專利名稱：用稀土鐵石榴石的光波前極化旋轉(zhuǎn)的光學(xué)測(cè)量方法和裝置的制作方法
本申請(qǐng)要求1998年10月21日提交的第60／105，126號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的權(quán)益，并把它全部所揭示的內(nèi)容引用在此作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明一般涉及使用稀土鐵石榴石作為傳感器元件的傳感器，尤其涉及使用這種石榴石來(lái)線性地旋轉(zhuǎn)偏振光，用于磁場(chǎng)、電流或溫度起伏測(cè)量的傳感器。
2．現(xiàn)有技術(shù)在軍事和商業(yè)中的快速技術(shù)發(fā)展使小型的、高度加強(qiáng)的諸如磁場(chǎng)、電流和溫度之類的參數(shù)監(jiān)測(cè)方法的需求驚人地增長(zhǎng)。在30年的較好時(shí)光中已經(jīng)研究和開發(fā)了能夠監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的光纖傳感器，而最近因?yàn)椴牧虾椭圃熘械倪M(jìn)步，已經(jīng)看到明顯的性能改進(jìn)。不幸地，許多現(xiàn)有發(fā)明的實(shí)際實(shí)施方面離所要求的使用方便性還有很大距離。
監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)和電流的需求是很大的。電力公司始終關(guān)心從電產(chǎn)生點(diǎn)到最終目的地-用戶的功率損耗。此外，電力公司根據(jù)消耗來(lái)向用戶開帳單；不幸地，他們?nèi)允褂迷跁r(shí)間上早于大多數(shù)現(xiàn)代存儲(chǔ)器的監(jiān)測(cè)技術(shù)。失去監(jiān)測(cè)電流的能力造成潛在的大量收益的損失。那些把標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成交流和直流的可變電平的電力電子系統(tǒng)制造廠，在實(shí)現(xiàn)它們的設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常面對(duì)在傳感器和控制技術(shù)方面的限制。他們對(duì)提高效率(發(fā)熱較少)、對(duì)于給定功率密度的較小的設(shè)計(jì)以及提高開關(guān)頻率的目標(biāo)正推動(dòng)著對(duì)傳統(tǒng)電流和磁場(chǎng)傳感技術(shù)的限制。和該行業(yè)結(jié)合的是一個(gè)較老的行業(yè)-電動(dòng)機(jī)控制。電動(dòng)機(jī)控制所擁有的人員正不斷地通過運(yùn)行時(shí)間參數(shù)的最佳化(所有這些參數(shù)都是從磁和電流傳感器得到的)來(lái)尋求提高輸出效率的較佳方法?，F(xiàn)有傳感器能力的物理限制正限制了混合電動(dòng)機(jī)(hybrid-motor)開發(fā)中的較大的進(jìn)步，其中在汽車混合引擎(automotive hybrid engine)的開發(fā)上具有相當(dāng)?shù)挠绊憽?br> 通過傳感器工業(yè)的固有優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)備光傳感器來(lái)進(jìn)行傳感器工業(yè)的革命。在許多例子如同在許多傳統(tǒng)傳感器的情況中，光傳感器的帶寬僅受到信號(hào)處理約束的限制-而不是受到傳感器材料的限制。通常光傳感器不受電磁干擾(EMI)噪聲的影響；因此，在高噪聲環(huán)境中，它們不需要特殊的屏蔽。結(jié)果造成對(duì)整個(gè)裝置加上重量顯著減輕的較小的變換器(transducer)電纜，對(duì)工業(yè)和航天／航空應(yīng)用是一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)。這還免除了對(duì)靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置的局部信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備的需要，結(jié)果可能節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的成本。因?yàn)楣鈧鞲衅骱退鼈儌鹘y(tǒng)的傳感器對(duì)應(yīng)物相比一般是較小的器件，有可能將它們安裝到較小的區(qū)域或集成到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中而僅作很少的修改。在高壓或高電流的信號(hào)測(cè)量中，光纖的介電特性給出固有的隔離，這對(duì)電力和功率半導(dǎo)體工業(yè)是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。此外，光傳感器是惰性的，這允許在可能暴露的環(huán)境中使用它們。最后，可以把光傳感器放置在信號(hào)處理設(shè)備的遠(yuǎn)處，對(duì)于航天、航空和汽車工業(yè)是一個(gè)特別大的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)存在磁場(chǎng)時(shí)，某些材料改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)。在光纖電信領(lǐng)域中廣泛地使用眾知為法拉第效應(yīng)的上述特性，特別為了防止反射光能量返回耦合到光源和改變諸如頻率或功率輸出等參數(shù)。在利用法拉第效應(yīng)的傳感器系統(tǒng)中，把傳感器裝置放置在磁場(chǎng)中。通過監(jiān)測(cè)入射偏振狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)，可以推斷磁場(chǎng)強(qiáng)度的直接測(cè)量。
