一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器

1.本发明属于宽带快速电场探测技术领域，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器。


背景技术：

2.电子技术的发展催生了对电磁场探测技术的需求，从最初的天线加频谱仪测试模式，到现在的光学电场传感器系统测试模式，电场测试技术发展不断深化，并且，在这一过程中也暴露出了诸多问题。
3.光学电场传感器是一种利用电光晶体的电光效应将待测电场信号调制在激光上，通过检测激光强度反推电场信息的传感器。现存的光学电场传感器大多以体状铌酸锂晶体作为传感晶体，通过在体状铌酸锂上制作通道波导传感结构，以实现对电场的传感和测量。由于体状铌酸锂具有一定的厚度，非薄膜状，刻蚀难度高，体状铌酸锂通道波导一般采用钛扩散或质子交换工艺实现，基于这种技术在体状铌酸锂材料上制备的光波导结构芯层和包层之间的折射率差较小，通常为量级，因此，其波导宽度较大(通常单模光波导为6-7μm)、束光能力较弱。波导宽度大导致电极间距大，造成电极间电场较小、调制效率低，需要更长的结构完成调制。束光能力弱导致波导中分支结构的转弯半径大，因此也需要更长的结构完成调制。而过长的结构会光电速度失配效果加剧，进而影响探头的带宽。因此，现有的光学电场传感器仍然存在体积大、带宽窄的问题。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题：
5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，在铌酸锂薄膜材料上刻蚀波导结构等，构成一体化的反射式电场传感器。该传感器结构简单，尺寸小，反射式结构无需输出光纤，灵敏度高，干扰小，电场测量结果准确，测量可重复性高。
6.采用的技术方案如下：
7.本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，通过对传感器输入激光信号，可以将待测电场信号调制在激光上，并利用长光纤进行传输；后端通过光电探测器进行解调并送入接收机中进行测量，可以得到待测电场信息。
8.一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成：渐变耦合结构、偏振选择结构、反射式mz电光调制器、宽带高增益电极、天线结构；其中，所述渐变耦合结构设置在传感器的端口处，将输入激光中光斑较大的激光耦合到光斑较小的单模光波导中，以实现激光的单模传输；所述偏振选择结构将所述单模光波导中的tm模消除，以实现激光的单偏振传输；所述反射式mz电光调制器仅包括一个y分支光波导，所述y分支光波导包括两段平行的波导臂，在两段所述平行波导臂的远端设置有布拉格反射光栅；所述反射式mz电光
调制器衔接在所述单模光波导之后，用于将空间中的待测电场调制到传输的激光上；所述高增益电极将所述反射式mz电光调制器的波导臂上作用的待测电场的强度增高；所述布拉格反射光栅将波导光反射，反射光再经过所述y分支光波导合束并输出。
9.进一步，所述铌酸锂薄膜材料基体以硅片为支撑，在所述硅片上附着2μm-5μm厚度二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上附着300nm-600nm厚度铌酸锂单晶薄膜。
10.进一步，所述渐变耦合结构为在传感器端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入光纤连接，另一端较窄，与单模光波导衔接，将输入光纤的激光逐渐耦合到到1μm宽度的单模光波导中。
11.进一步，所述偏振选择结构通过在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得te模导波低损耗通过的同时，tm模导波高损耗衰减，实现传感器单偏振工作状态。
12.进一步，所述反射式mz电光调制器采用偏置的mz电光调制结构，使得所述传感器工作在mz电光调制器线性工作点。
13.进一步，所述高增益电极采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2μm以内，所述高增益电极集成在mz电光调制器的波导臂上。
14.基于所述铌酸锂薄膜材料光学电场传感器进行测量的测量系统包括：激光源、保偏光纤、环形器、所述铌酸锂薄膜材料反射式电场传感器、单模光纤、光探测器以及频谱仪，激光通过保偏光纤、环形器输入到所述光学电场传感器上，待测外电场施加在所述传感器上，输出经过强度调制的激光通过环形器、单模光纤入射到光探测器中，并转换成电信号，最后输入到频谱仪中进行检测，得到待测电场强度的频率和幅值。
15.基于所述测量系统的测量方法具体为：
