光电集成电场传感器的设计
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收稿日期 D* % % ’ & % E & * F 基金项目 D国家 G 九七三 H重点基础研究基金项目 * % % ( * $ E F % > . ) I 作者简介 D陈未远 汉. $ F E F & . =男 =浙江 =博士研究生 J 通讯联系人 D曾嵘 =副教授 =K & DM OP B B L7 2 A < 3 4 N @ 3 4 1 2 3 4 5 6 7 < Q 6 : 3
利用某些晶体 如铌酸锂 > =钽酸锂 2 #= ?+> #. 的线性光电效应进 行 电 场 测 量 已 被 广 泛 研 > 2 0 7 ?+. 万方数据 究= 其基本原理是 外 界 电 场 对 晶 体 折 射 率 的 线 性 调
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清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
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制= 即@ 效应 = 从而引起晶体中光 信 号 在 相 位 @ : A < A 1 上发生改变 J 基于此原理 = 利用质子交换或者钛扩散 技 术 在 晶 体 表 面 形 成 具 有 S7 结 & . : 5 B < 5 3 Q < N S& B 构的条形光波导 = 目的是将相位变化转换为容易测
$ D 量的光功率变化 C J利用 S& B型铌酸锂电光调制器
频响特性 J 关键词 D电场测量 R电场传感器 R电光效应 R电磁兼容 中图分类号 D0 + R0 ’ SF #* 文章编号 D$ % % % & % % ’ ( * % % > . $ % & $ > ( $ & % ( 文献标识码 DT
种电场传感器应用于强电场测量 J 针对高电压电力 系统等提出的强 场 测 量 的 需 求 = 如特高压输电线邻 近场强的测量 = 各种空气间隙在冲击电压作用下的
D E
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进行电场测量的研究始于 * 美国的研 %世纪 C %年代 = 究人员在电光调 制 器 的 工 作 原 理 基 础 上 = 实现了电
* D 场的测量 C J 国际上对光电集成电场传感器的研究 +’ D 主 要 集 中 于 如 何 提 高 系 统 灵 敏 度C =而 较 少 将 这
磁干扰能力和很快的响应速度 J 为了能够测量高电压电力系 统中的瞬变电场 = 该文在基于光电集成技术的电 场 传 感 器 工 作原理的基础上 = 提出了一种适用于强电场测量 的 光 电 集 成 该文将电场传感器分解为调制器和偶极子 传感器设计方案 J 天线= 给出了传感器的等效电路= 分别计算了调制器和偶极 子天线的参数 = 最后对电场传感器传递函数的幅 频 特 性 及 最 大可测电场进行了计算 J 分析计算的结果表 明 = 所设计的电
> D 特性研究 C =本文设计了一种具有高可测电场幅值
的电场传感器 J
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图 ! 传感器结构示意图
设计时主要关心钛扩散前的波导宽度 6 78及平 行波导间距 9 +电极宽度 6 : +电极间距 9 +电 极 78 ; : ; 和电极长度 = 目 厚 度 <: +偶极子长度 * >和底宽 ? ; : ; 标 是 如何提高传 感 器 可 测 电 场 的 幅 值 , 因此在设计 中采用了较大的波导间距和电极间距以及较短的电 极长度和天线长度 * 当存 在 沿 2轴 方 向 的 电 场 分 量 时 , 偶极子产生 较小 , 因此在电极 感应电势 , 在电极上形成电压 *9 : ; 之 间 区域形成一 个 很 强 的 局 部 均 匀 电 场 , 改变了位 于 这 段电极之间 光 波 导 的 折 射 率 , 在两条平行光波 导中传输的光信号形成相位差 * 由于外界电场对两 条 光 波导的作用 可 以 抵 消 , 因此相位差取决于偶极 子感应电压 * 当光信号在输出 @分叉处重新组合输 出时 , 光功率可以表示为电场大小的函数 * 忽略调制 和输出光 功 率 器插入损耗 , 调制器的输入光功率 A B 满足 A C
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光电集成电场传感器的设计
陈未远 = 曾 嵘 = 梁曦东 = 何金良
清华大学 电机工程与应用电子技术系 =电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 =北京 $ % % % C ( .