光纖是一種展現(xiàn)較小法拉第效應(yīng)的材料。根據(jù)這一點(diǎn)，已經(jīng)揭示許多測(cè)量流過一個(gè)導(dǎo)體的電流量的發(fā)明。通過把多圈光纖圍繞在導(dǎo)體上并應(yīng)用安培定律(增加通路長(zhǎng)度)，可以直接測(cè)量電流量。不幸地，在許多應(yīng)用中，該傳感器方法經(jīng)常是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橥ㄟ^斷開導(dǎo)體、安裝光纖線圈裝置、然后再連接導(dǎo)體以中斷功率是行不通的。已知如稀土鐵石榴石(REIG)這樣的某些結(jié)晶材料比它們的光纖波導(dǎo)對(duì)應(yīng)物呈現(xiàn)更大的每單位磁通密度的法拉第旋轉(zhuǎn)。這些晶體是合成的，并一般(但是不排除)具有一般的公式等式R3-xBixFe5-xAyO12其中R是來(lái)自包括Y(釔)、La(鑭)、Ce(鈰)、Pt(鉑)、Nd(釹)、Sm(釤)、Eu(銪)、Gd(釓)、Tb(鋱)、Dy(鏑)、Ho(鈥)、Er(鉺)、Tm(銩)、Yb(鐿)或Lu(镥)的元素族，A是來(lái)自包括Ga(鎵)、Sc(鈧)、Al(鋁)或In(銦)的元素族，而0．3＜=x＜=2．0和0．0＜=y＜=1．0。存在許多生成這些材料的方法，其范圍從溶劑(flux)法到丘克拉斯基(Czochralski)法到液相外延生成(LEP)。生成晶體的較佳方法屬于主觀的或有時(shí)取決于感興趣的工作波長(zhǎng)；本發(fā)明不含有或要求較佳的方法，從LPE和溶劑法兩種方法都可以提供傳感器材料。
在傳輸模式中已經(jīng)歷史性地設(shè)計(jì)使用REIG材料的傳感器外殼-偏振光線性地輸入晶體的一側(cè)，沿晶體的長(zhǎng)度行進(jìn)，然后從遠(yuǎn)處的端面輸出。要求在遠(yuǎn)處端面處的光或是直接確定旋轉(zhuǎn)量，或是把能量耦合回波導(dǎo)，以致可以在遠(yuǎn)處進(jìn)行光學(xué)處理。雖然可以在許多應(yīng)用中使這種配置工作，但是在制造期間，這些光學(xué)元件的軸的調(diào)整使這些配置難于批量生產(chǎn)。在本發(fā)明的光纖實(shí)施例中，該布局技術(shù)還引入了尺寸的限制-分開的引入和導(dǎo)出光纖的要求增加了傳感器探頭的總尺寸，由于大塊狀光學(xué)系統(tǒng)的增加，常常使在諸如轉(zhuǎn)換磁阻之類的系統(tǒng)應(yīng)用中監(jiān)測(cè)磁通量變得極困難。
Langeac的第4，563，639號(hào)(1986)美國(guó)專利揭示了根據(jù)法拉第效應(yīng)的溫度和／或電強(qiáng)度測(cè)量裝置。傳感器是繞成螺線管形式的光纖，并連接到一個(gè)偏振光源以及光束分離器和光電二極管。通過選擇地絞合光纖，由于在引入和導(dǎo)出光纖中的雙折射問題得到解決。
Shirai等人的第5，463，316(1995)號(hào)和第5，493，222(1996)號(hào)美國(guó)專利披露了一種反射型磁-光傳感器頭。該傳感器頭組件特地采用集成偏光器，由(111)鉍替代的鐵石榴石單晶薄膜組成的法拉第旋轉(zhuǎn)器以及反射膜，所有的部件都采用單一的結(jié)構(gòu)，這樣，每一個(gè)部件都與其它的部件接觸。上述專利還披露了采用矩形棱鏡的此種基本概念的另一實(shí)施例。光發(fā)射／回收系統(tǒng)采用激光光源、輸入校準(zhǔn)透鏡、半透明反射鏡、多模聚合體包覆光纖、輸出校準(zhǔn)透鏡以及單一光電二極管。關(guān)于信號(hào)處理未作討論。
Deeter等人的第5，483，161號(hào)(1996)美國(guó)專利揭示了一種磁場(chǎng)傳感器，該傳感器應(yīng)用帶有高導(dǎo)磁率的磁光傳感元件的高導(dǎo)磁率磁通聚集器來(lái)增加測(cè)量靈敏度。在傳輸模式(分開的發(fā)送和接收光纖)中使用該傳感器并應(yīng)用凸透鏡來(lái)對(duì)準(zhǔn)偏振波前。
發(fā)明目的和概述因此，本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的，用于測(cè)量光波前的偏振旋轉(zhuǎn)的傳感器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)不需要分開的光通路的光纖反射型系統(tǒng)來(lái)恢復(fù)被測(cè)對(duì)象。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，本發(fā)明提供使用稀土鐵石榴石作為傳感器元件的傳感器來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)、電流或溫度起伏。可以以大塊狀光學(xué)系統(tǒng)的形式來(lái)提供本發(fā)明，最好以激光光源、偏振器、斬波器、第一表面鏡、抗反射涂層、法拉第旋轉(zhuǎn)材料、反射膜、偏振光束分離器和兩個(gè)低噪聲檢測(cè)器的次序來(lái)調(diào)整。還可以在光纖系統(tǒng)中實(shí)施本發(fā)明，所述系統(tǒng)最好包括引出光纖的光源、光隔離器、光纖耦合器、光纖、GRIN透鏡、抗反射涂層、法拉第旋轉(zhuǎn)材料、襯底、反射膜、偏振光束分離器和兩個(gè)低噪聲檢測(cè)器。另一個(gè)實(shí)施例提供使用稀土鐵石榴石傳感器元件的半導(dǎo)體傳感器系統(tǒng)。
附圖簡(jiǎn)述下面從附圖所示意的較佳實(shí)施例的更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加清楚，在所述附圖中，在各種視圖中的相同的參照號(hào)表示相同的部件。附圖不必按比例定，而是根據(jù)本發(fā)明的原理突出重點(diǎn)。


圖1示出光纖磁光傳感器裝置的示意圖，它是基于放在磁場(chǎng)中的材料的法拉第效應(yīng)的；圖2示出用于電流或磁通密度的低分布(low-profile)測(cè)量的光纖磁光傳感器裝置的示意圖；圖3示出能夠處理光信號(hào)和把它施加到信號(hào)處理電子線路的完整的光纖系統(tǒng)；圖4示出LED(發(fā)光電二極管)或激光器裝置的驅(qū)動(dòng)器部分的功能塊圖；圖5示出大塊光傳感器元件的工作；圖6示出能夠以靈敏度或頻率響應(yīng)作為傳感器元件特征的大塊狀光學(xué)系統(tǒng)的完整的光通路；
圖7示出恢復(fù)正比于旋轉(zhuǎn)的偏振狀態(tài)的信號(hào)的基本信號(hào)處理電子線路；圖8示出與簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體集成一體的傳感器元件的原理，以提供使用單個(gè)波導(dǎo)的單片的電流監(jiān)測(cè)；圖9示出與簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體集成一體的傳感器元件的原理，以提供使用兩個(gè)波導(dǎo)裝置的單片的電流監(jiān)測(cè)。