16.步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1μm宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；
17.步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中tm模式，形成激光的单偏振传输；
18.步骤三、相位调制：步骤二中的传输的激光在所述反射式mz调制器的y分支处平均分成两路，分别进入mz光电调制器干涉的两光波导臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的波导光的相位发生改变，实现对传输波导光的第一次相位调制；
19.步骤四、二次相位调制：两个光波导臂中的光向前传输到布拉格反射光栅中，并被反射；被布拉格反射光栅反射的波导光相位第二次被空间待测电场调制；
20.步骤五：强度调制：所述二次调制的两光波导臂中的光再一次经过y分支，合并为一路光，进而发生干涉，最终实现空间电场对激光的强度调制；其变化规律为：
21.i
out
＝i
in
αe
22.其中，i
out
为传感器后向输出功率，i
in
为光源输入功率，α为传感器调制系数，e为待测电场强度；
23.步骤六、待测电场强度计算：步骤五中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号幅度v
rf
；则
待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为e
out
＝v
rf
+af，其中，af为经过精度标定之后的测量系统的天线系数。
24.本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
25.1.本发明所采用的铌酸锂薄膜形成的单模光波导的芯层和包层折射率差为0.7左右，远高于传统工艺(钛扩散、质子交换，约为6-7μm)，因而单模光波导宽度为1μm以内，束光能力强，有利于减小传感器尺寸。
26.2.本发明设置的高增益宽带电极间距为2μm以内，极间电场较传统工艺大，调制效率提升，有助于降低电极尺寸和光路尺寸，从而提升带宽。
27.3.本发明直接在铌酸锂薄膜上刻蚀了片上偏振选择结构，无需外加起偏器，降低了传感器复杂度，节约了成本、减小了尺寸。
28.4.本发明采用了高增益宽带电极-天线结构，增大了灵敏度，提升了带宽。
29.5.本发明采用反射式传感器结构，体积更小，更易于握持、安装；本发明设计了片上反射结构，避免了外装反射镜或镀反射膜，减少了工艺步骤。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器结构示意图；
32.图2是铌酸锂薄膜材料基体示意图；
33.图3是铌酸锂薄膜材料光学电场的测量系统示意图；
34.图4(a)是偏振选择结构进行对te极化的高斯光束进行偏振选择后的效果图；
35.图4(b)是偏振选择结构进行对tm极化的高斯光束进行偏振选择后的效果图；
36.图5是布拉格光栅法反射效果图。
37.附图标记说明：
38.1-保偏光纤、2-渐变耦合结构、3-偏振选择结构、4-反射式mz电光调制器、5-高增益电极、6-布拉格反射光栅、7-激光源、8-铌酸锂薄膜材料的光学电场传感器、9-环形器、10-单模光纤、11-光探测器、12-频谱仪、13-射频传输线、14-待测电场、15-铌酸锂单晶薄膜、16-二氧化硅、17-硅。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
40.图1所示为铌酸锂薄膜材料反射式光学电场传感器结构图，所述传感器以铌酸锂薄膜为基体，在光路的方向上依次刻蚀渐变耦合结构2、偏振选择结构3、mz电光调制器4、高增益电极5、天线结构(未示出)、布拉格反射光栅6。所述传感器8左端面处为锥形透镜的保
偏光纤1，仅设置一个光纤直接与传感器8相连接，实现光路联通。
41.所述渐变耦合结构2为在传感器8端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入保偏光纤1连接，另一端较窄，与传感器内部单模光波导衔接，将输入保偏光纤1的激光逐渐耦合到到1μm宽度的单模光波导中。
42.所述偏振选择结构3通过在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得te模导波低损耗通过的同时，tm模导波高损耗衰减，实现传感器单偏振工作状态。
