基于M－Z干涉結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)

楊 菲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西西安710026）

1 引言

近些年來(lái)，在高功率微波、強(qiáng)流電子加速器、受控核聚變等研究領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到單次或連續(xù)、變化快、脈寬窄的脈沖高電壓，如何對(duì)其進(jìn)行測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此，對(duì)于具有快速上升沿的高電壓脈沖的測(cè)量技術(shù)的研究將對(duì)上述多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，在現(xiàn)代國(guó)防和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究中具有重要意義，且兼具理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

測(cè)量高電壓脈沖信號(hào)通常需先對(duì)其分壓，常用的分壓器探頭中包含的金屬部分，將對(duì)實(shí)際被測(cè)信號(hào)的電場(chǎng)分布等產(chǎn)生干擾，并且使得傳感器對(duì)于電磁噪聲非常敏感。本文使用鈮酸鋰（LiNbO3）電光晶體結(jié)合M－Z干涉結(jié)構(gòu)集成為光學(xué)電場(chǎng)傳感器（又稱(chēng)鈮酸鋰調(diào)制器）進(jìn)行皮秒級(jí)高電壓信號(hào)的測(cè)量，有效地實(shí)現(xiàn)了體積小、靈敏度高、帶寬大、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。同時(shí)能夠利用光纖將被測(cè)的強(qiáng)電高壓區(qū)域與弱電信號(hào)處理區(qū)域之間進(jìn)行隔離，從而保證測(cè)量的安全性和準(zhǔn)確性。

2 集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)原理

2.1 鈮酸鋰電光晶體

鈮酸鋰LiNbO3晶體（簡(jiǎn)稱(chēng)LN晶體）屬三方晶系，是一種集壓電、鐵電、熱釋電、非線性、電光、光彈、光折變等性能于一體的多功能材料，目前被廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)型光學(xué)無(wú)源器件的襯底材料。采用LiNbO3晶體制成的光波導(dǎo)器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：①晶體電光效應(yīng)良好；②光吸收小，光透過(guò)率高；③光波損耗低，對(duì)波長(zhǎng)依賴(lài)性小；④晶體生長(zhǎng)制備方法簡(jiǎn)單，性能再現(xiàn)性良好；⑤基片尺寸大，可用作集成光學(xué)多功能芯片襯底材料。

在實(shí)際的電光調(diào)制器設(shè)計(jì)中需要合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)以最好地利用材料的最大電光系數(shù)。就LiNbO3集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器而言，一方面需要利用LiNbO3晶體最大的電光系數(shù)，另一方面需要最大限度地利用外加調(diào)制電場(chǎng)，使光波電場(chǎng)與調(diào)制電場(chǎng)重疊積分最大。為使傳感器工作于TM模狀態(tài)，選用Z切X傳LiNbO3晶體，電極位于光波導(dǎo)上方，外加電場(chǎng)在垂直于晶體表面方向上的分量對(duì)調(diào)制器起作用。

2.2 晶體電光效應(yīng)與電光調(diào)制

晶體的折射率因光吸收和光散射特性在外加電場(chǎng)下發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)稱(chēng)為電光效應(yīng)。假設(shè)未加電場(chǎng)時(shí)晶體在某方向上折射率為n1，加電場(chǎng)E后折射率為n2，對(duì)于外加電場(chǎng)作用引起的折射率變化，可以表達(dá)為外加電場(chǎng)E的冪級(jí)數(shù)形式：

其中一次項(xiàng)是泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)，二次項(xiàng)稱(chēng)為克爾（Kerr）效應(yīng)。大多數(shù)情況下，由于外加電場(chǎng)與原子內(nèi)場(chǎng)（一般為108V／cm）相比是很小的，因此與線性效應(yīng)相比，二次效應(yīng)的作用非常微弱（R＜＜r），所以常忽略二次效應(yīng)。本文中僅考慮線性電光效應(yīng)的作用。

2.3 M－Z 干涉結(jié)構(gòu)

M－Z干涉結(jié)構(gòu)廣泛用于集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器中。M－Z干涉型集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器主要由兩個(gè)Y型的M－Z干涉結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用M－Z干涉儀原理，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 M－Z結(jié)構(gòu)光調(diào)制器

再將兩束調(diào)相波經(jīng)過(guò)第二個(gè)Y形光波導(dǎo)（3dB合束器）干涉合成后輸出干涉光的光強(qiáng)為：

3 基于M－Z干涉結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)

3.1 傳感器結(jié)構(gòu)

基于電光效應(yīng)與M－Z干涉型強(qiáng)度調(diào)制器的原理，設(shè)計(jì)集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器

假設(shè)輸入光強(qiáng)為Pm，則經(jīng)過(guò)集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器調(diào)制后的輸出光強(qiáng)Pout為：

