專利名稱：一種基于共路干涉的集成電場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種基于共路干涉的集成電場傳感器，尤其涉及一種基于電光效應的共路干涉儀結構的光學集成電場傳感器，屬于電場測量技術領域。
背景技術：
電場是表征自然界電磁現象的基本物理量，電場測量是眾多科學和技術領域的基礎研究手段。隨著電力系統(tǒng)及核エ業(yè)的發(fā)展，高電壓工程、高能電磁脈沖及高能物理等領域中強電場的測量正在引起研究人員越來越多的關注。隨著集成光學技術的發(fā)展，光學集成電場傳感器得到了深入研究。專利號是USP5209273的美國專利，公開了 ー種集成共路干涉儀電場傳感器，相比其他結構的光學集成電場傳感器，共路干涉儀類型具有較高的溫度穩(wěn)定性。研究結果表明，常用的馬赫-曾德類型電場傳感器靜態(tài)工作點隨溫度漂移的速率為I. 25° I。C，而共路干涉儀類型電場 傳感器靜態(tài)工作點隨溫度漂移的速率僅為、.2° I。C，溫度穩(wěn)定性提高五倍以上，參見[N.A.F. Jaeger，“集成光學傳感器在變電站中的應用”，Proceedings of SPIE，1998，3489 41-52]。因此有望基于集成共路干涉儀開發(fā)高穩(wěn)定性電場、電壓傳感器。已有基于集成共路干涉儀電場傳感器的電場測量系統(tǒng)的結構如圖I所示，包括激光源101、輸入保偏光纖102、傳感器103、輸出保偏光纖104、檢偏器105和光探測器106。其中傳感器103采用鈮酸鋰(LiNbO3)晶體107，在晶體表面利用鈦(Ti)金屬擴散法制作沿Z方向的單模光波導108, Z方向與晶體光軸方向平行。該傳感器的工作原理為激光源101產生的線偏振光通過輸入保偏光纖102進入光波導108后按照TE和TM兩種模式傳輸；在Y方向電場的作用下，兩種模式的傳播常數Pte和Ptm將發(fā)生互補的變化，使從波導108出射的光變成橢圓偏振光；通過輸出保偏光纖104將橢圓偏振態(tài)傳輸至檢偏器105,經過檢偏后偏振態(tài)信號轉變?yōu)楣鈴姸刃盘?。光強度信號傳輸至光探測器106后轉變?yōu)殡妷盒盘?該電壓信號與外加電場成正弦函數關系。測量系統(tǒng)的傳遞函數如式I所示。
E
V = A[i + h cos(% +—Ti)](I)
K其中A反映了光路損耗及光電轉換系數；b為傳感器的消光比，取決于光纖與光波導的稱合エ藝；_為傳感器的光學偏置點，取決于光波導的尺寸稱為半波電場，決定了傳感器的動態(tài)范圍，可表示為
_7]も=ilfc ⑵其中e 22為相對介電常數；入^為真空中的波長；r稱為電光重疊積分，代表電場與光模場的匹配程度；n。為尋常折射率；Y22為電光系數；L為光波導的長度。取XQ=1310nm，L=40mm，則由式(2)可得傳感器的半波電場約為18MV/m，實驗結果表明傳感器的最小可測場強約為100kV/m。強電場測量領域的幅值通常為lkV/m至IOOOkV/m，該類型傳感器的靈敏度過低，限制了其在強電場測量中的應用。
為了提高傳感器的靈敏度，本申請人提出了名稱為“光電集成三維電場傳感器”、申請?zhí)枮?01110123298. I的專利申請，公開了ー種天線與電極，其結構如圖2所示。其エ作原理，在X方向切割Z方向傳光的鈮酸鋰(LiNbO3)基片201上通過鈦(Ti)擴散制作光波導202，在光波導202附近制作偶極子天線203和電極204。偶極子天線203感應外部電場并產生感應電壓，作用于電極204，使電極204之間產生強電場。計算結果表明，在天線與電極的參數中，決定傳感器靈敏度的主要參數是天線的長度ha。傳感器半波電場^與天線長度ha近似成指數關系,如圖3所示。當ha由Imm增加至3mm時,E11由6000kV/m降低至1000kV/m。考慮エ藝過程，鈮酸鋰(LiNbO3)基片201的寬度w有限(切割后通常小于10mm)。另ー方面，為了減小傳感器的尺寸以降低對測量的影響，希望w越小越好。目前，我們所研制的該類型傳感器，基片201寬度w為5mm,天線長度ha為2mm,器件半波電場E n的實測 值約為2100kV/m。傳感器靈敏度的進ー步提高,要求天線長度ha進ー步增大,這與傳感器的微型化相矛盾。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為提出一種基于共路干涉的集成電場傳感器，改變已有傳感器的結構，將天線與波導制作于不同基片上，以使在不增加器件尺寸的基礎上，使傳感器的測量范圍擴展，使集成共路干涉儀類型電場傳感器既能適用于高電壓工程及核物理等領域中的強電場測量，又能滿足電磁兼容領域中弱電場測量對靈敏度的要求。