（光学工程专业论文）基于电磁场理论的分段电极电场传感器的特性研究.pdf

摘要 摘要 在本文中主要利用基于电磁理论的分析方法研究光波导分段电极电场传感器 系统中的分段电极结构对其传感特性的影响。通过比较不同的电极分析方法，得 出了在分析分段电极结构对传感特性的影响时，采用数值计算方法最为合适。在 本文中详细研究了用时域有限差分法和矩量法分析分段电极的电磁特性时需要考 虑的问题及解决方法。利用有限积分方法得出了分段电极的不同结构对该传感器 系统的传感特性的影响。其中分段电极结构的z 方向的间隔在大于其中光波导宽 度的范围内取值越小越好，y 方向的问隔取值在1 0 1 t m - 7 0 l m 的范围内越大越好， 边电极宽度与中间电极宽度的取值为：当边电极宽度一定时，中间电极宽度越接 近边电极的宽度越好；当中间电极宽度一定时，边电极的宽度越大越好。分段电 极总长度及分段电极的分段数两者需要由待测电场的频率响应带宽和灵敏度要求 来综合考虑取值。 对己制作完成的光波导分段电极电场传感器的进行实际测试，利用其测试结 果与仿真结果对比分析，修正了之前分段电极结构的数值仿真中的误差以及验证 了仿真模型的可靠性，并以此得出了仿真结果与实际测量结果之间的关系，通过 该关系可以更加精确的指导设计满足不同频率响应带宽与灵敏度要求的光波导分 段电极式电场传感器中的分段电极结构。并且新设计了两种比较有代表性的分段 电极电场传感器中的电极结构。一种是可以工作在高频段5 g h z 1 2 g h z 范围的电 场检测中，当电场频率为9 5 g h z 时的电场传感器的灵敏度预计可达2 5 m v m ；另 一种是工作在低频0 , - , 3 g h z 范围的电场检测中，当电场频率为1 6 g h z 时的电磁传 感器灵敏度预计可达3m v m 。 关键词：集成光波导，电场传感器，分段电极，数值仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t r u c t u r eo fe l e c t r i cf i e l ds e n s o rw i t hs e g m e n t e de l e c t r o d e sh a sb e e n i n t r o d u c e db yt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lw a v e g u i d ee l e c t r i cf i e l ds e n s o ra n d b e e nu e s e dn u m e r i c a la n a l y s i st oa n a l y s e a n dt h e nt h es e n s i t i v i t ya n dt h ef r e q u e n c y r e s p o n s ea r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tw ec a ni m p r o v et h e s t r u c t u r et or a i s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cf i e l ds e n s o rw i t hs e g m e n t e de l e c t r o d e s t h ei n t e r v a li nt h ezd i r e c t i o no fs e g m e n t e de l e c t r o d e si st h es m a l l e rt h eb e t t e r , a n dt h e i n t e r v a li nt h eyd i r e c t i o no fs e g m e n t e de l e c t r o d e si nt h er a n g eo f10 9 m 。7 0 9 mi st h e b i g g e rt h eb e t t e r , t h er e l a t i o no ft h em i d d l ea n dt h es i d eo ft h ee l e c t r o d ew i d t hi s t h a t w h e nt h ew i d t ho fs i d ee l e c t r o d ei si n v a r i a b l e n e s ，t h ew i d t ho ft h em i d d l ee l e c t r o d ei s t h ec l o s e rt ot h ew i d t ho ft h es i d ee l e c t r o d ei st h eb e t t e r ；w h e nt h em i d d l ee l e c t r o d e s w i d t