詳細(xì)描述圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)光纖實(shí)施例的磁光傳感器裝置的示意圖。本發(fā)明的傳感器使用放置在磁場(chǎng)中的材料的法拉第效應(yīng)。圖1所示的傳感器17從已知取向2的線性偏振光開始傳播單模下極化保偏光纖(PM-SMOF)3。傳播波前在通過光纖／GRIN接口4之后與四分之一波長(zhǎng)間距級(jí)指數(shù)(GRIN)透鏡5交會(huì)。該接口是由光學(xué)環(huán)氧樹脂組成的，它對(duì)基本傳播波長(zhǎng)是透明的，并且環(huán)氧樹脂的較佳折射率由接口折射率的幾何平均值給出，或RfRG]]>其中Rf是光纖纖芯的折射率而RG是GRIN透鏡的折射率。在感興趣的波長(zhǎng)處，Rf、RG的代表值可以分別是1．45和1．61。在通過GRIN透鏡之后，對(duì)準(zhǔn)了光波前15。該波前和另一個(gè)環(huán)氧樹脂接口交會(huì)，給出該接口的較佳折射率為RGRAR]]>其中RG是GRIN透鏡的折射率而RAR是抗反射(AR)涂層8的折射率，或在省略該涂層的情況下，是REIG晶體10的折射率。再有，RG、RAR和RREIG(RREIG是REIG晶體在較佳方向上的折射率)的代表值分別是1．61、1．31和2．1。當(dāng)波前通過REIG晶體傳播并存在帶某些平行于波前傳播方向的分量的磁場(chǎng)H1時(shí)，將根據(jù)晶體參數(shù)和單方向光通路長(zhǎng)度L11進(jìn)行旋轉(zhuǎn)θ(theta)。如果已經(jīng)在透明的非磁性石榴石襯底12(諸如Gd3Ga5O12，也公知為GGG)上外延生成REIG晶體10，則波前將通過GGG襯底傳播，并從電介質(zhì)或可能包含鋁的金屬薄膜鏡13反射。
在從薄膜鏡13反射之后，波前跟蹤入射通路。在通過REIG晶體10行進(jìn)之后，由于REIG晶體的非互易性，波前還進(jìn)行另一次旋轉(zhuǎn)θ(theta)。校準(zhǔn)的波前在GRIN透鏡5中會(huì)聚并再聚焦到光纖3的纖芯上。由于通過薄膜鏡13產(chǎn)生加倍的光通路長(zhǎng)度，仍是線性偏振的最終的波前16與入射偏振狀態(tài)偏離一個(gè)量2θ(2*theta)。
如圖1所示，在傳感器17中存在另外的設(shè)計(jì)約束。在可見波長(zhǎng)范圍中的SMOF的模式場(chǎng)直徑約為5．5μm(10e-6m)或更小。當(dāng)波長(zhǎng)增加時(shí)，光纖的纖芯尺寸也增大，在1300nm處達(dá)到9μm和在1550nm處達(dá)到11μm。單是這個(gè)對(duì)放置在系統(tǒng)中的能量的量和恢復(fù)的能量的量具有巨大的影響，而且GRIN透鏡5的使用使恢復(fù)的功率量增加接近4dB。此外，當(dāng)模式場(chǎng)的大小減小時(shí)，在不使用GRIN透鏡的系統(tǒng)中出現(xiàn)對(duì)磁疇的個(gè)別的探測(cè)，造成在旋轉(zhuǎn)值中的局部的“熱點(diǎn)／死點(diǎn)”。GRIN透鏡5的使用使能量2從SMOF光纖3耦合到REIG晶體10，造成光波前在更大的實(shí)際傳感器材料10的表面區(qū)上擴(kuò)散，因此增加“平均磁疇效應(yīng)”。在測(cè)量中，穩(wěn)定地和重復(fù)地加強(qiáng)該結(jié)果。雖然可以省略GRIN，但是對(duì)信噪比含有負(fù)的關(guān)系的返回到檢測(cè)系統(tǒng)的功率量方面存在重大的損失。
如前所述，可以或可能提供AR涂層8。如果實(shí)施，則由一般公式t=N*λ／4給出AR涂層的厚度t9，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是傳播波前的基本波長(zhǎng)。管理是否實(shí)施AR涂層8的因素是管理總的系統(tǒng)性能的所選擇的λ值和定REIG晶體特征的特性。
圖1所示傳感器17上示出的是在GRIN透鏡的端面與或者AR涂層8或者REIG晶體10的入射界面之間測(cè)得的角α(alpha)6。實(shí)驗(yàn)可以表明，在GRIN上磨成的角為0＜=α＜=11度，可以導(dǎo)致從AR涂層8或REIG晶體10反射的光能量的大量降低。這種連續(xù)光能量方面的降低本身表明為背景DC方面的降低，造成對(duì)系統(tǒng)靈敏度的重大改進(jìn)。α(alpha)的值取決于總的系統(tǒng)所需的SNR及操作模式(系統(tǒng)將用于AC和／或DC監(jiān)視應(yīng)用)。
圖1所示傳感器17上示出的是諸如GGG之類的非磁性石榴石襯底12。根據(jù)REIG材料10的選擇和制造REIG晶體所使用的方法而提供該材料。例如，使用GGG作為種子，通過液相外延(LPE)生成方法來(lái)生成REIG，因此將把GGG包含在傳感器組成中。對(duì)比之下，其它使用通量生成技術(shù)生成的REIG要求沒有GGG襯底，因此，在傳感器組成中可以實(shí)施純REIG晶體。這樣的例子是在LPE爐中生成的雙取代釔鐵石榴石(Bi-YIG)晶體和使用通量技術(shù)產(chǎn)生的純YIG晶體。兩者都有較佳的成文的文件而且已經(jīng)實(shí)施了每一種的樣品?？捎玫纳蓭Т殴馓匦缘腞EIG材料的其它方法還有金屬-氧化化學(xué)蒸汽沉積法(MOCVD)和溶液-凝膠(sol-gel)過程的使用。關(guān)于本發(fā)明沒有包含較佳的方法。
圖2中所示的傳感器99示出圖1的傳感器17的基本實(shí)施例，把它封裝在諸如Polymicro Technologies制造的硅石空心管85中。工作開始于已知取向的線性偏振光93向PM-SMOF81傳播。在通過光纖／GRIN接口84之后，傳播波前與四分之一波長(zhǎng)間距GRIN透鏡86交會(huì)。該接口是由對(duì)基本傳播波長(zhǎng)透明的光學(xué)環(huán)氧樹脂構(gòu)成的，環(huán)氧樹脂的較佳折射率由接口折射率的幾何平均給出，或RfRG]]>其中Rf是光纖纖芯的折射率而RG是GRIN透鏡的折射率。在感興趣的波長(zhǎng)處，Rf、RG的代表值可以分別是1．45和1．61。在通過GRIN透鏡之后，對(duì)準(zhǔn)了光波前。該波前和另一個(gè)環(huán)氧樹脂接口交會(huì)，給出該接口的較佳折射率為RGRAR]]>其中RG是GRIN透鏡的折射率而RAR是AR涂層88的折射率，或在省略該涂層的情況下，是REIG晶體89的折射率。再有，RG、RAR和RREIG(RREIG是REIG晶體在較佳方向上的折射率)的代表值分別是1．61、1．31和2．1。波前通過REIG晶體傳播，在磁場(chǎng)H94和某些平行于波前傳播方向的分量出現(xiàn)時(shí)，將根據(jù)晶體參數(shù)和單方向光通路長(zhǎng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)θ(theta)。在波前已經(jīng)通過REIG晶體89傳播之后，波前將從電介質(zhì)或可能包含鋁的金屬薄膜鏡90反射。