本發(fā)明提出的基于共路干渉的集成電場傳感器，有兩種不同結構第一種結構，包括鈮酸鋰基片、硅基片、墊片、探測單元和調制單元，所述的鈮酸鋰基片和硅基片通過紫外固化膠相互粘接，鈮酸鋰基片和硅基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘結；所述的探測單元包括兩個上接觸電極、連接導線和兩個偶極子天線，兩個偶極子天線分別通過光刻方法附著在硅基片的表面，所述的兩個偶極子天線分別為三角形，偶極子天線的軸線方向長度La為2mm-20mm,偶極子天線的底部寬度Wa為100 u m-400 u m,兩根偶極子天線之間的間距Ga為20 y m-60 u m,偶極子天線的軸線方向與硅基片的長度方向平行，所述的上接觸電極通過光刻方法附著在硅基片的表面，兩個上接觸電極與兩個偶極子天線之間分別通過連接導線實現電氣連接；所述的調制単元包括兩個下接觸電極、光波導和兩個調制電極，所述的下接觸電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，調制單元的下接觸電極與探測單元的上接觸電極通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片上制作，所述的兩個調制電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，兩個調制電極位于所述的光波導的兩側，兩個調制電極分別通過連接導線與兩個下接觸電極實現電氣連接，調制電極的長度Le為寬度We為15 y m-30 u m,兩個調制電極之間的間距Ge為15 y m-30 u m。第二種結構包括一個鈮酸鋰基片、兩個硅基片、一個墊片、第一探測單元、第二探測單元和一個調制単元，所述的兩個硅基片通過紫外固化膠粘接在鈮酸鋰基片的兩側，鈮酸鋰基片和兩個硅基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘接；所述的第一探測單元和第二探測單元的結構成鏡面對稱，分別通過光刻方法附著在相應硅基片的表面，第一探測單元和第二探測單元分別包括兩個接觸電極、連接導線和兩個偶極子天線，兩個偶極子天線分別通過光刻方法附著在硅基片的表面，所述的兩個偶極子天線分別為三角形，偶極子天線的軸線方向長度La為3mm-10mm，偶極子天線的底部寬度Wa為100 V- m-400 u m,兩根偶極子天線之間的間距Ga為20 y m-60 u m,偶極子天線的軸線方向與娃基片長度方向成45° ,所述的接觸電極通過光刻方法附著在娃基片的表面，兩個接觸電極與兩個偶極子天線之間分別通過連接導線實現電氣連接；所述的調制単元包括四個接觸電極、兩個光波導和兩組調制電極，所述的接觸電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，調制單元的接觸電極與探測單元的接觸電極通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片上制作，所述的兩組調制電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，兩組調制電極分別位于所述的兩個光波導的兩側，兩組調制電極分別通過連接導線與四個接觸電極實現電氣連接，調制電極的長度Le為寬度We為15 y m-30 U m,兩個調制電極之間的間距Ge為15 u m-30 u m。本發(fā)明提出的基于共路干渉的集成電場傳感器，具有以下優(yōu)點 I、本發(fā)明的電場傳感器中，為保證調制單元的溫度穩(wěn)定性，調制單元基片采用X方向切割Z方向傳光的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，為減弱探測單元對傳感器整體溫度穩(wěn)定性的影響，探測單元基片采用單面拋光硅基片，因此本發(fā)明的電場傳感器，具有良好的溫度穩(wěn)定性。2、本發(fā)明的電場傳感器中，將探測單元與調制單元相分離，探測單元主要包含偶極子天線，用于檢測外部電場，調制単元主要包括光波導和電極，用于調制光信號。探測單元和調制單元制作于不同的基片上，探測單元的天線長度參數可變，而調制單元參數固定。根據電場測量實際應用中對靈敏度的要求，選擇合適的探測單元，與調制單元實現良好的電氣連接，組裝成具有不同靈敏度和量程范圍的電場傳感器，因此在保證傳感器尺寸較小的基礎上，顯著提高了電場測量的靈敏度和動態(tài)范圍。已有的不含天線的集成共路干涉儀電場傳感器，最小可測場強為 100kV/m ;已有的天線與波導位于同一基片上的集成共路干涉儀電場傳感器，最小可測場強為 10kV/m ;而本發(fā)明所提出的電場傳感器，通過選擇合適的天線長度，最小可測場強為 10V/m。3、本發(fā)明所設計的ニ維電場傳感器，使探測單元中的兩對天線的軸線方向正交，與調制單元相組合，可實現ニ維電場測量。