hi si n v a r i a b l e n e s ，t h ew i d t ho ft h es i d ee l e c t r o d ei st h em o r et h eb e t t e r t od e f i n i t e t h ev a l u eo ft h et o t a ll e n g t ha n dt h en u m b e ro fs e g m e n t e de l e c t r o d e si sn e e dt ot a k et h e f r e q u e n c yr e s p o n s eb a n d w i d t ha n ds e n s i t i v i t yi n t oa c c o u n t s o m ef a b r i c a t e do p t i c a le l e c t r i cf i e l ds e n s o r sw i t hs e g m e n te l e c t r o d ew e r eu s e dt o t e s tt h es e n s i t i v i t y , t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea n dt h el i n e a r i t yd y n a m i cr a n g e t h et e s t r e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si sc o m p a r e dt oa m e n dt h et h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s ow ec a l l d e s i g nt h es t r u c t u r eo fs e g m e n t e d e l e c t r o d e sm o r ep r e c i s et om e e tt h ed i f f e r e n t f r e q u e n c yr e s p o n s eb a n d w i d t ha n ds e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r ，ih a v ed e s i g n e dt w om o r e r e p r e s e n t a t i v e o ft h es e g m e n t e de l e c t r o d e s t h eo n ei sa b l e t ow o r ki nt h e h i g h f r e q u e n c yr a n g e o f5 g h z 1 2 g h z ，w h e nt h ee l e c t r i cf i e l df r e q u e n c yi s9 5 g h z ，t h e e l e c t r i cf i e l ds e n s i t i v i t yo ft h es e n s o r i se x p e c t e dt or e a c h2 5 m v m ；t h eo t h e ro n ei s a b l et ow o r ki nt h el o wf r e q u e n c yr a n g eo f0 3g h z ，w h e nt h ee l e c t r i cf i e l df r e q u e n c y i s1 6 g h z ，t h ee l e c t r i cf i e l ds e n s i t i v i t yi se x p e c t e dt or e a c h3m v m k e y w o r d s ：i n t e g r a t e do p t i c a lw a v e g u i d e ，e l e c t r i cf i e l ds e n o r , s e g m e n te l e c t r o d e ， n u m e r i c a la n a l y s i s i l 图目录 图目录 图2 1 集成光波导电场传感器2 图3 1l i n b 0 。电光调制器7 图3 2x 切l i n b 0 。