專利名稱：基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于電場測量技術領域，特別涉及一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場 傳感器，尤其適于高電場幅值情況下的隔離及強電場測量。
背景技術：
在高電壓或電磁脈沖環境下，會產生非常強的電場。對之進行測量的關鍵部件就是電 場傳感器。該傳感器不僅要能夠耐受幅值很高的強電場，而且要能夠對其進行測量；為了 精確測量，還要求對待測電場影響較小。
在高電壓工程電場測量領域，傳統電磁感應原理的傳感器尺寸較大，整體為金屬結構， 嚴重影響待測電場，且供電問題也難以解決。利用集成光學技術研制的光電集成電場傳感 器與傳統的傳感器相比具有較大優勢，其尺寸小、頻帶寬、可測場強高，為高電壓工程領 域的強電場測量提供了一種有效的手段。其典型結構如圖1所示，采用具有電光效應的鐵 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散或質子 交換方法形成馬赫-曾德爾干涉儀結構(M-Z結構)的光波導102，其中間段為互相平行的 兩條光波導(兩臂)，在互相平行的兩條光波導中的一段的表面敷設金屬電極103。
在外加待測電場0 (圖中箭頭為該電場方向)通過金屬電極103作用到光波導102上， 調制了光波導的輸出功率，通過光電轉換設備轉換成電壓信號后，檢測輸出電壓的變化來 得到外加待測電場O。
在實際應用中，由于所采用的鐵電晶體(如鈮酸鋰晶體)的熱釋電效應，在傳感器溫 度發生變化時，晶體內部會產生與外加待測電場O方向平行的熱釋電電場，并與前者疊加 在一起，干擾測量。實踐證明，這種干擾給便捷、準確地測量電場帶來了極大的困難。
針對這種問題，測量中經常需要長時間靜置傳感器，使其和周圍空氣溫度達到充分平 衡，同時內部產生的熱釋電電場被鈮酸鋰晶體的電導效應緩慢中和。這樣做不僅需要很長 時間(幾十分鐘甚至數小時)，而且也給操作帶來了極大的不便——測量過程中甚至完全 不能用手直接觸碰傳感器，否則會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展起來的晶體材料。其特點是 采用離子擴散法、質子交換加快速熱處理法、電子束掃描法、外加電場極化法或者晶體生 長法來實現鐵電晶體的電疇在空間上周期性的反轉。反轉的電疇中，與奇數階張量相聯系 的晶體物理性質，如熱釋電系數、電光系數等的符號將發生改變。本發明正是基于這種新 興的材料。
在中國專利98109631.X、 94190479.2和941卯476.8中，均涉及了應用電疇在局部反轉的鐵電晶體材料來制作電場傳感器的實施例。它們所使用的鐵電晶體材料是在M-Z結 構波導區域局部進行了電疇的反轉，因而其溫度穩定性尚未達到最佳，還可以進一步改善。
發明內容
本發明的目的是為克服已有光電集成電場傳感器的不足之處，提出一種基于周期極化 鐵電晶體的光電集成電場傳感器，具有無金屬電極，溫度穩定性高，適合于工業現場測量 的優點。
本發明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器，其特征在于，該傳感器 包括具有電光效應的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個或多個極化周期內形成的沿著 平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結構的光波導，該光波導包括輸入段、輸出段及
由兩個平行臂組成的中間段；所述光波導的兩臂分別處于所述一個或多個極化周期中極化 方向相反的區域內。在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個鐵電晶片，全部極化 周期沿所述光波導的垂直方向排列，該每個極化周期的寬度相等或不相等。
本發明的工作原理在外加待測電場作用下，傳感器M-Z結構的兩臂由于電光系數
的^:號相反，致使兩臂相位發生相反的變化，形成推挽結構，實現電光調制。而在溫度發
生變化時，在波導區域，傳感器M-Z結構的兩臂由于熱釋電系數、電光系數的符號均相 反，"負負得正"，致使兩臂相位發生相同的變化，從而互相抵消；在波導區域之外，由于 豐及化周期布滿整個鐵電晶片，所以熱釋電系數的符號也處處周期性反轉，熱釋電效應產生 的電荷的符號也相應地處處周期性反轉，因而這些電荷的電場絕大部分將互相抵消，而不 至于干擾測量。如此便達到了本發明的目的。
與原有光電集成電場傳感器相比，本發明的有益效果如下
1) 具有優越的溫度穩定性，既方便了實驗室測量，又適合于工業現場測量。
2) 整個傳感器不包含任何金屬部件，對待測電場的影響進一步減小。
3) 繼承了原有光電集成電場傳感器響應速度快、頻帶寬、可以測量強電場信號的時 域波形等所有優點。，
圖1為現有光電集成電場傳感器結構示意圖。
圖2為本發明的實施例的結構示意圖。
圖3為本發明的另一個實施例的結構示意圖。
圖4為應用本發明的光電集成電場測量系統的示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器結合附圖及實施例詳細 說明如下本發明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器的結構如圖2或圖3所 示，該傳感器包括具有電光效應的周期極化鐵電晶片1 (圖中標有字母Z的短箭頭指示了 該箭頭所在電疇的方向)，在該晶片表面一個或多個極化周期內形成的沿著平行于疇壁的 方向的馬赫-曾德爾干涉儀結構(M-Z結構)的光波導2，該光波導包括輸入段、輸出段及 由兩個平行臂組成的中間段；所述光波導的兩臂分別處于所述一個或多個極化周期中極化 方向相反的區域內，即一個臂處于極化方向向上的電疇區域(如圖中Zt所示)， 一個臂 處于極化方向向下的電疇區域(如圖中Z4所示)，因而兩臂的熱釋電系數、電光系數的 符號均相反。
本發明的M-Z結構的光波導2的具體尺寸決定于輸入單色偏振光的波長、制作工藝 和待測電場強度等因素，通常情況下，待測電場的強度越強，M-Z結構光波導的兩臂的 長度越短。對于1550nm波長的輸入光， 一般光波導寬度為幾微米，中間段互相平行的兩 條光波導長度為幾十毫米、間距為幾十至一百多微米。
