一种基于共路干涉的集成电场传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于共路干涉的集成电场传感器，属于电场测量技术领域。传感器包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结。探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线；调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极。本发明专利技术的电场传感器，具有良好的温度稳定性；在保证传感器尺寸较小的基础上，显著提高了电场测量的灵敏度和动态范围；本发明专利技术设计的二维电场传感器，使探测单元中的两对天线的轴线方向正交，与调制单元相组合，可实现二维电场测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种基于共路干涉的集成电场传感器，尤其涉及一种基于电光效应的共路干涉仪结构的光学集成电场传感器，属于电场测量

技术介绍
电场是表征自然界电磁现象的基本物理量，电场测量是众多科学和
的基础研究手段。随着电力系统及核エ业的发展，高电压工程、高能电磁脉冲及高能物理等领域中强电场的測量正在引起研究人员越来越多的关注。随着集成光学技术的发展，光学集成电场传感器得到了深入研究。专利号是USP5209273的美国专利，公开了 ー种集成共路干涉仪电场传感器，相比其他结构的光学集成电场传感器，共路干涉仪类型具有较高的温度稳定性。研究结果表明，常用的马赫-曾德类型电场传感器静态工作点随温度漂移的速率为I. 25° I。C，而共路干涉仪类型电场 传感器静态工作点随温度漂移的速率仅为、.2° I。C，温度稳定性提高五倍以上，參见。因此有望基于集成共路干涉仪开发高稳定性电场、电压传感器。已有基于集成共路干涉仪电场传感器的电场测量系统的结构如图I所示，包括激光源101、输入保偏光纤102、传感器103、输出保偏光纤104、检偏器105和光探测器106。其中传感器103采用铌酸锂(LiNbO3)晶体107，在晶体表面利用钛(Ti)金属扩散法制作沿Z方向的单模光波导108, Z方向与晶体光轴方向平行。该传感器的工作原理为激光源101产生的线偏振光通过输入保偏光纤102进入光波导108后按照TE和TM两种模式传输；在Y方向电场的作用下，两种模式的传播常数Pte和Ptm将发生互补的变化，使从波导108出射的光变成椭圆偏振光；通过输出保偏光纤104将椭圆偏振态传输至检偏器105,经过检偏后偏振态信号转变为光强度信号。光强度信号传输至光探测器106后转变为电压信号,该电压信号与外加电场成正弦函数关系。測量系统的传递函数如式I所示。EV = A(I) K其中A反映了光路损耗及光电转换系数；b为传感器的消光比，取决于光纤与光波导的稱合エ艺；_为传感器的光学偏置点，取决于光波导的尺寸称为半波电场，决定了传感器的动态范围，可表示为_7]も=ilfc ⑵其中e 22为相对介电常数；入^为真空中的波长；r称为电光重叠积分，代表电场与光模场的匹配程度；n。为寻常折射率；Y22为电光系数；L为光波导的长度。取XQ=1310nm，L=40mm，则由式(2)可得传感器的半波电场约为18MV/m，实验结果表明传感器的最小可测场强约为100kV/m。强电场测量领域的幅值通常为lkV/m至IOOOkV/m，该类型传感器的灵敏度过低，限制了其在强电场測量中的应用。为了提高传感器的灵敏度，本申请人提出了名称为“光电集成三维电场传感器”、申请号为201110123298. I的专利申请，公开了ー种天线与电极，其结构如图2所示。其エ作原理，在X方向切割Z方向传光的铌酸锂(LiNbO3)基片201上通过钛(Ti)扩散制作光波导202，在光波导202附近制作偶极子天线203和电极204。偶极子天线203感应外部电场并产生感应电压，作用于电极204，使电极204之间产生强电场。计算结果表明，在天线与电极的參数中，决定传感器灵敏度的主要參数是天线的长度ha。传感器半波电场^与天线长度ha近似成指数关系,如图3所示。当ha由Imm增加至3mm时,E11由6000kV/m降低至1000kV/m。考虑エ艺过程，铌酸锂(LiNbO3)基片201的宽度w有限(切割后通常小于10mm)。另ー方面，为了减小传感器的尺寸以降低对测量的影响，希望w越小越好。目前，我们所研制的该类型传感器，基片201宽度w为5mm,天线长度ha为2mm,器件半波电场E n的实测 值约为2100kV/m。传感器灵敏度的进ー步提高,要求天线长度ha进ー步增大,这与传感器的微型化相矛盾。
技术实现思路