电光强度调制器9 图3 3 分段电极光波导电场传感器1 0 图3 4 集成光波导电场传感器系统1 2 图3 5 电场传感器等效电路1 3 图5 1 分段电极结构图3 5 图5 2 非均与网格划分3 6 图5 3 分段电极仿真结构图3 6 图5 - 4 分段电极在波导中心处沿光波导方向的电场分量e z 幅度值3 7 图5 5 空间电场强度与电极间电场强度的关系3 8 图5 - 6z 方向电极间距与电极间电场强度关系3 8 图5 7y 方向电极间隔与电极间电场强度及y 方向电场长度积的关系一3 9 图5 8 中间电极宽度与电极间电场强度的关系4 0 图5 - 9 边电极宽度与电极间电场强度的关系4 0 图5 1 0 分段电极数与电极间电场强度及电场长度积的关系4 l 图5 “集成光波导分段电极电场传感器结构图4 2 图5 1 2l = 4 2 m m ，n = 1 0 时分段电极的电场频率响应4 2 图5 1 3l = 3 2 m m ，n = 1 0 时分段电极的电场频率响应4 3 图5 1 4l = 2 2 m m ，n = 1 0 时分段电极的电场频率响应4 3 图5 1 5l = 1 2 m m ，n = 1 0 时分段电极的电场频率响应。4 3 图5 1 6l = 4 2 m m ，n = 1 0 时分段电极的电场频率响应4 4 图5 1 7l = 4 2 m m ，_ 1 5 时分段电极的电场频率响应一4 5 图5 1 8l = 4 2 m m ，- 2 0 时分段电极的电场频率响应4 5 图5 1 9l = 4 2 m m ，n = 3 0 时分段电极的电场频率响应4 5 图5 2 0 分段电极细节照片4 6 图5 2 l 光波导分段电极电场传感器实物一4 7 图5 2 2g t e mc e l l 装置图4 7 v 图目录 图5 - 2 3g t e mc e l l 测试原理图4 8 图5 2 4t e mc e l l 装置图4 8 图5 2 5t e mc e l l 测试原理图4 9 图5 2 6 频率响应测试结果4 9 图5 2 7 入射波为2 5 0m h z 下的动态范围测试曲线5 i 图5 2 8 各分段电极间z 方向电场强度5 4 图5 2 9l = 8 m m ，n = 2 0 时分段电极的电场频率响应5 5 图5 3 0 各分段电极间z 方向电场强度5 6 图5 31l = 6 0 m m ，n = 3 0 时分段电极的电场频率响应5 7 图5 3 2 各分段电极间z 方向电场强度5 7 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二舅矢日期：加协年多月，留日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 壁垒塞导师签名： 日期：溯矿年9 忻 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电子信息技术的发展，各种电子系统的电磁兼容性问题越来越重要，另 外在生物、医学、环境科学、航天科学以及地质学等领域中【l 翊，对所涉及的电场 分析都已成为了必不可少的研究内容，对各种电子设备周围及内在的电场强度测 量的应用也越来越广泛。这些都是保障科学研究的准确，以及电子设备的顺利制 造与安全运转必需考虑的内容【】。 在传统的电场测量中，典型的方法是利用各种各样的天线以及在低频电场中 采用的电容式测量法【5 】。利用天线测量电场多是用于高频电场中天线结合频谱分析 仪来共同测量1 6 】。而电容式测量法则是多用于低频电场中将电场强度信号转化为电 压信号，再通过其他设备检测该电压信号，最终得出电场情况。但是以上这两种 方法在实际应用中还存在许多不足之处，如测试系统中的金属结构会对被测电场 的分布带来影响，有时空间电磁场的频带宽度很广，分布范围跨越几个量级，这 在应用天线的方法进行测量时，往往单一的天线结构难以胜任，而多种天线结构 的结合也容易带来相互之间的电磁干扰，另外还由于天线体积的影响限制了在一 些小范围内的电场测量。由此可见传统的电场测量方法已不能满足科学发展的需 求。 从2 0 世纪8 0 年代后期，由于光纤技术的迅速发展，出现了由光子链路传输 电磁场信号的传感器系纠7 】。该系统的主要原理是：通过光调散射振子技术以及微 波和射频来调制光波，这就是早期通过光的方法传感电磁场信号的传感器系统。 近十几年中，基于电光调制的高灵敏度，宽响应带宽的传感器系统不断的出现。 这类传感器的优点是不会干扰被测电场，传感器的体积小，适用的待测频率范围 广，随着技术的发展，成本也会越来越低。 在本文中主要研究的是基于铌酸锂m z 电光调制器的集成分段电极结构的光 波导电场传感器，通过空间电场对光波导中光信号的调制，最终完成对电场信号 的检测。 电子科技大学硕士学惶论文 12 集成光波导电场传感器的研究现状 在早期出现的光学u 场传感器中，大多采用的是分立器件结台口删。这类型的 传感器结构比较复杂，体积大而且仕感器的性能不稳定。随着集成光学的发展， 返类器件已逐渐被淘汰，由集成光学方式来制作的器件完全取代了。这时出现了 用于测量高压电场的基于l i n b 0 3 衬底的集成光波导电场传感器，其中电极的形式 多利，多样，光波导多为m z 干涉型结构和y 分支光波导结构等f i u 。h 】，这其中研究 的比较多的是如图1 1 所示的m z 结构的光波导。 