CN102854403B - 一种基于共路干涉的集成电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于共路干涉的集成电场传感器，属于电场测量技术领域。传感器包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结。探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线；调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极。本发明的电场传感器，具有良好的温度稳定性；在保证传感器尺寸较小的基础上，显著提高了电场测量的灵敏度和动态范围；本发明设计的二维电场传感器，使探测单元中的两对天线的轴线方向正交，与调制单元相组合，可实现二维电场测量。

Description

一种基于共路干涉的集成电场传感器

技术领域

本发明涉及一种基于共路干涉的集成电场传感器，尤其涉及一种基于电光效应的共路干涉仪结构的光学集成电场传感器，属于电场测量技术领域。

背景技术

电场是表征自然界电磁现象的基本物理量，电场测量是众多科学和技术领域的基础研究手段。随着电力系统及核工业的发展，高电压工程、高能电磁脉冲及高能物理等领域中强电场的测量正在引起研究人员越来越多的关注。

随着集成光学技术的发展，光学集成电场传感器得到了深入研究。专利号是USP5209273的美国专利，公开了一种集成共路干涉仪电场传感器，相比其他结构的光学集成电场传感器，共路干涉仪类型具有较高的温度稳定性。研究结果表明，常用的马赫-曾德类型电场传感器静态工作点随温度漂移的速率为~1.25°/°C，而共路干涉仪类型电场传感器静态工作点随温度漂移的速率仅为~0.2°/°C，温度稳定性提高五倍以上，参见[N.A.F.Jaeger，“集成光学传感器在变电站中的应用”，Proceedings of SPIE，1998，3489：41-52]。因此有望基于集成共路干涉仪开发高稳定性电场、电压传感器。

已有基于集成共路干涉仪电场传感器的电场测量系统的结构如图1所示，包括激光源101、输入保偏光纤102、传感器103、输出保偏光纤104、检偏器105和光探测器106。其中传感器103采用铌酸锂（LiNbO₃）晶体107，在晶体表面利用钛（Ti）金属扩散法制作沿Z方向的单模光波导108，Z方向与晶体光轴方向平行。该传感器的工作原理为：激光源101产生的线偏振光通过输入保偏光纤102进入光波导108后按照TE和TM两种模式传输；在Y方向电场的作用下，两种模式的传播常数β_TE和β_TM将发生互补的变化，使从波导108出射的光变成椭圆偏振光；通过输出保偏光纤104将椭圆偏振态传输至检偏器105，经过检偏后偏振态信号转变为光强度信号。光强度信号传输至光探测器106后转变为电压信号，该电压信号与外加电场成正弦函数关系。测量系统的传递函数如式1所示。

其中A反映了光路损耗及光电转换系数；b为传感器的消光比，取决于光纤与光波导的耦合工艺；为传感器的光学偏置点，取决于光波导的尺寸；E_π称为半波电场，决定了传感器的动态范围，可表示为：

$E_{\mathrm{\π}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{22}{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\Γ}{n_o}^3{r}_{22}L}---\left(2\right)$

其中ε₂₂为相对介电常数；λ₀为真空中的波长；Г称为电光重叠积分，代表电场与光模场的匹配程度；n_o为寻常折射率；γ₂₂为电光系数；L为光波导的长度。

取λ₀=1310nm，L=40mm，则由式（2）可得传感器的半波电场约为18MV/m，实验结果表明传感器的最小可测场强约为100kV/m。强电场测量领域的幅值通常为1kV/m至1000kV/m，该类型传感器的灵敏度过低，限制了其在强电场测量中的应用。

为了提高传感器的灵敏度，本申请人提出了名称为：“光电集成三维电场传感器”、申请号为：201110123298.1的专利申请，公开了一种天线与电极，其结构如图2所示。其工作原理，在X方向切割Z方向传光的铌酸锂（LiNbO₃）基片201上通过钛（Ti）扩散制作光波导202，在光波导202附近制作偶极子天线203和电极204。偶极子天线203感应外部电场并产生感应电压，作用于电极204，使电极204之间产生强电场。计算结果表明，在天线与电极的参数中，决定传感器灵敏度的主要参数是天线的长度ha。传感器半波电场E_π与天线长度ha近似成指数关系，如图3所示。当ha由1mm增加至3mm时，E_π由6000kV/m降低至1000kV/m。

