基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统及测量方法

本发明涉及光传感技术领域，具体而言，涉及基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统及测量方法。

背景技术：

相关技术中，一般通过电压互感器来实现变电站及换流站内部电气设备和关键节点的电压实时感知，但其功能单一，频带上限一般不超过khz，对于故障、谐波、过电压、涌流等信号，无法实现实时测量。同时还存在成本昂贵、体积较大，难以安装到空间有限的输配电线路上等问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统及测量方法，利用电光聚合物的电光性能和微环谐振器的谐振特性，基于光电效应可实现电压的实时感知测量。

本发明提供了一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统，所述系统包括：

自下而上层叠设置的硅衬底层、二氧化硅下包层和单晶硅芯层，其中，所述单晶硅芯层包括耦合的直波导和环形波导，所述直波导的两端分别用于输入光和输出光；以及

覆盖在所述环形波导上的电光聚合物薄膜，其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，所述环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述直波导的输出光的谐振波长发生漂移，以实现对所述被测电压的测量。

作为本发明进一步的改进，所述电光聚合物薄膜的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯和分散橙3丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和分散红1甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甲酯和分散黄7甲基丙烯酸酯的电光聚合物溶液制成，其中，所述电光聚合物溶液旋涂在所述环形波导上。

作为本发明进一步的改进，所述电光聚合物薄膜的厚度为300～800nm。

作为本发明进一步的改进，基模偏振态光作为所述直波导的输入光并通过锥形光纤垂直耦合进入所述直波导，所述基模偏振态光通过偏振控制器对输入光源的输出光进行偏振控制得到，其中，所述输入光源通过单模光纤与所述偏振控制器相连；

所述直波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器中进行检测。

作为本发明进一步的改进，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地；

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变。

作为本发明进一步的改进，所述直波导的输入光在所述环形波导中传播时，基于倏逝场向所述二氧化硅下包层和电光聚合物薄膜渗透，当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述环形波导中有效折射率相应改变，所述直波导的输出光的谐振波长发生漂移，

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

所述环形波导的有效折射率的改变量为：

δneff＝kδneo

所述直波导的输出光的谐振波长的漂移量为：

式中，u为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r33为所述电光聚合物薄膜的电光系数，neo为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，δneo为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量，neff为所述环形波导的有效折射率，δneff为所述环形波导的有效折射率的改变量，k为倏逝场耦合系数，λ为谐振波长，δλ为谐振波长的漂移量。

本发明还提供了一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统的测量方法，所述方法包括：

将基模偏振态光输入至直波导中，所述基模偏振态光在环形波导中传播并在所述环形波导中产生谐振；

施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述直波导的输出光的谐振波长发生漂移；

根据检测到的谐振波长的漂移量，确定所述被测电压的大小。

作为本发明进一步的改进，输入光源通过单模光纤与偏振控制器相连，

所述将基模偏振态光输入至直波导中，所述基模偏振态光在环形波导中传播并在所述环形波导中产生谐振，包括：

将所述输入光源的输出光经过所述偏振控制器控制后得到所述基模偏振态光；

将所述基模偏振态光通过锥形光纤垂直耦合进入所述直波导中，所述基模偏振态光在环形波导中传播并在所述环形波导中产生谐振；

所述直波导的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器和示波器，以对所述直波导的输出光进行检测。

作为本发明进一步的改进，所述系统放置于平板电极中间，所述平板电极的上表面连接至高压源，所述平板电极的下表面接地，

所述施加被测电压，以对电光聚合物薄膜的有效折射率进行调制，包括：

通过所述高压源对所述平板电极施加被测电压，所述电光聚合物薄膜的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜的有效折射率的调制；

其中，所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量为：

式中，u为施加在所述平板电极上的被测电压值，d为所述平板电极的间距，r33为所述电光聚合物薄膜的电光系数，neo为所述电光聚合物薄膜的有效折射率，δneo为所述电光聚合物薄膜的有效折射率的改变量。

作为本发明进一步的改进，所述当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述环形波导的有效折射率相应发生改变，使所述直波导的输出光的谐振波长发生漂移，包括：