在從薄膜鏡90反射之后，波前跟蹤入射通路。在通過REIG晶體89行進(jìn)之后，由于REIG晶體的非互易性，波前還進(jìn)行另一次旋轉(zhuǎn)θ(theta)。交會(huì)的波前在GRIN透鏡86中會(huì)聚并再聚焦到光纖81的纖芯上。由于通過薄膜鏡90產(chǎn)生加倍的光通路長(zhǎng)度，仍是線性偏振的最終的波前92與入射偏振狀態(tài)93偏離一個(gè)量2θ(2*theta)。
如上所述，可以存在或可以不存在AR涂層88。如果實(shí)施，則由一般公式t=N*λ／4給出AR涂層的厚度t，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是傳播波前的基本波長(zhǎng)。決定是否實(shí)施AR涂層88的因子是決定總的系統(tǒng)性能的所選擇的λ值和表示REIG晶體特征的特性。
參考圖2，圖中示出GRIN透鏡86和REIG傳感器元件88、89、90的尺寸，以致GRIN透鏡89的端面比REIG元件88、89、90的端面小。這不是對(duì)傳感器設(shè)計(jì)99的限制，最佳的是GRIN透鏡的直徑和REIG傳感器元件88、89、90直徑相同，以致使用最大的元件容量作為傳感媒體。
在圖2中，可以把物理上包括PM-SMOF81、GRIN透鏡86、和REIG傳感器元件88、89、90的元件(按光學(xué)入射次序)的整個(gè)裝置裝入一個(gè)金屬或非金屬的圓柱外殼中，以提供傳感器頭的穩(wěn)定性和提供環(huán)境保護(hù)程度。一種把傳感器裝置固定在外殼中的方法是通過環(huán)氧樹脂濾波器82和89，它們可以或不圍繞光纖81和REIG傳感器元件88、89、90 360度。如果利用金屬的外殼，則必須留心材料的導(dǎo)磁率，因?yàn)閷?dǎo)磁率有可能再引導(dǎo)磁力線圍繞傳感器裝置而不是通過REIG晶體元件?？赡苁?mm直徑的薄壁硅石(SiO2)空心管85足以展示本原理，并排除再引導(dǎo)磁力線的任何機(jī)會(huì)?？赡艿?，代替空心外殼85的Deeter等人的原理(美國(guó)專利第5，483，161號(hào))的再設(shè)計(jì)可以使傳感器頭的靈敏度更大。該可能的設(shè)計(jì)修改并不改變傳感器99的基本工作。
圖3表示支持磁場(chǎng)、電流或溫度測(cè)量的完整的光纖系統(tǒng)35。把引出到單模光纖(SMOF)24的LED或激光光源20熔接21到來(lái)自法拉第隔離器22的輸入側(cè)的SMOF。根據(jù)引出的組成，LED／激光器20可以使用或可以不使用一個(gè)聚焦元件。法拉第隔離器22的輸出是根據(jù)隔離器制造廠的以SMOF或PM-SMOF行進(jìn)的，已知偏振取向的線性偏振波前2。把來(lái)自法拉第隔離器22的輸出光纖熔接21到偏振保持單模光2×2耦合器(PM-SMOC)23的輸入臂，致使PM-SMOC的快和慢軸的取向相對(duì)于波前2的取向?yàn)?5度的較佳角度。偏振波前通過PM-SMOC23行進(jìn)，并使之均等地耦合到每個(gè)輸出臂。把PM-SMOC23的一個(gè)輸出臂熔接21到標(biāo)準(zhǔn)PM-SMOF3，并耦合到傳感器裝置17，如上所述。把PM-SMOC23的另一個(gè)輸出臂耦合到光電二極管25，它把驅(qū)動(dòng)信息提供給激光器／LED驅(qū)動(dòng)電路。注意，可以省略光電二極管25而不改變整個(gè)系統(tǒng)的工作。
傳感器裝置17的輸出是光16的旋轉(zhuǎn)偏振狀態(tài)，所述光16和入射光束平行的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。該波前通過PM-SMOC23(如圖3所示從右到左)返回行進(jìn)，并分離成兩個(gè)通路一個(gè)向光源20返回行進(jìn)而另一個(gè)向保持分析器29和光電二極管31、33行進(jìn)。相應(yīng)于前一個(gè)通路，該波前相移45度加上正比于傳感器17測(cè)量到的磁場(chǎng)強(qiáng)度的量。在通過隔離器22傳播之后，波前將進(jìn)行附加的45度旋轉(zhuǎn)，造成總旋轉(zhuǎn)為90度±傳感器旋轉(zhuǎn)2θ(theta)。該光能量將耦合回激光器／LED光源20，但是該信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度約等于正向功率乘以旋轉(zhuǎn)2θ的正弦并減少9dB。換言之，到光源的反向耦合能量可以描述為Pr≈Pi*sin(2θ)-9dB其中Pr是入射在光源20上的反射功率量，Pi是光源原始輸出并耦合到發(fā)射光纖的功率量，而θ(theta)是由外磁場(chǎng)引起的單通路旋轉(zhuǎn)。雖然該值明顯地足于影響在光源腔體的量子效應(yīng)中的變化，但是可以對(duì)該值進(jìn)行補(bǔ)償，以及除了固有的反面(back-facet)監(jiān)測(cè)光電二極管122(圖4)之外，在某種程度上使使用功率監(jiān)測(cè)光電二極管25的電子減到最少。
至于行進(jìn)在圖3的左下臂中的信號(hào)，由于PM-SMOC23的特性而現(xiàn)在至少降低3dB的波前16通過接口26從耦合器臂耦合到GRIN透鏡27。如同在傳感器臂中一樣，兩者通過光學(xué)環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂所具有的折射率是PM-SMOC臂纖芯折射率和GRIN透鏡27的折射率的幾何平均值)耦合。GRIN27的輸出是經(jīng)對(duì)準(zhǔn)的波前，現(xiàn)在該波前入射到分析器29上，在該情況下，分析器是具有500∶1消光比的正交偏振光束分離器(PBS)。在較佳實(shí)施例中，使GRIN附到帶有環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂所具有的折射率是GRIN27的折射率和PBS29的折射率之間的幾何平均值)的PBS29上。如此地放置PBS，以致它把兩個(gè)輸出30和32分別提供給兩個(gè)低噪聲光電二極管31和33。每個(gè)輸出與另一個(gè)正交，即，每個(gè)輸出的相對(duì)強(qiáng)度與另一個(gè)無(wú)關(guān)，致使兩個(gè)強(qiáng)度描述偏振矢量的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