圖I是已有基于集成共路干涉儀電場傳感器的測量系統(tǒng)結構示意圖。圖2是已有的集成共路干涉儀電場傳感器増加偶極子天線和電極之后的結構示意圖。圖3是圖2所示的傳感器的半波電場En隨天線長度ha的變化關系圖。圖4是本發(fā)明提出的第一種基于共路干涉的集成電場傳感器的結構示意圖。圖5是圖4的A-A剖示圖。圖6是本發(fā)明提出的第二種基于共路干涉的集成電場傳感器的結構示意圖。圖7是圖6的A-A剖示圖。
圖I中，101是激光源，102是輸入保偏光纖，103是傳感器，104是輸出保偏光纖，105是檢偏器，106是光探測器，107是鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，108是光波導。圖2中201是鈮酸鋰(LiNbO3)基片，202是光波導，203是偶極子天線，204是電極。圖4中，I是鈮酸鋰(LiNbO3)基片，2是光波導，3是調制電極，4是下接觸電極，5是上接觸電極，6是連接導線，7是偶極子天線，8是硅基片，9是紫外固化膠，10是金屬焊點，Wa是偶極子天線的底部寬度，La是偶極子天線的長度，Ga是ー對偶極子天線的間距，We是調制電極的寬度，Le是調制電極的長度，Ge是ー對調制電極的間距。圖5中，11是鈮酸鋰(LiNbO3)墊片。圖6中，12是接觸電極。
以上各圖中，X、Y、Z方向分別對應鈮酸鋰(LiNbO3)晶體的[100]、
和
方向。
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于共路干渉的集成電場傳感器，有兩種不同結構第一種結構，如圖4和圖5所示，包括鈮酸鋰基片I、硅基片8、墊片11、探測單元和調制單元，所述的鈮酸鋰基片I和硅基片8通過紫外固化膠9相互粘接，鈮酸鋰基片I和硅基片8分別通過紫外固化膠9與墊片11相互粘結；所述的探測單元包括兩個上接觸電極5、連接導線6和兩個偶極子天線7，兩個偶極子天線7分別通過光刻方法附著在硅基片8的表面，所述的兩個偶極子天線分別為三角形，偶極子天線的軸線方向長度La為2mm-20mm，偶極子天線7的底部寬度Wa為100 V- m-400 V- m,兩根偶極子天線7之間的間距Ga為20 y m-60 u m,偶極子天線7的軸線方向與娃基片8的長度方向平行,所述的上接觸電極5通過光刻方法附著在娃基片8的表面，兩個上接觸電極5與兩個偶極子天線7之間分別通過連接導線實現電氣連接；所述的調制単元包括兩個下接觸電極4、光波導2和兩個調制電極3，所述的下接觸電極4通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片I的表面，調制單元的下接觸電極4與探測單元的上接觸電極5通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導2通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片I上制作，所述的兩個調制電極3通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片I的表面，兩個調制電極3位于所述的光波導2的兩側，兩個調制電極3分別通過連接導線與兩個下接觸電極4實現電氣連接,調制電極3的長度Le為寬度We為15 y m-30 u m,兩個調制電極之間的間距Ge為15 ii m-30 u m。第二種結構如圖6和圖7所示，包括一個鈮酸鋰基片I、兩個硅基片8、一個墊片
11、第一探測單元、第二探測單元和一個調制単元，所述的兩個硅基片8通過紫外固化膠9粘接在鈮酸鋰基片I的兩側，鈮酸鋰基片I和兩個硅基片8分別通過紫外固化膠9與墊片11相互粘接；所述的第一探測單元和第二探測單元的結構成鏡面對稱，分別通過光刻方法附著在相應硅基片8的表面，第一探測單元和第二探測單元分別包括兩個接觸電極12、連接導線6和兩個偶極子天線7，兩個偶極子天線7分別通過光刻方法附著在硅基片8的表面，所述的兩個偶極子天線7分別為三角形，偶極子天線7的軸線方向長度La為3mm-10mm，偶極子天線7的底部寬度Wa為IOOii m-400 iim，兩根偶極子天線7之間的間距Ga為20 u m-60 u m,偶極子天線7的軸線方向與娃基片8長度方向成45° ,所述的接觸電極12通過光刻方法附著在硅基片8的表面，兩個接觸電極12與兩個偶極子天線7之間分別通過連接導線6實現電氣連接；所述的調制単元包括四個接觸電極12、兩個光波導2和兩組調制電極3，所述的接觸電極3通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片I的表面，調制單元的接觸電極12與探測單元的接觸電極12通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導2通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片I上制作，所述的兩組調制電極3通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片I的表面，兩組調制電極3分別位于所述的兩個光波導2的兩側，兩組調制電極3分別通過連接導線6與四個接觸電極12實現電氣連接,調制電極3的長度Le為寬度We為15 y m-30 u m,兩個調制電極3之間的間距Ge為15 ii m-30 u m。
