一种高稳定型非对称光波导电场传感器

技术领域

本发明涉及光波导技术及光学电场检测技术领域，更具体地，涉及一种高稳定型非对称光波导电场传感器。

背景技术

由于具有体积小、响应时间快、动态范围宽、强电磁环境下不易损坏、适用于远距离在线监测等优点，集成光波导式脉冲电场传感器在核爆脉冲、高压放电脉冲、雷电脉冲、高功率微波、电磁兼容性及强电场监测等领域具有广阔的应用前景。

常规的集成光波导式电场传感器主要由LiNbO3晶体衬底、马赫-增德尔干涉仪、金属电极和天线组成。被测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。通过检测波导干涉仪输出光强的变化，获得被测电场。但是由于LiNbO3晶体衬底除了具有电光效应外，还具有的热光、热膨胀、压电、声光等效应，这会导致传感器的工作点对电场和外界温度环境因素同时敏感，即工作点受外界影响可能随时发生漂移，稳定性较差。而电场传感器的工作现场大部分为户外条件。由于季节气候变化，电场传感器的工作条件尤其是环境温度变化较为复杂。因此，如何提高传感器的稳定性一直是光波导电场传感器工程实用化过程中的关键问题。目前常用的直流漂移补偿方法是制备长度可调的共路干涉仪结构或者引入非对称干涉仪，同时增加工作点反馈追踪模块，从而抑制直流漂移。但是或制备工艺复杂或牺牲了传感器的灵敏度，均难达到理想的补偿效果。

因此，需要一种技术，以实现高稳定型非对称光波导电场传感器。

发明内容

本发明技术方案提供一种高稳定型非对称光波导电场传感器，以解决如何建立高稳定型非对称光波导电场传感器的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高稳定型非对称光波导电场传感器，所述传感器包括：

LiNbO3晶体衬底，所述LiNbO3晶体衬底上制备非对称的马赫增德尔干涉仪；

所述马赫增德尔干涉仪设置有第一波导臂以及第二波导臂，所述第一波导臂为直波导臂，所述第二波导臂为S型弯曲波导臂；所述第一波导臂的两侧均设置有锥形偶极子天线以及第一电极，所述第二波导臂的两侧均设置第二电极；所述第一电极与所述第二电极的结构和参数一致；所述第一波导臂以及第二波导臂的第一端经由输入光波导连接于保偏光纤，所述第一波导臂以及第二波导臂的第二端经由输出光波导连接于标准单模光纤；

LiNbO3晶体衬底的光轴平行于X轴方向。

优选地，所述输入光波导和所述输出光波导的宽度和深度分别6μm和4μm。

优选地，所述锥形偶极子天线的高度和底部宽度分别为1mm和700μm。

优选地，所述第一电极和所述第二电极的宽度和长度分别为10μm和1mm，电极间距为10μm；

所述锥形偶极子天线、所述第一电极和所述第二电极为金属材料金，厚度为1μm。

优选地，所述传感器的初始偏置点设置为：

其中，ΔL为所述第一波导臂以及第二波导臂的长度差；n

优选地，在环境条件变化的影响下，所述传感器的工作点变更为：

其中，L

优选地，所述第一波导臂的长度为24mm，所述第二波导臂的弯曲高度为580μm。

本发明技术方案提供了一种高稳定型非对称光波导电场传感器，传感器包括：LiNbO3晶体衬底，LiNbO3晶体衬底上制备非对称的马赫增德尔干涉仪；马赫增德尔干涉仪设置有第一波导臂以及第二波导臂，第一波导臂为直波导臂，第二波导臂为S型弯曲波导臂；第一波导臂的两侧均设置有锥形偶极子天线以及第一电极，第二波导臂的两侧均设置第二电极；第一电极与第二电极的结构和参数一致；第一波导臂以及第二波导臂的第一端经由输入光波导连接于保偏光纤，第一波导臂以及第二波导臂的第二端经由输出光波导连接于标准单模光纤；LiNbO3晶体衬底的光轴平行于X轴方向。本发明技术方案通过设计了一种直流效应对称、光程非对称的马赫-增德尔干涉仪，从而抑制了光波导电场传感器的直流漂移特性，建立了高稳定型的光波导电场传感器。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的一种高稳定型非对称光波导电场传感器结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种高稳定型非对称光波导电场传感器结构示意图。图1中，1为LiNbO3晶体衬底，2为第一直波导臂，3为第二波导臂，4为锥形偶极子天线，5为第一电极，6为第二电极，7为输入光波导，8为输出光波导，9为保偏光纤，10为标准单模光纤。