在圖4中示出LED／激光器驅(qū)動(dòng)電子線路139的主要功能的方框圖。該組成有助于降低噪聲，所述噪聲調(diào)制LED／激光器，結(jié)果，在圖7的信號(hào)處理功能119中檢測(cè)到。在通過精確的低噪聲基準(zhǔn)電壓源接通之后，過很短時(shí)間就開始工作。該源是到運(yùn)算放大器(opamp)子系統(tǒng)127的一個(gè)輸入。另一個(gè)輸入是從光電鏈產(chǎn)生的，該光電鏈包括正向功率監(jiān)測(cè)光電二極管25、低噪聲變換阻抗(I-V)放大器子系統(tǒng)123和第8級(jí)Butterworth低通濾波器子系統(tǒng)125。在接通時(shí)刻，該第二鏈的輸入接近于零，因此127的輸入之間的誤差很大。把該大電壓命令發(fā)送到另一個(gè)運(yùn)算放大器子系統(tǒng)128的輸入。如同上述光電轉(zhuǎn)換鏈中一樣，到運(yùn)算放大器128的第二輸入包括反面監(jiān)測(cè)光電二極管122、低噪聲I-V放大器子系統(tǒng)124和第8級(jí)Butterworth低通濾波器子系統(tǒng)126。在接通時(shí)刻，該第二鏈的輸入接近于零，因此128的輸入之間的誤差很大。把該大誤差命令發(fā)送到低噪聲跨導(dǎo)(V-I)放大器子系統(tǒng)129，它把來(lái)自前一級(jí)128的命令電壓轉(zhuǎn)換成電流命令。當(dāng)在系統(tǒng)35(圖3)中的光功率上升而兩個(gè)I-V轉(zhuǎn)換鏈成為非零時(shí)，降低它們到運(yùn)算放大器子系統(tǒng)127、128(因此到V-I轉(zhuǎn)換器129)的輸入的相應(yīng)的誤差命令。然后電流命令對(duì)LED／激光器20進(jìn)行偏置，系統(tǒng)最后穩(wěn)定到預(yù)定的光輸出電平。
根據(jù)LED／激光器20是否具有可用的反面光電二極管監(jiān)測(cè)器，在圖4中的第二光電轉(zhuǎn)換鏈可以是選擇的。在不提供運(yùn)算放大器128的情況下，它可以旁路并直接連接到V-I放大器129。這樣做的影響是在系統(tǒng)中增加了潛在的噪聲。
可以設(shè)置低通濾波器125和126以提供約220kHz的信號(hào)響應(yīng)帶寬，但是一般設(shè)置得較低以使系統(tǒng)中的噪聲最小。注意，這些濾波器對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)帶寬的影響最??；提供它們只是為了除去在功率產(chǎn)生系統(tǒng)139中的隨機(jī)強(qiáng)度噪聲和電子噪聲。這些濾波器125、126對(duì)在產(chǎn)生系統(tǒng)139中的噪聲功率的突然增加或降低控制環(huán)路響應(yīng)速率，并根據(jù)LED／激光器源20的規(guī)定的特性進(jìn)行修整。
在圖5中示出傳感器元件79，它是傳感器機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。根據(jù)所打算的元件的應(yīng)用，傳感器元件79至少包括兩層，可能是四層。已知取向61的線性偏振光在自由空間62以近似直角的角度入射到元件79的端面。該波前穿透厚度t69的AR層63，或在省略涂層的情況下，穿透REIG晶體64。當(dāng)波前通過REIG晶體傳播并存在帶某些平行于波前傳播方向的分量的磁場(chǎng)H71時(shí)，將根據(jù)晶體參數(shù)和單方向光通路長(zhǎng)度L70進(jìn)行旋轉(zhuǎn)θ(theta)。如果已經(jīng)在透明的非磁性石榴石襯底65(諸如GGG)上外延生成REIG晶體64，則波前將通過GGG襯底傳播，并從電介質(zhì)或可能包含鋁的金屬薄膜鏡66反射。
在從薄膜鏡66反射之后，波前近似地跟蹤垂直通路，但是由于入射波前61未對(duì)準(zhǔn)而與軸稍有偏離。在通過REIG晶體64行進(jìn)之后，由于REIG晶體的非互易性，波前進(jìn)行另一次旋轉(zhuǎn)θ(theta)。由于通過薄膜鏡66產(chǎn)生加倍的光通路長(zhǎng)度，仍是線性偏振的最終的波前67從入射偏振狀態(tài)偏離2θ(2*theta)的量。
可以存在或可以不存在AR涂層63。如果實(shí)施，則由一般公式t=N*λ／4給出AR涂層的厚度t69，其中N∈{1，3，5，…}，而λ是傳播波前的基本波長(zhǎng)。決定是否實(shí)施AR涂層69的因子是決定總的系統(tǒng)性能的所選擇的λ值和表示REIG晶體特征的特性。圖6表示支持磁場(chǎng)、電流或溫度測(cè)量的完整的大部分光學(xué)系統(tǒng)59。氦-氖(HeNe)激光光源通過偏振器42發(fā)射高度相干的光，該偏振器對(duì)光波前指定已知的偏振狀態(tài)43。該波前通過光斬波器44行進(jìn)，使用該斬波器來(lái)調(diào)制激光光源41使之能進(jìn)行低電平信號(hào)測(cè)量。經(jīng)調(diào)制的光束在位置46處射到第一表面鏡45，致使對(duì)鏡45的垂直線和對(duì)傳感器元件79的垂直線不平行。這樣引導(dǎo)光波前離開垂直軸到傳感器元件79。如上所述，在通過傳感器元件傳播之后，波前輸出傳感器元件79并在位置48處射到鏡45。這樣引導(dǎo)經(jīng)調(diào)制的光波前49通過自由空間趨向在波前的通路中對(duì)準(zhǔn)的PBS50。PBS50把波前分成兩個(gè)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的波束；所述強(qiáng)度是波前49的偏振角的函數(shù)。如此地放置兩個(gè)低噪聲光電二極管52、54，使來(lái)自PBS50的光輸出51和53入射在它們的有效表面上。