翻l 一1 集成光波导电场传感器 从现阶段的研究成果柬看，此类光波导电场传感器的半波电压与电极电容比较 大，能够测量几十到几百k v 的电压，但其灵敏度不高，对空间电磁信号的响应 频率也较低，该结构的光波导电场传感器在电力系统中有广泛的应用。除此之外， 随着无线通信系统的发展，对射频段以段微波段的电场测量提出了一定的需求。 国内外许多科研单位对用以探测高频电场的基于l i n b o ，衬底的集成光波导传感器 进行了大量的研究。其中有几种结构是人们研究的主要方向：一是在光调制器中 集成了偶极于天线结构的电场传感器【】目；二是将偶极子天线转化为三角形的行波 偶极子单元结构的电场传感器【1 w ；三是一种无电极的光波导电场传感器结构利_ i j 的原理是反转极化原理i 】4 j ；四是将m z 光波导调制器上的电极进行分段的分段电 极结构 1 5 - 1 7 。这其中的光波导大都采用了m ，z 型结构。 随着集成光学方面制作工艺的不断提高，光波导电场传感器的研发也越来越成 熟。近年来已有越来越多的基于光学传感的商品化电场传感器问世，这其中日本 n e c 公司生产的o e f s 型号的电磁传感器已经在欧美和日本多国拥有专利，其中 的o e f s 一2 型号的电场传感器灵敏度为0l 到i m v m ，可探测的频率范围是2 0 m h z 到1 g h z ，除此之外该公司于英国国家物理实验室共同研制的型号为o e f s m 电场 第一章绪论 传感器响应频率的范围达到了3 0 0 m h z 到3 g h z 。美国s r i e o 公司在光学电场传感 器的研究上也是走在世界的前例，其中由d a v i dh 等人在1 9 9 4 年发明的基于 l i n b 0 3 衬底的无电极m z 型光波导电场传感器【1 8 】是他们的主要研究方向。该结构 避免了金属电极与天线结构对被测空间电场的影响，目前商品化的电场传感器已 经可实现的测量频率范围是1 h z 到1 8 g h z ，电场强度范围是1 v m 到1 0 0 k v m t l 9 1 ， 并且该公司的电场传感器已经用于医疗设备中的心脑电图仪中。在我国台湾地区 于2 0 0 0 年开始也已经投入了大量入力物力用于光学电场传感器的研究，其中2 0 0 0 年到2 0 0 3 年为止，台湾工业技术研究院就申请了5 项关于光学电场传感器方向的 相关专利。 在国内关于光学电场传感器的研究方面，电子科技大学于1 9 9 1 年自主研发了 一支基于l i n b 0 3 衬底的集成光波导电场传感器。该传感器的探头部分是由偶极子 天线与不等臂长的m z 型调整器集成构成，可以用来对低频m v 级的电场进行测 量【2 0 j 。1 9 9 4 年中科院长春物理研究所自主研发了用于探测汽车点火的集成光波导 电场传感器1 2 。此后该所与长春光机所又共同研发了高性能集成光波导电场传感 器。现在集成光波导电场传感器的发展已经为电场传感器的应用扩大了范围，在 火箭发射、电力传输检测、空间电场分布，大气信号传输等领域发挥越来越重要 的检测作用【2 到。 1 3 本文的研究意义 本文主要研究的是分段电极式的集成光波导电场传感器，该传感器是在多种 集成光波导电场传感器的研究基础上，将集成光波导中的电极结构与天线结构相 结合，对电极采用分段的方式，以达到电极与天线电容相匹配，提高灵敏度与响 应带宽的作用【1 5 0 7 l 。通过设计不同的分段电极结构可以具有几百k a z 到十几个 g h z 的频响范围，以及m v m 量级的灵敏度，该结构的光波导电场传感器具有重 量轻、体积小、不易受电磁干扰、适用范围广等优点。在电磁兼容性分析，天线 近场测量等方面都有着广泛的应用前景。 器的特性分析主要还处于试验测试阶段， 但目前对该结构的集成光波导电场传感 其中考虑的问题主要有传感器系统中对 信号发送、信号接收与信号检测的不同器件对整个传感器系统的影响，以及光波 导电场传感器的各种结构对传感特性的影响，在本文中为了进一步发掘该分段电 极式光波导电场传感器的适用范围，为以后设计制作相应的分段电极结构提出依 据，更大的发挥该结构的光波导电场传感器的优势，着重从分段电极的具体结构 3 电子科技大学硕士学位论文 参数上考虑其对传感特性的影响。在本文中，主要从理论分析结合数值仿真的角 度以及与实际情况下的试验测试结果相对比，共同来分析分段电极的不同结构参 数对该电场传感器系统特性带来的影响，其中着重从对频率响应以及对灵敏度的 影响上来分析分段电极结构的具体参数。为今后设计制作适合不同应用条件下的 分段电极光波导电场传感器提供依据。 1 4 本文的工作与内容安排 在本文中主要分析研究的对象是集成光波导分段电极电场传感器的分段电极 结构对传感特性的影响。利用电磁理论分析结合数值仿真的方法以及与实验测试 结果对比研究了各种分段电极结构对传感特性的影响以及利用数值仿真的方法指 导分段电极设计的可行性，并提出设计了两种不同频率响应和灵敏度的集成光波 导分段电极电场传感器的分段电极结构。论文主要内容如下： 第一章为绪论，概要的介绍了集成光波导电场传感器的应用领域及发展状况， 以及在集成光波导电场传感器发展过程中分段电极结构的提出有何优势，及未来 的应用前景。 