考虑工艺过程，铌酸锂（LiNbO₃）基片201的宽度w有限（切割后通常小于10mm）。另一方面，为了减小传感器的尺寸以降低对测量的影响，希望w越小越好。目前，我们所研制的该类型传感器，基片201宽度w为5mm，天线长度ha为2mm，器件半波电场Eπ的实测值约为2100kV/m。传感器灵敏度的进一步提高，要求天线长度ha进一步增大，这与传感器的微型化相矛盾。

发明内容

本发明的目的为提出一种基于共路干涉的集成电场传感器，改变已有传感器的结构，将天线与波导制作于不同基片上，以使在不增加器件尺寸的基础上，使传感器的测量范围扩展，使集成共路干涉仪类型电场传感器既能适用于高电压工程及核物理等领域中的强电场测量，又能满足电磁兼容领域中弱电场测量对灵敏度的要求。

本发明提出的基于共路干涉的集成电场传感器，有两种不同结构：

第一种结构，包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，所述的铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结；

所述的探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为2mm-20mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线的轴线方向与硅基片的长度方向平行，所述的上接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个上接触电极与两个偶极子天线之间分别通过连接导线实现电气连接；

所述的调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极，所述的下接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的下接触电极与探测单元的上接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两个调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两个调制电极位于所述的光波导的两侧，两个调制电极分别通过连接导线与两个下接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm-30μm。

第二种结构包括一个铌酸锂基片、两个硅基片、一个垫片、第一探测单元、第二探测单元和一个调制单元，所述的两个硅基片通过紫外固化胶粘接在铌酸锂基片的两侧，铌酸锂基片和两个硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘接；

所述的第一探测单元和第二探测单元的结构成镜面对称，分别通过光刻方法附着在相应硅基片的表面，第一探测单元和第二探测单元分别包括两个接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为3mm-10mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线的轴线方向与硅基片长度方向成45°，所述的接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个接触电极与两个偶极子天线之间分别通过连接导线实现电气连接；

所述的调制单元包括四个接触电极、两个光波导和两组调制电极，所述的接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的接触电极与探测单元的接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两组调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两组调制电极分别位于所述的两个光波导的两侧，两组调制电极分别通过连接导线与四个接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm-30μm。

本发明提出的基于共路干涉的集成电场传感器，具有以下优点：

1、本发明的电场传感器中，为保证调制单元的温度稳定性，调制单元基片采用X方向切割Z方向传光的铌酸锂（LiNbO₃）晶体，为减弱探测单元对传感器整体温度稳定性的影响，探测单元基片采用单面抛光硅基片，因此本发明的电场传感器，具有良好的温度稳定性。

2、本发明的电场传感器中，将探测单元与调制单元相分离，探测单元主要包含偶极子天线，用于检测外部电场，调制单元主要包括光波导和电极，用于调制光信号。探测单元和调制单元制作于不同的基片上，探测单元的天线长度参数可变，而调制单元参数固定。根据电场测量实际应用中对灵敏度的要求，选择合适的探测单元，与调制单元实现良好的电气连接，组装成具有不同灵敏度和量程范围的电场传感器，因此在保证传感器尺寸较小的基础上，显著提高了电场测量的灵敏度和动态范围。已有的不含天线的集成共路干涉仪电场传感器，最小可测场强为~100kV/m；已有的天线与波导位于同一基片上的集成共路干涉仪电场传感器，最小可测场强为~10kV/m；而本发明所提出的电场传感器，通过选择合适的天线长度，最小可测场强为~10V/m。

3、本发明所设计的二维电场传感器，使探测单元中的两对天线的轴线方向正交，与调制单元相组合，可实现二维电场测量。

附图说明

图1是已有基于集成共路干涉仪电场传感器的测量系统结构示意图。

图2是已有的集成共路干涉仪电场传感器增加偶极子天线和电极之后的结构示意图。

图3是图2所示的传感器的半波电场E_π随天线长度ha的变化关系图。

图4是本发明提出的第一种基于共路干涉的集成电场传感器的结构示意图。

图5是图4的A-A剖示图。

图6是本发明提出的第二种基于共路干涉的集成电场传感器的结构示意图。

图7是图6的A-A剖示图。

图1中，101是激光源，102是输入保偏光纤，103是传感器，104是输出保偏光纤，105是检偏器，106是光探测器，107是铌酸锂（LiNbO₃）晶体，108是光波导。

