第一 Y光波導5和兩個馬赫增德爾結構的光波導6,第 一 Y光波導5的輸入端通過輸入保偏光纖2與激光源1的輸出端相連，第一 Y光波導5的 兩個輸出端分別和馬赫增德爾結構的光波導6的輸入端相連，分別在兩個馬赫增德爾結構 光波導6的單個波導臂敷設錐形偶極子天線。
[0028] 所述的鈮酸鋰晶體取向為X切（垂直于晶體表面）y向傳光。
[0029] 所述的馬赫增德爾結構的光波導6是由兩個第二Y光波導和兩條平行直波導構 成，兩個第二Y光波導的分支分別與兩條平行直波導相連。
[0030] 所述的偶極子天線有兩個，均為錐形結構。第一偶極子天線7的軸線方向與底邊 成45°，極化方向為45°，在極化方向有最大電場響應，在極化方向的垂直方向，電場響應 相對微弱，可忽略其影響。第二偶極子天線8的軸線方向與底邊成135°，極化方向為45°， 在極化方向有最大電場響應，在與極化方向垂直的方向電場響應相對微弱，可忽略其影響。 第一偶極子天線7和第二偶極子天線8的極化方向相互正交，且在各自的極化方向有最大 電場響應，在對方的極化方向電場響應極弱，可以忽略其影響，所以可以同時且獨立地測量 二維電場矢量的正交的兩個分量，最終矢量合成兩天線各自測量得到的電場分量，就可以 得到待測二維電場矢量的幅值。
[0031] 所述的傳感裝置的靈敏度和響應帶寬與偶極子天線的尺寸，如天線間距、寬度和 尚度有關。偶極子天線的材料為金屬，如金。
[0032] 所述的信號處理單元11用于處理兩個光電探測器輸出的電信號：進行頻率識別， 矢量幅值合成，方向計算。可以采用DSP或者FPGA。
[0033] 本發明的工作原理如下：
[0034] 激光源輸出的線偏振光經過保偏光纖傳輸，親合后進入電場傳感單元，光波在電 場傳感單元的光波導內以TE模傳輸。光波經過第一 Y光波導分為等功率的兩路，兩路光分 別進入馬赫增德爾結構光波導。
[0035] 當無外界電場時，光波經過馬赫增德爾光波導的兩個非對稱的波導傳播后，光波 合成發生干涉，輸出的光功率為一定值。當鈮酸鋰上表面所在二維平面內存在與天線極化 方向相同的電場E時，天線接收電場并在兩天線上產生感應電壓V，感應電壓在天線與波導 的作用區域形成電場，作用于光波導。電極間的電場改變了作用光波導的折射率，從而改變 了光波導中光波的相位。上下波導臂光波的相位差發生變化，光波合成發生干涉，輸出的光 功率發生變化。
[0036] 馬赫增德爾結構光波導傳輸函數表不為：
[0037]
[0038] 其中P為馬赫增德爾結構波導輸出的光功率;A為馬赫增德爾結構波導輸出的光 功率峰值，與光源功率和傳輸損耗等有關；b為馬赫增德爾結構波導的消光比；Φ。為馬赫 增德爾結構波導的上下臂存在的固有相位差；V為電極間的感應電壓，則有V = k · E，k為 常數，E為入射電場。νπ為馬赫增德爾結構波導的半波電壓，表示為
[0040] 其中λ。為真空中的波長；Gap為天線間距；Γ為電光重疊積分因子，表示光場和 電場相互作用的程度；ne為非尋常光折射率；r33為光波導的電光系數；L為天線與光波導作 用區域長度。
[0041] 上述公式中的未知參數可通過標準電場進行標定。
[0042] 平面內的二維電場可以任意分解為相互垂直的電場分量，其中一個馬赫增德爾結 構波導的天線極化方向為45°，受到45°方向電場的調制；另外一個馬赫增德爾結構波導 的天線極化方向為135°，受到135°方向電場的調制。兩路馬赫增德爾結構波導輸出的已 調光波分別經過光電探測器轉換為相對應的電信號，再經過信號處理單元計算出待測電場 沿45°和135°的正交分量，并進行矢量合成，得出待測電場矢量的幅值、方向，頻率。
【主權項】
1. 一種適用于二維電場測量的光學傳感裝置，包括激光源、以及與激光源依次相連的 輸入保偏光纖、傳感單元、輸出單模光纖、光電探測器和信號處理單元，其特征在于，所述傳 感單元包括： 鈮酸鋰基底； 設置在鈮酸鋰基底上的第一Y光波導和兩個馬赫增德爾結構光波導；所述第一Y光波 導輸入端與激光源輸出端相連，輸出端分別與兩個馬赫增德爾結構光波導的輸入端相連； 所述兩個馬赫增德爾結構光波導的輸出端與光電探測器相連；在每個馬赫增德爾結構光波 導的任一單個波導臂敷設偶極子天線，兩個偶極子天線的極化方向正交。2. 根據權利要求1所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，所述鈮 酸鋰基底由鈮酸鋰晶體制成，鈮酸鋰晶體的取向為X切y向傳光。3. 根據權利要求1所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，所述的 馬赫增德爾結構光波導是由兩個第二Y光波導和兩條平行直波導構成，兩個第二Y光波導 的分支分別與兩條平行直波導相連。4. 根據權利要求3所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，所述兩 個偶極子天線為錐形天線，兩個錐形天線的軸線方向與對應直波導傳輸方向之間的夾角分 別為45度或135度。5. 根據權利要求4所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，每個偶 極子天線由兩個分別設置在光波導兩側且中心對稱的三角形子塊組成，兩個子塊的底邊與 對應直波導傳輸方向相互平行，兩個底邊的中線構成所述的軸線。6. 根據權利要求5所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，兩個偶 極子天線為鏡像結構。7. 根據權利要求1所述的適用于二維電場測量的光學傳感裝置，其特征在于，所述信 號處理單元為DSP或者FPGA。
【專利摘要】本發明公開了一種適用于二維電場測量的光學傳感裝置，包括依次相連的輸入保偏光纖、傳感單元、輸出單模光纖、光電探測器和信號處理單元，所述傳感單元包括：鈮酸鋰基底；設置在鈮酸鋰基底上的第一Y光波導和兩個馬赫增德爾結構光波導；所述第一Y光波導輸入端與激光源輸出端相連，輸出端分別與兩個馬赫增德爾結構光波導的輸入端相連；所述兩個馬赫增德爾結構光波導的輸出端與光電探測器相連；在每個馬赫增德爾結構光波導的任一單個波導臂敷設偶極子天線，兩個偶極子天線的極化方向正交。本發明利用一個傳感頭元件實現二維電場測量，優點是靈敏度高，測量精確度高、處理過程容易。
【IPC分類】G01R29/12
【公開號】CN105353231
【申請號】CN201510640325
【發明人】肖康, 金曉峰, 章獻民, 池灝, 鄭史烈
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年9月30日