第二章主要介绍了分段电极式光波导电场传感器的基本原理，其中包括对其 起到关键基础性作用的集成光波导m z 电光调制器的工作原理的介绍，并结合该 电光调制器的基本工作原理介绍了光波导电场传感器的工作原理及其系统构成。 并对该传感器的各个结构对其传感器系统的影响做了介绍。 第三章从分段电极式电场传感器的具体结构出发，比较了可用于分析分段电 极结构电磁特性的各种方法，并主要从数值计算的角度对各种方法做出比较。并 利用时域有限差分法( f d t d ) 和矩量法( m o m ) 对分段电极结构做了一定的数值分 析。 第四章利用电磁场数值分析方法建立分段电极电场传感器的仿真模型，分析 了分段电极的各种结构参数对传感特性的影响。利用已有的光波导分段电极电场 传感器进行了实际的性能测试，再结合实验结果与仿真结果对比，一定范围内修 正了仿真中存在的误差。并利用仿真结果与实验测试数据之间的关系分析了其他 分段电极结可能达到的电场传感器系统的灵敏度。最后设计了两种适用于两种不 同频带范围的分段电极结构，并分析了其在已有系统设备条件不变的情况下可能 达到的灵敏度。 第五章为全文总结及下一步工作的展望。 4 第二章分段电极式光波导电场传感器原理 第二章分段电极式光波导电场传感器原理 随着集成光学技术与光通信技术的发展，集成光波导电场传感器是一种光电 结合的新型电场传感器。在本文中研究的分段电极式光波导电场传感器利用的是 m z 型电光调制器的基本原理，以p o c k e l s 效应为其理论基础发展出来的，因此光 波导电光调制器对电场传感器的传感特性有直接的影响。本章从光波导m z 电光 调制器的原理出发，从而进一步分析该型电场传感器的基本原理。 2 1 集成光波导m - z 型电光调制器原理 高速、宽带宽的集成光学调制器已经在光纤通信系统中得到了广泛的应用。 如今基于l i n b o 。衬底的电光调制器也是研究的热点。其中的m - z 型电光调制器的 主要特性受电极系统的影n 向最大。而与之相关的微波有效折射率和微波损耗这两 个指标成为了限制调制带宽的主要条件。人们为了达到不同带宽与驱动电压的需 求提出过多种调制器的结构。在本节中首先分析m z 电光调制器的理论基础，然 后分别说明其相位调制与强度调制的基本原理。 m z 型电光调制器的基本工作原理是当处于外加电场的情况下l i n b o 。晶体的 折射率会产生变化，此时若有光波通过，光的传输特性会因为折射率的变化而改 变，这就是电光效应。设当外加电场为e 时，l i n b 0 3 晶体的折射率可以表示为： 玎= n o + y e + h e 2 + ( 2 1 ) 或： a n = n - - n o = y e + h e 2 + ( 2 - 2 ) 上式中y 和h 为常量，为无外加电场时的折射率，刀为加电场后的折射率，l 为 加电场前后的折射率变化。y e 是折射率变化的一次项，也称为p o c k e l s 效应或线 性电光效应，h e 2 是折射率变化的第二次项，也称为k e r r 效应。这里由于l i n b 0 3 晶体的第一次项比第二次项引起的折射率变化显著的多，故在此只考虑线性电光 效应【2 3 1 。 在直角坐标系中以晶体主轴为坐标，折射率椭球可以表示为【2 4 】： 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 - 3 ) 其中x 、y 、z 表示晶体主轴方向，吃、刀，、吃为x 、y 、z 方向上的主折射率。由 l i n b o a 晶体为单轴晶体可知：吃= ，z ，= n o 、他= 。当存在外加电场时，折射率椭 球变为： ( 砉) 。c 2 r ( j | 、2 7 、j 3 3 ：2 r2 ( 砉) ：，j z z - 2 ( 嘉) 。，工z r2 ( 砉) 。：，旷= ：t c 2 4 ， 由公式( 2 2 ) 到( 2 4 ) n - j 矢l e i ，在外加电场的作用下，折射率椭球的系数( 1 2 ) 的线性变 化量可以表示为： ( 吉) f ，= 莩色 c 2 固 其中为线性电光系数，i j = l ，2 ，3 ；k 为x ，y ，z 。又由于l i n b o 。晶体的对称性， 可以将线性电光系数化简为： = 0 一兄2 3 0 兄2以3 00 乃3 0 以l 0 儿l 00 一儿2 00 ( 2 6 ) 其中： 儿3 = 3 0 8 x l o - 1 2m ， 苁3 = 8 6 x l o mm v ，圪2 = 3 4 x l o mm v ， 九= 2 8 x 1 0 q 2m ，由此可知玛，为l i n b o 。晶体中电光张量矩阵最大元素。故在 l i n b o a 晶体的z 轴方向外加电场可以使得折射率变化最大，调制深度也最深。设在 z 轴加入电场时，化简折射率椭球方程可得： ”一三诧乃，巨 = 一圭戎乃，e = 吃一圭以置 6 ( 2 - 7 ) i i ，一 + ，一杉 + ，一 第一章分段电极式光波导电场传感器原理 其中l i n b 0 。