專利名稱：一種用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，尤其適于電場幅值較高情況下的傳感器隔離及強電場信號測量，屬于高電壓測量技術領域。
背景技術：
在高電壓或電磁脈沖環(huán)境下，會產(chǎn)生非常強的電場。對之進行測量的關鍵部件就是電場傳感器。該傳感器不僅要能夠耐受強電場環(huán)境，而且要能夠測量出幅值很高的強電磁場。
在傳統(tǒng)高壓測量領域，一般采用電磁感應原理的傳感器進行電場測量。基于電磁感應原理的強電場傳感器具有以下幾個缺點。1、傳感器尺寸較大，不能實現(xiàn)空間精確定位測量；2、由于采用電磁感應原理，因此為整個傳感器金屬結構，對于被測電場的分布影響非常大；3、電源問題難以解決；4、一般采用電纜作為信號傳輸通路，無法提供高帶寬的路徑，很難同時兼顧低頻和高頻性能，測量的頻率范圍受到很大限制，難以實現(xiàn)瞬態(tài)信號的測量。常見的一種實現(xiàn)高壓強電場測量的電磁傳感器如圖1所示。外加電場1通過兩個半球2感應出電壓，通過測量電容3上的電壓來測得外加電場的值。
因此，已有的強電場傳感器不能完全滿足強電場測量的要求。在高電壓與強電磁環(huán)境領域，迫切需要研究開發(fā)一種具有可靠隔離、強抗干擾能力、高頻率響應、寬帶寬和具有小體積的強電場傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，利用晶體的電光效應實現(xiàn)電光轉換，將空間電場物理量直接調制到通過傳感器光波導的光波信號上，通過檢測經(jīng)過調制的光波信號，即可以還原待測的電場信號。該傳感器采用電磁場仿真技術進行設計，通過參數(shù)的優(yōu)化設計使之能夠完全適用于高電壓與強電場的測量領域。
本發(fā)明提出的用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，采用具有電光效應的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴散法或質子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的光波導，互相平行的兩段光波導上設置三個頂部帶有凸起的門字形電極天線，三個門字形電極天線互相平行橫跨在互相平行的兩段光波導上。
上述光電集成傳感器中的電極天線的寬度可以為光波導寬度的1～10倍。
上述光電集成傳感器中的晶片，可以為鈮酸鋰晶片、硅酸鉍晶片、鍺酸鉍晶片或磷酸氧鈦鉀晶片中的任何一種。
本發(fā)明提出的用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，可以滿足強電場(大于50kV/m)的測量，而且還具有以下特點和優(yōu)點
1、本發(fā)明的光電集成傳感器可以進行多種物理量的測量。不僅可以測量強電場信號的幅值，還可以用于測量電場的頻率、相位等信息。
2、本發(fā)明的光電集成傳感器中金屬元件尺寸較小，對被測電場的影響很小，因此位置分辨能力強。
3、本發(fā)明的光電集成傳感器中采用光波導進行信號傳輸，傳感器中無需使用電源就可以實現(xiàn)測量，即無源測量，因此非常適合高電壓區(qū)域的測量。
4、本發(fā)明的光電集成傳感器的響應速度快、靈敏度高，因此大大提高了測量頻率范圍和響應速度。


圖1是已有電磁感應原理的強電場傳感器結構示意圖。
圖2是本發(fā)明的光電集成傳感器的結構示意圖。
圖3是圖2的A-A剖視圖。
圖4是應用本發(fā)明光電集成傳感器的光電集成強電場測量系統(tǒng)示意圖。
圖1中，1是外加電場，2是兩個半金屬球，3是電容，4是連接導線。圖2和圖3中，5是具有電光效應的晶片，6是光波導，7是復用的門字形電極天線。圖4中，8是激光源，9是保偏光纖，10是強電場傳感器，11是單模光纖，12是光電轉換器，13是射頻電纜，14是電信號檢測器。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，其結構如圖2所示，采用具有電光效應的晶片5，在晶片5的表面用鈦金屬擴散法或質子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的光波導6，互相平行的兩段光波導上設置三個頂部帶有凸起的門字形電極天線7，三個門字形電極天線7互相平行橫跨在互相平行的兩段光波導上。
