光电集成电场传感器的设计

! 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
> ?, LB $ %
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
2 K & "
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D ( ?W [ ) ( Z W\ ) E k 2 , K & " K & " K & " 2 2W ? ) ( 2W Z ) ( 2W [ ) ( 2W \ ) ’(
K & "
( l ) 完成 m 平面到 平面的映射 见图 将 ( 4 ) 4 ) ( O ) , . 1 6( n o
J F
L M NP = : ; 晶 体 的 固 有 折 射 率 ,M 为 电 光 重 叠 积 分 因子 ,P 为晶体的电光系数 ,Q 为光波波长 ,R 为电 极电压 * 时, 且满足条件 J 式( 可写成 当J FT K U V’ , ’ ) K A CF A B ( ’W J ) & Q 9 : ; & O M NP = : ;
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)
K K l , % l ( ’ K )
> 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
U V W X Y Z[ \ ] ZV ^ V _ ‘ a [ b [ c ‘ X _X Z ‘ V Y a ] ‘ V d V ^ V _ ‘ a X _\ X V ^ dW V Z W [ a
e f g hij k l m n o =p g h qr s o t =u v w h qx k y s o t =f gz k o { k n o t | ‘ ] ‘ V}V ~! ] " [ a ] ‘ [ a ~[ \ # [ Z ‘ a [ ^ ] Z d| X $% ^ ] ‘ X [ Z[ \ & [ ’ V a| ~ W ‘ V $W ] Z d( V Z V a ] ‘ X [ Z) * % X c $V Z ‘ =U V c ] a ‘ $V Z ‘ [ \ ) ^ V _ ‘ a X _ ] ^ ) Z Y X Z V V a X Z Y = + W X Z Y , % ]Z X . V a W X ‘ ~ =/ V X 0 X Z Y1 2 2 2 3 4 =# , X Z ] . 5 " W ‘ a ] _ ‘ DK A < : P N @ & @ 6 P 2 :< A < : P N 2 :7 2 < A Q1 < 3 1 @ N 16 N @ 9 2 Q <4 @ @ Q2 LL6 3 2 P 8 P @K S!3 @ 2 1 <7 3 Q7 7 1 PN < 1 6 @ 3 1 <P 2 L< B0 5 2 16 7 6 < N2 3 P N @ Q 6 : < 17 3 2 3 P < 4 N 7 P < Q@ 6 P 2 : 7 A< A < : P N 2 :7 2 < A Q1 < 3 1 @ N7 @ N L< 7 1 6 N 2 3 4P N 7 3 1 2 < 3 P < A < : P N 2 :7 2 < A Q 1 2 35 2 4 59 @ A P 7 4 <6 @ 9< N 1 8 1 P < L1 B0 5 <1 < 3 1 @ N 6 N 2 3 : 2 6 A <2 1 2 A A 6 1 P N 7 P < Q 92 P 5 7Q < 1 2 4 37 @ N2 3 P < 3 1 2 9 <7 2 < A Q L< 7 1 6 N < L< 3 P 1 B0 5 < 1 < 3 1 @ N5 < 7 Q2 11 < 6 7 N 7 P < Q2 3 P @P 9@< A < L< 3 P 1P @Q < 9 < A @ 67 3< : 6 2 9 7 A < 3 P : 2 N : 6 2 P7 @ NP 5 <1 < 3 1 @ NP @: 7 A : 6 A 7 P <P 5 << A < : P N @ & @ 6 P 2 :L@ Q 6 A 7 P @ N7 3 Q Q 2 6 @ A <7 3 P < 3 3 76 7 N 7 L< P < N 1 B0 5 <N < 1 6 A P 11 5 @ 9P 5 7 PP 5 <7 N < : 6 < 3 : 8 : 5 7 N 7 : P < N 2 1 P 2 : 1@ 7P 5 <1 < 3 1 @ N ; 1P N 7 3 1 7 < N7 6 3 : P 2 @ 37 N <: 6 2 P <7 A 7 P =7 3 Q P 5 < L7 < 2 L6 L < A < : P N 2 :7 2 < A Q 95 2 : 5: 7 3= < L< 7 1 6 N < Q2 1: A @ 1 <P @
D E
e‘] G ‘] F K , ( 1a K ) b ‘ . ‘ 1 d ( " ) ‘] ‘] , ( 1g K ) & . 1 -G c -F K fc ‘ . ‘ 1 式 中 Sc X为 晶 体 在 .方 向 的 相 对 介 电 常 数 , .F F% O为晶体在 1方向的相对介电常数 * 利用保角 c 1 D E 变换 h iF
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
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
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
+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 *
A B D ’G H C I ( J A ) E & CF KG J 万方数据 为固有光程差 , 其中 J K
}V ~’ [ a d W D< A < : P N 2 : 7 2 < A Q L< 7 1 6 N < L< 3 P R < A < : P N 2 : 7 2 < A Q 1 < 3 1 @ N R < A < : P N @ & @ 6 P 2 :< 7 7 < : P R< A < : P N @ L7 4 3 < P 2 :: @ L6 7 P 2 = 2 A 2 P 8
> 场传感器最大可测电场幅值接近 $ % ?, L=同 时 具 有 较 好 的
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