所述基模偏振态光在所述环形波导中传播时，所述基模偏振态光基于倏逝场向二氧化硅下包层和电光聚合物薄膜渗透；

当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述环形波导中有效折射率相应改变，其中，所述环形波导的有效折射率的改变量为：δneff＝kδneo，式中，neff为所述环形波导的有效折射率，δneff为所述环形波导的有效折射率的改变量，k为倏逝场耦合系数；

当所述环形波导中有效折射率发生改变时，所述直波导的输出光的谐振波长发生漂移，其中，所述直波导的输出光的谐振波长的漂移量为：式中，λ为谐振波长，δλ为谐振波长的漂移量。

本发明的有益效果为：

使用基于soi(silicon-on-insulator)的微环谐振器结构与传统的cmos工艺兼容且易于大规模批量生产，同时大幅度减小了传统电压互感器的体积，实现芯片式传感器，利于集成化、微型化，便于分布贴片式安装测量；

采用非接触式光学电压测量方法，与被测线路无直接电气连接，绝缘强度高，对线路影响小，可以抗电磁干扰，同时减小了安全隐患；

测量系统结构简单，具有灵敏度高、微型化、集成化的特点，通过优化波导的关键尺寸以及电光聚合物的电光性能，可以改变系统的灵敏度，以灵活适用于各种场景之下，实现被测电压的实时精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一示例性实施例所述的一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统的结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例所述的电光聚合物薄膜与微环谐振器的横截面结构图；

图3为本发明一示例性实施例所述的利用图1中的电压测量系统进行电压测试的试验装置示意图；

图4为本发明一示例性实施例所述的一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统的测量方法的流程示意图。

图中，

1、直波导；2、环形波导；3、电光聚合物薄膜；4、二氧化硅下包层；5、硅衬底层；6、单晶硅芯层；7、可调谐激光源；8、偏振控制器；9、平板电极；10、光电探测器；11、示波器；12、高压源；13、电压测量系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

本发明实施例所述的一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统，如图1-2所示，所述系统包括：

自下而上层叠设置的硅衬底层5、二氧化硅下包层4和单晶硅芯层6，其中，所述单晶硅芯层6包括耦合的直波导1和环形波导2，所述直波导1的两端分别用于输入光和输出光；以及

覆盖在所述环形波导2上的电光聚合物薄膜3，其中，所述电光聚合物薄膜3的有效折射率在被测电压作用下发生改变时，所述环形波导2的有效折射率相应发生改变，使所述直波导1的输出光的谐振波长发生漂移，以实现对所述被测电压的测量。

电压是电网中的重要感知量，现有技术一般是通过电压互感器来实现测量。这种传感器功能单一，频带上限一般不超过khz，对于故障、谐波、过电压、涌流等信号，无法实现实时测量。同时还存在成本昂贵、体积较大，难以安装到空间有限的输配电线路上等问题。本发明所述系统基于电光聚合物和微环谐振器，形成电压的芯片式传感器，利用电光聚合物的电光性能和微环谐振器的谐振特性，减小了传统电压传感器的体积，便于分布贴片式安装测量。基于电光效应，通过测量介质材料在外加电压作用下的光学性质改变量(谐振波长改变量)获取待测电压大小，实现电压的实时感知测量，以实现电网在复杂网络和条件下的安全可靠高效运行，可应用频带测量范围宽的应用场景下。

可以理解的是，耦合的直波导1和环形波导2构成了微环谐振器。所述硅衬底层5、所述二氧化硅下包层4和所述单晶硅芯层6采用绝缘体上硅(soi，silicon-on-insulator)材料制作。与传统的cmos工艺兼容且易于大规模批量生产，同时大幅度减小了传统电压互感器的体积，实现芯片式传感器，利于集成化、微型化。

其中，所述二氧化硅下包层4的厚度为2μm～3μm，所述硅衬底层5的厚度为400nm～700nm，所述单晶硅芯层6的厚度为150nm～280nm。通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、ipc深硅刻蚀和去胶处理，在所述单晶硅芯层6中得到所述直波导1和所述环形波导2，可以理解的是所述直波导1和所述环形波导2为硅波导。其中，所述直波导1和所述环形波导2的高度均为150nm～280nm，所述直波导1和所述环形波导2的宽度均为400nm～600nm，所述环形波导2的半径为5μm～120μm，所述直波导1和所述环形波导2之间的耦合间距为100nm～300nm。

