袁 文-铌酸锂双面金属包覆波导电压传感doc.doc

征文主题：微纳光机电与光传感技术铌酸锂双面金属包覆波导电压传感特性袁 文1，2 曹庄琪1（1 上海交通大学物理系，上海 200240；2 江西师范大学物理系，江西 南昌 330022）摘要 设计了一种利用铌酸锂作为波导基片材料的双面金属包覆波导，利用波导中超高阶导模高敏感特性制成了一种新型的光学电压传感器。入射激光束采用小角度入射，以便激发波导中超高价导模。当器件处于导模共振状态时，选择一个恰当的工作点，再通过两金属电极对该器件施加直流电压，通过检测反射光强，即可获得相应的电压值变化。实验测量中所用的电压范围是-800V+800V, 得到的线性度值为0.995，激光光强反射率变化灵敏度为0.02V-1，实验表明这种电压传感器具有较好的线性和灵敏度，该新型电压传感器具有结构与制作简单、调节方便和成本低廉等优点。关键词 导波光学；铌酸锂；双面金属波导；电压传感中图分类号 O437 文献标识码 A11 引 言图1 器件结构Fig.1 The configuration of sensor光学电压传感器大多是利用电光效应、磁光效应来实现电压传感测量，具有精度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小、重量轻、携带方便等特点，光学电压传感器一般可分为两类，块状光学电压传感器和波导光学电压传感器。块状光学电压传感器通常包括电光晶体、1/4波片、自聚焦透镜等光学组件。光波导电压传感器主要是利用一些电光晶体1或者聚合物2的集成光学装置设计而成，本文根据铌酸锂晶体的电光效应，结合双面金属波导超高阶导模的高灵敏度特性3提出了一种新型无棱镜耦合、结构简单、制作容易的电压传感器件，并且实验测试了该结构器件的电压传感特性，得到了很好的线性。2 原 理实验中研究的铌酸锂双面金属包覆波导器件结构形式如图1所示。由于采用了直接耦合双面金属包覆波导结构，所以去除了一般波导耦合中的棱镜，使得结构更为简单、制作容易。该结构的器件从上至下依次为：上电极金膜、铌酸锂晶体、下电极金膜三部分构成。作者简介：袁文（1972），男，博士研究生，主要从事导波光电子器件的研究。Email: 该电压传感器是一个双面金属包覆波导结构，上电极金膜既是耦合介质也是铌酸锂波导的覆盖层，又是施加电压的电极。当一束准直的TM线偏振激光束处于近法线入射至上电极金膜时，在其表面反射，进行角度扫描，对反射光进行探测，当波导处于导模共振状态时，入射光的能量耦合到铌酸锂导波层中，从而引起反射光能量的急剧下降，在反射率曲线中形成一个吸收峰。图2是反射光强随入射角的变化曲线，即衰减全反射谱（ATR）。每一个吸收峰对应于一个共振模式。电压传感器的工作过程如下：当设未加电压时，传感器的工作角位于图2所示的处，该角度处于线性段的中点。当传感器的上下电极施加电压以后，电压改变铌酸锂的折射率，使导模的耦合效率发生变化，也就造成ATR谱线在角度方向上发生移动，在原来的工作角处的反射光强将发生变化，因此，可通过反射光强的测量而确定电压的变化。由于器件结构属于平板光波导，根据波导TM模式本征方程有5： （1） （2） （3） （4） （5） （6）其中h1、e 1为铌酸锂导波层的厚度和介电系数为，l为入射激光波长，q 为入射光角度，m为模序数，由于上、下电极均为金膜，所以，再根据超高阶导模特性3，（1）式可以简化为：图2 衰减全反射谱Fig.3 Attenuated-Total-Reflection spectrum （7）neff为导模有效折射率。上式由于m很大，而neff 0 ,说明超高阶导模的有效折射率对导波层厚度的变化十分灵敏，反射光强的变化与所加电压的关系6 （8）（8）式中共振吸收峰下降沿的斜率为K，为铌酸锂的电光系数，n1为铌酸锂的折射率，（8）式表明了反射光强变化与所作用电压之间的依赖关系，反射光经光电变换处理后可得到对应的被测电压，这就是电压传感器的工作原理。传感器工作区一般选择在有较大线性范围的共振吸收峰的下降沿。3、实 验电压传感器的制备过程为：选取长宽厚为1.2cm1cm0.1cm的铌酸锂波导基片经超声波清洗烘干，用磁控溅射法在铌酸锂波导基片上先镀好下电极金膜，由于下电极金膜的厚度在大于50nm之后，对ATR谱线的最低点没有什么影响，所以该金膜的厚度不需要精确控制，实验中的镀膜厚度在200nm左右。然后是制作上电极金膜，该膜层的厚度直接影响到ATR曲线的深浅7，也就是入射光耦合到导波层的效率。实验测试，选取34nm厚的金膜耦合效率达到最佳。两面金属膜制作完毕后再粘上电极。电压传感器实验装置如图3所示。将制作好的器件放在q/2q转台上，以精确控制入射角的大小。进行角度扫描，由于实验中是利用高阶导模来进行电压传感特性测试，所以入射光束小于5。实验中采用波长为650nm的半导体激光器。经角度扫描得到ATR谱线，如图2所示，入射光在3.25.5范围内，共有5个导模峰，实验中选取模8m4398来进行测试。 图3 实验装置Fig. 3 Experimental equipment实验中，让q/2q转台停在角度处，测试此时的反射率R43，在电极上施加待测电压，由于铌酸锂的电光效应，波导层的折射率发生微小改变，共振角位置发生相应变化，反射光强度发生变化，根据反射光强的变化值，确定所加电压。图4 反射光强和被测电压关系曲线Fig. 