专利名称：基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电场测量技术领域，特别涉及一种基于周期极化铁电晶体的光电集成电场 传感器，尤其适于高电场幅值情况下的隔离及强电场测量。
背景技术：
在高电压或电磁脉冲环境下，会产生非常强的电场。对之进行测量的关键部件就是电 场传感器。该传感器不仅要能够耐受幅值很高的强电场，而且要能够对其进行测量；为了 精确测量，还要求对待测电场影响较小。
在高电压工程电场测量领域，传统电磁感应原理的传感器尺寸较大，整体为金属结构， 严重影响待测电场，且供电问题也难以解决。利用集成光学技术研制的光电集成电场传感 器与传统的传感器相比具有较大优势，其尺寸小、频带宽、可测场强高，为高电压工程领 域的强电场测量提供了一种有效的手段。其典型结构如图1所示，采用具有电光效应的铁 电晶片(比如常用的X方向切割的铌酸锂晶片)101，在该晶片表面用钛金属扩散或质子 交换方法形成马赫-曾德尔干涉仪结构(M-Z结构)的光波导102，其中间段为互相平行的 两条光波导(两臂)，在互相平行的两条光波导中的一段的表面敷设金属电极103。
在外加待测电场0 (图中箭头为该电场方向)通过金属电极103作用到光波导102上， 调制了光波导的输出功率，通过光电转换设备转换成电压信号后，检测输出电压的变化来 得到外加待测电场O。
在实际应用中，由于所采用的铁电晶体(如铌酸锂晶体)的热释电效应，在传感器温 度发生变化时，晶体内部会产生与外加待测电场O方向平行的热释电电场，并与前者叠加 在一起，干扰测量。实践证明，这种干扰给便捷、准确地测量电场带来了极大的困难。
针对这种问题，测量中经常需要长时间静置传感器，使其和周围空气温度达到充分平 衡，同时内部产生的热释电电场被铌酸锂晶体的电导效应缓慢中和。这样做不仅需要很长 时间(几十分钟甚至数小时)，而且也给操作带来了极大的不便——测量过程中甚至完全 不能用手直接触碰传感器，否则会引起传感器输出剧烈变化。
另一方面，周期极化铁电晶体是一类近二十年来逐渐发展起来的晶体材料。其特点是 采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、电子束扫描法、外加电场极化法或者晶体生 长法来实现铁电晶体的电畴在空间上周期性的反转。反转的电畴中，与奇数阶张量相联系 的晶体物理性质，如热释电系数、电光系数等的符号将发生改变。本发明正是基于这种新 兴的材料。
在中国专利98109631.X、 94190479.2和941卯476.8中，均涉及了应用电畴在局部反转的铁电晶体材料来制作电场传感器的实施例。它们所使用的铁电晶体材料是在M-Z结 构波导区域局部进行了电畴的反转，因而其温度稳定性尚未达到最佳，还可以进一步改善。
发明内容
本发明的目的是为克服已有光电集成电场传感器的不足之处，提出一种基于周期极化 铁电晶体的光电集成电场传感器，具有无金属电极，温度稳定性高，适合于工业现场测量 的优点。
本发明提出的基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，其特征在于，该传感器 包括具有电光效应的周期极化铁电晶片，在该晶片表面一个或多个极化周期内形成的沿着 平行于畴壁的方向的马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导，该光波导包括输入段、输出段及
由两个平行臂组成的中间段；所述光波导的两臂分别处于所述一个或多个极化周期中极化 方向相反的区域内。在所述周期极化铁电晶片中，极化周期布满整个铁电晶片，全部极化 周期沿所述光波导的垂直方向排列，该每个极化周期的宽度相等或不相等。
本发明的工作原理在外加待测电场作用下，传感器M-Z结构的两臂由于电光系数
的^:号相反，致使两臂相位发生相反的变化，形成推挽结构，实现电光调制。而在温度发
