微型集成光波導電場傳感器的設計*

王 欣張家洪*陳福深劉 斌

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學云南省計算機應用技術重點實驗室，云南 昆明 650500；3.北京森馥科技股份有限公司，北京 102209)

瞬態(tài)脈沖電磁場主要包括靜電放電脈沖、高功率微波、核電磁脈沖、雷電以及大功率開關動作等產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場[1]。在信息社會中，瞬態(tài)脈沖電磁場在軍事國防、電力輸送、通信傳輸及航空航天等領域產(chǎn)生的影響不容忽視，比如脈沖強電磁信號產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電壓可達數(shù)千伏甚至數(shù)萬伏，輕則導致電腦等精密電子儀器短暫失靈，重則成為點火源、爆炸源造成重大事故，僅在微電子領域，由瞬態(tài)脈沖電磁場造成的損失每年多達上百億美元[2-4]。因此，瞬態(tài)脈沖電磁場的測量技術一直是國內(nèi)外學者的研究重點。但脈沖電磁信號持續(xù)時間短、上升時間快、幅值變化極大、頻譜范圍極寬等時、頻特征使測量極其困難，而通過傳感器將空間傳播的脈沖電磁信號不失真地轉(zhuǎn)換為便于后端處理的電壓或電流信號是最簡單有效的方法[5]。

早在1978年，Baum C E等人利用電小天線等效為一個與頻率無關的電容，并連接同軸線實現(xiàn)了對核電磁脈沖電場的無失真測量[6]。這類直接感應式傳感器中應用最廣的就是漸進錐形偶極子(Asymptotic Conical Dipole，ACD)D-dot電場傳感器，但其輸出與源信號呈微分關系，需要在后端串聯(lián)積分器才可獲得時域波形，且探頭的金屬結(jié)構(gòu)與同軸電纜常會對空間電場產(chǎn)生較大的影響。為了進一步增強信號傳輸過程中的抗電磁干擾能力，Thomson等人研制了一款基于電光集成技術的雷擊瞬態(tài)電場傳感器，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號再通過光纖傳輸[7]。這類有源直接電光調(diào)制傳感器集成度高、體積小、性價比高，但探頭端需內(nèi)置復雜的處理電路、電光轉(zhuǎn)換電路與供電模塊，極易在強脈沖電場下?lián)p毀。

區(qū)別于以上兩種電場傳感器，本文利用電光材料鈮酸鋰(LiNbO3)晶體具有顯著的電光效應與較大的電光系數(shù)等特性，設計了一種微型集成光波導電場傳感器。該電場傳感器的基本原理為，當偏振光進入鈮酸鋰晶體時，在外加電場的作用下，偏振光的相位會隨著外加電場的大小而改變，這樣就實現(xiàn)了電場信息對光波的調(diào)制。這種集成光波導電場傳感器不僅避免了金屬結(jié)構(gòu)與有源測量的缺點，也具備體積小、帶寬寬等優(yōu)點。

1 電場傳感器的設計

1.1 傳感器工作原理及波導結(jié)構(gòu)設計

LiNbO3晶體的電光系數(shù)γ33最大，因此采用x切y傳的鈮酸鋰晶體作為傳感器的襯底調(diào)制效果最好[8-9]。當施加沿z軸方向的空間電場E z時，鈮酸鋰晶體折射率的變化可以表示為:

式中:neff表示晶體的有效折射率；γ33表示晶體電光系數(shù)；Γ(<1)表示電場和光場中的重疊因子。公式(1)表明，鈮酸鋰晶體折射率的改變量與空間電場的大小線性相關，這是集成光波導電場傳感器工作的基礎。

如圖1所示，集成光波導電場傳感器本質(zhì)上是一個非對稱馬赫曾德爾干涉儀(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI)。當光從AMZI入射端入射時，被Y型分支分為等強度的兩束光，接收天線會在空間電場E(t)的作用下產(chǎn)生感應電壓從而對下波導臂中的光進行相位調(diào)制，使其在出射端與通過上波導臂中的光形成一定的相位差Δφ[8]為:

圖1 集成光波導電場傳感器結(jié)構(gòu)圖

式中:λ為入射光的波長，L el為屏蔽電極的長度，Han是天線高度，G el是電極間距，E(t)是沿電極方向的入射電場。當Δφ＝π時，可以得到半波電場Eπ為:

由集成光波導電場傳感器的工作原理可知，出射光功率Pout與入射光功率Pin的關系[10]為:

式中:α是傳感器的衰減系數(shù)，β是消光系數(shù)，φ0是傳感器的相位偏置，取決于光波導結(jié)構(gòu)(φ0＝2πneff×ΔL/λ，ΔL是AMZI兩臂的長度差)。分析式(4)，可知當兩波導臂相位偏置φ0＝π/2，且半波電場Eπ足夠大使πE(t)/Eπ?1時，可將其簡化為:

再利用泰勒展開式(sinx≈x)一階展開得:

此時，傳感器的輸出光功率與空間電場成正比，使用光電探測器(Photodetector，PD)將傳感器輸出的光信號還原成電信號便可獲得空間電場的信息。相對偏置φ0＝π/2為傳感器的最佳工作點。因此，通過光波導結(jié)構(gòu)與電極結(jié)構(gòu)的合理設計來控制相對偏置φ0與半波電場Eπ的大小，是使電場傳感器工作在線性區(qū)的關鍵[10]。

圖2 AMZI型傳感器光波導結(jié)構(gòu)

將輸入直波導L1設置為5 mm可以確保光波處在穩(wěn)定的工作模式。上下波導臂夾角θ過大將導致光耦合的低效與光功率的高損耗，因此要確保L2/H1>10 000，將L2設置為14 mm，H1設置為12.5μm。若想實現(xiàn)在C波段通過控制光波長λ的值找到最佳工作點，需設置波導兩臂長度差ΔL為33μm[11]。由于S型彎曲波導長度SLength可表示為:

并且ΔL＝2(SLength-L3)，得到AMZI光波導的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，此時波導彎曲長度為15 mm，C波段的光波在彎曲波導中產(chǎn)生的損耗接近0 dB，可以忽略。

表1 AMZI光波導結(jié)構(gòu)參數(shù)設置

1.2 天線結(jié)構(gòu)設計

集成光波導電場傳感器利用波導臂兩側(cè)的天線來接收空間電場并對通過波導臂中的光進行相位調(diào)制?，F(xiàn)有研究結(jié)果證明接收天線不但影響電光傳感器的帶寬，更決定其靈敏度，因此天線的結(jié)構(gòu)設計是傳感器設計的核心[12]。本文采用的天線結(jié)構(gòu)為圖3所示的錐形天線，這種錐形天線的阻抗從底端到尖端逐漸增大，導致尖端的反射電流大大減小甚至消除，避免了形成駐波，有效提升了傳感器的帶寬與靈敏度。

圖3 錐形天線結(jié)構(gòu)圖

為滿足πE(t)/Eπ?1，需確保半波電場Eπ足夠大，將錐形天線的高度Han設置為2 200μm，電極長度Lel設置為5 000μm，電極間距G el設置為60μm，錐形天線底端寬度Wan設置為100μm，電極的寬度Wel設置為20μm，厚度Del設置為1μm，如表2。電極會吸收部分光波損耗而對上下波導臂產(chǎn)生影響，因此在制作傳感器時在波導平面與天線平面間涂覆一層500 nm厚度的SiO2緩沖層減少影響。將neff＝2.138，γ33＝30.8×10-12m/V，Γ＝0.07，C波段中心波長λ＝1 550 nm代入式(3)，得到半波電場Eπ≈401 kV/m。這時，傳感器最大可測電場為Emax≈0.32Eπ≈128 kV/m，理論上滿足瞬態(tài)脈沖電磁場的測量需求。

表2 錐形天線結(jié)構(gòu)參數(shù)設置 單位:μm

2 電場傳感器的制備

首先，使用甩膠機將光刻膠均勻涂抹在厚度為1 mm的x切y傳LiNbO3襯底上，通過紫外曝光顯影獲得波導圖案，再通過退火質(zhì)子交換技術形成寬6μm深3μm的非對稱光波導[13-14]。隨后，通過反應濺射法在AMZI下波導臂上涂覆一層500 nm厚度的SiO2緩沖層，最后在緩沖層上電鍍1對厚度為1μm的錐形金屬電極，電極上層電鍍金屬鉻(Cr)，下層電鍍金屬金(Au)，其橫截剖面如圖4所示。