例如，单晶硅芯层厚度为220nm，硅衬底厚度为500μm，二氧化硅下包层厚度为2μm，所述直波导1和所述环形波导2的宽度均为400nm，所述直波导1和所述环形波导2的刻蚀高度均为220nm，所述环形波导2的半径为30μm，所述直波导1与所述环形波导之间的耦合间距为200nm。上述参数为示例性举例，本发明对各个参数的具体取值不做限定。

一种可选的实施方式中，所述电光聚合物薄膜3的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯和分散橙3丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和分散红1甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甲酯和分散黄7甲基丙烯酸酯的电光聚合物溶液制成，其中，所述电光聚合物溶液旋涂在所述环形波导2上。

一种可选的实施方式中，所述电光聚合物薄膜3的厚度为300～800nm。

本发明利用电光聚合物具有较大的非线性光学效应、超快的响应速度、低的介电常数、高的激光损伤阈值、价格低、优良的可加工性和可集成性以及分子结构易于调节等优点，制备所述电光聚合物薄膜，可以获得更高的电光系数，提升电光性能的同时又能兼备良好的热稳定性和相容性，得到灵敏度高的电光器件。所述电光聚合物薄膜3采用复合材料制备的电光聚合物溶液制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯和分散橙3丙烯酰胺的电光聚合物溶液、聚甲基丙烯酸甲酯和分散红1甲基丙烯酸甲酯的电光聚合物溶液或聚甲基丙烯酸甲酯和分散黄7甲基丙烯酸酯的电光聚合物溶液，本发明对电光聚合物溶液的复合材料不做具体限定。在制备时，将电光聚合物溶液利用匀胶机旋涂在所述环形波导2上，其中，匀胶机转速例如设定为6000r/min，旋转时间例如设定为40s，可获得例如700nm的电光聚合物薄膜，将该电光聚合物薄膜用烘箱烘烤例如12小时后，对其进行电晕极化处理(其中，极化电压例如采用10kv，极化电流例如采用40μa)，最后再采用例如100℃的玻璃化温度进行玻璃化处理。上述制备过程中的各个参数为示例性举例，可根据需要制备的电光聚合物薄膜的厚度适应性调整制备过程中的各个参数。

一种可选的实施方式，本发明所述系统在进行电压测量时，如图3所示，基模偏振态光作为所述直波导1的输入光并通过锥形光纤垂直耦合进入所述直波导1，所述基模偏振态光通过偏振控制器8对输入光源7的输出光进行偏振控制得到，其中，所述输入光源7通过单模光纤与所述偏振控制器8相连，所述直波导1的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器10和示波器11中进行检测。其中，输入光源7例如采用可调谐激光器(例如：型号为newfocustlb-6728-p)，波长范围1520nm～1570nm。可以理解的是，本发明采用基模偏振态光进行耦合，可以实现更低的损耗，更低的色散。本发明采用锥形光纤来入射光，并将光从锥形光纤的大端入射，可以提高入射端损伤阈值，准直入射光束，提高光束质量。

一种可选的实施方式，本发明所述系统在进行电压测量时，如图3所示，所述系统(即电压测量系统13)放置于平板电极9中间，所述平板电极9的上表面连接至高压源12，所述平板电极9的下表面接地，通过所述高压源12对所述平板电极9施加被测电压，所述电光聚合物薄膜3的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变。可以理解的是，平板电极9包括平行放置的一个上极板和一个下极板，上极板接至高压源12，下极板接地。高压源12施加被测电压后，两个极板间产生均匀电场，在均匀电场作用下电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变，两个极板间的电压即为被测电压为u。

本发明所述系统采用非接触式光学电压测量方法，与被测线路无直接电气连接，绝缘强度高，对被测线路影响小，可以抗电磁干扰，同时减小了安全隐患。

一种可选的实施方式，所述直波导1的输入光在所述环形波导2中传播时，基于倏逝场向所述二氧化硅下包层4和电光聚合物薄膜3渗透，当所述电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变时，所述环形波导2中有效折射率相应改变，所述直波导1的输出光的谐振波长发生漂移，

