一个与集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）直波导臂内侧的调制电极（3）连接；两片分别制作有偶极子天线（4）和调制电极（3）的铌酸锂晶片（1）侧面之间使用紫外固化胶（6）粘接在一起；两片分别制作有偶极子天线（4）和调制电极（3）的铌酸锂晶片（1）底面使用紫外固化胶（6）共同粘接在底部的铌酸锂晶片（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的调制电极（3）由四片平行电极片构成，其中两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂的内侧，并将它们的一端通过连接电极片结合在一起，另外两片平行电极设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂的外侧，同样将它们的一端通过连接电极片结合在一起，左侧的平面螺旋电感（5）一端与偶极子天线（4）相连接，另一端通过连接导线（7）与调制电极（3）中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂外侧的两片平行电极相连接，右侧的平面螺旋电感（5）一端与偶极子天线（4）相连接，另一端通过连接导线（7）与调制电极（3）中设置在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂内侧的两片平行电极相连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的调制电极（3）包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂外侧的两片平行电极片和设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂之间的一片平行电极，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂外侧的两片平行电极片通过连接电极片结合在一起后通过连接导线（7）与左侧的平面螺旋电感（5）连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）两直波导臂之间的一片平行电极通过连接电极片连接导线（7）后与右侧的平面螺旋电感（5）连接。
4.根据权利要求1所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的调制电极（3）包括设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）其中一条直波导臂两侧的两片平行电极片，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）直波导臂内侧的平行电极片通过连接电极片连接导线（7）后与右侧的平面螺旋电感（5）连接，设在集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）直波导臂外侧的平行电极片通过连接电极片连接导线（7）后与左侧的平面螺旋电感（5）连接。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的调制电极（3）为使用光刻技术制作成的推挽式调制电极。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的集成光波导马赫增德尔干涉仪（2）通过质子交换方法制作在一片铌酸锂晶片表面。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种集成光波导电场传感器，其特征在于：所述的平面螺旋电感（5）和偶极子天线（4）使用光刻技术制作在另一片铌酸锂晶片表面。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的集成光波导电场传感器的电场测量***，其特征在于：包括：
保偏激光源（8），用于为测量***提供光信号；
保偏光纤（9），用于将保偏激光源（8）输出光信号输入权利要求1-7任一项所述集成光波导电场传感器（10）；
单模光纤11，用于将权利要求1-7任一项所述的集成光波导电场传感器（10）输出的已调光信号输入光电探测器（12）；
光电探测器（12），用于将权利要求1-7任一项所述的集成光波导电场传感器（10）输出已调光信号转换为电信号；
传输电缆（13），用于将光电探测器（12）输出电信号输入电信号处理单元14；
信号处理单元（14），用于提取被测电场的信息。
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