專利名稱：電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量電池及電磁噪聲的電場(chǎng)傳感器，特別是測(cè)量在空間傳播的電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)傳感器。
背景技術(shù)：
圖1是先有的利用波導(dǎo)式元件構(gòu)成的電場(chǎng)傳感器探頭101的結(jié)構(gòu)例子。該電場(chǎng)傳感器探頭101具有垂直C軸切割的鈮酸鋰晶體的基板102、在該基板102上擴(kuò)散鈦后形成的入射光波導(dǎo)103及從該入射光波導(dǎo)103分支的位相偏移光波導(dǎo)104，105和由這些位相偏移光波導(dǎo)104，105合流而結(jié)合成的出射光波導(dǎo)106。入射光波導(dǎo)103的入射端與入射光纖107連接，出射光波導(dǎo)106的出射端與出射光纖108連接。
另外，在位相偏移光波導(dǎo)104，105上設(shè)有1對(duì)電極109，這些電極109與棒狀天線110連接。在圖1中，從入射光纖107入射的入射光111射入入射光波導(dǎo)103內(nèi)之后，能量分配給位相偏移光波導(dǎo)104，105。外部加上電場(chǎng)時(shí)，通過(guò)棒狀天線110在電極109上感應(yīng)起電壓，在位相偏移光波導(dǎo)104，105中沿深度方向相互產(chǎn)生方向相反的電場(chǎng)分量。結(jié)果，由于電光效應(yīng)而引起折射率變化，從而在位相偏移光波導(dǎo)104，105中傳播的光波之間產(chǎn)生與外加電場(chǎng)的大小對(duì)應(yīng)的位相差，當(dāng)它們?cè)诔錾涔獠▽?dǎo)106中匯合時(shí)，因干涉而光強(qiáng)度發(fā)生變化。即，從出射光纖108出射的出射光112的強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度變化，通過(guò)用光檢測(cè)器檢測(cè)其光強(qiáng)度變化便可測(cè)量外加電場(chǎng)的強(qiáng)度。
圖2是使用圖1所示的先有的上述電場(chǎng)傳感器探頭101的電場(chǎng)傳感器。圖1的電場(chǎng)傳感器探頭101的入射光纖107通過(guò)發(fā)送用光纖113與光源114連接，出射光纖108通過(guò)接收用光纖115與光檢測(cè)器116連接。與光源114連接，出射光纖108通過(guò)接收用光纖115與光檢測(cè)器116連接。光檢測(cè)器116檢測(cè)的電信號(hào)傳送給通常的電壓表、電流計(jì)或者譜分析儀等測(cè)量?jī)x器，圖2中未示出。
但是，在先有的這種電場(chǎng)傳感器中，檢測(cè)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，由于電壓加到間隔僅為數(shù)μm～數(shù)十μm的2個(gè)電極上感應(yīng)出來(lái)的電荷的放電，容易損壞電極，所以，難于應(yīng)用于檢測(cè)強(qiáng)電場(chǎng)。
另外，在先有的這種電場(chǎng)傳感器中，通常與電極長(zhǎng)度有關(guān)的電極電容很大，所以，檢測(cè)靈敏度也不太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供適合于檢測(cè)強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供檢測(cè)靈敏度高的電場(chǎng)傳感器。
本發(fā)明提供了一種電場(chǎng)傳感器，具有一個(gè)傳感器探頭、一個(gè)入射出射光纖、一個(gè)循環(huán)器、一個(gè)光源和一個(gè)光檢測(cè)器，傳感器探頭構(gòu)制得使透過(guò)的光隨加到其上的電場(chǎng)強(qiáng)度而變化，入射出射光纖接所述傳感器探頭，循環(huán)器與所述入射出射光纖的入射出射端耦合，光源供通過(guò)所述循環(huán)器將光束照射到所述入射出射光纖，光檢測(cè)器供檢測(cè)從所述循環(huán)器發(fā)射出的透射光束，所述傳感器探頭包括一個(gè)基板一個(gè)在基板上形成的一個(gè)入射出射光波導(dǎo)、兩個(gè)第一和第二分支光波導(dǎo)和一個(gè)反射鏡，入射出射光波導(dǎo)接所述入射出射光纖，