以本發(fā)明提出的第一種結構為例詳細介紹本發(fā)明內容如下電場傳感器包括調制單元和探測單元兩部分。其中的調制單元本質上是基于集成共路干涉儀的電壓調制器。采用X方向切割Z方向傳光的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體作為基片1，基片I厚度通常為1mm。為得到合適的光學偏置點，基片I的長度通常大于IOmm ;為減小傳感器的尺寸，銀酸鈕(LiNbO3)晶體基片I的長度通常小于40mm。為了便于傳感器的制作，鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I的寬度應大于
I.5mm ;為減小傳感器尺寸，基片I的寬度通常小于4mm。在鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I上通過鈦(Ti)金屬擴散制作光波導2，光波導的傳光方向平行于鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I的Z方向。為使光波在光波導2中單模傳輸，對于波長為1310nm或1550nm的光波，光波導2寬度設計為8 ii m至12 ii m。在光波導2附近設計調制電極3,電極的長度Le為
寬度We為15 ii m-30 u m,間距Ge為15 y m-30 u m。在基片I的同一側制作下接觸電極4,下接觸電極長度為2mm-3mm，寬度為200 u m-300 u m。調制電極3和下接觸電極4之間通過連接導線6實現電氣連接，連接導線6的寬度為20iim-40iim。其中的探測單元主要包含上接觸電極5、連接導線6、偶極子天線7和硅基片8。硅基片8的厚度為Imm,長度為10mm-40mm,寬度為0. 5mm-1. 5mm。為使娃基片8對電場傳感器溫度穩(wěn)定性的影響盡可能小，需使硅基片8與鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I的性能盡可能相近。在常用材料中，硅基片與鈮酸鋰的熱膨脹系數最接近，可采用常規(guī)的紫外膠進行粘接，且沒有熱電、壓電等影響傳感器穩(wěn)定性的雜散效應，因此硅基片8的材料選為硅。為了方便在硅基片8上通過光刻方法制作偶極子天線7等部件，硅基片8需進行單面拋光。為了提高天線的頻率響應特性，偶極子天線6設計為三角形,天線底部寬度Wa為100 ii m-400 ii m,間距Ga為40iim。為使傳感器具有多組靈敏度,天線長度La設計為2mm至20mm。調制電極3、下接觸電極4、上接觸電極5、連接導線6和偶極子天線7均通過光刻エ藝制作，厚度通常為 100nm-500nm。調制單元與探測單元通過紫外固化膠9進行粘接；上接觸電極4和下接觸電極5通過金屬焊點10實現良好的電氣連接。為了便于調制単元與探測單元的組裝，可以采用如圖5所示的結構。墊片11與鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I均采用X方向切割的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，且在組裝時光軸方向相同。鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I與墊片11通過紫外固化膠9粘接。采用標準的光纖-波導耦合エ藝，實現調制單元中光纖與光波導的永久耦合。根據實際電場測量中對靈敏度的要求，選擇天線長度合適的探測單元。將硅基片8和鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I之間、硅基片8和墊片11之間用紫外固化膠9粘接，實現調制単元與探測單元的組裝。調制單元與探測單元組裝完成后，將其通過緩沖硅膠固定于管殼中，以完成器件的制作。本發(fā)明的第二種結構，其目的為 實現ニ維電場測量。與第一種結構相比，調制單元具有兩條光波導2，相當于兩組共路干涉儀電壓調制器。探測單元包含兩對軸線方向正交的偶極子天線7，分別位于兩個硅基片8上。鈮酸鋰(LiNbO3)晶體基片I的長度為10mm-40mm，寬度為厚度為1mm。娃基片8的長度為10mm-40mm,寬度為厚度為1mm。天線長度しa設計為且軸線方向與娃基片8的長度方向成45°。其余部件以及部件間的組裝方式與第一種結構完全相同。