图2中201是铌酸锂（LiNbO₃）基片，202是光波导，203是偶极子天线，204是电极。

图4中，1是铌酸锂（LiNbO₃）基片，2是光波导，3是调制电极，4是下接触电极，5是上接触电极，6是连接导线，7是偶极子天线，8是硅基片，9是紫外固化胶，10是金属焊点，Wa是偶极子天线的底部宽度，La是偶极子天线的长度，Ga是一对偶极子天线的间距，We是调制电极的宽度，Le是调制电极的长度，Ge是一对调制电极的间距。

图5中，11是铌酸锂（LiNbO₃）垫片。

图6中，12是接触电极。

以上各图中，X、Y、Z方向分别对应铌酸锂（LiNbO₃）晶体的[100]、[010]和[001]方向。

具体实施方式

本发明提出的基于共路干涉的集成电场传感器，有两种不同结构：

第一种结构，如图4和图5所示，包括铌酸锂基片1、硅基片8、垫片11、探测单元和调制单元，所述的铌酸锂基片1和硅基片8通过紫外固化胶9相互粘接，铌酸锂基片1和硅基片8分别通过紫外固化胶9与垫片11相互粘结；

所述的探测单元包括两个上接触电极5、连接导线6和两个偶极子天线7，两个偶极子天线7分别通过光刻方法附着在硅基片8的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为2mm-20mm，偶极子天线7的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线7之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线7的轴线方向与硅基片8的长度方向平行，所述的上接触电极5通过光刻方法附着在硅基片8的表面，两个上接触电极5与两个偶极子天线7之间分别通过连接导线实现电气连接；

所述的调制单元包括两个下接触电极4、光波导2和两个调制电极3，所述的下接触电极4通过光刻方法附着在铌酸锂基片1的表面，调制单元的下接触电极4与探测单元的上接触电极5通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导2通过金属扩散方法在铌酸锂基片1上制作，所述的两个调制电极3通过光刻方法附着在铌酸锂基片1的表面，两个调制电极3位于所述的光波导2的两侧，两个调制电极3分别通过连接导线与两个下接触电极4实现电气连接，调制电极3的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm-30μm。

第二种结构如图6和图7所示，包括一个铌酸锂基片1、两个硅基片8、一个垫片11、第一探测单元、第二探测单元和一个调制单元，所述的两个硅基片8通过紫外固化胶9粘接在铌酸锂基片1的两侧，铌酸锂基片1和两个硅基片8分别通过紫外固化胶9与垫片11相互粘接；

所述的第一探测单元和第二探测单元的结构成镜面对称，分别通过光刻方法附着在相应硅基片8的表面，第一探测单元和第二探测单元分别包括两个接触电极12、连接导线6和两个偶极子天线7，两个偶极子天线7分别通过光刻方法附着在硅基片8的表面，所述的两个偶极子天线7分别为三角形，偶极子天线7的轴线方向长度La为3mm-10mm，偶极子天线7的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线7之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线7的轴线方向与硅基片8长度方向成45°，所述的接触电极12通过光刻方法附着在硅基片8的表面，两个接触电极12与两个偶极子天线7之间分别通过连接导线6实现电气连接；

所述的调制单元包括四个接触电极12、两个光波导2和两组调制电极3，所述的接触电极3通过光刻方法附着在铌酸锂基片1的表面，调制单元的接触电极12与探测单元的接触电极12通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导2通过金属扩散方法在铌酸锂基片1上制作，所述的两组调制电极3通过光刻方法附着在铌酸锂基片1的表面，两组调制电极3分别位于所述的两个光波导2的两侧，两组调制电极3分别通过连接导线6与四个接触电极12实现电气连接，调制电极3的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极3之间的间距Ge为15μm-30μm。

以本发明提出的第一种结构为例详细介绍本发明内容如下：

电场传感器包括调制单元和探测单元两部分。

其中的调制单元本质上是基于集成共路干涉仪的电压调制器。采用X方向切割Z方向传光的铌酸锂（LiNbO₃）晶体作为基片1，基片1厚度通常为1mm。为得到合适的光学偏置点，基片1的长度通常大于10mm；为减小传感器的尺寸，铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1的长度通常小于40mm。为了便于传感器的制作，铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1的宽度应大于1.5mm；为减小传感器尺寸，基片1的宽度通常小于4mm。在铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1上通过钛（Ti）金属扩散制作光波导2，光波导的传光方向平行于铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1的Z方向。为使光波在光波导2中单模传输，对于波长为1310nm或1550nm的光波，光波导2宽度设计为8μm至12μm。在光波导2附近设计调制电极3，电极的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，间距Ge为15μm-30μm。在基片1的同一侧制作下接触电极4，下接触电极长度为2mm-3mm，宽度为200μm-300μm。调制电极3和下接触电极4之间通过连接导线6实现电气连接，连接导线6的宽度为20μm-40μm。