兩分支光波導(dǎo)從所述入射出射光波導(dǎo)分支出來(lái)，其折射率隨加到其上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，反射鏡供將所述分支光波導(dǎo)來(lái)的光束作為反射光束反射到所述第一和第二分支波導(dǎo)上，所述反射光束通過(guò)所述入射出射光波導(dǎo)回到所述入射出射光纖中；其特征在于，所述入射出射光纖有一個(gè)入射光纖部分和一個(gè)出射光纖部分，所述入射出射光波導(dǎo)有一個(gè)入射光波導(dǎo)部分和一個(gè)出射光波導(dǎo)部分，分別接所述入射光纖部分和所述出射光纖部分，所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)為相移光波導(dǎo)，所述基板上在所述入射光波導(dǎo)部分和所述第一和所述第二光分支光波導(dǎo)附近形成有方向性耦合器，供將所述入射光波導(dǎo)部分來(lái)的所述入射光束分成兩半提供給所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)，所述來(lái)自所述反射鏡的反射光束在通過(guò)所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)、所述方向性耦合器和所述出射光波導(dǎo)部分返回來(lái)之后提供給所述出射光纖部分。
在所述電場(chǎng)傳感器中，所述傳感器探頭還配備有第一和第二電極分別在所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)上或所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)附近形成。優(yōu)選地，所述基板由鐵電晶體制成，其在形成有所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)處的偏振方向彼此相反。
本發(fā)明適用于檢測(cè)強(qiáng)電場(chǎng)的儀器或要求靈敏度高的儀器。


圖1是先有的電場(chǎng)傳感器的電場(chǎng)傳感器探頭的斜視圖，圖2是先有的電場(chǎng)傳感器的概略正面圖，圖3是本發(fā)明實(shí)施例的斜視圖，圖4是本發(fā)明其他實(shí)施例的斜視圖，圖5是本發(fā)明其他實(shí)施例的概略正面圖，圖6是本發(fā)明其他實(shí)施例的斜視圖，圖7是本發(fā)明其他實(shí)施例的斜視圖，圖8是本發(fā)明其他實(shí)施例的斜視圖，圖9是本發(fā)明其他實(shí)施例的斜視圖，圖10是本發(fā)明其他實(shí)施例的概略正面圖，圖11是本發(fā)明其他實(shí)施例的概略正面具體實(shí)施方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施例1。
如圖3所示，本發(fā)明的電場(chǎng)傳感器具有傳感器探頭1、入射光纖2及出射光纖3、光源L和光檢測(cè)器D。
上述傳感器探頭1構(gòu)成為透過(guò)的光的強(qiáng)度隨外加的電場(chǎng)強(qiáng)度變化。上述入射光纖2和出射光纖3與上述傳感器探頭1連接。上述光源L由半導(dǎo)體激光器等構(gòu)成。上述光源L與上述入射光纖2的一端耦合，向該入射光纖2照射光。上述光檢測(cè)器D檢測(cè)透過(guò)上述傳感器探頭1從上述出射光纖3出射的透過(guò)光。
上述傳感器探頭1具有基板4、入射光波導(dǎo)5、2個(gè)分支光波導(dǎo)6、出射光波導(dǎo)7和電場(chǎng)屏蔽部件8。上述入射光波導(dǎo)5在基板4上形成，與上述入射光纖2連接。上述分支光波導(dǎo)6在上述基板4上從上述入射光波導(dǎo)5分支形成，其折射率隨外加的電場(chǎng)的強(qiáng)度變化。上述出射光波導(dǎo)7在上述基板4上把上述分支光波導(dǎo)6合流形成，同時(shí)與上述出射光纖3連接。上述電場(chǎng)屏蔽部件8設(shè)在上述分支光波導(dǎo)6的一邊的附近，屏蔽電場(chǎng)。上述電場(chǎng)屏蔽部件8由導(dǎo)電物質(zhì)或電波吸收物質(zhì)等構(gòu)成。
