專利名稱：基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng) 傳感器，尤其適于高電場(chǎng)幅值情況下的隔離及強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量。
背景技術(shù)：
在高電壓或電磁脈沖環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場(chǎng)。對(duì)之進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵部件就是電 場(chǎng)傳感器。該傳感器不僅要能夠耐受幅值很高的強(qiáng)電場(chǎng)，而且要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行測(cè)量；為了 精確測(cè)量，還要求對(duì)待測(cè)電場(chǎng)影響較小。
在高電壓工程電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)電磁感應(yīng)原理的傳感器尺寸較大，整體為金屬結(jié)構(gòu)， 嚴(yán)重影響待測(cè)電場(chǎng)，且供電問題也難以解決。利用集成光學(xué)技術(shù)研制的光電集成電場(chǎng)傳感 器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有較大優(yōu)勢(shì)，其尺寸小、頻帶寬、可測(cè)場(chǎng)強(qiáng)高，為高電壓工程領(lǐng) 域的強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量提供了一種有效的手段。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用具有電光效應(yīng)的鐵 電晶片(比如常用的X方向切割的鈮酸鋰晶片)101，在該晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散或質(zhì)子 交換方法形成馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)(M-Z結(jié)構(gòu))的光波導(dǎo)102，其中間段為互相平行的 兩條光波導(dǎo)(兩臂)，在互相平行的兩條光波導(dǎo)中的一段的表面敷設(shè)金屬電極103。
在外加待測(cè)電場(chǎng)0 (圖中箭頭為該電場(chǎng)方向)通過金屬電極103作用到光波導(dǎo)102上， 調(diào)制了光波導(dǎo)的輸出功率，通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，檢測(cè)輸出電壓的變化來 得到外加待測(cè)電場(chǎng)O。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于所采用的鐵電晶體(如鈮酸鋰晶體)的熱釋電效應(yīng)，在傳感器溫 度發(fā)生變化時(shí)，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與外加待測(cè)電場(chǎng)O方向平行的熱釋電電場(chǎng)，并與前者疊加 在一起，干擾測(cè)量。實(shí)踐證明，這種干擾給便捷、準(zhǔn)確地測(cè)量電場(chǎng)帶來了極大的困難。
針對(duì)這種問題，測(cè)量中經(jīng)常需要長(zhǎng)時(shí)間靜置傳感器，使其和周圍空氣溫度達(dá)到充分平 衡，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的熱釋電電場(chǎng)被鈮酸鋰晶體的電導(dǎo)效應(yīng)緩慢中和。這樣做不僅需要很長(zhǎng) 時(shí)間(幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí))，而且也給操作帶來了極大的不便——測(cè)量過程中甚至完全 不能用手直接觸碰傳感器，否則會(huì)引起傳感器輸出劇烈變化。
另一方面，周期極化鐵電晶體是一類近二十年來逐漸發(fā)展起來的晶體材料。其特點(diǎn)是 采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子交換加快速熱處理法、電子束掃描法、外加電場(chǎng)極化法或者晶體生 長(zhǎng)法來實(shí)現(xiàn)鐵電晶體的電疇在空間上周期性的反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)的電疇中，與奇數(shù)階張量相聯(lián)系 的晶體物理性質(zhì)，如熱釋電系數(shù)、電光系數(shù)等的符號(hào)將發(fā)生改變。本發(fā)明正是基于這種新 興的材料。
在中國專利98109631.X、 94190479.2和941卯476.8中，均涉及了應(yīng)用電疇在局部反轉(zhuǎn)的鐵電晶體材料來制作電場(chǎng)傳感器的實(shí)施例。它們所使用的鐵電晶體材料是在M-Z結(jié) 構(gòu)波導(dǎo)區(qū)域局部進(jìn)行了電疇的反轉(zhuǎn)，因而其溫度穩(wěn)定性尚未達(dá)到最佳，還可以進(jìn)一步改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有光電集成電場(chǎng)傳感器的不足之處，提出一種基于周期極化 鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器，具有無金屬電極，溫度穩(wěn)定性高，適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量 的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器，其特征在于，該傳感器 包括具有電光效應(yīng)的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個(gè)或多個(gè)極化周期內(nèi)形成的沿著 平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括輸入段、輸出段及
由兩個(gè)平行臂組成的中間段；所述光波導(dǎo)的兩臂分別處于所述一個(gè)或多個(gè)極化周期中極化 方向相反的區(qū)域內(nèi)。在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個(gè)鐵電晶片，全部極化 周期沿所述光波導(dǎo)的垂直方向排列，該每個(gè)極化周期的寬度相等或不相等。
本發(fā)明的工作原理在外加待測(cè)電場(chǎng)作用下，傳感器M-Z結(jié)構(gòu)的兩臂由于電光系數(shù)
