CN113608037B - 一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，LiNbO3晶体衬底上设有非对称马赫‑泽德干涉仪，非对称马赫‑泽德干涉仪包括平行设置的直线型第一波导臂和第二波导臂，第一波导臂的两侧设有若干成对的天线和电极，天线为锥形偶极子天线，LiNbO3晶体衬底的光轴平行于x方向，第一波导臂和第二波导臂的臂长相等，其z向波导宽度和x向波导深度不同，输入光波导和输出光波导呈Y型，其与两个波导臂之间采用绝热锥形波导相连接，输入光波导与输出光波导的宽度和深度相同，输入光波导与输出光波导的另一端分别与保偏光纤和标准单模光纤相连接，本发明具有较宽测量范围及频率响应范围，消光比高，传输损耗低，稳定性高，抗干扰性强，测量准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及光波导及脉冲电场检测技术领域，尤其涉及一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器。
背景技术
电磁脉冲是种瞬变电磁现象，具有上升沿快(ns量级)、持续时间短、峰值场强高(几百V/m到几百kV/m)、频谱范围宽(几百MHz到几十GHz)等特点。高空核爆炸过程中、高功率微波脉冲武器、高强度雷达工作中均会产生电磁脉冲。电磁脉冲会在周围环境中激励出强烈的瞬变电磁干扰，导致雷达、通信、导航、计算机以及武器控制等各类电子设备和系统的短暂失效甚至永久损坏。为了精准描述、定量评估电磁脉冲的毁伤效果，需要脉冲电场传感器准确测量所辐射出来的电磁脉冲的强度。同时，电磁脉冲传感器也是准确评估我国各种电子设备的抗干扰和电磁防护能力的基础。
目前技术比较成熟的电磁脉冲传感器主要有以下几种：D-dot脉冲电场传感器、基于块状晶体电光效应的脉冲电场传感器和集成光波导式脉冲电场传感器。其中，集成光波导式脉冲电场传感器是当前研究最多、应用最广泛的一种光学脉冲电场传感器。常规的集成光波导式电场传感器主要由LiNbO3晶体衬底、马赫-泽德干涉仪、金属电极和天线组成。被测脉冲电场经金属天线馈送到光波导两侧的电极上，形成感应电场。通过检测输出光波导输出光强的变化，获得被测电场。存在的问题是常规天线频率范围有限，而脉冲信号的频率分量比较丰富，带宽较宽、导致信号的时域波形还原真实度有限。此外，LiNbO3晶体衬底除了具有电光效应外，还具有的压电、声光、热光等效应，这会导致传感器的工作点对电场和外界环境因素同时敏感，温度稳定性和测量准确度较差。因此，急需开发一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器以解决上述技术问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，具有较宽测量范围及频率响应范围，消光比高，传输损耗低，稳定性高，抗干扰性强，测量准确度高，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。
为了实现上述目的，本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，包括LiNbO3晶体衬底，所述LiNbO3晶体衬底上设有非对称马赫-泽德干涉仪，所述非对称马赫-泽德干涉仪包括平行设置的直线型第一波导臂和第二波导臂，所述第一波导臂的两侧设有若干成对的天线和电极，所述天线和电极均采用金属材料，所述天线为锥形偶极子天线，其阻抗从低端到顶端逐渐增大，所述LiNbO3晶体衬底的光轴平行于x方向，所述第一波导臂和第二波导臂的臂长相等，均为14mm，其z向波导宽度和x向波导深度不同，z向波导宽度分别为4μm和9μm，x向波导深度分别为3μm和5μm，输入光波导和输出光波导呈Y型，其与两个波导臂之间采用绝热锥形波导相连接，所述输入光波导与输出光波导的宽度和深度相同，分别为6μm和4μm，所述绝热锥形波导的锥角小于0.2°，所述输入光波导与输出光波导的另一端分别与保偏光纤和标准单模光纤相连接。
优选地，所述非对称马赫-泽德干涉仪采用质子交换法制得。
优选地，所述天线和电极的材料为金，厚度为1μm。
优选地，所述天线的高度和底部宽度分别为1000μm和700μm。
优选地，所述电极的宽度和长度分别为10μm和1000μm，电极间距为10μm。
优选地，所述天线和电极的对数为四对，成对电极之间的距离为100μm。
本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，具有如下有益效果。
1.本发明具有较宽测量范围及频率响应范围，消光比高，传输损耗低，稳定性高，抗干扰性强，测量准确度高，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。
2.本发明的波导臂为直线波导，通过设计宽窄不同的波导臂实现非对称马赫-泽德干涉仪，与常规基于S型弯曲波导干涉仪的传感器相比，本发明这种干涉仪结构的传感器传输损耗(约6dB)低一个数量级，传输光谱的消光比(约70dB)高5个数量级，动态测量范围(可达34dB)高两个数量级。
3.本发明优化设计了天线的结构参数，锥形偶极子电极的阻抗从低端到顶端逐渐增大，阻抗渐变型结构能够减少天线的谐振现象，从而保证了传感器的带宽。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器的天线和电极尺寸图；
图3为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器在测量系统中的应用示意图。
图中：