利用設(shè)置在上述分支光波導(dǎo)6上的電場(chǎng)屏蔽部件8將電場(chǎng)屏蔽，在另一邊的光波導(dǎo)6中，折射率隨外加電場(chǎng)變化，結(jié)果，在將它們合流的出射光波導(dǎo)7中，產(chǎn)生光波的位相差，從而可以檢測(cè)與外加的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化對(duì)應(yīng)的出射光的強(qiáng)度。
更具體地說(shuō)，就是上述分支光波導(dǎo)6在由鈮酸鋰(LiNbNO3)晶體構(gòu)成的基板(Z板)4上對(duì)稱地分支形成。作為用于防止光吸收的緩沖層，將分支光波導(dǎo)6的整個(gè)表面上蓋上一層二氧化硅(SiO2)膜。然后在分支光波導(dǎo)6的一邊形成由金屬構(gòu)成的電場(chǎng)屏蔽部件8。
圖4是本發(fā)明的其他實(shí)施例，在圖4的實(shí)施例中，對(duì)于和圖3實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)部件標(biāo)以相同的符號(hào)。如圖4所示，在上述傳感器探頭1中，上述電場(chǎng)屏蔽部件8在兩邊的分支光波導(dǎo)6上形成，并且分支光波導(dǎo)6上的電場(chǎng)屏蔽部件8的長(zhǎng)度不同。圖4的傳感器探頭1具有和圖3實(shí)施例大致相同的特性。
圖5是本發(fā)明的其他實(shí)施例。在圖5的實(shí)施例中，和圖3實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)部件標(biāo)以相同的符號(hào)。圖5的電場(chǎng)傳感器具有構(gòu)成為透過(guò)光的強(qiáng)度隨外加的電場(chǎng)強(qiáng)度變化的傳感器探頭1、與該傳感器探頭1連接的入射出射光纖9、與該入射出射光纖9的入射出射端耦合的循環(huán)器10、通過(guò)該循環(huán)器10和透鏡12向上述入射出射光纖9照射光的光源11、用于檢測(cè)從上述循環(huán)器10出射的透過(guò)光的光檢測(cè)器13和測(cè)量從該光檢測(cè)器13輸出的檢測(cè)信號(hào)的測(cè)量?jī)x器14。
如圖6所示，上述傳感器探頭1包括具有電光效應(yīng)的基板4、在該基板4上形成的與上述入射出射光纖9連接的入射出射光波導(dǎo)15、在上述基板4上形成的從上述入射出射光波導(dǎo)15分支的2個(gè)分支光波導(dǎo)6、設(shè)在上述基板4上的用于反射從上述分支光波導(dǎo)6傳出的光的反射鏡16和設(shè)在上述分支光波導(dǎo)6的一邊附近的用于屏蔽電場(chǎng)的電場(chǎng)屏蔽部件8。上述入射出射光纖9由偏振狀態(tài)穩(wěn)定光纖構(gòu)成。上述反射鏡16由介質(zhì)鏡、通常的平面鏡或者反射涂層構(gòu)成。
在圖5和圖6的實(shí)施例中，在有上述電場(chǎng)屏蔽部件8的范圍內(nèi)，電場(chǎng)被屏蔽，在另一個(gè)分支光波導(dǎo)6中，折射率隨外加電場(chǎng)而變化。結(jié)果，在將它們合流的入射光波導(dǎo)15中，產(chǎn)生光波的位相差，從而可以測(cè)量與外加的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化對(duì)應(yīng)的出射光的強(qiáng)度。
圖3～圖6的電場(chǎng)傳感器，由于在光波導(dǎo)上形成的電場(chǎng)屏蔽部件是1個(gè)，不會(huì)發(fā)生放電以及由此引起的損壞，所以，適合于進(jìn)行強(qiáng)電場(chǎng)的檢測(cè)。
如圖7所示，上述電場(chǎng)傳感器探頭1不具有圖6所示實(shí)施例中具有的上述電場(chǎng)屏蔽部件8，但是，具有在上述分支光波導(dǎo)6上形成的1對(duì)電極17和與這1對(duì)電極17連接的天線1 8。
下面，更具體地說(shuō)明圖7所示的實(shí)施例。上述基板4由鈮酸鋰(LiNbO3)晶體板構(gòu)成。上述入射出射光波導(dǎo)15上在1000～1100℃的溫度下將厚度40～100nm的鈦膜圖形擴(kuò)散4～8小時(shí)而形成的寬5～10μm的光波導(dǎo)。
上述分支光波導(dǎo)6形成為長(zhǎng)度5～20mm。設(shè)置的上述反射器16是在與分支光波導(dǎo)6垂直的基板的端面鍍上金等金屬膜而形成。另外，入射出射光光波導(dǎo)15與偏振穩(wěn)定型的入射出射光纖9耦合。在分支光波導(dǎo)6上通過(guò)作為用于防止光吸收的緩沖層的二氧化硅膜形成電極17，該電極17與天線18連接。