圖4 電場傳感器橫截面示意圖

集成光波導電場傳感器從實驗室走向工程實用化的關鍵在于波導兩端分別與保偏光纖(Polarization Maintaining Fiber，PMF)、單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)高效耦合，使用的保偏光纖為1 550 nm的熊貓型光纖，其裸纖直徑為125μm，塑料外包層直徑為2.5 mm?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明[15]，光纖與光波導模場失配、橫向偏移、端面間隙、端面菲涅耳反射是影響光纖與光波導之間耦合的主要因素。其中，可以利用光纖V型槽來控制橫向偏移和端面間隙，而對于菲涅耳反射來說，可以使用折射率匹配液來減小。首先，要保證光纖和波導間的模匹配，調(diào)節(jié)好匹配液的濃度，嚴格控制質(zhì)子交換的時間、溫度；其次，采用高精度的耦合設備、正確的耦合結(jié)構(gòu)并使用刻有V型槽的硅片固化光纖[16]。

如圖5所示，傳感器兩端均采用正裝耦合。將刻有V型槽的硅片置于光纖底部支撐，避免光纖的橫向位移，也消除LiNbO3晶片和硅片由于熱膨脹差異造成的位移。光波導與光纖耦合完成后，為保證工程使用時的便利與避免環(huán)境中灰塵等微粒的干擾，將其封裝至大小為70 mm×15 mm×15 mm的陶瓷外封裝盒中，如圖6。使用光功率計對封裝完成后的傳感器輸入、輸出光功率進行測量，得到其插入損耗為13.7 dB。

圖5 光波導與光纖的正裝耦合

圖6 封裝后的電場傳感器

3 傳感器的性能測試實驗

3.1 頻響特性測試

如圖7所示，為了保證測試實驗的準確性，在9 m×6 m×5 m大小的微波暗室中進行集成光波導電場傳感器的頻響特性測試。實驗前，將傳感器置于微波暗室內(nèi)，并分別使用20 m長度的PMF/SMF將傳感器的輸入端/輸出端與屏蔽室中的可調(diào)諧激光源、20GHz帶寬光電探測器相連接。同時，光電探測器的輸出端通過射頻線連接至頻譜儀中。實驗所用的可調(diào)諧激光源內(nèi)部通過起偏器輸出慢軸對準的線偏振光，光源調(diào)諧范圍覆蓋C波段(1 525 nm～1 565 nm)，使用保偏光纖對光源輸出的偏振光保持。

圖7 頻響測試實驗框圖

實驗時，通過調(diào)節(jié)激光器的輸出波長并記錄對應的傳感器輸出光功率，將波長λ設置為最大輸出光功率與最小輸出光功率的中點光功率對應的波長，便可使φ0處在最佳工作點，輸出光功率強度保持在13 mW。在屏蔽室內(nèi)通過PC端控制信號發(fā)生器(ROHDE＆SCHWARZ?SMA100B)輸出不同頻率(100 kHz～10 GHz)的源信號，該信號經(jīng)過功率放大器(RFLIGHT 10 kHz～6 GHz、RFLIGHT 6 GHz～18 GHz)放大后再通過喇叭天線輸出，注意根據(jù)源信號的頻率及時更換對應帶寬的喇叭天線。

不同頻率的信號在微波暗室中的產(chǎn)生的電場強度應保持一致，在暗室內(nèi)放置如圖8所示的標準場強探頭，該探頭會將暗室內(nèi)空間場強值傳回PC端。根據(jù)標準場強探頭的測量值及時調(diào)整源信號的輸出幅值，直至空間電場強度維持在固定值10 V/m。

圖8 暗室內(nèi)傳感器與標準場強探頭布置圖

選擇20 GHz光電探測器對傳感器的輸出進行光電轉(zhuǎn)換，該PD的光譜范圍為850 nm～1650 nm，20 GHz內(nèi)帶寬波動±3 dB，響應時間為18 ps，滿足實驗需求。PD將調(diào)制后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸出至頻譜儀(ROHDE＆SCHWARZ?FSW43)顯示端，依次記錄不同頻率下源信號與傳感器輸出的對應值并繪制成頻響特性曲線，如圖9。

圖9 頻響特性輸出曲線

由圖9可知，傳感器在100 kHz至8.5 GHz頻率范圍內(nèi)，波動小于±5 dB；在8.5至10 GHz范圍內(nèi)，波動小于±15 dB。由此證明，基于LiNbO3制成的集成光波導電場傳感器在100 kHz～10 GHz的超大帶寬范圍內(nèi)頻響特性良好，基本滿足測量瞬態(tài)時域脈沖電場的大帶寬需求。