1.LiNbO3晶体衬底 2.天线 3.电极 4.第一波导臂 5.第二波导臂 6.输入光波导7.输出光波导 8.绝热锥形波导 9.保偏光纤 10.单模光纤 11.可调谐激光器 12.偏振控制器 13.传感器 14.光分路器 15.高速光电探测器一 16.高速光电探测器二 17.示波器18.相位反馈控制系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
如图1所示，为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器的结构示意图。该基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器包括LiNbO3晶体衬底1，所述LiNbO3晶体衬底1上设有非对称马赫-泽德干涉型仪，所述非对称马赫-泽德干涉型仪包括平行设置的直线型第一波导臂4和第二波导臂5，所述第一波导臂4的两侧设有若干成对的天线2和电极3。
如图2所示，为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器的天线和电极尺寸图。所述天线2和电极3均采用金属材料，优选地，所述天线2和电极3的材料为金，厚度为1μm。所述天线2为锥形偶极子天线，其阻抗从低端到顶端逐渐增大，其高度和底部宽度分别为1000μm和700μm。所述电极3的宽度和长度分别为10μm和1000μm，电极3间距为10μm。所述天线2和电极3的对数为四对，成对电极3之间的距离为100μm。所述LiNbO3晶体衬底1的光轴平行于x方向，所述第一波导臂4和第二波导臂5的臂长相等，均为14mm，其z向波导宽度和x向波导深度不同，z向波导宽度分别为4μm和9μm，x向波导深度分别为3μm和5μm，输入光波导6和输出光波导7呈Y型，其与两个波导臂之间采用绝热锥形波导8相连接，所述输入光波导6与输出光波导7的宽度和深度相同，分别为6μm和4μm，所述绝热锥形波导8的锥角小于0.2°，所述输入光波导6与输出光波导7的另一端分别与保偏光纤9和标准单模光纤10相连接。所述非对称马赫-泽德干涉仪采用质子交换法制得。
如图3所示，为本发明提供的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器在测量系统中的应用示意图。该测量系统由C波段的可调谐激光器11、偏振控制器12、传感器13、光分路器14、高速光电探测器一15、高速光电探测器二16、相位反馈控制系统18和示波器17组成。可调谐激光器11输入光经过偏振控制器12依次进入传感器13和1：9的光分路器14进行分光。10％的探测光进入高速光电探测器一15进行光电转换后进入相位反馈控制系统18。相位反馈控制系统18可以实时控制传感器13的工作点，以消除外界环境(温度、振动、压力等因素)对传感器13的稳定性的影响。90％的光进入高速光电探测器二16进行光电转换后进入示波器17。示波器17即可实时显示被测脉冲信号的时域波形。
本发明具有较宽测量范围及频率响应范围，消光比高，传输损耗低，稳定性高，抗干扰性强，测量准确度高，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。本发明的波导臂为直线波导，通过设计宽窄不同的波导臂实现非对称马赫-泽德干涉仪，与常规基于S型弯曲波导干涉仪的传感器相比，本发明这种干涉仪结构的传感器传输损耗(约6dB)低一个数量级，传输光谱的消光比(约70dB)高5个数量级，动态测量范围(可达34dB)高两个数量级。本发明优化设计了天线2的结构参数，锥形偶极子电极3的阻抗从低端到顶端逐渐增大，阻抗渐变型结构能够减少天线2的谐振现象，从而保证了传感器的带宽。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，包括LiNbO3晶体衬底，所述LiNbO3晶体衬底上设有非对称马赫-泽德干涉仪，所述非对称马赫-泽德干涉仪包括平行设置的直线型第一波导臂和第二波导臂，所述第一波导臂的两侧设有若干成对的天线和电极，所述天线和电极均采用金属材料，所述天线为锥形偶极子天线，其阻抗从低端到顶端逐渐增大，所述LiNbO3晶体衬底的光轴平行于x方向，所述第一波导臂和第二波导臂的臂长相等，均为14mm，其z向波导宽度和x向波导深度不同，z向波导宽度分别为4μm和9μm，x向波导深度分别为3μm和5μm，输入光波导和输出光波导呈Y型，其与两个波导臂之间采用绝热锥形波导相连接，所述输入光波导与输出光波导的宽度和深度相同，分别为6μm和4μm，所述绝热锥形波导的锥角小于0.2°，所述输入光波导与输出光波导的另一端分别与保偏光纤和标准单模光纤相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，所述非对称马赫-泽德干涉仪采用质子交换法制得。
3.根据权利要求2所述的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，所述天线和电极的材料为金，厚度为1μm。
4.根据权利要求3所述的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，所述天线的高度和底部宽度分别为1000μm和700μm。
5.根据权利要求4所述的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，所述电极的宽度和长度分别为10μm和1000μm，电极间距为10μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于非对称直波导干涉仪的脉冲电场传感器，其特征在于，所述天线和电极的对数为四对，成对电极之间的距离为100μm。
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