[发明专利]基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器

说明书

技术领域

本发明属于电场测量技术领域，特别涉及一种基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，尤其适于高电场幅值情况下的隔离及强电场测量。

背景技术

在高电压或电磁脉冲环境下，会产生非常强的电场。对之进行测量的关键部件就是电场传感器。该传感器不仅要能够耐受幅值很高的强电场，而且要能够对其进行测量；为了精确测量，还要求对待测电场影响较小。

在高电压工程电场测量领域，传统电磁感应原理的传感器尺寸较大，整体为金属结构，严重影响待测电场，且供电问题也难以解决。利用集成光学技术研制的光电集成电场传感器与传统的传感器相比具有较大优势，其尺寸小、频带宽、可测场强高，为高电压工程领域的强电场测量提供了一种有效的手段。其典型结构如图1所示，采用具有电光效应的铁电晶片(比如常用的X方向切割的铌酸锂晶片)101，在该晶片表面用钛金属扩散或质子交换方法形成马赫-曾德尔干涉仪结构(M-Z结构)的光波导102，其中间段为互相平行的两条光波导(两臂)，在互相平行的两条光波导中的一段的表面敷设金属电极103。

在外加待测电场0(图中箭头为该电场方向)通过金属电极103作用到光波导102上，调制了光波导的输出功率，通过光电转换设备转换成电压信号后，检测输出电压的变化来得到外加待测电场0。

在实际应用中，由于所采用的铁电晶体(如铌酸锂晶体)的热释电效应，在传感器温度发生变化时，晶体内部会产生与外加待测电场0方向平行的热释电电场，并与前者叠加在一起，干扰测量。实践证明，这种干扰给便捷、准确地测量电场带来了极大的困难。

针对这种问题，测量中经常需要长时间静置传感器，使其和周围空气温度达到充分平衡，同时内部产生的热释电电场被铌酸锂晶体的电导效应缓慢中和。这样做不仅需要很长时间(几十分钟甚至数小时)，而且也给操作带来了极大的不便——测量过程中甚至完全不能用手直接触碰传感器，否则会引起传感器输出剧烈变化。

另一方面，周期极化铁电晶体是一类近二十年来逐渐发展起来的晶体材料。其特点是采用离子扩散法、质子交换加快速热处理法、电子束扫描法、外加电场极化法或者晶体生长法来实现铁电晶体的电畴在空间上周期性的反转。反转的电畴中，与奇数阶张量相联系的晶体物理性质，如热释电系数、电光系数等的符号将发生改变。本发明正是基于这种新兴的材料。

在中国专利98109631.X、94190479.2和94190476.8中，均涉及了应用电畴在局部反转的铁电晶体材料来制作电场传感器的实施例。它们所使用的铁电晶体材料是在M-Z结构波导区域局部进行了电畴的反转，因而其温度稳定性尚未达到最佳，还可以进一步改善。

发明内容

本发明的目的是为克服已有光电集成电场传感器的不足之处，提出一种基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，具有无金属电极，温度稳定性高，适合于工业现场测量的优点。

本发明提出的基于周期极化铁电晶体的光电集成电场传感器，其特征在于，该传感器包括具有电光效应的周期极化铁电晶片，在该晶片表面一个或多个极化周期内形成的沿着平行于畴壁的方向的马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导，该光波导包括输入段、输出段及由两个平行臂组成的中间段；所述光波导的两臂分别处于所述一个或多个极化周期中极化方向相反的区域内。在所述周期极化铁电晶片中，极化周期布满整个铁电晶片，全部极化周期沿所述光波导的垂直方向排列，该每个极化周期的宽度相等或不相等。

本发明的工作原理：在外加待测电场作用下，传感器M-Z结构的两臂由于电光系数的符号相反，致使两臂相位发生相反的变化，形成推挽结构，实现电光调制。而在温度发生变化时，在波导区域，传感器M-Z结构的两臂由于热释电系数、电光系数的符号均相反，“负负得正”，致使两臂相位发生相同的变化，从而互相抵消；在波导区域之外，由于极化周期布满整个铁电晶片，所以热释电系数的符号也处处周期性反转，热释电效应产生的电荷的符号也相应地处处周期性反转，因而这些电荷的电场绝大部分将互相抵消，而不至于干扰测量。如此便达到了本发明的目的。

与原有光电集成电场传感器相比，本发明的有益效果如下：

1)具有优越的温度稳定性，既方便了实验室测量，又适合于工业现场测量。

2)整个传感器不包含任何金属部件，对待测电场的影响进一步减小。

3)继承了原有光电集成电场传感器响应速度快、频带宽、可以测量强电场信号的时域波形等所有优点。

附图说明

图1为现有光电集成电场传感器结构示意图。

图2为本发明的实施例的结构示意图。