上述光電集成傳感器中的晶片5，可以為鈮酸鋰晶片、硅酸鉍晶片、鍺酸鉍晶片或磷酸氧鈦鉀晶片中的任何一種。
上述光電集成傳感器中的電極天線的寬度可以為光波導寬度的1～10倍。
本發(fā)明專利的工作原理為利用鈦金屬擴散或質子交換的方法制作的光電集成強電場傳感器的結構如圖2所示。光線經(jīng)由單模光波導6輸入到傳感器，輸入端的Y分叉將光束分配成兩個功率相等的光束，在兩個非對稱的條形光波導中的光波，沿y軸方向分別傳輸以后，兩個支路有一定的相位差，當不存在外界電場的作用時，兩條分支光波導中傳播的光束存在著固有相位差φ0；當沿y軸方向施加外界電場E，由于電極天線對兩個分支光波導的作用，以及由于Pockels效應，在兩個分支波導中傳輸?shù)墓馐黾恿讼嘁痞?。由于兩條光路中的光波再合成時發(fā)生了干涉，在相移φ較小的條件下，激光的輸出功率與外加電場成正比關系。因此，只要測量得到光功率，就可以得到待測強電場的值。
光電集成傳感器采用集成光電工藝制作。設計完成的強電場傳感器，經(jīng)過Ti擴散或質子交換形成波導，并設置電極。其中，電極天線的寬度為光波導寬度的3倍。
用本發(fā)明提出的電極天線一體化光電集成傳感器組成的強電場測量系統(tǒng)的結構示意圖如圖4所示。其工作原理是激光源8輸出一個線偏振光束，通過保偏光纖(PMF)9耦合至本發(fā)明的強電場傳感器10，該偏振光經(jīng)外加電場，通過強電場傳感器調制，輸出的激光通過單模光纖(SMF)11傳送至光電轉換器12，并完成光功率到電壓信號的轉換，電壓信號由射頻電纜13傳輸至電信號檢測器14，通過對電壓信號的檢測得到被測電場的大小。該系統(tǒng)中的激光源8可以采用Sumimoto公司生產(chǎn)的激光器STL5411。光電轉換器12的作用是將光功率轉換成電壓信號輸出，其型號為NewFocus 1592。電信號檢測器14根據(jù)待測信號的特征可以選用相應的示波器、頻譜儀、接收機等。完成電信號的測量與記錄。
權利要求
1.一種用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，其特征在于采用具有電光效應的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴散法或質子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的光波導，互相平行的兩段光波導上設置三個頂部帶有凸起的門字形電極天線，三個門字形電極天線互相平行橫跨在互相平行的兩段光波導上。
2.如權利要求1所述的光電集成傳感器，其特征在于其中所述的晶片為鈮酸鋰晶片、硅酸鉍晶片、鍺酸鉍晶片或磷酸氧鈦鉀晶片中的任何一種。
3.如權利要求1所述的光電集成傳感器，其特征在于其中所述的電極天線的寬度為光波導寬度的1～10倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于強電場測量的電極天線一體化光電集成傳感器，屬于高電壓測量技術領域。采用具有電光效應的晶片，在晶片表面用鈦金屬擴散法或質子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的光波導，互相平行的兩段光波導上設置三個頂部帶有凸起的門字形電極天線，三個門字形電極天線互相平行橫跨在互相平行的兩段光波導上。本發(fā)明的光電集成傳感器，可測量強電場信號的幅值、頻率、相位等信息；光電集成傳感器中金屬元件尺寸較小，對被測電場的影響很小，位置分辨能力強。傳感器中采用光波導進行信號傳輸，無需使用電源，因此適合高電壓區(qū)域的測量；響應速度快、靈敏度高，因此大大提高了測量頻率范圍和響應速度。
文檔編號G01R19/00GK1862264SQ200610012160
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權日2006年6月9日
發(fā)明者曾嶸, 何金良, 陳未遠, 梁文烈 申請人:清華大學