如图1所示，本发明提供一种高稳定型非对称光波导电场传感器，传感器包括：

LiNbO3晶体衬底，LiNbO3晶体衬底上制备非对称的马赫增德尔干涉仪；

马赫增德尔干涉仪设置有第一波导臂以及第二波导臂，第一波导臂为直波导臂，第二波导臂为S型弯曲波导臂；第一波导臂的两侧均设置有锥形偶极子天线以及第一电极，第二波导臂的两侧均设置第二电极；第一电极与第二电极的结构和参数一致；第一波导臂以及第二波导臂的第一端经由输入光波导连接于保偏光纤，第一波导臂以及第二波导臂的第二端经由输出光波导连接于标准单模光纤；

LiNbO3晶体衬底的光轴平行于X轴方向。

优选地，输入光波导和输出光波导的宽度和深度分别6μm和4μm。

本发明提出一种直流效应补偿型的马赫-增德尔干涉仪型光波导电场传感器，在LiNbO3晶体衬底1上采用质子交换法制备光波导型的非对称马赫-增德尔干涉仪。干涉仪有两个光波导臂，波导臂2为直波导，波导臂3为S型弯曲波导。在波导臂2的两侧制作天线4和电极5。同时，波导臂3两侧制作结构参数完全一致的电极6，不同的是，波导臂3两侧无天线结构。LiNbO3晶体衬底1的光轴平行于X方向。马赫-增德尔干涉仪的马赫-增德尔干涉仪的输入与输出光波导7和8的宽度和深度分别6μm和4μm，且输入与输出分别与保偏光纤9和标准单模光纤10连接。

优选地，锥形偶极子天线的高度和底部宽度分别为1mm和700μm。

本发明的天线4为锥形偶极子天线，天线4高度和底部宽度分别为1mm和700μm。电极5和6的宽度和长度分别为10μm和1mm，电极间距g为10μm。天线4和电极5、6优选金属材料金，厚度为1μm。

优选地，第一电极和第二电极的宽度和长度分别为10μm和1mm，电极间距为10μm；

锥形偶极子天线、第一电极和第二电极为金属材料金，厚度为1μm。

优选地，传感器的初始偏置点设置为：

其中，ΔL为第一波导臂以及第二波导臂的长度差；n

优选地，第一波导臂的长度为24mm，第二波导臂的弯曲高度为580μm。

本发明提出的光波导电场传感器的初始偏置点，即初始工作点

式中，ΔL为马赫增德尔干涉仪的臂长差，即S弯曲型波导臂3和直波导臂2之间的长度差；n

优选地，在环境条件变化的影响下，传感器的工作点变更为：

其中，L

在温度、机械应力、外界电场等各种因素的影响下，光波导结构中的电荷发生移动，并聚集在金属电极两侧，在铌酸锂波导上产生一个微小的直流电场，进而产生直流漂移。此时，传感器的工作点变为：

式中，L

本发明提出在光波导两侧设计电极对称的电场传感器，即L

本发明提出了一种高稳定型非对称光波导电场传感器件的实现方法，经试验测试，与常规光波导电场传感器相比，该传感器工作点的温度漂移系数下降了一个数量级，从0.2nm/摄氏度下降到0.02nm/摄氏度。本发明主要的创新点为通过设计了一种直流效应对称、光程非对称的马赫-增德尔干涉仪，从而抑制了光波导电场传感器的直流漂移特性，实现了高稳定型的光波导电场传感器。该方法简单可靠，无需附加补偿反馈系统，无需复杂的制作工艺，实用化水平高。

本发明提出一种高稳定型非对称光波导电场传感器件的实现方法，本发明中波导长度L的优为24mm，弯曲高度H的为580μm，天线2高度和底部宽度分别为1mm和700μm。电极5和6的宽度和长度分别为10μm和1mm，电极间距g为10μm。天线4和电极5、6优选金属材料金，厚度为1μm。光波导7和8的宽度和深度分别6μm和4μm。保证电极5、6中单个电极的长度相等，电极的数量相等。温度、机械应力、外界电场等各种因素引起的光程差的变化，最终表现在工作波长的变化，该光波导传感器件工作点的温度漂移系数下降了一个数量级，从0.2nm/摄氏度下降到0.02nm/摄氏度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。