晶体在m z 光波导中的具体应用如下： ，电极 缓缆缓缀 。_ j 7 光波 豳2 - 1l i n b 0 3 电光调制器 根掂线性电光效应制成的l i n b 0 ，电光调制器是集成光学器件中的一刹；，基本 结构如图2 - 1 所示【”】。由l i n b 0 ，品体的电光效应可知为了获得尽可能大的调制深 度需要1 ：确选择i 1 n 吣晶体的取向，以获得最大电光系数 、。图2 - 1 中所示结构 为x 切y 传的i j i n h 0 ，) 片墩向，电极位于光波导两恻，电场在水平方向上对光波 等产生调制作j ，光波导传播的是t e 模。这里为了减少金摧对光波带来的吸收损 耗以及增加啕制带宽，往往需要在电极与波导之间使用二氧化硅作为隔离缓冲层。 在考虑如图2 - 1 所示电光调制器的相位调制时，需要知道光波导处的e 。实 际情况下可知光波导中的电场与外加电场在电极间各处的分布都是非均匀的，但 为了简化分析，可将光波导处的电磁分布看成是均匀的。假设其为电容器中的电 场分稚，为此引入重叠积分因子r 。在电极上存在调制电压时光波导中的折射率 就会因为电光效应而发生变化，这使得通过光波导传输的光在电极作用区的相位 也会随之变化。在同一横切面内，对t e 模来说光波导折射率随电场的变化为： 1 ， “。= n n o = 一n ，e r ( 2 8 ) 上式中e 是光波导内的外加电场强度，r 是重叠积分因子可以表示为： r = 罟肛阿枷( 2 - 9 ) 上式中e 是外加电场，e 是光波导处归一化的分布电场函数，g 为电极间距，v 是电极之间的电压，在光电作用的区域为积分区域2 6 1 。光波的相位变化由( 2 8 ) 式 可知： 电子科技大学硕士学位论文 = 2 - 孚a n , l = 一要行：乃3 e , r l ，v以 上式中五位真空波长，为光电作用区长度，因为光波导很薄， 光波导内的调制电场的分布为均匀分布电场，表示为： 疋丢 由( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可得： 彩：一x n ；y 3 3 f lg 。 2 g 所以设光波导输入光波为： 岛。巳c o s ( c o o t ) ( 2 - 1 0 ) 因此可以近似认为 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 上式中为光波角频率，e r a 为光波电场幅度，在对其相位进行调试时，光波导输 出光波可以写为： 巳。i = e mc o s ( c o o t 一( d o n el 一) c ( 2 - 1 4 ) 假设外加电场易是正弦变化电场已s i n ( c o t ) ，调制电压v 亦是正弦变化电压 圪s i n ( c o t ) ，再将( 2 - 12 ) 带入上式，可得： e o u t = e m c o s 卜盟c “坐产咖( 纠) l ( 2 1 5 ) l l 铲一卜警三+ 警咖c 陋峋 在不考虑恒定相位因子c o o n , l c 时，可以将相位调制指数写为： 万：z r n ；y _ i 一 l e ( 2 - 1 7 ) 在相位调制的基础上发展出m z 光波导强度调制器，常见的l i n b 0 3 晶体x 切 电光强度调制器如图2 - 2 2 5 1 所示，其中的光波导结构为m z 干涉仪结构，入射光 波在输入端的y 分支处分为两部分进入光波导的两臂，在一段传输距离之后，在 8 第二章分段电极式光波导电场传缚器原理 输出端的y 分支处两路光又合为一路输出。其电板结构为共面波导结构，通过电 极问的水平方向电场影响光波导中光的传输，以达到强度调制的作用。 幽2 - 2x 例l i n b o o 电光妊压调制器 现由图2 - 2 所示的l i n h 吼r b 光强度调制器结构说明电光强度调制的基本原理。 这里为简化对沦不考虑光波导的损耗，且设在光波导入射端的光波为： = c o s ( m o t ) ( 2 - 18 ) 在入射端y 分立处，设光波平均进入光波导的两臂，分别表示为： q2 q2 击c o s ( r ) ( 2 - 1 9 ) v 所以在输出端的光波表达式为： “5 击击吣c 舭小c o s c 咿酬 任： = 一( ”盟胁盟乎 上式中的纯和热分别为m - z 光波导两支路引起的相位变化，它们同时受电光效应 的影响产生相位调制。当有外加电压作用在光波导电极结构上时，使得其中两支 路的相移等值异号，即羁= 一仍，设妒= 霸一鸭，可将( 2 2 0 ) 式改写为： 。，= 。s ( f ) c o s 譬( 2 - 2 1 ) f l j ( 2 - 2 1 ) 式可得输出光强的表达式为： 电子科技人学硕士学位论文 ，= ，。；c o s 2 ( ! 羚= ，瑚、i f + c o s ( p ) j ( 2 - 2 2 ) zz 其中的，为光强幅度最大值 山此可见电极电压使得在两分支波导出产生电场，以致光波导折射牢产生变 化。