在圖7中示出模擬電子線路，以實(shí)現(xiàn)從某個(gè)初始開始值對(duì)偏振狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)值進(jìn)行計(jì)量。電子的光電系統(tǒng)是整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的準(zhǔn)備部分，并表示更大的運(yùn)算的基礎(chǔ)，所述更大的運(yùn)算是使用連續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)用的每個(gè)系統(tǒng)所需要的。
在兩個(gè)獨(dú)立的強(qiáng)度到達(dá)光電二極管31和33時(shí)開始光電前端119的工作。這些信號(hào)是偏振矢量的分解的正交分量，以致可以粗略地估計(jì)偏振狀態(tài)如下β=Arctan(p／s)其中β是旋轉(zhuǎn)值，p是強(qiáng)度分量之一，而s是另一個(gè)強(qiáng)度分量。通過低噪聲阻抗變換(I-V)運(yùn)算放大器子系統(tǒng)103和105處理每個(gè)光電二極管的輸出，以提供正比于電流輸入的電壓。為了本討論，把I-V變換器103的輸出稱為p分量而把I-V變換器105的輸出稱為s分量106。這些都是任意地指定的。
雖然在上述討論中p／s的關(guān)系是有效的，但是考慮到圖3的LED／激光器源20的共模強(qiáng)度起伏，還有受限制的討論的動(dòng)態(tài)范圍(如果s趨向于0則發(fā)生方向性的損耗)，迫使更加強(qiáng)的算法。雖然存在大量的可能方法來(lái)測(cè)量偏振狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)，但是為了實(shí)施的方便性，選擇了Mansuripur等人的方法的修改方法(應(yīng)用光學(xué)，29(9)，1990年3月20日)。相應(yīng)地，所選擇的方法使用如下的差／和關(guān)系p-sp+s]]>其中已在上面對(duì)p和s作出定義。
圖7的余下部分詳細(xì)說(shuō)明提供該值的主要功能部分。信號(hào)s106通過增益為一的反相放大器108反相并提供給加法放大器107。到該放大器107的另一個(gè)輸入是p輸入；因此，00所產(chǎn)生的輸出是p-s109。還把信號(hào)s施加到加法放大器110，它的另一個(gè)輸入是信號(hào)p；該放大器110的輸出是p+s111。把這些信號(hào)輸出109、111施加到對(duì)數(shù)除法放大器112以產(chǎn)生所要求的輸出113。
信號(hào)處理系統(tǒng)119的前端的輸出表示偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)值的直接測(cè)量，它可以是磁通密度、電流或溫度的函數(shù)。該值包括穩(wěn)態(tài)直流分量，該分量可以是溫度、穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)或在系統(tǒng)中的反向散射波(backscatter)的函數(shù)；以及交流分量，它包含在所測(cè)量的信號(hào)中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)信息。根據(jù)應(yīng)用，可以放棄直流分量，允許僅監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，或可以包括直流分量，以指示交流和直流值兩者。一般，把這些輸出信號(hào)發(fā)送到諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器和／或數(shù)模轉(zhuǎn)換器之類的另外的信號(hào)處理元件。組成是完全特定應(yīng)用的。
圖8示出應(yīng)用于功率電子器件的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。所示出的是n-溝道增強(qiáng)型MOSFET(MOS場(chǎng)效應(yīng))功率電子器件，但是用本技術(shù)可以應(yīng)用于任何的功率電子器件。已知取向150的線性偏振光通過平面波導(dǎo)151傳播，并射到一個(gè)有角度的接口152，在那里它通過REIG晶體153反射到反射電介質(zhì)或金屬邊界154。如在17(圖1)的情況中，當(dāng)出現(xiàn)磁場(chǎng)159具有場(chǎng)矢量159的某些部分與傳播方向平行時(shí)，光進(jìn)行θ(theta)的旋轉(zhuǎn)。這個(gè)已經(jīng)從薄膜154反射而離開的經(jīng)旋轉(zhuǎn)的波前通過REIG晶體153跟蹤入射通路，在那里當(dāng)所述磁場(chǎng)159出現(xiàn)時(shí)，它再經(jīng)受另一次旋轉(zhuǎn)θ(theta)。現(xiàn)在該波前已經(jīng)總共旋轉(zhuǎn)2θ(2*theta)，射入波導(dǎo)的邊界152，并作為經(jīng)旋轉(zhuǎn)的波前155離開波導(dǎo)151反射到在襯底上的光源點(diǎn)。
當(dāng)磁場(chǎng)159的方向垂直于襯底的平面時(shí)，在器件169中表示的技術(shù)代表一種組成。在場(chǎng)對(duì)于襯底的平面是水平的情況下，可以制造波導(dǎo)，致使省略有角度的接口152，而傳感器裝置153、154可以放置在波導(dǎo)末端以代替152。如此定出在169中的取向，以示出在一個(gè)特定的應(yīng)用中的一個(gè)特定的實(shí)施例；隨著每個(gè)半導(dǎo)體的幾何形狀的不同，將相應(yīng)地改變波導(dǎo)／傳感器的結(jié)構(gòu)。對(duì)于在半導(dǎo)體領(lǐng)域監(jiān)測(cè)中的使用，本傳感器／波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不包含任何限制。
器件169的實(shí)施例不是唯一的。圖9示出在圖8中所表示的相同的原理，但是省略了反射襯底154(圖8)，而同時(shí)增加附加的波導(dǎo)156。附加波導(dǎo)156作為傳輸通路的延續(xù)，并將已知偏振狀態(tài)155的經(jīng)調(diào)制的光波前帶到半導(dǎo)體襯底的邊緣，以供接著的檢測(cè)和處理。
當(dāng)已經(jīng)特別地示出本發(fā)明和參考它的較佳實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明時(shí)，熟悉本領(lǐng)域的人員將理解可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