其中的探测单元主要包含上接触电极5、连接导线6、偶极子天线7和硅基片8。硅基片8的厚度为1mm，长度为10mm-40mm，宽度为0.5mm-1.5mm。为使硅基片8对电场传感器温度稳定性的影响尽可能小，需使硅基片8与铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1的性能尽可能相近。在常用材料中，硅基片与铌酸锂的热膨胀系数最接近，可采用常规的紫外胶进行粘接，且没有热电、压电等影响传感器稳定性的杂散效应，因此硅基片8的材料选为硅。为了方便在硅基片8上通过光刻方法制作偶极子天线7等部件，硅基片8需进行单面抛光。为了提高天线的频率响应特性，偶极子天线6设计为三角形，天线底部宽度Wa为100μm-400μm，间距Ga为40μm。为使传感器具有多组灵敏度，天线长度La设计为2mm至20mm。调制电极3、下接触电极4、上接触电极5、连接导线6和偶极子天线7均通过光刻工艺制作，厚度通常为100nm-500nm。

调制单元与探测单元通过紫外固化胶9进行粘接；上接触电极4和下接触电极5通过金属焊点10实现良好的电气连接。

为了便于调制单元与探测单元的组装，可以采用如图5所示的结构。垫片11与铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1均采用X方向切割的铌酸锂（LiNbO₃）晶体，且在组装时光轴方向相同。铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1与垫片11通过紫外固化胶9粘接。采用标准的光纤-波导耦合工艺，实现调制单元中光纤与光波导的永久耦合。根据实际电场测量中对灵敏度的要求，选择天线长度合适的探测单元。将硅基片8和铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1之间、硅基片8和垫片11之间用紫外固化胶9粘接，实现调制单元与探测单元的组装。调制单元与探测单元组装完成后，将其通过缓冲硅胶固定于管壳中，以完成器件的制作。

本发明的第二种结构，其目的为实现二维电场测量。与第一种结构相比，调制单元具有两条光波导2，相当于两组共路干涉仪电压调制器。探测单元包含两对轴线方向正交的偶极子天线7，分别位于两个硅基片8上。铌酸锂（LiNbO₃）晶体基片1的长度为10mm-40mm，宽度为3mm-4mm，厚度为1mm。硅基片8的长度为10mm-40mm，宽度为5mm-8mm，厚度为1mm。天线长度L_a设计为3mm-5mm，且轴线方向与硅基片8的长度方向成45°。其余部件以及部件间的组装方式与第一种结构完全相同。

Claims (2)

1.一种基于共路干涉的集成电场传感器，其特征在于该电场传感器包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，所述的铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结；

所述的探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为2mm-20mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线的轴线方向与硅基片的长度方向平行，所述的上接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个上接触电极分别通过连接导线与两个偶极子天线实现电气连接；

所述的调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极，所述的下接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的下接触电极与探测单元的上接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两个调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两个调制电极位于所述的光波导的两侧，两个调制电极分别通过连接导线与两个下接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm-30μm。

2.一种基于共路干涉的集成电场传感器，其特征在于该电场传感器包括一个铌酸锂基片、两个硅基片、一个垫片、第一探测单元、第二探测单元和一个调制单元，所述的两个硅基片通过紫外固化胶粘接在铌酸锂基片的两侧，铌酸锂基片和两个硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘接；

所述的第一探测单元和第二探测单元的结构成镜面对称，分别通过光刻方法附着在相应硅基片的表面，第一探测单元和第二探测单元分别包括两个接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为3mm-10mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100μm-400μm，两根偶极子天线之间的间距Ga为20μm-60μm，偶极子天线的轴线方向与硅基片长度方向成45°，所述的接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个接触电极分别通过连接导线与两个偶极子天线实现电气连接；

所述的调制单元包括四个接触电极、两个光波导和两组调制电极，所述的接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的接触电极与探测单元的接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两组调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两组调制电极分别位于所述的两个光波导的两侧，两组调制电极分别通过连接导线与四个接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为3mm-5mm，宽度We为15μm-30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm-30μm。