当输入光通过两支波导在输出端汇台时，产生不同的相位差a f n ，由此导致输 出的光强会随着相位差的变化而变化，这即是对起强度进行了调制。当稳定口在 o5 ”附近变化时，可以认为其是线性调制的。其中口的变化实质就是光波导处电 场的变化。囡此在电极l 乜压中没置适当直流成分以使得工作点在o5 f 附近，这样 就可以使得最后的调整为线性调制。在光波导输出端的光波经过光探测器后将光 的强度变化转化为光电流的变化，该光电流信号就是加在电极电压上的信号。 22 分段电极光波导电场传感器工作原理 2 21 集成光波导分段电极电场传感器的理论基础 集成光波导电场传感器的理呛基础是山集成电光调制器的基水理论和电光效 应、强度调制以及相位调整等基本概念发展而来的。两者的主要区别在于对空间 电磁信号的馈入方式不同，在i b 光调制器中，电极电压是通过传输线将信号馈八 电极从而形成电光调制：而在光波导电场传感器中是利用天线结构感应空间的 电磁信号，然后将其耦合到光波导电极e 形成电极电压，这样就将宅问中的电磁 信号调制到了光波导中的佬输光上。在本文中丰要研究的分段屯擞式电场传感器 如图2 3 所示。 二二二二：f 图2 - 3 分段电极光波导电场传感器 其中的l i n b o ：晶体为x 切y 传方向为了使得调制深度最深一般使得电极间的 感应电场平行于l i n b o ，晶体的z 轴，这样可以利用l i n b o ，晶体的最大电光系数a 协 第二章分段电极式光波导电场传感器原理 为了减小金属电极对光波导产生的传输损耗，在电极平面与光波导平面之间需要 加入二氧化硅缓冲层。在空间中存在如图2 3 所示的水平极化电场时，相邻的两分 段电极间会产生电压，从而产生影响光波导折射率变化的电场，进而使得其中的 传输光产生相位调制，在光波导输出端两路被相位调制的光波发生干涉，从而形 成强度调制。这样经过光电探测器后的电信号就反映出了空间电场的信号。这里 在y 方向的分段电极结构的周期在几百微米量级，电极之间在z 方向的间隔在微 米量级，因此电极之间的电压v 非常的小，但是由于其间隔也是在微米量级，因 此在光波导位置处的电场仍然是很大的，这样使得电光效应还是比较明显的，但 总的来说这种电光效应产生的强度调制还是微弱调制。 在设计分段电极电场传感器的具体结构尺寸中时，当调制电压一定时，电极 长度与m z 光波导调制器调制的关系成正比。若要在增大m z 光波导调制器的电 极长度的同时又减小该电场传感器的尺寸，则电极与偶极子天线的结合是一种有 效的解决方案。但是m z 光波导调制器上集成的电极电容是随着其长度的变化而 线性增加的【2 9 1 ，这就会使得调制器上的电极阻抗与偶极子天线的阻抗相互不匹配， 以致调制电压减小。但当采用分段电极这一结构时就可以很好的解决阻抗不匹配 这一问题，其具体的分段电极结构如图2 3 所示。这里归纳分段电极结构与天线相 结合的主要优点有： ( 1 ) 因为集成光波导中的天线的长比宽大的多，这使得沿波导y 方向的偶极子 天线长度相对较长。并且在整个器件的尺寸恒定的情况下，可以优化分段电极的 结构改变电场传感器的传感特性。 ( 2 ) 分段电极结构与偶极子天线的结合，致使m z 光波导的两干涉臂上产生了 相反的相位调制，这样就增大了m z 光波导调制器的调制效率。 ( 3 ) 因为对电极的分段，实现了电极阻抗与天线阻抗之间的相互匹配。并且由 于分段电极结构的长宽比很大，当空间电场极化方向与分段电极的y 方向平面时， 分段电极间的z 方向感应电场会大大提高，这样就有效提高了光波导分段电极电 场传感器的灵敏度 由2 1 节电光调制器的基本原理还可知，在不考虑损耗时，光波导的输出与 输入光强的关系可以表示为： 11 ， 矿、 o u t = lc o s 2 ( 缈) = 寺厶+ 云气c o s l 万争+ i ( 2 - 2 3 ) 电子科技大学硕士学位论文 其中，m ，。为输出光强，。为输入光强，是半波电压，r 是电极间电压，是m z 光波导的固有相位差。由上式可知，在光波导结构与电极结构确定的条件下，不 改变输入光强，则输 i 光强仅与电撤问l 乜压有关。本质是电极问的电场是使得光 波导内的传输光产q 一相位调整。这样只要知道了电极间的感应电压v ，或电极】j 的感应电场e ，就可以得到空f ，存在的电场信号。若以光波导2 p 圆心处为原点， 距离波导垂直距离为x 平行于z 轴的电场分布表达式为”，j ： 丘( ，z ) = 2 22 集成光波导电场传感器系统模型 集成光波导电场传感系统如图2 - 4 所示。电场t 感器中的光波导入射端通过保 偏光纤接收山激光器发出的激光。传感器上的乜极对卒问中的乜场信号产生响应， 并在光波导位置产牛感应电场并对其中的光信号进行丰h 位调制。在光波导的输出 端，两支波导中的光信号干涉，产牛强度调制信号，该信号通过光纤进入光探测 器。此时的光信号则转换变成了电信号，从该屯信号中可以得知空间的电场强度 信息与频率信息。