具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统，属于光学电场传感器技术领域，解决了现有传感器存在体积大、难集成、电极间距较大、灵敏度低且频带较窄的问题。本发明专利技术的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，包括MZ波导和分段电极；MZ波导两臂为非对称结构；波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层；脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；铌酸锂平板层高度为200～400nm；电极单元与波导之间为厚500～800nm的二氧化硅缓冲层；电极单元为“LF”形交叉式结构，分段电极总长度为4～15mm。本发明专利技术提出的传感器封装尺寸小，利集成，灵敏度高，光约束条件好，频带宽。频带宽。频带宽。

【技术实现步骤摘要】
具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统


[0001]本专利技术涉及光学电场传感器
，具体涉及一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器及测量系统。

技术介绍

[0002]随着电磁环境的日益复杂，电磁场传感在多个科学
发挥了非常重要的作用，比如电信、电磁兼容实验测试、高功率宽频带脉冲检测、微波集成电路测试、医疗保健中的电场监测和机电工程中的电场监测等领域。目前，不同种类的天线被广泛应用在不同的电磁测量需求中，但是，由于天线与接收机通过同轴线连接，环境噪声会通过同轴线耦合进入接收机，对测量信号造成干扰；另外，天线体积较大使得测量空间分辨率较低，并且无法适应小体积空间中的电场测量；对于宽带电磁信号的测量需求，往往需要多幅不同工作频段的天线才能覆盖测量的频率范围，造成测量系统复杂，以上问题很大程度上限制了天线对电磁环境的测量能力。基于不同原理和物理效应的电磁场传感器有望成为天线的替代品。传统的宽带电场探头主要是基于导电材料的偶极子电小天线，这类探头会将被测量的电场进行散射，且容易与源或者周围的元素产生耦合。开放式波导探头是一种很有前途的替代方案，但是测量带宽受到尺寸限制，低频时设备长度达到米级。
[0003]近些年来，光学电场探测越来越受到人们的关注，比如光纤电场传感器和一些集成光学电场传感器，它们具有远程测量、安全、结构集成、对环境和电场源的干扰极弱等优点。目前性能较好的光学电场传感器主要是基于MZ(Mach
–
Zehnder，马赫曾德尔)干涉仪的铌酸锂集成光学电场传感器，自从1980年首次被Catherine.H.Bulmer等人提出以来，该技术已经发展了很长一段时间。目前，大部分工作主要通过改变电极的形状来提升传感器的性能。采用偶极子天线、共面波导天线电极、微环天线、锥形电极阵列、单屏蔽电极、领结型天线的传感器已经被设计和制作。分段电极结构被证明可以有效降低电极的有效电容，提升传感器的带宽和灵敏度，因此目前大部分铌酸锂MZ光学电场传感器都采用分段电极的形式。这些电场传感器基于钛扩散或质子交换技术在铌酸锂晶体上制作铌酸锂光波导，这种波导的主要缺点是折射率差小,波导对光的束缚能力差和由较大的弯曲半径(毫米级)，波导宽度较大，一般为几个微米，导致器件体积较大，不适合密集集成。对于光学电场传感器来说，波导较宽使得可以加载在波导两边的电极间距较大，从而导致传感器灵敏度受限；此外，现有大部分光学电场传感器的电极仅在MZ波导的单臂上加载，无法同时调节两个臂的折射率，因此调制效率较低。
[0004]综上，现有技术中的铌酸锂集成电场传感器存在的传感器体积较大、不适合器件的密集集成和加载在波导两边的电极间距较大、调制效率较低、传感器灵敏度低且频带较窄的问题。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器
及测量系统，解决了现有技术中的铌酸锂集成电场传感器存在的传感器体积较大、不适合器件的密集集成和加载在波导两边的电极间距较大、调制效率较低、传感器灵敏度低且频带较窄的问题。
[0006]本专利技术提供了一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，包括MZ波导和分段电极；其中，
[0007]所述MZ波导包括2个Y分支波导，分别用于实现激光的分束与合束；所述分束后、合束前的MZ波导部分为MZ波导两臂，且所述MZ波导两臂为长度不同的非对称结构，用于使经过所述MZ波导两臂的激光产生光程差；
[0008]所述分段电极包括若干个相同的“LF”形交叉式结构的电极单元，每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率。
[0009]进一步的，所述MZ波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层。
[0010]进一步的，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中，所述铌酸锂层厚度为400～600nm，二氧化硅层厚度为2～3μm，硅基底厚度为0.3～0.6mm。
[0011]进一步的，所述脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；所述铌酸锂平板层高度为200～400nm。