在圖7的實(shí)施例中，具有與由LiNbO3晶體板構(gòu)成的基板4垂直的偏振分量的光波從入射出射光纖9射入入射出射光波導(dǎo)15內(nèi)，將能量一分為二后進(jìn)入分支光波導(dǎo)6內(nèi)。在這2個(gè)分支光波導(dǎo)6內(nèi)，產(chǎn)生與從外部施加的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位相偏移，然后再向入射出射光波導(dǎo)15出射。這時(shí)，光波以與在2個(gè)分支光波導(dǎo)6的傳播中產(chǎn)生的位相差對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度即與外加電場(chǎng)的大小對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度在入射出射光波導(dǎo)15中結(jié)合后向入射出射光纖9射出。
圖8所示的實(shí)施例具有在圖7的實(shí)施例中分離的入射光波導(dǎo)5和分支光波導(dǎo)6以及在基板4上與電極17一體形成的天線19。上述分支光波導(dǎo)6通過(guò)光方向性耦合器20與入射光波導(dǎo)5耦合，光方向性耦合器20的另一端與出射光波導(dǎo)7耦合。
從上述入射光波導(dǎo)5射入的入射光在光方向性耦合器20中一分為二后射入分支光波導(dǎo)6內(nèi)，發(fā)生與電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位相偏移后再回到光方向性耦合器20內(nèi)。在該光方向性耦合器20內(nèi)，當(dāng)上述位相偏移為零時(shí)，返回來(lái)的光全部與入射光波導(dǎo)5耦合，但是，位相偏移不為零時(shí)，與位相偏移的大小對(duì)應(yīng)地，光強(qiáng)度減小，與出射光波導(dǎo)7耦合并傳導(dǎo)給出射光纖3。
圖9所示的實(shí)施例不具有圖6實(shí)施例中具有的電場(chǎng)屏部件8，但是，在形成上述分支光波導(dǎo)6之一的基板的部分，具有晶體的偏振方向與其他部分反轉(zhuǎn)180°的偏振反向部分21。該偏振反向部分21通過(guò)在應(yīng)發(fā)生反轉(zhuǎn)的部分設(shè)置鈦膜并使之發(fā)生急劇的溫度變化或者利用照射電子束等方向形成，并且，在偏振反向部分21上形成光波導(dǎo)是利用伴有退火處理的質(zhì)子交換法等進(jìn)行。
在本實(shí)施例中，同一方向的電場(chǎng)加到2個(gè)分支光波導(dǎo)6上時(shí)，由于偏振方向相反，所以，相互發(fā)生方向相反的折射率變化，從而在2個(gè)分支光波導(dǎo)6之間產(chǎn)生位相差。因此，在本實(shí)施例中不需要設(shè)置電極。本實(shí)施例的電場(chǎng)傳感器探頭1可以非常小型化，所以可以檢測(cè)狹小區(qū)域的電場(chǎng)，由于不含金屬電極，適合于檢測(cè)需要高耐壓的強(qiáng)電場(chǎng)。
在圖10所示的電場(chǎng)傳感器中，圖6～圖9中的任一個(gè)示出的電場(chǎng)傳感器探頭1的入射出射光纖9與收發(fā)用的偏振穩(wěn)定型的光纖22連接。在本實(shí)施例中，作為光分離器使用半透明反射鏡23。從半導(dǎo)體激光器24出射的光由透鏡25變?yōu)槠叫泄夂笃淠芰康囊话胪ㄟ^(guò)半透明反射鏡23，利用透鏡26與光纖22耦合，傳送給電場(chǎng)傳感器探頭1。另一方面，從光纖22返回來(lái)的光利用透鏡26變?yōu)槠叫泄夂笃淠芰康囊话胗砂胪该鞣瓷溏R23反射后，與光檢測(cè)器27耦合，檢測(cè)電信號(hào)傳送給測(cè)量?jī)x器28。
圖11所示的電場(chǎng)傳感器中，圖6～圖9中任一個(gè)示出的電場(chǎng)傳感器探頭1的光纖與收發(fā)用的光纖22連接。在本實(shí)施例中，作為光分離器，使用由石榴紅膜29和偏光棱鏡30構(gòu)成的循環(huán)器。從半導(dǎo)體激光器24出射的沿X方向偏振的入射光由透鏡25變?yōu)槠叫泄夂笸ㄟ^(guò)基本上保持了其能量的偏光棱鏡30后，入射到具有法拉第效應(yīng)的石榴紅膜29上。設(shè)定為利用磁鐵31將磁場(chǎng)加到石榴紅膜29上時(shí)，上述入射光的偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)45°。