本专利技术的目的为提出一种基于共路干涉的集成电场传感器，改变已有传感器的结构，将天线与波导制作于不同基片上，以使在不增加器件尺寸的基础上，使传感器的测量范围扩展，使集成共路干涉仪类型电场传感器既能适用于高电压工程及核物理等领域中的强电场测量，又能满足电磁兼容领域中弱电场测量对灵敏度的要求。本专利技术提出的基于共路干渉的集成电场传感器，有两种不同结构第一种结构，包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，所述的铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结；所述的探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为2mm-20mm,偶极子天线的底部宽度Wa为100 u m-400 u m,两根偶极子天线之间的间距Ga为20 y m-60 u m,偶极子天线的轴线方向与硅基片的长度方向平行，所述的上接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个上接触电极与两个偶极子天线之间分别通过连接导线实现电气连接；所述的调制単元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极，所述的下接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的下接触电极与探测单元的上接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两个调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两个调制电极位于所述的光波导的两侧，两个调制电极分别通过连接导线与两个下接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为宽度We为15 y m-30 u m,两个调制电极之间的间距Ge为15 y m-30 u m。第二种结构包括一个铌酸锂基片、两个硅基片、一个垫片、第一探测单元、第二探测单元和一个调制単元，所述的两个硅基片通过紫外固化胶粘接在铌酸锂基片的两侧，铌酸锂基片和两个硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘接；所述的第一探测单元和第二探测单元的结构成镜面对称，分别通过光刻方法附着在相应硅基片的表面，第一探测单元和第二探测单元分别包括两个接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为3mm-10mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100 V- m-400 u m,两根偶极子天线之间的间距Ga为20 y m-60 u m,偶极子天线的轴线方向与娃基片长度方向成45° ,所述的接触电极通过光刻方法附着在娃基片的表面，两个接触电极与两个偶极子天线之间分别通过连接导线实现电气连接；所述的调制単元包括四个接触电极、两个光波导和两组调制电极，所述的接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的接触电极与探测单元的接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两组调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两组调制电极分别位于所述的两个光波导的两侧，两组调制电极分别通过连接导线与四个接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为宽度We为15 y m-30 U m,两个调制电极之间的间距Ge为15 u m-30 u m。本专利技术提出的基于共路干渉的集成电场传感器，具有以下优点 I、本专利技术的电场传感器中，为保证调制单元的温度稳定性，调制单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于共路干涉的集成电场传感器，其特征在于该电场传感器包括铌酸锂基片、硅基片、垫片、探测单元和调制单元，所述的铌酸锂基片和硅基片通过紫外固化胶相互粘接，铌酸锂基片和硅基片分别通过紫外固化胶与垫片相互粘结；所述的探测单元包括两个上接触电极、连接导线和两个偶极子天线，两个偶极子天线分别通过光刻方法附着在硅基片的表面，所述的两个偶极子天线分别为三角形，偶极子天线的轴线方向长度La为2mm？20mm，偶极子天线的底部宽度Wa为100μm？400μm，两根偶极子天线之间的间距Ga为20μm？60μm，偶极子天线的轴线方向与硅基片的长度方向平行，所述的上接触电极通过光刻方法附着在硅基片的表面，两个上接触电极与两个偶极子天线之间分别通过连接导线实现电气连接；所述的调制单元包括两个下接触电极、光波导和两个调制电极，所述的下接触电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，调制单元的下接触电极与探测单元的上接触电极通过金属焊点实现电气连接，所述的光波导通过金属扩散方法在铌酸锂基片上制作，所述的两个调制电极通过光刻方法附着在铌酸锂基片的表面，两个调制电极位于所述的光波导的两侧，两个调制电极分别通过连接导线与两个下接触电极实现电气连接，调制电极的长度Le为3mm？5mm，宽度We为15μm？30μm，两个调制电极之间的间距Ge为15μm？30μm。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，牛犇，曾嵘，余占清，庄池杰，俞俊杰，李婵虓，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：