[0012]进一步的，所述电极单元为金属电极；在所述金属电极与MZ波导之间有一层厚度为500～800nm的二氧化硅缓冲层，用于减小所述金属电极对所述MZ波导的吸收损耗。
[0013]进一步的，所述电极单元的调制长度为0.2～0.5mm；所述电极单元在感应电场极化方向上的长度为1～2.5mm；电极间距为3～5um；所述分段电极由8～20个所述电极单元同向排列而成，总长度为4～15mm。
[0014]进一步的，所述每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率，包括：
[0015]每个所述电极单元用于感应空间中的电信号，在所述MZ波导两臂上产生幅度相等、方向相反的电场，在线性电光效应作用下，改变所述MZ波导两臂的折射率。
[0016]本专利技术还提供了一种测量系统，包括激光器、单模保偏锥形透镜光纤、单模锥形透镜光纤、光电探测器、频谱分析仪和权利要求1～7中任一项所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，用于测量外部电场强度；其中，
[0017]所述激光器用于发射线性偏振激光进入所述单模保偏锥形透镜光纤；
[0018]所述单模保偏锥形透镜光纤光斑直径为2～3um，用于传输所述线性偏振激光，并将所述线性偏振激光耦合至所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器；
[0019]所述具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器用于将耦合进入的激光进行分束与合束，使得其经过分束后产生的两束激光在所述传感器中长度不同的MZ波导两臂上产生光程差，合束后发生MZ干涉，转换为被外部电场幅度调制的光信号，并耦合进入所述单模锥形透镜光纤；
[0020]所述单模锥形透镜光纤用于将耦合进入的被外部电场幅度调制的光信号输入所述光电探测器；
[0021]所述光电探测器用于将被外部电场幅度调制的光信号转换成电信号，输入所述频谱分析仪；
[0022]所述频谱分析仪用于对所述光电探测器输出的电信号进行观测和分析，得到输出
电压，并基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度。
[0023]进一步的，所述基于光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，得到外部电场强度，包括：
[0024]光电探测器的输出电压与外部电场强度的关系，表示为：
[0025][0026]其中，V
out
是所述光电探测器的输出电压，G为光电转换系数，α是光波导芯片的插入损耗，P0是激光器输出光功率，λ是激光器输出的线性偏振激光的波长，E
π
是半波电场，E是所述外部电场强度，ΔL是所述光程差；
[0027]通过预设所述MZ波导两臂的长度差，使得ΔL/λ为2kπ+π/2，k为整数，则所述输出电压与外部电场强度的关系简化为：
[0028][0029]与现有技术相比，本专利技术至少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，包括MZ波导和分段电极；其中，所述MZ波导包括2个Y分支波导，分别用于实现激光的分束与合束；所述分束后、合束前的MZ波导部分为MZ波导两臂，且所述MZ波导两臂为长度不同的非对称结构，用于使经过所述MZ波导两臂的激光产生光程差；所述分段电极包括若干个相同的“LF”形交叉式结构的电极单元，每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率。2.根据权利要求1所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述MZ波导沿x轴切铌酸锂薄膜的y轴形成，包括脊型波导和铌酸锂平板层。3.根据权利要求2所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中，所述铌酸锂层厚度为400～600nm，二氧化硅层厚度为2～3μm，硅基底厚度为0.3～0.6mm。4.根据权利要求3所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述脊型波导的宽度为0.6～1.5um，脊深为150～400nm；所述铌酸锂平板层高度为200～400nm。5.根据权利要求4所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述电极单元为金属电极；在所述金属电极与MZ波导之间有一层厚度为500～800nm的二氧化硅缓冲层，用于减小所述金属电极对所述MZ波导的吸收损耗。6.根据权利要求5所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述电极单元的调制长度为0.2～0.5mm；所述电极单元在感应电场极化方向上的长度为1～2.5mm；电极间距为3～5um；所述分段电极由8～20个所述电极单元同向排列而成，总长度为4～15mm。7.根据权利要求6所述的具有LF交叉电极的薄膜铌酸锂光学电场传感器，其特征在于，所述每个所述电极单元用于改变所述MZ波导两臂的折射率，包括：每个所述电极单元用于感应空间中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢树果，田雨墨，杨燕，郭子贤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：