一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，属于光学电场测量技术领域。所述传感器包括铌酸锂晶体、钛扩散铌酸锂波导、电极和天线，以所述钛扩散铌酸锂波导的传播方向为z轴，将二氧化钛作为磁控溅射靶，在所述钛扩散铌酸锂波导的上表面进行磁控溅射，磁控溅射的压强为2.5～5毫托，磁控溅射时间为2～16.5小时，在钛扩散铌酸锂波导的上表面得到二氧化钛薄膜。本发明专利技术所述传感器，在铌酸锂波导上镀了一层二氧化钛薄膜，在不影响已有传感器原有测量灵敏度和准确性的基础上，对铌酸锂波导的正温度系数进行了补偿，从而大大提升了传感器静态工作点的温度稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器
本专利技术涉及一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，尤其涉及一种基于电光效应的共路干涉结构的光学电场传感器，属于光学电场测量

技术介绍
电场测量在众多科学
，尤其是在电力和核工业等领域具有重要作用。科技的发展对电场测量的准确性要求也越来越高。基于光电效应的光学电场传感器利用光纤传输信号，有优良的绝缘性能和抗干扰能力，体积小且测量频带宽，具有很大的应用前景。铌酸锂由于具有优良电光性质且在可见光和近红外波段有良好的透过率，被广泛应用为光学电场传感器的制作材料。由于用于电场测量的传感器经常有进行室外测量或长期测量的需求，所以温度是影响传感器测量准确性的一个关键因素。但铌酸锂晶体是热释电晶体，外界温度的变化会改变铌酸锂晶体的折射率，造成铌酸锂传感器静态工作点的漂移，使静态工作点偏离电场的线性测量范围，使测量结果不准。所以，如何制作静态工作点不受温度影响的光学电场传感器非常重要。在大部分钛扩散铌酸锂波导的使用中，采用的铌酸锂切向为x方向切割y方向传光或z方向切割y方向传光，理论研究表明，该切向的波导，其中传播的TE模式和TM模式的光，可看做o光、e光。o光、e光的折射率no和ne热光系数(TOC)相差极大，no随温度变化为1.9×10-6/℃，ne随温度的变化为17.1×10-6/℃，这样会对传感器的温度稳定性造成极大的影响。本申请人曾经提出了专利技术名称为“光电集成三维电场传感器系统”、专利号为ZL201110123298.1的专利技术专利，如图1所示，在铌酸锂(LiNbO3)晶体X方向切割Z方向传光的基片1上通过钛(Ti)扩散制作了共路干涉类型的光波导2，在光波导2附近制作偶极子天线4和电极3。偶极子天线4感应外部电场，作用在电极3上，使电极3之间产生强电场，传感器的半波电场可降低到1000kV/m，但是该专利只是提高了传感器的灵敏度，当用该传感器进行温度稳定性试验时，传感器的静态工作点随温度变化较大，为0.1°/℃/mm。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，对已有的电场传感器的结构作出改进，利用磁控溅射方法，在传感器的钛扩散铌酸锂晶体表面，磁控溅射得到二氧化钛(TiO2)薄膜，以解决目前共路干涉电场传感器的静态工作点温度稳定性差的问题。为解决上述问题，本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的；一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，包括铌酸锂晶体、钛扩散铌酸锂波导、电极和天线；其中，所述钛扩散铌酸锂波导是在铌酸锂晶体的上表面通过钛扩散形成的，在所述钛扩散铌酸锂波导的表面两侧分别对称设置有电极和天线，其中所述电极平行于所述钛扩散铌酸锂波导设置，所述天线垂直于所述钛扩散铌酸锂波导设置；在所述钛扩散铌酸锂波导的上表面覆盖有一层二氧化钛薄膜。进一步的，在所述钛扩散铌酸锂波导的上表面进行磁控溅射得到所述二氧化钛薄膜。进一步的，磁控溅射的压强为2.5～5毫托，磁控溅射时间为2～16.5小时，在钛扩散铌酸锂波导的上表面得到所述二氧化钛薄膜。进一步的，以所述钛扩散铌酸锂波导的传播方向为z轴，以所述铌酸锂晶体1的上表面为yz平面，将二氧化钛作为磁控溅射靶，在所述钛扩散铌酸锂波导的上表面进行磁控溅射，二氧化钛薄膜覆盖铌酸锂晶体的整个yz平面。进一步的，所述二氧化钛薄膜的厚度为200～800nm。进一步的，所述二氧化钛薄膜的厚度为638nm，折射率为2.127。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，在钛扩散铌酸锂波导上镀了一层二氧化钛薄膜，在不影响已有传感器原有测量灵敏度和准确性的基础上，对铌酸锂波导的正温度系数进行了补偿，从而大大提升了传感器静态工作点的温度稳定性。附图说明图1为已有的集成共路干涉电场传感器的结构示意图。图2为本专利技术提供的静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器的结构示意图。