在本發(fā)明的實(shí)施中，要求保護(hù)的專有的特征或特權(quán)定義如下1．一種磁光傳感器元件包括晶體襯底；在所述晶體襯底的第一面上的薄膜反射表面；在所述晶體襯底的第二面上的稀土鐵石榴石薄膜，所述第二面和所述第一面對(duì)置；以及在所述稀土鐵石榴石襯底上的抗反射涂層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，所述薄膜反射表面包括放置在所述晶體襯底上的電介質(zhì)鏡。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，所述薄膜反射表面包括放置在所述晶體襯底上的金屬鏡。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，所述晶體襯底相對(duì)于入射偏振波前的波長(zhǎng)在光學(xué)上是透明的。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，把所述稀土鐵石榴石薄膜放置在所述晶體襯底的所述第二面上。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，在所述晶體襯底的所述第二面上生成所述稀土鐵石榴石薄膜。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，所述抗反射涂層具有厚度t，它在下列范圍內(nèi)0＜=t＜=N*．λ／4其中λ表示入射偏振波前的基本波長(zhǎng)，而N是一個(gè)奇整數(shù)倍數(shù)致使1＜=N＜=∞
8．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，把所述抗反射涂層放置在所述稀土鐵石榴石襯底上。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于，通過所述稀土鐵石榴石薄膜和支持晶體襯底，薄膜反射表面使總的單向光通路長(zhǎng)度加倍。
10．一種磁光傳感器元件包括晶體襯底，所述晶體襯底相對(duì)于來(lái)自傳感器光源的入射偏振波前的波長(zhǎng)是光學(xué)地透明的，所述晶體襯底進(jìn)一步包括稀土鐵石榴石晶體；放置在所述稀土鐵石榴石晶體的一側(cè)的電介質(zhì)薄膜鏡；以及厚度0＜=t＜=N*λ／4的抗反射涂層，其中λ是入射偏振波前的基本波長(zhǎng)，而N是一個(gè)奇整數(shù)倍數(shù)致使1＜=N＜=∞，所述抗反射涂層放置在稀土鐵石榴石襯底的對(duì)面的一端。
11．如權(quán)利要求10所述的磁光傳感器元件，其特征在于，通過所述稀土鐵石榴石薄膜和支持晶體襯底，薄膜反射表面使總的單向光通路長(zhǎng)度加倍。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的磁光傳感器元件，其特征在于進(jìn)一步包括漸變折射率透鏡，用于把光能量耦合到所述晶體襯底。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的磁光傳感器元件，其特征在于，把所述漸變折射率透鏡光學(xué)地調(diào)諧到來(lái)自傳感器光源的入射偏振波前的四分之一波長(zhǎng)上。
14．如權(quán)利要求12所述的磁光傳感器，其特征在于，所述漸變折射率透鏡是直角圓柱形的，并通過光學(xué)上透明的環(huán)氧樹脂黏合到所述晶體襯底的抗反射一側(cè)。
15．如權(quán)利要求13所述的磁光傳感器，其特征在于，所述漸變折射率透鏡包括在基本波長(zhǎng)處的四分之一間距透鏡。
16．如權(quán)利要求12所述的磁光傳感器元件，其特征在于，在所述漸變折射率透鏡的至少一端上進(jìn)行拋光到相對(duì)于圓柱的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸測(cè)量為0＜=α＜=11度的平面角。
17．如權(quán)利要求12所述的磁光傳感器，其特征在于，如此地安排以致通過所述傳感器元件傳播的入射平面偏振光束沿所述漸變折射率透鏡的軸行進(jìn)，通過所述晶體襯底，并以基本上垂直的入射角入射到所述薄膜鏡。
18．一種磁光傳感器探頭，包括晶體襯底；在所述晶體襯底的第一面上的薄膜反射表面；在所述晶體襯底的第二面上的稀土鐵石榴石薄膜，所述第二面和所述第一面對(duì)置；漸變折射率透鏡，用于把光能量耦合到所述晶體襯底；以及與所述漸變折射率透鏡耦合的光纖。
19．如權(quán)利要求18所述的磁光傳感器探頭，其特征在于，所述光纖包括偏振保持單模光纖。
20．如權(quán)利要求19所述的磁光傳感器探頭，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述稀土鐵石榴石襯底上的抗反射涂層。
21．如權(quán)利要求19所述的磁光傳感器探頭，其特征在于，使用光學(xué)環(huán)氧樹脂把所述偏振保持單模光纖黏合到所述漸變折射率透鏡。
22．一種光纖傳感器系統(tǒng)，包括光源，用于輻射光束；偏振裝置，用于使所述光束偏振；光纖耦合器；晶體襯底，在它的一個(gè)面上有稀土鐵石榴石薄膜；漸變折射率透鏡裝置，它光學(xué)地耦合到所述光纖耦合器；光束分離器，它光學(xué)地耦合到所述漸變折射率透鏡裝置；以及檢測(cè)器裝置，用于把光能量轉(zhuǎn)換到電能量。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振裝置包括法拉第隔離器。
24．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖耦合器包括2×2光纖耦合器。
25．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)器裝置包括兩個(gè)信號(hào)恢復(fù)光電二極管。
26．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括激光光源。
27．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括LED光源。
28．根據(jù)權(quán)利要求22的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括正向功率監(jiān)測(cè)光電二極管，所述光纖耦合器的一個(gè)輸出臂終止于所述光電二極管。