3.2 時域動態(tài)范圍測試

如圖10所示，將集成光波導電場傳感器豎直放置于橫電磁波(TEM Cell)小室內(nèi)進行時域動態(tài)范圍測試實驗。TEM小室本質(zhì)上是將同軸線外導體擴展為矩形箱體，內(nèi)導體漸變?yōu)楸馄叫景?；當其終端接上匹配負載，始端經(jīng)同軸電纜饋入激勵功率時，TEM小室內(nèi)就建立起了橫電磁波，可提供一個與外界相對隔離的電場測試環(huán)境[17]。TEM小室具有較好的場均勻性，且由于其內(nèi)部空間小，可產(chǎn)生較高幅值的電場，適用于大場強的脈沖電場測試實驗。

圖10 傳感器在TEM小室布置圖

實驗系統(tǒng)搭建如圖11。使用同軸電纜將納秒脈沖發(fā)生器的輸出端與TEM小室的輸入端相連，小室輸出端先通過衰減器衰減后再接入示波器(TEKTRONIX MSO54)的一個通道，方便與測試信號對比。將傳感器豎直放置在TEM小室中，輸入端與輸出端分別與可調(diào)諧激光源、光電探測器相連，PD的輸出接入示波器的另一個通道。

圖11 時域動態(tài)測量實驗框圖

實驗使用的納秒脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生上升沿3 ns～5 ns，持續(xù)時間150 ns～200 ns，峰值電壓200 V～4 000 V的納秒脈沖信號。由于使用的TEM小室(ROHDE＆SCHWARZ TEMZ5233)內(nèi)部兩平行板的垂直距離僅為3 cm，利用E＝V/d計算出TEM小室內(nèi)空間電場E范圍為6.67 kV/m～133.33 kV/m。示波器中將源信號所在的通道設置為上升沿觸發(fā)信號，便得到圖12所示的兩個時域波形。

圖12中，源信號與傳感器輸出信號在上升沿、下降沿、脈寬、平坦度等脈沖信號特征上具有極高的還原度，僅存在120 ns左右的時間延遲，這是測試信號在光纖中傳輸時產(chǎn)生的時延，對測試結(jié)果無影響。選取納秒脈沖發(fā)生器輸出峰值電壓為1 000 V與3 000 V時，即在TEM小室內(nèi)空間電場E為33.33 kV/m與100 kV/m時源信號與輸出信號進行比較。

圖12 輸出信號與源信號波形圖

表3中的每個數(shù)據(jù)均是重復5次實驗后再將檢測數(shù)據(jù)平均計算后獲得，避免偶然誤差。在33 kV/m的空間電場強度下，源信號的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.67 ns，180.27 ns與73.36 ns，傳感器輸出信號的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.95 ns，176.09 ns與71.94 ns，兩個信號間的相對誤差分別為7.63%，2.31%與1.94%。在100 kV/m的空間電場強度下，源信號的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.73 ns，194.54 ns與74.98 ns，傳感器輸出信號的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.50 ns，187.35 ns與65.95 ns，兩個信號間的相對誤差分別為6.17%，3.70%與12.04%。

表3 33.33 kV/m與100 kV/m電場下源信號與輸出信號數(shù)據(jù)比較

依次記錄納秒脈沖發(fā)生器輸出不同峰值電壓時傳感器輸出信號的電壓峰值，將其繪制成圖13所示的時域動態(tài)范圍測試曲線。

圖13表明，本文設計的傳感器在6.67 kV/m～133.33 kV/m的范圍內(nèi)有較好的線性相關度0.985 35。雖然在空間電場強度大于100 kV/m時，傳感器輸出有飽和的趨勢，但總體來看仍保持較好的線性度。在該空間電場強度范圍內(nèi)，得到傳感器的時域動態(tài)擬合曲線y＝0.788 51x+11.254，這對測量未知電場提供了新的測量方法。

圖13 時域動態(tài)范圍測試曲線

4 總結(jié)

鑒于測量超帶寬時域脈沖電場的困難與ACD D-dot電場傳感器，電光直調(diào)電場傳感器對空間電場影響較大的不足之處，使用鈮酸鋰晶體設計了一種微型集成光波導電場傳感器。該電場傳感器具備體積小、帶寬大、時域動態(tài)范圍大、無源測量、超遠距離測量等優(yōu)勢。通過頻響特性測試與時域動態(tài)范圍測試，證明其滿足測量超帶寬脈沖電場所需要的超帶寬、大動態(tài)范圍等性能。集成光波導電場傳感器在100 kHz至8.5 GHz頻率范圍內(nèi)波動小于±5 dB，在8.5至10 GHz范圍內(nèi)波動不超過±15 dB，且在6.67 kV/m～133.33 kV/m的空間電場內(nèi)，傳感器的輸入與輸出的線性擬合相關系數(shù)為0.985 35。