图3为准TE模式和准TM模式光的电场分量示意图。图4为未溅射二氧化钛薄膜的共路干涉电场传感器静态工作点随温度变化的实验曲线。图5为波导的准TE模式和准TM模式光折射率的热光系数随溅射二氧化钛薄膜厚度变化的曲线。图6为波导静态工作点的热光系数随溅射二氧化钛薄膜厚度变化的曲线。图7a、7b和7c为在2.5mTorr的压强下进行磁控溅射TiO2，溅射时间分别为2h、10h以及16h，测得波导的折射率结果。图8为传感器测试光路示意图。图9a、9b和9c为在5mTorr的压强下进行磁控溅射TiO2，溅射时间分别为5.5h、11h以及16.5h，测得的折射率结果。图10a、10b和10c分别为将图9a、9b和9c结果简化为Cauchy模型后得到的拟合结果。图11a1～a2、11b、11c和11d1～d2分别为无TiO2薄膜，和溅射TiO2薄膜厚度为200nm、400nm、600nm的波导的热光系数测试结果。其中，图1和图2中，1是铌酸锂晶体，2是钛扩散铌酸锂波导，3是电极，4是天线，5是二氧化钛薄膜；图8中，6为偏振激光器，7为保偏光纤，8为被测传感器，9为偏振分束器，10为光电探测器。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，其结构示意图如图2所示，包括铌酸锂晶体1、钛扩散铌酸锂波导2、电极3和天线4；其中，所述钛扩散铌酸锂波导2是在铌酸锂晶体1的上表面通过钛扩散形成的，其中，所述钛扩散铌酸锂波导2采用的钛扩散参数为：扩散温度1020℃、扩散时间7h、钛条预扩散宽度6.5μm、钛条厚度0.08μm。所述钛扩散铌酸锂波导2的长度为13.5mm。在所述钛扩散铌酸锂波导2的表面两侧分别对称设置有电极3和天线4，其中所述电极3平行于所述钛扩散铌酸锂波导2设置，所述天线4垂直于所述钛扩散铌酸锂波导2设置，所述天线可设置成三角形状。作为本专利技术的主要专利技术点之一，是在钛扩散铌酸锂波导2的上表面覆盖有一层二氧化钛薄膜5。优选的，是在所述钛扩散铌酸锂波导2的上表面进行磁控溅射得到所述二氧化钛薄膜5。具体的，以所述钛扩散铌酸锂波导2的传播方向为z轴，以铌酸锂晶体1的上表面为yz平面，采用KurtJ.Lesker公司的LAB18设备，将二氧化钛作为磁控溅射靶，在钛扩散铌酸锂波导上表面即铌酸锂晶体的yz平面进行磁控溅射，磁控溅射的压强为2.5～5毫托(mTorr)，磁控溅射时间为2～16.5小时，在钛扩散铌酸锂波导2的上表面得到二氧化钛薄膜5。所述二氧化钛薄膜5的厚度可为200～800nm。本专利技术的传感器中，根据不同厚度的二氧化钛薄膜与二氧化钛折射率的关系，确定了较佳实施例是，二氧化钛薄膜厚度为638nm，折射率为2.127。二氧化钛薄膜覆盖铌酸锂晶体上的整个yz平面上。下面结合附图及实施例，详细介绍本专利技术的共路干涉电场传感器的工作原理：本专利技术的实施例中，在x切z传波导中，不存在有纯粹的TE模和TM模，而是混合模。需要通过主要电场分量来判断模的属性。如图3所示，共有两种模式的光在波导中进行传播。其中x方向电场Ex为主要成分的模为准TM模，y方向电场E本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，包括铌酸锂晶体(1)、钛扩散铌酸锂波导(2)、电极(3)和天线(4)；其中，所述钛扩散铌酸锂波导(2)是在铌酸锂晶体(1)的上表面通过钛扩散形成的，在所述钛扩散铌酸锂波导(2)的表面两侧分别对称设置有电极(3)和天线(4)，其中所述电极(3)平行于所述钛扩散铌酸锂波导(2)设置，所述天线(4)垂直于所述钛扩散铌酸锂波导(2)设置；其特征在于，在所述钛扩散铌酸锂波导(2)的上表面覆盖有一层二氧化钛薄膜(5)。

【技术特征摘要】
1.一种静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，包括铌酸锂晶体(1)、钛扩散铌酸锂波导(2)、电极(3)和天线(4)；其中，所述钛扩散铌酸锂波导(2)是在铌酸锂晶体(1)的上表面通过钛扩散形成的，在所述钛扩散铌酸锂波导(2)的表面两侧分别对称设置有电极(3)和天线(4)，其中所述电极(3)平行于所述钛扩散铌酸锂波导(2)设置，所述天线(4)垂直于所述钛扩散铌酸锂波导(2)设置；其特征在于，在所述钛扩散铌酸锂波导(2)的上表面覆盖有一层二氧化钛薄膜(5)。2.根据权利要求1所述的静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，其特征在于，在所述钛扩散铌酸锂波导(2)的上表面进行磁控溅射得到所述二氧化钛薄膜(5)。3.根据权利要求2所述的静态工作点温度稳定的共路干涉电场传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾嵘，庄池杰，汪海，马昕雨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11