其中，所述电光聚合物薄膜3的有效折射率的改变量为：

所述环形波导2的有效折射率的改变量为：

δneff＝kδneo

所述直波导1的输出光的谐振波长的漂移量为：

式中，u为施加在所述平板电极9上的被测电压值，d为所述平板电极9的间距，r33为所述电光聚合物薄膜3的电光系数，neo为所述电光聚合物薄膜3的有效折射率，δneo为所述电光聚合物薄膜3的有效折射率的改变量，neff为所述环形波导2的有效折射率，δneff为所述环形波导2的有效折射率的改变量，k为倏逝场耦合系数，λ为谐振波长，δλ为谐振波长的漂移量。

可以理解的是，光在波导中传输时并没有全部限制在波导中，而是会基于倏逝场向二氧化硅下包层和电光聚合物薄膜渗透，当所述电光聚合物薄膜的有效折射率发生改变时，所述环形波导中有效折射率会相应改变。当光进入环形波导中传播时，若绕微环传播一周所发生的光程差是传播光波长的整数倍，则传播光将能发生谐振而得到加强，该谐振点的波长值便是谐振波长，当所述环形波导中有效折射率发生改变时，所述直波导的输出光的谐振波长将会发生漂移。根据测得的谐振波长的漂移量，即可确定所述被测电压的大小。

本发明所述系统结构简单，具有灵敏度高、微型化、集成化的特点，通过优化波导的关键尺寸以及电光聚合物薄膜的电光性能，可以改变所述系统的灵敏度，以灵活适用于各种场景之下，实现被测电压的实时精确测量。

本发明实施例所述的一种基于电光聚合物和微环谐振器的电压测量系统的测量方法，其中，所述系统如前述实施方式所述，这里不再赘述。如图4所示，所述方法包括：

将基模偏振态光输入至直波导1中，所述基模偏振态光在环形波导2中传播并在所述环形波导2中产生谐振；

施加被测电压，以对电光聚合物薄膜3的有效折射率进行调制；

当所述电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变时，所述环形波导2的有效折射率相应发生改变，使所述直波导1的输出光的谐振波长发生漂移；

根据检测到的谐振波长的漂移量，确定所述被测电压的大小。

一种可选的实施方式中，输入光源7通过单模光纤与偏振控制器8相连，

所述将基模偏振态光输入至直波导1中，所述基模偏振态光在环形波导2中传播并在所述环形波导2中产生谐振，包括：

将所述输入光源7的输出光经过所述偏振控制器8控制后得到所述基模偏振态光；

将所述基模偏振态光通过锥形光纤垂直耦合进入所述直波导1中，所述基模偏振态光在环形波导2中传播并在所述环形波导2中产生谐振；

所述直波导1的输出光通过锥形光纤连接至光电探测器10和示波器11，以对所述直波导11的输出光进行检测。

一种可选的实施方式中，所述系统(即电压测量系统13)放置于平板电极9中间，所述平板电极9的上表面连接至高压源12，所述平板电极9的下表面接地，

所述施加被测电压，以对电光聚合物薄膜3的有效折射率进行调制，包括：

通过所述高压源12对所述平板电极9施加被测电压，所述电光聚合物薄膜3的有效折射率在所述被测电压作用下发生改变，实现对所述电光聚合物薄膜3的有效折射率的调制；

其中，所述电光聚合物薄膜3的有效折射率的改变量为：

式中，u为施加在所述平板电极9上的被测电压值，d为所述平板电极9的间距，r33为所述电光聚合物薄膜3的电光系数，neo为所述电光聚合物薄膜3的有效折射率，δneo为所述电光聚合物薄膜3的有效折射率的改变量。

一种可选的实施方式中，所述当所述电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变时，所述环形波导2的有效折射率相应发生改变，使所述直波导1的输出光的谐振波长发生漂移，包括：

所述基模偏振态光在所述环形波导2中传播时，所述基模偏振态光基于倏逝场向二氧化硅下包层4和电光聚合物薄膜3渗透；

当所述电光聚合物薄膜3的有效折射率发生改变时，所述环形波导2中有效折射率相应改变，其中，所述环形波导2的有效折射率的改变量为：δneff＝kδneo，式中，neff为所述环形波导2的有效折射率，δneff为所述环形波导2的有效折射率的改变量，k为倏逝场耦合系数；

当所述环形波导2中有效折射率发生改变时，所述直波导1的输出光的谐振波长发生漂移，其中，所述直波导1的输出光的谐振波长的漂移量为：式中，λ为谐振波长，δλ为谐振波长的漂移量。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。