集成光学二维电场传感器及测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，具体是设及一种集成光学二维电场传感器及测量系 统。
【背景技术】
[0002] 测量电场的分布对高压电工程研究，如电晕放电、间隙放电和高功率电磁脉冲检 巧。，如核磁爆脉冲等有着重要的指导作用。高压电中微秒级别瞬时脉冲的检测有利于理解 长间隙放电的物理机制；高功率电磁脉冲的幅值和频率信息可用分析和评估其造成的危 害，从而为电子设备的保护提供参考。传统的电场测量系统是采用电学的有源金属传感器。 但电学传感器的金属部分如金属探头、同轴电缆对待测电场产生严重崎变，使得测量结果 误差很大。且实际的电场干扰电场通常覆盖很宽频带，可能是几曲Z到几十GHz。而传统的 电学传感器只能工作在某个频点附近很窄的范围内，限制了其测量的带宽范围。为了克服 传统电学传感器存在的局限性，研究人员利用了具有线性电光效应晶体如妮酸裡，制作了 集成光学电场传感器，其具有灵敏度高、带宽大、体积小等优点。
[0003] 集成光学电场传感器的研究目前主要集中在一维测量，运仅仅适用于电场方向明 确的测量。然而，待测电场的实际方向往往未知。如果传感器的天线极化方向与待测电场 方向不一致，测量得到电场幅值是实际电场在天线极化方向上的投影，不能准确地反映实 际电场的幅值信息。即使知道待测电场方向，待测电场可能是变化的场，方向也可能随时变 化，人为的改变传感器放置方向也不切实际。
[0004] 所W电场传感器至少能测量一维W上的电场如二维电场和S维电场，才能满 足实际电场测量的要求。平行平面电场和球面电场就是二维电场。例如，申请号为 201210348311. 8的中国专利文献公开了一种基于共路干设的集成电场传感器，包括妮酸裡 基片、娃基片、垫片、探测单元和调制单元，妮酸裡基片和娃基片通过紫外固化胶相互粘接， 妮酸裡基片和娃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。 该文献中，集成电场传感器结构较为复杂，测量误差较大，测量准确性较低。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种结构紧凑，处理过程简单，检测误差 低，检测准确度较高的集成光学二维电场传感器，实现了二维电场矢量的测量。
[0006] 本发明还提供了一种集成光学二维电场传感器测量系统，该系统测量方便，精度 局。
[0007] -种集成光学二维电场传感器，包括妮酸裡基片，所述妮酸裡基片上覆设有氧化 层，该氧化层面向妮酸裡基片一侧设有的两个平行设置的光波导，另一侧设有与两个光波 导位置分别对应的两组偶极子天线，分别跨接不同光波导臂；所述两组偶极子天线的极化 方向正交。
[0008] 本发明中，妮酸裡基片表面的两条平行的光波导沿z向布置，即也是光波导的传 输方向，通过铁扩散形成。两个光波导之间的间距为100ym-200ym。
[0009] 作为优选，所述两组偶极子天线为锥形偶极子天线，其轴线方向与光波导传输方 向之间的夹角0分别为45度和135度。作为进一步优选，每组偶极子天线由两个分别设 置在光波导两侧且中屯、对称的=角形子块组成，两个子块的底边与光波导传输方向相互平 行，两个底边的中线构成所述的轴线。
[0010] 本发明中，所述的偶极子天线为锥形结构。第一组偶极子天线的轴线方向与底边 (Z方向）成45°夹角，其极化方向为45°，在极化方向有最大电场响应，极化方向的垂直方 向响应几乎为零；第二组偶极子天线的轴线方向与底边（Z方向）成135°夹角，其极化方 向为135°，在极化方向有最大电场响应，极化方向垂直方向的电场响应几乎为零。第一组 偶极子天线和第二组偶极子天线的极化方向相互正交，可W分别测量二维电场矢量沿45° 和135°两正交分量。
[0011] 偶极子天线的几何尺寸，如间距Gap、底边宽度Wa和高度化会影响电场传感器的 灵敏度和响应带宽。天线间距Gap越大，灵敏度越小，响应带宽几乎没变化；天线底边宽度 Wa越窄，灵敏度越低，响应带宽越大；天线高度化越高，灵敏度越高，响应带宽越小。运些 参数可通过仿真计算得到的。第一组偶极子天线和第二组偶极子天线有相同的间距、底边 宽度和高度，两偶极子天线具有相同的灵敏度和响应带宽。作为优选，两组偶极子天线为镜 面对称结构。作为优选，=角形子块的底边的宽度要小于=角形子块的高度。
[0012] 作为优选，所述的氧化层为二氧化娃（Si化)，目的是使得微波和光波更易实现相 位匹配，同时减小由于金属天线吸收带来的光波损耗，厚度为300nm-500nm。
[0013] 为了实现集成光学电场传感器二维电场矢量的测量，将两个极化方向正交的偶极 子天线制作在同一妮酸裡基片的不同波导上，两偶极子天线分别测量二维电场矢量沿45° 和135°两正交分量，最终矢量合成从而获得二维电场的方向、幅值和频率信息。将普通锥 形偶极子天线设计成斜锥形偶极子，即天线的轴线方向与底边（Z方向）成特定的角度45° 和135°，从而改变锥形偶极子天线的极化方向为45°和135°。将两偶极子天线制作在同 一基片上，其进一步提高了传感器的测量准确性，减小了传感器体积并简化了制作工艺。
[0014] 作为优选，两组偶极子天线的材料为金属，如金。
[0015] 本发明还提供了一种集成光学二维电场传感器测量系统，包括光源、W及与光源 依次连接的保偏光纤、保偏光纤禪合器、电场传感器、单偏振光纤、光电探测器和信号处理 单元，其特征在于，所述电场传感器为上述任一技术方案所述的集成光学二维电场传感器。
[0016] 本发明提出的集成光学电场传感器，具有W下的特点：
[0017] 本发明所提出的集成光学二维电场传感器是制作在同一片妮酸裡基片上，和传统 的集成光学一维传感器体积相似，相比于已经提出的=维光学电场传感器，体积缩小了很 多。
[0018] 本发明所提出的集成光学二维电场传感器中的天线位于同一妮酸裡平面，距离较 近，分别感应到的电场更能近似等同为同一位置的电场，测量误差小，测量准确性更高。
[0019] 本发明所提出的集成光学二维电场传感器主要基于光波导中TE和TM模式的干设 原理，相比于基于马赫增德尔结构的光波导结构的集成光学电场传感器，其具有更好的溫 度稳定性。
[0020] 本发明所提出的集成光学二维电场传感器由妮酸裡基片、光波导、两组偶极子天 线、氧化层构成，结构紧凑，制作工艺成熟、简单。
[0021] 本发明所提出的集成光学二维传感器是通过分别测量正交方向的两个电场值，最 后直接矢量合成就可W得到待测电场矢量的方向和幅值，后续矢量合成处理过程简单。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例中集成光学二维电场传感器的俯视结构图。
[0023] 图2是图1所述集成光学二维电场传感器在虚线L处对应的横截面示意图。
[0024] 图3是本发明实施例中集成光学二维电场传感器测量系统的结构框图。
[00巧]图中，1为妮酸裡化iNb03