43.所述反射式mz电光调制器4包括一个y分支光波导，所述y分支光波导包括两段平行的波导臂，在两段所述平行波导臂的远端设置有布拉格反射光栅6；所述反射式mz电光调制器4采用偏置的mz电光调制结构，使得所述传感器工作在mz电光调制器4线性工作点。从而保证传感器动态范围达到最大；采用布拉格反射光栅6实现波导光的反向传播，无需在波导另外的端面设置反射镜或反射膜，简化了传感器结构，反射结构避免了传感器使用过程中输入、输出端分离而导致的抓持不便、布置不便等缺陷，更符合人体工程学，也更适用于各种测量环境中。由于不需要输出光纤，光纤数量的减少也更利于复杂传感器系统的搭建。
44.所述高增益电极5采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2μm以内，所述高增益电极集成在mz电光调制器的波导臂上。所述天线结构采用现有电场传感器的常规天线结构。
45.图2所示为铌酸锂薄膜材料基体，是通过在硅基体上附着铌酸锂单晶薄膜实现，具体包括0.5mm的硅17支撑结构，在所述硅17支撑结构上附着2-5μm厚度的二氧化硅衬底16，在所述二氧化硅衬底16上附着300-600nm的铌酸锂单晶薄膜结构15，可以采用x切y传的铌酸锂单晶薄膜结构。传感器结构通过微纳加工的方法刻蚀在铌酸锂薄膜材料基体上。
46.图3所示为所述电场传感器8的测量系统示意图。激光源发7出的激光通过保偏光纤1从环形器的一端输入，并从另一端进入传感器8；激光在传感器中被待测电场调制，并被反射；下行激光再一次进入环形器9中并与上行激光分离，进入光探测器11中；光探测器11输出携带待测电场信息的电信号，并通过射频传输线13输入到频谱仪12中进行检测；获得待测电场强度的频率和幅值。具体测量方法包括如下步骤：
47.步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1μm宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；
48.步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中tm模式，形成激光的单偏振传输；
49.步骤三、相位调制：步骤二中的传输的激光在所述反射式mz调制器的y分支处平均分成两路，分别进入mz光电调制器干涉的两光波导臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的波导光的相位发生改变，实现对传输波导光的第一次相位调制；
50.步骤四、二次相位调制：两个光波导臂中的光向前传输到布拉格反射光栅中，并被反射；被布拉格反射光栅反射的波导光相位第二次被空间待测电场调制；
51.步骤五：强度调制：所述二次调制的两光波导臂中的光再一次经过y分支，合并为一路光，进而发生干涉，最终实现空间电场对激光的强度调制；其变化规律为：
52.i
out
＝i
in
αe
53.其中，i
out
为传感器后向输出功率，i
in
为光源输入功率，α为传感器调制系数，e为待测电场强度；
54.步骤六、待测电场强度计算：步骤五中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号幅度v
rf
，单位dbμv；则待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为e
out
＝v
rf
+af，其中，af为经过精度标定之后的测量系统的天线系数，这个天线系数是测量系统的已知参数，是电场传感器的传递系数，单位为db/m。
55.图4所示为偏振选择结构3选偏效果图。其中，图4(a)中为在所述传感器的一端面输入一个te极化的高斯光束的传播场分布图，图4(b)中为在所述传感器的一端面输入一个tm极化的高斯光束的传播场分布图。由图可以看出，tm极化光衰减较大，而te极化光可以较低的衰减通过选偏结构，从而实现单偏振传输。事实上，其对tm极化和te极化的消光比可以达到20db以上。
56.图5为布拉格反射光栅结构反射效果图。左端输入一个高斯光束，并进入布拉格反射光栅中。由图5可以看出，输入的光束并未传输至最右端，而是被反射回起始端，反射率可达到85％。
57.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成：渐变耦合结构、偏振选择结构、反射式mz电光调制器、宽带高增益电极、天线结构；其中，所述渐变耦合结构设置在传感器的端口处，将输入激光中光斑较大的激光耦合到光斑较小的单模光波导中，以实现激光的单模传输；所述偏振选择结构将所述单模光波导中的tm模消除，以实现激光的单偏振传输；所述反射式mz电光调制器仅包括一个y分支光波导，所述y分支光波导包括两段平行的波导臂，在两段所述平行波导臂的远端设置有布拉格反射光栅；所述反射式mz电光调制器衔接在所述单模光波导之后，用于将空间中的待测电场调制到传输的激光上；所述高增益电极将所述反射式mz电光调制器的波导臂上作用的待测电场的强度增高；所述布拉格反射光栅将波导光反射，反射光再经过所述反射式mz电光调制的y分支光波导合束并输出。