[发明专利]一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感装置。

背景技术

电场测量在科学、工业和商业领域中有着重要的应用。传统电磁波测量系统采用有源金属探测器，它势必会引起电磁干扰，产生电磁场畸变，并且会导致测量系统对电磁噪音非常敏感。随着光电子技术的发展，为解决电磁波测量系统中的电磁噪音的干扰，美国海军研究机构Bulmer、英国NPL的W.LANG等人，将光波导、电极与天线有机集成在一起，制备出了一种基于Pockels效应的集成光电式电场传感器，首次实现了利用光学原理对电场的测量。

与传统电子电场传感器相比，基于电光效应的光电式电场传感器利用某些晶体(如铌酸锂LiNbO3)的线性电光效应，当光信号在电光材料中传输时，由于光电材料的电光效应，将电场强度的变化通过晶体折射率的变化转化为光信号相位的变化，最终导致干涉信号强度变化，进而干涉信号的强度变化计算得到待测电场的强度变化。

光电式电场传感器克服了传统电子电场传感器的电磁干扰的问题，且由于光电式电场传感器通常基于集成光学器件和光纤器件，与其他类型的电场传感器相比，还具有尺寸小、质量轻、灵敏度高等优点，具有广泛的应用前景，近年来发展迅速。

但是，该类电场传感器无法做到全光纤化，结构复杂、成本高、体积大、难以实现光集成，且波导与光纤之间耦合会产生较大的损耗，难于实现级联构成准分布式传感网络。此外，该类电场传感器基于晶体材料实现，一方面由于晶体的偏光特性，使得电场传感器的探头需要采用保偏光纤与光源相连，且还另需一根传输光纤将干涉信号光导入测量系统中，进一步增加了结构的复杂程度和制备成本。另一方面，晶体材料的光电性能对温度比较敏感，直接导致基于该晶体材料的电场传感器的性能也对温度敏感，因此，须经常对探头进行结构上的调整，以保持最佳工作状态，增加了操作的复杂度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感装置。

本发明的全光纤结构的电场敏感元件，包括光纤和相位调制部件，所述光纤的一端作为电场敏感元件的输入端，另一端作为输出端；

所述的相位调制部件用于使光纤中的部分信号光在电场作用下改变相位。

相位调制部件在外加电场发生变化时，会使部分在光纤中传输的信号光的相位发生变换。本发明的电场敏感元件使用时，从输入端输入信号光，经过相位调制部件的作用，使信号光的相位发生变化，进而根据输出端输出的信号光与输入的信号光的相位差异，即可完成对外加电场变化的感知。

相位调制部件也可以由具有电光效应的材质制备。作为优选，所述的相位调制部件为包覆于光纤包层外的石墨烯薄膜。一方面可以降低成本，另一方便形成光纤同轴石墨烯结构，使敏感元件能够应用的集成光学领域。

本发明中可以整段光纤都包覆有石墨烯薄膜，也可以仅一段光纤包层外围包覆有石墨烯薄膜。

本发明中石墨烯薄膜可以完整或部分覆盖包层的整个周向，可根据需要和工艺条件设定。为保证信号光能量分布的均匀性，本发明中石墨烯薄膜完整覆盖包层的整个周向。

所述的光纤纤芯外周沿信号光传输方向设有间隔布置的两个模式转换器；

两个模式转换器用于使光纤中的部分信号光由纤芯进入包层，再与相位调制部件相作用后返回纤芯；

两个模式转换器之间的光纤包层的至少一部分外周包裹有所述的石墨烯薄膜。

本发明中两个模式转换器均为一段由光纤的纤芯制备得到的光纤光栅，制备时直接在该光纤纤芯的一端写入光栅即可，基于该模式转换器能够实现敏感元件的全光纤结构，易于集成，且大大减小了接入损耗。

两个模式转换器的工作波长必须与该电场敏感元件的工作波长相匹配，可通过合理设置光纤光栅的周期实现波长匹配。靠近输入端的模式转换器的转化效率越高，发生相位变化的信号光越多，电场敏感元件的灵敏度会越高。光纤光栅模式转换器的转换效率与光纤光栅的长度有关。一般光纤光栅的长度越大，转换效率越高。但是为实现器件的小型化，需要根据应用需求适当调整光纤光栅的长度。通常光纤光栅模式转换器的长度为5mm左右。

所述的两个模式转换器分别为靠近光纤输入端的第一模式转换器和靠近光纤输出端的第二模式转换器；

所述的第一模式转换器用于将信号光由低阶模式转化为高阶模式；

所述的第二模式转换器用于将信号光由高阶模式转化为低阶模式。