此处的激光器般使用半导体二极管激光器，探测器则一般使 用a p d 光探测器或p i n 光电二极管探测器。 电 图2 4 集成光波导电场传感器系统 由集成光波导电场传感器系统可知电场传感器的工作特性不仅与光波导电 场传感器的结构特征有关，而且与激光光源、传输光路以及光探测器的特性都密 切相关。在本文中主要分析的是分段电极电场传感器中的电极结构对传感特性的 影响，但是也需要深入了解集成光波导电场传感器系统中各部分结构的工作特性， 从而更深入的探索不同分段电极结构可能对该电场传感器系统带来的影响。 槲瓜謦十两 第二章分段电极式光波导电场传感器原理 首先由集成光波导电场传感器系统的结构图可得改系统的等效电路图如图 2 5 所示。 圪 钆 团 ji l “ i z m l ； 天线 光调制 i ；彳l 垴s ( t 器 一 ， 毗一 # c s 丰 c 训 光椿测器 图2 5 电场传感器等效电路 其中光电探测器接收的信号电流可以表示为【1 9 】： ( f ) = 吸只w( 2 2 5 ) 上式中贸表示光探测器的单位增益，其表达式为： 贴焉( 2 - 2 6 ) ，l ， 其中玎表示量子效率，e 表示电子电荷( 1 6 x l o 。1 9c ) ，z 为表示光波频率，h 表示普 朗克常量( 6 6 3 x 1 0 。4j s ) ，光波导电场传感器输入端光功率假设为激光器发出的光 功率圪，输出端光功率假设为光电探测器输入端光功率只，则其两者之间的关系 表达式可以写为： 乙= ( 口l 昂2 ) l + c o s 协匕+ m 。) ) ( 2 2 7 ) 上式中表示保偏光纤的传输损耗，表示单模光纤的传输损耗，口。则是其中光 波导电场传感器的插入损耗，圪表示由分段电极感应到的空间电场在电极间产生 的电压，圪为光波导电场传感器的半波电压，。是光波导电场传感器的初始相位 偏置角。由( 2 2 5 ) 至a j ( 2 - 2 7 ) 式可知，光电探测器的输入端电流信号表达式为： ( f ) = 筹口2 a m ( a 。己2 ) 1 + c o s ( x v , , 匕+ o 。) 】 ( 2 - 2 8 ) ， 由分段电极电场传感器的基本原理可知，电极问的电压信号看看成是小信号 ( 圪圪) ，l l t 时( 2 2 8 ) 式可以改写为【2 9 】： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ( f ) = 嚣咖刚2 ) t + c o s 吒- & 匕v 扣n 叱 ( 2 - 2 9 ) 由上式可得其均方电流信号表达式为： ( e ) 2 故v - - 乏e , a , a 啪t 吨j ( 2 - 3 。) 光电探测器产生的均方噪声电流信号表达式为【2 8 】： ( 焉) = 2 e b i e + 2 e i o 肌4 k r b _ _ _ _ r rb (2-31) 上式中的第一项表示量子噪声，= 倪表示初始进入光电探测器中的光电流， = a l a 。口：最( 1 + c o s 。) 2 表示光电探测器接收到的信号平均光功率；上式中的第二 项表示其中的暗电流噪声，d 表示其中的体暗电流。上式中的第三项表示其中的 负载电阻产生的热噪声，r ，表示为负载电阻的电阻值，b 为光电探测器的接收带 宽，k 日表示波耳兹曼常数( 1 3 8 l o 彩j k ) ，t 表示光电探测器的工作温度。有 文献可知，半导体激光器的输出光的幅度与输出光强的起伏会产生强度噪声。并 且可知这种强度的起伏会随着因温度变化以及激光器输出激光时的自发辐射而随 之产生。因此这种随机的产生的光强度波动的噪声定义为相对强度噪声( 删) ，其 产生的均方噪声电流表达式为嘲1 ： ( ) = r i n ( 贸p ) 2 b ( 2 - 3 2 ) 在本文中研究的集成光波导分段电极电场传感器系统本质上为微弱模拟信号 调制系统。系统的基本模型可以看成是光纤通信模拟系统模型。如图2 5 所示，集 成光波导分段电极电场传感器的各参数与光电探测器输出的电流信号f 。之间的关 系可以表示为： = 厂( q ，吃，i o ，匕，t o o ，p ，e ) ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 3 ) 式表示集成光波导电场传感器系统各部件的参数与光电探测器的输出电流 信号之间均有关系，但在光纤比较短时的光纤损耗可以忽略不计。在本文中主要 研究分析的分段电极光波导电场传感器的工作状态为线性，由此可知被探测的电 极间感应的电场强度e 与光电探测器中的输出电流信号之间成线性关系。 1 4 第二章分段电极式光波导电场传感器原理 2 2 3 分段电极电场传感器系统参数 为了进一步深入分析分段电极电场传感器的探测电场的能力，需要了解影响 其传感器性能的一些基本参数，由集成光波导电场传感器的一般要求可知，半波 电压要尽可能的低，在保证灵敏度的情况下测量带宽尽可能大，插入损耗尽可能 的小，固有相位差