的^:號(hào)相反，致使兩臂相位發(fā)生相反的變化，形成推挽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。而在溫度發(fā)
生變化時(shí)，在波導(dǎo)區(qū)域，傳感器M-Z結(jié)構(gòu)的兩臂由于熱釋電系數(shù)、電光系數(shù)的符號(hào)均相 反，"負(fù)負(fù)得正"，致使兩臂相位發(fā)生相同的變化，從而互相抵消；在波導(dǎo)區(qū)域之外，由于 豐及化周期布滿整個(gè)鐵電晶片，所以熱釋電系數(shù)的符號(hào)也處處周期性反轉(zhuǎn)，熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生 的電荷的符號(hào)也相應(yīng)地處處周期性反轉(zhuǎn)，因而這些電荷的電場(chǎng)絕大部分將互相抵消，而不 至于干擾測(cè)量。如此便達(dá)到了本發(fā)明的目的。
與原有光電集成電場(chǎng)傳感器相比，本發(fā)明的有益效果如下
1) 具有優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性，既方便了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，又適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
2) 整個(gè)傳感器不包含任何金屬部件，對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的影響進(jìn)一步減小。
3) 繼承了原有光電集成電場(chǎng)傳感器響應(yīng)速度快、頻帶寬、可以測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)的時(shí) 域波形等所有優(yōu)點(diǎn)。，


圖1為現(xiàn)有光電集成電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為應(yīng)用本發(fā)明的光電集成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì) 說明如下本發(fā)明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2或圖3所 示，該傳感器包括具有電光效應(yīng)的周期極化鐵電晶片1 (圖中標(biāo)有字母Z的短箭頭指示了 該箭頭所在電疇的方向)，在該晶片表面一個(gè)或多個(gè)極化周期內(nèi)形成的沿著平行于疇壁的 方向的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)(M-Z結(jié)構(gòu))的光波導(dǎo)2，該光波導(dǎo)包括輸入段、輸出段及 由兩個(gè)平行臂組成的中間段；所述光波導(dǎo)的兩臂分別處于所述一個(gè)或多個(gè)極化周期中極化 方向相反的區(qū)域內(nèi)，即一個(gè)臂處于極化方向向上的電疇區(qū)域(如圖中Zt所示)， 一個(gè)臂 處于極化方向向下的電疇區(qū)域(如圖中Z4所示)，因而兩臂的熱釋電系數(shù)、電光系數(shù)的 符號(hào)均相反。
本發(fā)明的M-Z結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)2的具體尺寸決定于輸入單色偏振光的波長(zhǎng)、制作工藝 和待測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度等因素，通常情況下，待測(cè)電場(chǎng)的強(qiáng)度越強(qiáng)，M-Z結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的兩臂的 長(zhǎng)度越短。對(duì)于1550nm波長(zhǎng)的輸入光， 一般光波導(dǎo)寬度為幾微米，中間段互相平行的兩 條光波導(dǎo)長(zhǎng)度為幾十毫米、間距為幾十至一百多微米。
本發(fā)明的具有電光效應(yīng)的周期極化鐵電晶片1,可以是周期極化鈮酸鋰晶片或者周期 極化鉭酸鋰晶片，其外形通常為尺度在幾個(gè)或者幾十毫米的長(zhǎng)方體。其尺寸(如圖中&、 丄2的長(zhǎng)度)只要滿足能夠容納M-Z結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)2即可。
在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個(gè)鐵電晶片，全部極化周期沿所述光波 導(dǎo)的垂直方向排列，該每個(gè)極化周期的寬度(在圖2中是/t,在圖3中是^、 A和A) 相等或不相等。且M-Z結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)2的輸入、輸出及中間段互相平行的兩條光波導(dǎo)不 與電疇邊界重合。在此前提下，理論上，極化周期的寬度越小，每個(gè)極^1;周期中極化方向 相反的電疇區(qū)域?qū)挾戎仍浇咏?:1，則傳感器的溫度穩(wěn)定性越高。而實(shí)際上，受到目前 生產(chǎn)工藝的限制，極化周期的寬度通常為幾個(gè)微米到幾百微米，每個(gè)極化周期中極化方向 相反的電疇區(qū)域?qū)挾戎鹊淖顑?yōu)值與實(shí)現(xiàn)電疇反轉(zhuǎn)的具體方法和工藝參數(shù)有關(guān)。
本發(fā)明的晶片周期極化結(jié)構(gòu)為采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子交換加快速熱處理法、電子束掃 描法、外加電場(chǎng)極化法或者晶體生長(zhǎng)法中的任何一種得到。目前，所述最后兩種方法的效 果最好。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的材料和結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)是周期極化鐵電晶片l采 用周期極化鈮酸鋰晶片，其電疇周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為采用晶體生長(zhǎng)法得到，外形為長(zhǎng)方體，尺 寸Z4為3mm，丄2為50mm，丄3為2mm，其每個(gè)極化周期的寬度」相同，均為200^m， 周期總數(shù)w為15個(gè)，延&方向布滿整個(gè)晶片，每個(gè)極化周期中極化方向相反的電疇區(qū)域 寬度之比為1:1。M-Z結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)2的輸入單色偏振光波長(zhǎng)1550nm，光波導(dǎo)寬度為6.5|im， 輸入、輸出端均為Y形分叉。