權利要求
1.一種基于共路干涉的集成電場傳感器，其特征在于該電場傳感器包括鈮酸鋰基片、硅基片、墊片、探測單元和調制單元，所述的鈮酸鋰基片和硅基片通過紫外固化膠相互粘接，鈮酸鋰基片和硅基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘結； 所述的探測單元包括兩個上接觸電極、連接導線和兩個偶極子天線，兩個偶極子天線分別通過光刻方法附著在硅基片的表面，所述的兩個偶極子天線分別為三角形，偶極子天線的軸線方向長度La為2mm-20mm,偶極子天線的底部寬度Wa為100 μ m-400 μ m,兩根偶極子天線之間的間距Ga為20 μ m-60 μ m,偶極子天線的軸線方向與硅基片的長度方向平行，所述的上接觸電極通過光刻方法附著在硅基片的表面，兩個上接觸電極與兩個偶極子天線之間分別通過連接導線實現電氣連接； 所述的調制単元包括兩個下接觸電極、光波導和兩個調制電極，所述的下接觸電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，調制單元的下接觸電極與探測單元的上接觸電極通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片上制作，所述的兩個調制電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，兩個調制電極位于所述的光波導的兩側，兩個調制電極分別通過連接導線與兩個下接觸電極實現電氣連接，調制電極的長度Le為寬度We為15 μ m-30 μ m,兩個調制電極之間的間距Ge為15 μ m-30 μ m。
2.一種基于共路干涉的集成電場傳感器，其特征在于該電場傳感器包括ー個鈮酸鋰基片、兩個硅基片、一個墊片、第一探測單元、第二探測單元和一個調制単元，所述的兩個硅基片通過紫外固化膠粘接在鈮酸鋰基片的兩側，鈮酸鋰基片和兩個硅基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘接； 所述的第一探測單元和第二探測單元的結構成鏡面對稱，分別通過光刻方法附著在相應硅基片的表面，第一探測單元和第二探測單元分別包括兩個接觸電極、連接導線和兩個偶極子天線，兩個偶極子天線分別通過光刻方法附著在硅基片的表面，所述的兩個偶極子天線分別為三角形，偶極子天線的軸線方向長度La為3mm-10mm，偶極子天線的底部寬度Wa為100 μ m-400 μ m,兩根偶極子天線之間的間距Ga為20 μ m-60 μ m,偶極子天線的軸線方向與硅基片長度方向成45°，所述的接觸電極通過光刻方法附著在硅基片的表面，兩個接觸電極與兩個偶極子天線之間分別通過連接導線實現電氣連接； 所述的調制単元包括四個接觸電極、兩個光波導和兩組調制電極，所述的接觸電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，調制單元的接觸電極與探測單元的接觸電極通過金屬焊點實現電氣連接，所述的光波導通過金屬擴散方法在鈮酸鋰基片上制作，所述的兩組調制電極通過光刻方法附著在鈮酸鋰基片的表面，兩組調制電極分別位于所述的兩個光波導的兩側，兩組調制電極分別通過連接導線與四個接觸電極實現電氣連接，調制電極的長度Le為寬度We為15 μ m-30 μ m,兩個調制電極之間的間距Ge為15 μ m-30 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于共路干涉的集成電場傳感器，屬于電場測量技術領域。傳感器包括鈮酸鋰基片、硅基片、墊片、探測單元和調制單元，鈮酸鋰基片和硅基片通過紫外固化膠相互粘接，鈮酸鋰基片和硅基片分別通過紫外固化膠與墊片相互粘結。探測單元包括兩個上接觸電極、連接導線和兩個偶極子天線；調制單元包括兩個下接觸電極、光波導和兩個調制電極。本發(fā)明的電場傳感器，具有良好的溫度穩(wěn)定性；在保證傳感器尺寸較小的基礎上，顯著提高了電場測量的靈敏度和動態(tài)范圍；本發(fā)明設計的二維電場傳感器，使探測單元中的兩對天線的軸線方向正交，與調制單元相組合，可實現二維電場測量。
文檔編號G01R29/12GK102854403SQ20121034831
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權日2012年9月18日
發(fā)明者王博, 牛犇, 曾嶸, 余占清, 莊池杰, 俞俊杰, 李嬋虓 申請人:清華大學