其中，VC與光波導(dǎo)上的電極結(jié)構(gòu)有關(guān)，Vπ是鈮酸鋰晶體的半波電壓為

式（6）中，L為晶體的通光長(zhǎng)度，d為晶體加電壓方向的厚度，λ0為光波波長(zhǎng)。

由此可以得出，傳感器的輸出光強(qiáng)度主要受到輸入光強(qiáng)度、晶體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與電極結(jié)構(gòu)等因素的影響。

3.2 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

由光波導(dǎo)的單模傳輸條件得到光波導(dǎo)的寬度范圍為：

其中，波導(dǎo)深度方向的襯底折射率為NS＝2.1560，光波導(dǎo)折射率為 NW＝2.146，工作波長(zhǎng)為 λ＝1.3μm，設(shè)計(jì)波導(dǎo)的寬度 G 為6μm。

圖3 集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，其中輸入輸出直波導(dǎo)長(zhǎng)度L1取5mm，波導(dǎo)分支角小于1°，分支波導(dǎo)長(zhǎng)度L2為2.5mm。由于兩波導(dǎo)靠近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生波導(dǎo)消逝場(chǎng)的耦合，大大降低調(diào)制性能。因此要求兩分支波導(dǎo)充分隔離，獨(dú)立傳輸，取兩分支直波導(dǎo)的間距為40μm。由于此處晶體半波電壓較大，分支部分光波導(dǎo)長(zhǎng)度必須遠(yuǎn)大于鍍金電極長(zhǎng)度，取分支直波導(dǎo)長(zhǎng)度為35mm。

3.3 電極結(jié)構(gòu)

晶體半波電壓如下式所示：

式中，W為三角形電極底部寬度，G為光波導(dǎo)寬度，工作波長(zhǎng)為λ＝1.3μm，ne為光波導(dǎo)非常光折射率，γ33為鈮酸鋰晶體電光系數(shù)。

由晶體半波電壓可以計(jì)算晶體的半波場(chǎng)強(qiáng)Eπ，為使集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器工作于線性工作區(qū)，外加電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E需滿(mǎn)足下式條件。

同時(shí)，光波被調(diào)制過(guò)程的傳輸時(shí)間t0也與電極底寬W和光波導(dǎo)的非尋常光折射率ne有關(guān)，

電極響應(yīng)時(shí)間為t1＝118ps。故，傳感器整體響應(yīng)時(shí)間為 t＝t0＋t1＝125.2ps。

金制三角形電極具有很高的阻抗，其阻抗由下而上逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而形成行波偶極子天線。天線尖端的偏轉(zhuǎn)電流可以減小或者消除，同時(shí)也可以避免駐波的形成。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率大于2GHz時(shí)，以采用矩量法進(jìn)行等效計(jì)算與分析其有效長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)阻抗。傳感器可等效為如圖4所示的電路。

圖4 集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器等效電路

偶極天線部分用一個(gè)電壓源表示，其值為外加電場(chǎng)E和天線有效長(zhǎng)度he的乘積；驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗為Za。如果光電調(diào)制器的輸入阻抗是Zm，則調(diào)制器上所加電壓Vc如下式：由傳感器的輸入輸出光功率之間的關(guān)系可以得到：

定義傳感器的靈敏度為S：

4 集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器性能測(cè)試方案設(shè)計(jì)

使用集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器與光電探測(cè)器等，可以構(gòu)建傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖5示。

圖5 電壓測(cè)量系統(tǒng)

使用保偏輸出的1310nm波長(zhǎng)激光器作為激光源，輸出激光經(jīng)過(guò)保偏光纖接入置于GTEM小室中的LN晶體電場(chǎng)傳感器，經(jīng)M－Z干涉結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)傳輸激光并干涉后通過(guò)單模光纖，高速光電探測(cè)器（20GHz帶寬）將傳感器輸出光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后用寬頻帶示波器（1GHz帶寬以上）直接觀察并記錄系統(tǒng)輸出信號(hào)。與脈沖源輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可評(píng)價(jià)傳感器的靈敏度、測(cè)量范圍等性能。

5 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了基于晶體電光效應(yīng)與M－Z干涉結(jié)構(gòu)集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器，用以測(cè)量具有快速上升沿的脈沖電壓信號(hào)。傳感器的頻率響應(yīng)、靈敏度、量程等性能受到光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電極高度與電極底部寬度等各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的影響。如加長(zhǎng)電極長(zhǎng)度，可提高傳感器的靈敏度用于測(cè)量緩變信號(hào)或低電壓信號(hào)；如縮短電極底部寬度，可提高響應(yīng)時(shí)間用于測(cè)量更快前沿的信號(hào)。該傳感器亦可用于直流、方波、正弦等多種信號(hào)的測(cè)量。