中間段互相平行的兩條光波導(dǎo)長(zhǎng)度為10mm，間距100pm， 設(shè)置在一個(gè)寬度為j的周期中極化方向相反的電疇區(qū)域內(nèi)。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的材料和結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)是周期極化鐵電晶片1 采用周期極化鉭酸鋰晶片，其電疇周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為采用外加電場(chǎng)極化法得到，外形為長(zhǎng)方 體，尺寸二為5mm，丄2為40mm，丄3為0.5mm，其極化周期的寬度^為50拜，」2為70pm， A為2(^m，」4為10拜，分別對(duì)應(yīng)總數(shù)^為2個(gè)，《2為1個(gè)，化為120個(gè)，w4 為243個(gè)。所有極化周期延A方向布滿整個(gè)晶片。每個(gè)極化周期中極化方向相反的電疇 區(qū)域?qū)挾戎葹?:1。 M-Z結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)2的輸入單色偏振光波長(zhǎng)1550nm，光波導(dǎo)寬度為 6.5pm，輸入端為Y形分叉，輸出端為3dB耦合器。中間段互相平行的兩條光波導(dǎo)長(zhǎng)度為 20mm，間距75pm,設(shè)置在相鄰的、寬度為^和」2的兩個(gè)周期中距離最遠(yuǎn)且極化方向相 反的電疇區(qū)域內(nèi)。
本發(fā)明用絕緣材料封裝后即可用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，特別適用于高電壓或電磁脈沖環(huán)境 下的電場(chǎng)測(cè)量。
本發(fā)明可應(yīng)用在電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4所示；激光源3產(chǎn)生 的線偏振激光通過保偏光纖4輸入用絕緣材料封裝的傳感器5中的M-Z結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)。沿 平行于電疇極化方向施加的待測(cè)電場(chǎng)0就會(huì)對(duì)傳感器的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制。該輸出光通 過單模光纖6輸入光電轉(zhuǎn)換器7，將光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)由射頻電纜8進(jìn)入電 信號(hào)檢測(cè)器9。因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器7輸出的電壓信號(hào)與輸入的光功率信號(hào)成正比，后者又受 到外加待測(cè)電場(chǎng)0的調(diào)制，所以通過檢測(cè)電壓信號(hào)即可得到外加待測(cè)電場(chǎng)0。
本發(fā)明的電場(chǎng)傳感器可以用于高電壓工程領(lǐng)縛的電場(chǎng)(尤其是強(qiáng)電場(chǎng))測(cè)量，包括工 頻電場(chǎng)測(cè)量、電力系統(tǒng)操作沖擊電場(chǎng)測(cè)量、雷電沖擊電場(chǎng)測(cè)量和快速暫態(tài)脈沖電場(chǎng)測(cè)量等。 不僅可以測(cè)量待測(cè)電場(chǎng)的幅值，而且可以測(cè)量待測(cè)電場(chǎng)的時(shí)域波形，可以用于電力系統(tǒng)設(shè) 備運(yùn)行狀況的研究領(lǐng)域、長(zhǎng)空氣間隙放電過程的機(jī)理研究領(lǐng)域和其它需要測(cè)量電場(chǎng)的應(yīng)用 領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1、一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器，其特征在于，該傳感器包括具有電光效應(yīng)的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個(gè)或多個(gè)極化周期內(nèi)形成的沿著平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括輸入段、輸出段及由兩個(gè)平行臂組成的中間段；所述光波導(dǎo)的兩臂分別處于所述一個(gè)或多個(gè)極化周期中極化方向相反的區(qū)域內(nèi)；在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個(gè)鐵電晶片，全部極化周期沿所述光波導(dǎo)的垂直方向排列，該每個(gè)極化周期的寬度相等或不相等。
2、如權(quán)利要求1所述電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述晶片的周期極化結(jié)構(gòu)為采用離子擴(kuò)散法、質(zhì)子交換加快速熱處理法、電子束掃描法、外加電場(chǎng)極化法或者晶體生長(zhǎng)法中的任何一種得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器，屬于電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場(chǎng)傳感器，包括具有電光效應(yīng)的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個(gè)或多個(gè)極化周期內(nèi)形成的沿著平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括輸入段、輸出段及由兩個(gè)平行臂組成的中間段；所述光波導(dǎo)的兩臂分別處于所述一個(gè)或多個(gè)極化周期中極化方向相反的區(qū)域內(nèi)。在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個(gè)鐵電晶片。本發(fā)明可以明顯地改進(jìn)現(xiàn)有的光電集成電場(chǎng)傳感器的溫度穩(wěn)定性，而且還進(jìn)一步減小了電場(chǎng)傳感器對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的影響，同時(shí)繼承了現(xiàn)有光電集成電場(chǎng)傳感器的其它所有優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R15/24GK101493481SQ200910078519
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者何金良, 余占清, 嶸 曾, 歡 李, 博 王 申請(qǐng)人:清華大學(xué)