摘
要 D基 于 光 电 集 成 技 术 的 电 场 传 感 器 具 有 良 好 的 抗 电
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1 测量系统的组成
如图 $所示 = 测量系统由以下几部分构成 D保偏 输出且功率恒定的单波长激光源 E 电场传感器 E 传输 光纤 E 光电转换模块 J
图 1 测量系统组成
激 光 源 输 出 线 偏 振 光 束= 通过保偏光纤耦合至 电场传感器 = 输出 激 光 通 过 单 模 光 纤 传 送 至 光 电 转 换器并完成光功 率 到 电 压 信 号 的 转 换 = 通过对电压 信号的检测可得到被测电场的大小 J
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Baidu Nhomakorabea
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为使分支光波导的光程差 由式 ( 知 ,R ) +( % ) L 等于 ’ 时的电极电压 , 它取决于调制器 , 与外界电 X K U 场无关 * 对于给定尺寸的偶极子天线 ,R 是电场和 频率的函数 * 下面讨论 R 和 R 的计算 * L
Y 调制器半波电压
O & ’ 电极水平电场的分布 为分析简单起见 , 在计算水平电场分布时 , 将传 感器 的 结 构 简 化 为 图 O左 部 分 所 示 的 结 构 , 设电极 的 %个顶点横坐标分别为 ? +Z +[ +\ ,设其中一个电 极的电势为 K 方程 S ,另一个为 ] ,满足 / ^ _ ; ^ H :
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! 电场传感器的设计及工作原理
设 计的电场传感器几何尺寸为 " "##$ % & " 长 宽 厚 传感器由光波导 金属电 * + ##$’##( $ $ ) 极及偶极子天线组成 , 如图 -所示 * 在设计方案中 , 采用了沿 .方向切割的 / 输入激光沿 1方向 0 晶体 , 传播 *为了充分利用电光效应 , 将电极电场沿平行 2 轴方向作用于光波导 *设计中采用了非对称 34 5结 构, 即上下两条分支光波导的长度不相等 , 目的是使 传感器的静态工作点处于线性工作区 * 定义半波电压为
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( l ) 完成 m 平面到 平面的映射 见图 将 ( 4 ) 4 ) ( O ) , . 1 6( n o
+Z +[ + +Z +[ +\映射为 6 平面内的 ? m 平面内的 ? K K K 对共面电极邻近电场分布的求解就可以等效成 , \ K 求解平行电极间电场分布问题 *
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频响特性 J 关键词 D电场测量 R电场传感器 R电光效应 R电磁兼容 中图分类号 D0 + R0 ’ SF #* 文章编号 D$ % % % & % % ’ ( * % % > . $ % & $ > ( $ & % ( 文献标识码 DT
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> D 特性研究 C =本文设计了一种具有高可测电场幅值
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图 ! 传感器结构示意图
设计时主要关心钛扩散前的波导宽度 6 78及平 行波导间距 9 +电极宽度 6 : +电极间距 9 +电 极 78 ; : ; 和电极长度 = 目 厚 度 <: +偶极子长度 * >和底宽 ? ; : ; 标 是 如何提高传 感 器 可 测 电 场 的 幅 值 , 因此在设计 中采用了较大的波导间距和电极间距以及较短的电 极长度和天线长度 * 当存 在 沿 2轴 方 向 的 电 场 分 量 时 , 偶极子产生 较小 , 因此在电极 感应电势 , 在电极上形成电压 *9 : ; 之 间 区域形成一 个 很 强 的 局 部 均 匀 电 场 , 改变了位 于 这 段电极之间 光 波 导 的 折 射 率 , 在两条平行光波 导中传输的光信号形成相位差 * 由于外界电场对两 条 光 波导的作用 可 以 抵 消 , 因此相位差取决于偶极 子感应电压 * 当光信号在输出 @分叉处重新组合输 出时 , 光功率可以表示为电场大小的函数 * 忽略调制 和输出光 功 率 器插入损耗 , 调制器的输入光功率 A B 满足 A C
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摘
要 D基 于 光 电 集 成 技 术 的 电 场 传 感 器 具 有 良 好 的 抗 电
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如图 $所示 = 测量系统由以下几部分构成 D保偏 输出且功率恒定的单波长激光源 E 电场传感器 E 传输 光纤 E 光电转换模块 J
图 1 测量系统组成
激 光 源 输 出 线 偏 振 光 束= 通过保偏光纤耦合至 电场传感器 = 输出 激 光 通 过 单 模 光 纤 传 送 至 光 电 转 换器并完成光功 率 到 电 压 信 号 的 转 换 = 通过对电压 信号的检测可得到被测电场的大小 J
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O & ’ 电极水平电场的分布 为分析简单起见 , 在计算水平电场分布时 , 将传 感器 的 结 构 简 化 为 图 O左 部 分 所 示 的 结 构 , 设电极 的 %个顶点横坐标分别为 ? +Z +[ +\ ,设其中一个电 极的电势为 K 方程 S ,另一个为 ] ,满足 / ^ _ ; ^ H :
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! 电场传感器的设计及工作原理
设 计的电场传感器几何尺寸为 " "##$ % & " 长 宽 厚 传感器由光波导 金属电 * + ##$’##( $ $ ) 极及偶极子天线组成 , 如图 -所示 * 在设计方案中 , 采用了沿 .方向切割的 / 输入激光沿 1方向 0 晶体 , 传播 *为了充分利用电光效应 , 将电极电场沿平行 2 轴方向作用于光波导 *设计中采用了非对称 34 5结 构, 即上下两条分支光波导的长度不相等 , 目的是使 传感器的静态工作点处于线性工作区 * 定义半波电压为
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