29．根據(jù)權(quán)利要求23的光纖傳感器系統(tǒng)，其特征在于，通過透鏡系統(tǒng)把所述光源耦合到所述光纖，致使所述光源的輸出有效地耦合到所述光纖的纖芯；所述光源輸出一個(gè)任意的偏振狀態(tài)；把所述光源熔接到所述法拉第隔離器的輸入；所述法拉第隔離器把在所述隔離器輸入處的所述任意偏振狀態(tài)偏振和旋轉(zhuǎn)到已知偏振狀態(tài)；所述光纖耦合器包括2×2偏振保持單模耦合器，對(duì)它如此地安排以致所述耦合器輸出臂之間的功率比是1∶1，致使把由所述法拉第隔離器產(chǎn)生的已知偏振狀態(tài)保持在每個(gè)輸出臂中；所述光纖耦合器的一個(gè)輸出臂到正向功率監(jiān)測(cè)光電二極管處終止；所述光纖耦合器的另一個(gè)輸出臂熔接到所述光纖，所述光纖光學(xué)地耦合到所述晶體襯底；把所述光纖耦合器的余下的臂耦合到所述漸變折射率透鏡；所述光束分離器的輸出有兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度；放置所述信號(hào)恢復(fù)光電二極管致使來(lái)自所述光束分離器的輸出入射到它們的有效區(qū)域。
30．根據(jù)權(quán)利要求22的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光束分離器是偏振光束分離器，在它的兩個(gè)輸出強(qiáng)度之間提供至少500∶1的消光比。
31．根據(jù)權(quán)利要求28的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，在所述光源的驅(qū)動(dòng)電子線路中，正向監(jiān)測(cè)功率二極管提供附加的補(bǔ)償和降低噪聲。
32．一種塊狀光學(xué)傳感器系統(tǒng)，包括光源；光偏振器；鏡子REIG晶體；偏振光束分離器，如此地放置以致它從所述第一表面鏡子接收入射光；以及在所述偏振光束分離器的正交輸出的通路中的檢測(cè)器裝置。
33．根據(jù)權(quán)利要求32的塊狀光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)器裝置包括兩個(gè)恢復(fù)光電二極管。
34．根據(jù)權(quán)利要求32的塊狀光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括光學(xué)斬波器。
35．根據(jù)權(quán)利要求32的塊狀光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡子包括第一表面鏡子。
36．根據(jù)權(quán)利要求32的塊狀光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，如此地放置所述鏡子以致入射光能量入射到鏡子上，被反射到所述REIG晶體，并在從所述REIG晶體返回之后進(jìn)一步離開軸反射到所述偏振光束分離器。
37．一種半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，包括光源，用于輻射光束；光波導(dǎo)；REIG晶體傳感器；在所述REIG晶體傳感器一側(cè)的薄膜鏡子；以及半導(dǎo)體襯底。
38．根據(jù)權(quán)利要求37的半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述薄膜鏡子包括電介質(zhì)鏡子。
39．根據(jù)權(quán)利要求37的半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述薄膜鏡子包括金屬鏡子。
40．根據(jù)權(quán)利要求37的半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，把所述薄膜鏡子放置在所述REIG晶體傳感器的一個(gè)面上。
41．根據(jù)權(quán)利要求37的半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光波導(dǎo)對(duì)于所述光束的波長(zhǎng)是透明的。
42．根據(jù)權(quán)利要求37的半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光波導(dǎo)包含的角度足以把所述光束的入射波前引導(dǎo)到REIG晶體傳感器，而且其中把所述薄膜鏡子放置在REIG晶體傳感器的遠(yuǎn)側(cè)末端，致使所述入射波前對(duì)所述REIG晶體行進(jìn)兩次。
43．一種半導(dǎo)體場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，包括光源，用于輻射光束；兩個(gè)不同的光波導(dǎo)，它們對(duì)于入射光的波長(zhǎng)透明；REIG晶體傳感器；以及半導(dǎo)體襯底。
44．根據(jù)權(quán)利要求43的半導(dǎo)體傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光波導(dǎo)包含的角度足以把所述光束的入射波前引導(dǎo)到所述REIG晶體傳感器，并且其中所述第二光波導(dǎo)包含的角度足以把來(lái)自所述REIG晶體傳感器的信號(hào)輸出引導(dǎo)到檢測(cè)光學(xué)和電子線路。
全文摘要
所描述的是稀土鐵石榴石傳感器元件的設(shè)計(jì);詢問傳感器元件的光學(xué)方法;把光傳感器元件耦合到波導(dǎo)的方法;以及一個(gè)光和電的處理系統(tǒng),用于監(jiān)測(cè)由于磁場(chǎng)或電流起伏而進(jìn)行外部調(diào)制的線性偏振波前的偏振旋轉(zhuǎn)。傳感器元件應(yīng)用法拉第效應(yīng),某些稀土鐵石榴石材料的固有特性,在磁場(chǎng)存在時(shí)旋轉(zhuǎn)光的偏振狀態(tài)?？梢詫?duì)傳感器元件(17)涂以薄膜鏡子(13),以使光通路長(zhǎng)度有效地加倍,對(duì)給定的場(chǎng)強(qiáng)度或溫度變化提供兩倍的靈敏度。描述使用稀土鐵石榴石傳感器元件的半導(dǎo)體傳感器系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02F1/09GK1291287SQ9980313
公開日2001年4月11日 申請(qǐng)日期1999年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者保爾·G·鄧肯, 卡弗爾·E·霍頓, 理查德·O·克勞斯 申請(qǐng)人:保爾·G·鄧肯, 卡弗爾·E·霍頓, 理查德·O·克勞斯