在上述光纖22和電場(chǎng)傳感器探頭1中，偏振方向保持不變，所以，從光纖22返回來(lái)的光的偏振方向與向光纖22入射的入射光相同。上述返回來(lái)的光通過(guò)石榴紅膜30時(shí)，由于偏振方向再轉(zhuǎn)動(dòng)45°，所以返回來(lái)的光成為與上述入射光正交的偏振光，通過(guò)偏光棱鏡30基本上保持其能量反射后與光檢測(cè)器27耦合。在本實(shí)施例中，具有可以大幅度地減少光能損失的特點(diǎn)，從而可以得到靈敏度更高的傳感器。
權(quán)利要求
1.一種電場(chǎng)傳感器，具有一個(gè)傳感器探頭、一個(gè)入射出射光纖、一個(gè)循環(huán)器、一個(gè)光源和一個(gè)光檢測(cè)器，傳感器探頭構(gòu)制得使透過(guò)的光隨加到其上的電場(chǎng)強(qiáng)度而變化，入射出射光纖接所述傳感器探頭，循環(huán)器與所述入射出射光纖的入射出射端耦合，光源供通過(guò)所述循環(huán)器將光束照射到所述入射出射光纖，光檢測(cè)器供檢測(cè)從所述循環(huán)器發(fā)射出的透射光束，所述傳感器探頭包括一個(gè)基板一個(gè)在基板上形成的一個(gè)入射出射光波導(dǎo)、兩個(gè)第一和第二分支光波導(dǎo)和一個(gè)反射鏡，入射出射光波導(dǎo)接所述入射出射光纖，兩分支光波導(dǎo)從所述入射出射光波導(dǎo)分支出來(lái)，其折射率隨加到其上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，反射鏡供將所述分支光波導(dǎo)來(lái)的光束作為反射光束反射到所述第一和第二分支波導(dǎo)上，所述反射光束通過(guò)所述入射出射光波導(dǎo)回到所述入射出射光纖中；其特征在于，所述入射出射光纖有一個(gè)入射光纖部分和一個(gè)出射光纖部分，所述入射出射光波導(dǎo)有一個(gè)入射光波導(dǎo)部分和一個(gè)出射光波導(dǎo)部分，分別接所述入射光纖部分和所述出射光纖部分，所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)為相移光波導(dǎo)，所述基板上在所述入射光波導(dǎo)部分和所述第一和所述第二光分支光波導(dǎo)附近形成有方向性耦合器，供將所述入射光波導(dǎo)部分來(lái)的所述入射光束分成兩半提供給所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)，所述來(lái)自所述反射鏡的反射光束在通過(guò)所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)、所述方向性耦合器和所述出射光波導(dǎo)部分返回來(lái)之后提供給所述出射光纖部分。
2.如權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述傳感器探頭還配備有第一和第二電極分別在所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)上或所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)附近形成。
3.如權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述基板由鐵電晶體制成，其在形成有所述第一和所述第二分支光波導(dǎo)處的偏振方向彼此相反。
全文摘要
具有基板4、在基板4上形成的入射光波導(dǎo)5、在基板4上從入射光波導(dǎo)5分支形成的折射率隨外加的電場(chǎng)的強(qiáng)度變化的2個(gè)分支光波導(dǎo)6、在基板4上把分支光波導(dǎo)6合流形成的出射光波導(dǎo)7和設(shè)在分支光波導(dǎo)6的一邊附近的用于屏蔽電場(chǎng)的電場(chǎng)屏蔽部件8。也可以在基板4上設(shè)置用于反射從分支光波導(dǎo)6傳出的光的反射鏡16。也可以基板4是由強(qiáng)電介質(zhì)晶體形成，并且構(gòu)成為形成2個(gè)分支光波導(dǎo)6的基板4的部分的偏振方向相互方向。
文檔編號(hào)G01R15/24GK1439882SQ0310605
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月7日
發(fā)明者戶葉祐一, 近藤充和 申請(qǐng)人:Nec東金株式會(huì)社