生变化时，在波导区域，传感器M-Z结构的两臂由于热释电系数、电光系数的符号均相 反，"负负得正"，致使两臂相位发生相同的变化，从而互相抵消；在波导区域之外，由于 丰及化周期布满整个铁电晶片，所以热释电系数的符号也处处周期性反转，热释电效应产生 的电荷的符号也相应地处处周期性反转，因而这些电荷的电场绝大部分将互相抵消，而不 至于干扰测量。如此便达到了本发明的目的。
与原有光电集成电场传感器相比，本发明的有益效果如下
1) 具有优越的温度稳定性，既方便了实验室测量，又适合于工业现场测量。
2) 整个传感器不包含任何金属部件，对待测电场的影响进一步减小。
3) 继承了原有光电集成电场传感器响应速度快、频带宽、可以测量强电场信号的时 域波形等所有优点。，
图1为现有光电集成电场传感器结构示意图。
图2为本发明的实施例的结构示意图。
图3为本发明的另一个实施例的结构示意图。
图4为应用本发明的光电集成电场测量系统的示意图。
具体实施例方式
本发明提出的基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器结合附图及实施例详细 说明如下本发明提出的基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器的结构如图2或图3所 示，该传感器包括具有电光效应的周期极化铁电晶片1 (图中标有字母Z的短箭头指示了 该箭头所在电畴的方向)，在该晶片表面一个或多个极化周期内形成的沿着平行于畴壁的 方向的马赫-曾德尔干涉仪结构(M-Z结构)的光波导2，该光波导包括输入段、输出段及 由两个平行臂组成的中间段；所述光波导的两臂分别处于所述一个或多个极化周期中极化 方向相反的区域内，即一个臂处于极化方向向上的电畴区域(如图中Zt所示)， 一个臂 处于极化方向向下的电畴区域(如图中Z4所示)，因而两臂的热释电系数、电光系数的 符号均相反。
本发明的M-Z结构的光波导2的具体尺寸决定于输入单色偏振光的波长、制作工艺 和待测电场强度等因素，通常情况下，待测电场的强度越强，M-Z结构光波导的两臂的 长度越短。对于1550nm波长的输入光， 一般光波导宽度为几微米，中间段互相平行的两 条光波导长度为几十毫米、间距为几十至一百多微米。
本发明的具有电光效应的周期极化铁电晶片1,可以是周期极化铌酸锂晶片或者周期 极化钽酸锂晶片，其外形通常为尺度在几个或者几十毫米的长方体。其尺寸(如图中&、 丄2的长度)只要满足能够容纳M-Z结构的光波导2即可。
在所述周期极化铁电晶片中，极化周期布满整个铁电晶片，全部极化周期沿所述光波 导的垂直方向排列，该每个极化周期的宽度(在图2中是/t,在图3中是^、 A和A) 相等或不相等。且M-Z结构的光波导2的输入、输出及中间段互相平行的两条光波导不 与电畴边界重合。在此前提下，理论上，极化周期的宽度越小，每个极^1;周期中极化方向 相反的电畴区域宽度之比越接近1:1，则传感器的温度稳定性越高。而实际上，受到目前 生产工艺的限制，极化周期的宽度通常为几个微米到几百微米，每个极化周期中极化方向 相反的电畴区域宽度之比的最优值与实现电畴反转的具体方法和工艺参数有关。
本发明的晶片周期极化结构为采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、电子束扫 描法、外加电场极化法或者晶体生长法中的任何一种得到。目前，所述最后两种方法的效 果最好。
参照图2，本发明的一个实施例的材料和结构的尺寸参数是周期极化铁电晶片l采 用周期极化铌酸锂晶片，其电畴周期反转结构为采用晶体生长法得到，外形为长方体，尺 寸Z4为3mm，丄2为50mm，丄3为2mm，其每个极化周期的宽度」相同，均为200^m， 周期总数w为15个，延&方向布满整个晶片，每个极化周期中极化方向相反的电畴区域 宽度之比为1:1。M-Z结构光波导2的输入单色偏振光波长1550nm，光波导宽度为6.5|im， 输入、输出端均为Y形分叉。中间段互相平行的两条光波导长度为10mm，间距100pm， 设置在一个宽度为j的周期中极化方向相反的电畴区域内。