4 The relationship between light intensity and voltage实验所加电压为-800V+800V，所测得的光强反射率和所加电压的关系曲线如图4所示，黑点符号表示实验结果。从拟合的曲线上很容易看出，电压与反射光强呈较好的线性关系，光强反射率的变化范围是38.1%46.5%，电压测量灵敏度系数为0.02%/V-1。根据电压测量的线性拟合度为0.995。4、结 论本文利用双面金属波导高阶导模的特性，在铌酸锂基片上制作的双面金属包覆波导，利用铌酸锂的电光效应，通过电压的施加达到改变波导折射率，从而影响到导模模式同步角改变，使反射光强发生变化，从而监测到电压的变化。从实验的结果来看，具有较好的线性与电压灵敏度，而且，该器件具有结构简单、制作容易、易于集成的有点。利用高阶导模的可以制成偏振无关的器件。参 考 文 献1 Kingsley S A, Sriram S. Parallel-plate integrated optic high-voltage sensorsJ. Electronics Letters, 1995, 31(13): 1096-10972 Sang-shin Lee, Seh-Won Ahn, Min-Cheol Oh et al. Integrated optical high-voltage sensor based on a polymeric Y-branch digital optical switchJ. IEEE Photonic Technol. Lett., 1996, 8(7):921-9233 曹庄琪，陆海峰，李红根，等. 亚毫米尺度双面金属波导的超高阶模及其滤波特性研究J，光学学报，2006.26(4)：497-500.4 Chen W P, Chen J M. Use of surface plasma waves for determination of the thickness and optical constants of thin metallic films. J.Opt. Soc. AmJ, 1981, 71(2): 189-1915 曹庄琪. 导波光学M. 北京：科学出版社，2007.6 xiaoxu deng, pingping xiao, xiang zheng.el. An electro-optic polymer modulator based one thefree-space coupling techniqueJ, J.Opt.A. 2008 10:1-57 袁文，聂义友，桑明煌，等. 双面金属波导参数对ATR 吸收峰的影响分析，江西师范大学学报(自然科学版) J,2006.30（5）:409-4128 周峰，曹庄琪，蒋毅，等. 双面金属包覆介质波导模序数的判别方法J. 光学学报，2002，22(6)：665-669. 4Characteristics of NiLiO3 Voltage Sensing Based onthe Metal-Doubling Optical WaveguideYuan Wen1,2 Cao Zhuang-qi1（1 Department of Physics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240 2 Department of Physics, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022） Abstract：Based on the sensitive property of ultrahigh-order modes of the metal-cladding optical waveguide, a new type of voltage sensor employing a symmetrical metal-cladding optical waveguide structures is presented. In order to excite ultrahigh-order modes, angle of incident light is usually small. The voltage change can be determined by measuring the reflected light intensity when a direct current voltage is applied to two electrodes to modulate the reflected light intensity through the refractive index change of the LiNbO3 refractive index. In our experiment, the measurement range of voltage is from -800V to 800V. The linearity is 0.995. The sensitivity coefficient of reflectivity light intensity is about 0.02V-1. The results show that th