2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜材料基体以硅片为支撑，在所述硅片上附着2μm-5μm厚度二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上附着300nm-600nm厚度铌酸锂单晶薄膜。3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，所述渐变耦合结构为在传感器端口设置的锥形渐变传输通道，所述锥型渐变传输通道朝向所述端口的一端较宽，用于跟输入光纤连接，另一端较窄，与单模光波导衔接，将输入光纤的激光逐渐耦合到到1um宽度的单模光波导中。4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，所述偏振选择结构通过在所述单模光波导上设置金属覆层，通过激发高损耗的等离子体表面模，使得te模导波低损耗通过的同时，tm模导波高损耗衰减，实现传感器单偏振工作状态。5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，所述反射式mz电光调制器采用偏置的mz电光调制结构，使得所述传感器工作在mz电光调制器线性工作点。6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，其特征在于，所述高增益电极采用宽带微纳高增益电极，包括2个尺寸相同的电极，且电极间距为2um以内，所述高增益电极集成在mz电光调制器的波导臂上。7.基于权利要求1-6任一项所述的反射式光学电场传感器进行测量的测量系统，其特征在于，包括：激光源、保偏光纤、环形器、所述铌酸锂薄膜材料反射式电场传感器、单模光纤、光探测器以及频谱仪，激光通过保偏光纤、环形器输入到所述光学电场传感器上，待测外电场施加在所述传感器上，输出经过强度调制的激光通过环形器、单模光纤入射到光探测器中，并转换成电信号，最后输入到频谱仪中进行检测，得到待测电场强度的频率和幅值。8.基于权利要求7所述测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：步骤一、渐变模斑转换耦合：激光源发出的激光通过保偏光纤传输到所述光学电场传感器输入端，通过渐变耦合结构，传输至1um宽度的单模光波导中，实现激光的单模传输；步骤二、偏振选择：所述单模传输的激光通过涂覆金属覆层的单模光波导时，激发等离子表面模，从而去除波导中tm模式，形成激光的单偏振传输；
步骤三、相位调制：步骤二中的传输的激光在所述反射式mz调制器的y分支处平均分成两路，分别进入mz光电调制器干涉的两光波导臂，由于空间中存在待测电场，会导致铌酸锂材料的折射率发生改变，从而导致两臂中传输的波导光的相位发生改变，实现对传输波导光的第一次相位调制；步骤四、二次相位调制：两个光波导臂中的光向前传输到布拉格反射光栅中，并被反射；被布拉格反射光栅反射的波导光相位第二次被空间待测电场调制；步骤五：强度调制：所述二次调制的两光波导臂中的光再一次经过y分支，合并为一路光，进而发生干涉，最终实现空间电场对激光的强度调制；其变化规律为：i
out
＝i
in
αe其中，i
out
为传感器后向输出功率，i
in
为激光光源输入功率，α为传感器调制系数，e为待测电场强度；步骤六、待测电场强度计算：步骤五中输出的经过强度调制的激光输入到光探测器中转换为电信号，将得到的电信号输入到频谱仪中，在频谱仪中测量得到信号幅值v
rf
；则待测电场频率与频谱仪中测量得到的信号频率相同，待测电场的电场强度幅值为e
out
＝v
rf
+a
f
，其中，a
f
为经过精度标定之后的测量系统的天线系数。

技术总结
本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜材料的反射式光学电场传感器，采用铌酸锂薄膜材料作为传感器基体，并在所述铌酸锂薄膜材料上沿光路传播方向依次刻蚀形成渐变耦合结构、偏振选择结构、反射式MZ电光调制器、宽带高增益电极、天线结构，所述反射式MZ电光调制器仅包括一个Y分支光波导，并在Y分支光波导的平行波导臂上设置布拉格反射光栅；通过对传感器输入激光信号，可以将电场信号调制在激光上，并利用长光纤对调制后的激光进行传输；后端再通过光电探测器进行解调并送入接收机中进行测量，可以得到待测电场信息。该传感器结构简单，节省输出光纤，尺寸小，灵敏度高，干扰小，电场测量结果准确，测量可重复性高。测量可重复性高。测量可重复性高。


技术研发人员：谢树果 杨燕 田雨墨 郭子贤 张申达
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28