[发明专利]一种基于共路干涉的集成电场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一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，属于电场测量技术领域。

背景技术

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技术领域的基础研究手段。随着电力系统及核工业的发展，高电压工程、高能电磁脉冲及高能物理等领域中强电场的测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，公开了一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~1.25°/°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~0.2°/°C，温度稳定性提高五倍以上，参见[N.A.F.Jaeger，“集成光学传感器在变电站中的应用”，Proceedings of SPIE，1998，3489：41-52]。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1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β_TE和β_TM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。测量系统的传递函数如式1所示。

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耦合工艺；为传感器的光学偏置点，取决于光波导的尺寸；E_π称为半波电场，决定了传感器的动态范围，可表示为：

Eπ=ϵ22λ02Γno3r22L---(2)]]>

其中ε₂₂为相对介电常数；λ₀为真空中的波长；Г称为电光重叠积分，代表电场与光模场的匹配程度；n_o为寻常折射率；γ₂₂为电光系数；L为光波导的长度。

取λ₀=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1kV/m至1000kV/m，该类型传感器的灵敏度过低，限制了其在强电场测量中的应用。