本發明的具有電光效應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或者幾十毫米的長方體。其尺寸(如圖中&、 丄2的長度)只要滿足能夠容納M-Z結構的光波導2即可。
在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個鐵電晶片，全部極化周期沿所述光波 導的垂直方向排列，該每個極化周期的寬度(在圖2中是/t,在圖3中是^、 A和A) 相等或不相等。且M-Z結構的光波導2的輸入、輸出及中間段互相平行的兩條光波導不 與電疇邊界重合。在此前提下，理論上，極化周期的寬度越小，每個極^1;周期中極化方向 相反的電疇區域寬度之比越接近1:1，則傳感器的溫度穩定性越高。而實際上，受到目前 生產工藝的限制，極化周期的寬度通常為幾個微米到幾百微米，每個極化周期中極化方向 相反的電疇區域寬度之比的最優值與實現電疇反轉的具體方法和工藝參數有關。
本發明的晶片周期極化結構為采用離子擴散法、質子交換加快速熱處理法、電子束掃 描法、外加電場極化法或者晶體生長法中的任何一種得到。目前，所述最后兩種方法的效 果最好。
參照圖2，本發明的一個實施例的材料和結構的尺寸參數是周期極化鐵電晶片l采 用周期極化鈮酸鋰晶片，其電疇周期反轉結構為采用晶體生長法得到，外形為長方體，尺 寸Z4為3mm，丄2為50mm，丄3為2mm，其每個極化周期的寬度」相同，均為200^m， 周期總數w為15個，延&方向布滿整個晶片，每個極化周期中極化方向相反的電疇區域 寬度之比為1:1。M-Z結構光波導2的輸入單色偏振光波長1550nm，光波導寬度為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長度為10mm，間距100pm， 設置在一個寬度為j的周期中極化方向相反的電疇區域內。
參照圖3，本發明的另一個實施例的材料和結構的尺寸參數是周期極化鐵電晶片1 采用周期極化鉭酸鋰晶片，其電疇周期反轉結構為采用外加電場極化法得到，外形為長方 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，分別對應總數^為2個，《2為1個，化為120個，w4 為243個。所有極化周期延A方向布滿整個晶片。每個極化周期中極化方向相反的電疇 區域寬度之比為1:1。 M-Z結構光波導2的輸入單色偏振光波長1550nm，光波導寬度為 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長度為 20mm，間距75pm,設置在相鄰的、寬度為^和」2的兩個周期中距離最遠且極化方向相 反的電疇區域內。
本發明用絕緣材料封裝后即可用于各種應用場合，特別適用于高電壓或電磁脈沖環境 下的電場測量。
本發明可應用在電場測量系統中，該系統結構及工作原理如圖4所示；激光源3產生 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結構光波導。沿 平行于電疇極化方向施加的待測電場0就會對傳感器的輸出光功率進行調制。該輸出光通 過單模光纖6輸入光電轉換器7，將光功率信號轉換為電壓信號，經由射頻電纜8進入電 信號檢測器9。因為光電轉換器7輸出的電壓信號與輸入的光功率信號成正比，后者又受 到外加待測電場0的調制，所以通過檢測電壓信號即可得到外加待測電場0。
本發明的電場傳感器可以用于高電壓工程領縛的電場(尤其是強電場)測量，包括工 頻電場測量、電力系統操作沖擊電場測量、雷電沖擊電場測量和快速暫態脈沖電場測量等。 不僅可以測量待測電場的幅值，而且可以測量待測電場的時域波形，可以用于電力系統設 備運行狀況的研究領域、長空氣間隙放電過程的機理研究領域和其它需要測量電場的應用 領域。
權利要求
1、一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器，其特征在于，該傳感器包括具有電光效應的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個或多個極化周期內形成的沿著平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結構的光波導，該光波導包括輸入段、輸出段及由兩個平行臂組成的中間段；所述光波導的兩臂分別處于所述一個或多個極化周期中極化方向相反的區域內；在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個鐵電晶片，全部極化周期沿所述光波導的垂直方向排列，該每個極化周期的寬度相等或不相等。
2、如權利要求1所述電場傳感器，其特征在于，所述晶片的周期極化結構為采用離子擴散法、質子交換加快速熱處理法、電子束掃描法、外加電場極化法或者晶體生長法中的任何一種得到。
全文摘要
本發明涉及一種基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器，屬于電場測量技術領域。本發明提出的基于周期極化鐵電晶體的光電集成電場傳感器，包括具有電光效應的周期極化鐵電晶片，在該晶片表面一個或多個極化周期內形成的沿著平行于疇壁的方向的馬赫-曾德爾干涉儀結構的光波導，該光波導包括輸入段、輸出段及由兩個平行臂組成的中間段；所述光波導的兩臂分別處于所述一個或多個極化周期中極化方向相反的區域內。在所述周期極化鐵電晶片中，極化周期布滿整個鐵電晶片。本發明可以明顯地改進現有的光電集成電場傳感器的溫度穩定性，而且還進一步減小了電場傳感器對待測電場的影響，同時繼承了現有光電集成電場傳感器的其它所有優點。
文檔編號G01R15/24GK101493481SQ200910078519
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月25日 優先權日2009年2月25日
發明者何金良, 余占清, 嶸 曾, 歡 李, 博 王 申請人:清華大學