参照图3，本发明的另一个实施例的材料和结构的尺寸参数是周期极化铁电晶片1 采用周期极化钽酸锂晶片，其电畴周期反转结构为采用外加电场极化法得到，外形为长方 体，尺寸二为5mm，丄2为40mm，丄3为0.5mm，其极化周期的宽度^为50拜，」2为70pm， A为2(^m，」4为10拜，分别对应总数^为2个，《2为1个，化为120个，w4 为243个。所有极化周期延A方向布满整个晶片。每个极化周期中极化方向相反的电畴 区域宽度之比为1:1。 M-Z结构光波导2的输入单色偏振光波长1550nm，光波导宽度为 6.5pm，输入端为Y形分叉，输出端为3dB耦合器。中间段互相平行的两条光波导长度为 20mm，间距75pm,设置在相邻的、宽度为^和」2的两个周期中距离最远且极化方向相 反的电畴区域内。
本发明用绝缘材料封装后即可用于各种应用场合，特别适用于高电压或电磁脉冲环境 下的电场测量。
本发明可应用在电场测量系统中，该系统结构及工作原理如图4所示；激光源3产生 的线偏振激光通过保偏光纤4输入用绝缘材料封装的传感器5中的M-Z结构光波导。沿 平行于电畴极化方向施加的待测电场0就会对传感器的输出光功率进行调制。该输出光通 过单模光纤6输入光电转换器7，将光功率信号转换为电压信号，经由射频电缆8进入电 信号检测器9。因为光电转换器7输出的电压信号与输入的光功率信号成正比，后者又受 到外加待测电场0的调制，所以通过检测电压信号即可得到外加待测电场0。
本发明的电场传感器可以用于高电压工程领缚的电场(尤其是强电场)测量，包括工 频电场测量、电力系统操作冲击电场测量、雷电冲击电场测量和快速暂态脉冲电场测量等。 不仅可以测量待测电场的幅值，而且可以测量待测电场的时域波形，可以用于电力系统设 备运行状况的研究领域、长空气间隙放电过程的机理研究领域和其它需要测量电场的应用 领域。
权利要求
1、一种基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，其特征在于，该传感器包括具有电光效应的周期极化铁电晶片，在该晶片表面一个或多个极化周期内形成的沿着平行于畴壁的方向的马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导，该光波导包括输入段、输出段及由两个平行臂组成的中间段；所述光波导的两臂分别处于所述一个或多个极化周期中极化方向相反的区域内；在所述周期极化铁电晶片中，极化周期布满整个铁电晶片，全部极化周期沿所述光波导的垂直方向排列，该每个极化周期的宽度相等或不相等。
2、如权利要求1所述电场传感器，其特征在于，所述晶片的周期极化结构为采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、电子束扫描法、外加电场极化法或者晶体生长法中的任何一种得到。
全文摘要
本发明涉及一种基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，属于电场测量技术领域。本发明提出的基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，包括具有电光效应的周期极化铁电晶片，在该晶片表面一个或多个极化周期内形成的沿着平行于畴壁的方向的马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导，该光波导包括输入段、输出段及由两个平行臂组成的中间段；所述光波导的两臂分别处于所述一个或多个极化周期中极化方向相反的区域内。在所述周期极化铁电晶片中，极化周期布满整个铁电晶片。本发明可以明显地改进现有的光电集成电场传感器的温度稳定性，而且还进一步减小了电场传感器对待测电场的影响，同时继承了现有光电集成电场传感器的其它所有优点。
文档编号G01R15/24GK101493481SQ200910078519
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者何金良, 余占清, 嵘 曾, 欢 李, 博 王 申请人:清华大学