基于Kerr效应的电场无源测量装置制造方法
【专利摘要】一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括：一激光器；一第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接；一偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接；一电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接；一第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接；一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接；一第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接；一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接；一同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接；一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接。本发明具有测量范围大、抗干扰性强、探头无源化和体积小的优点，晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简单，有利于降低成本和工艺难度。
【专利说明】基于Kerr效应的电场无源测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，属于电场测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 电场测量长期以来一直受到人们的关注，早期的电场测量系统主要采用分立的光 学器件，基于电光晶体的Pockels效应来测量电场强度。但是这种测量系统是由分立的光 学器件组成，结构复杂体积较大稳定性也不好，光路不容易被控制且易受到外界条件干扰， 导致测量电场时误差较大。
[0003] 后来，随着光通信技术的迅猛发展和集成光学制作工艺的不断成熟，出现了基于 电光集成的有源积分式电场传感器，这使得电场传感器的整体性能得到了大幅提升。但这 类传感器需要对其探头部分进行供电，以完成电光信号的转换。考虑到电池的体积和容量， 这就导致电场传感器在小型化设计上无法取得更大突破，同时也限制了电场传感器的连续 工作时间，而且在实际应用中更换电池也存在诸多不便。另外，在对传感器探头部分供电 时，可能会引入电磁干扰，对所测电场造成一定影响，使得测量电场时出现较大误差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，具有测量范围 大、抗干扰性强、探头无源化和体积小的优点，晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简 单，有利于降低成本和工艺难度。
[0005] 本发明提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括：
[0006] -激光器，其用于发出处于某种偏振状态的探测光；
[0007] -第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振状 态；
[0008] -偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接，用于调制所述探测光的 偏振态；
[0009] -电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接，其利用Kerr效应，通过感应 天线探测空间电场，所述电场传感器无须电源供电，可以实现无源测量；
[0010] -第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接；
[0011] 一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接，用于检测所述探测光通过电 场传感器的变化；
[0012] -第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接；
[0013] 一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接，接收所述第三保偏光纤 输出的经过检偏器检测的探测光信号，并转变为电信号；
[0014] -同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接；
[0015] 一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接，对接收数据进行处理，通过面板 实时显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。
[0016] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0017] 从材料选择而言，只有少部分晶体材料具有Pockels效应，但几乎所有光学晶体 材料都具有电光Kerr效应，包括某些液体介质，所以晶体调制器的制造材料可选择性更 广。而且，一般晶体的Kerr电光系数较小，所以测量范围更大。
[0018] 由于存在弹光效应、压电效应及热光效应，会导致某些晶体材料的性能受温度影 响较大。但通过选择合适点群的晶体材料，晶体尺寸可以消除或降低温度对晶体材料性能 的影响。
[0019] 光信号传输的介质为保偏光纤，具有抗干扰性强、低损耗、成本低、电绝缘等优点， 同时还能保证探测光的偏振态不变。
[0020] 电场传感器中感应天线为偶极子天线，其具有辐射能力较强、制造简单、成本低、 防静电且适宜阻抗匹配等优点。感应天线感应出空间电场信号并经金属电极作用于晶体调 制器上下表面产生电势差，使得晶体发生Kerr效应，折射率发生变化，进而影响到晶体调 制器中光波导中所述探测光的偏振态发生改变。晶体调制器中光波导由Si02制成，具有 低损耗的优点。
[0021] 电场传感器无须供电，可以实现无源测量，且对被测点电场影响小，使得测量结果 更接近于真实值。晶体调制器内部只有一个矩形波导，结构简单，有利于降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，现结合附图及实施例对其做 进一步的详细说明，其中：
[0023] 图1是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 请参阅图1所示，本发明提供一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括：
[0025] -激光器1，其用于发出处于某种偏振状态的探测光，所述激光器1是半导体激光 器或光纤激光器；
[0026] -第一保偏光纤2,其一端与激光器1的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振 状态，所述第一保偏光纤2为高双折射熊猫型保偏光纤；
[0027] -偏振控制器3,其输入端与第一保偏光纤2的另一端连接，用于调制所述探测光 的偏振态，所述偏振控制器3为铌酸锂晶体，其是半导体聚合物或电光有机聚合物。激光器 1发出处于偏振状态的探测光，所述探测光通过第一保偏光纤2传输，但在传输过程中由于 受到弹光效应等效应的影响，所述偏振光的偏振态会发生一定的改变，第一保偏光纤2的 偏振保持能力下降。所以，在所述探测光耦合进入电场传感器4之前须经过偏振控制器3 的调制。；
[0028] -电场传感器4,其一端与偏振控制器3的输出端连接，所述电场传感器4无须电 源供电，可以实现无源测量。所述电场传感器4包括晶体调制器41、光波导42、两个金属电 极43和感应天线44,所述光波导42位于晶体调制器41中心。所述感应天线44与两个金 属电极43连接。所述晶体调制器41是非中心对称的晶体。所述金属电极43是合金电极， 与晶体调制器41上下表面相连。所述感应天线44是偶极子天线。所述光波导42的材料 为二氧化硅，形状为矩形，或是聚合物光波导。感应天线44感应出空间电场，通过金属电极 43作用在晶体调制器41上下表面形成电势差。根据克尔效应，晶体的折射率会发生改变， 从而对光波导42中的光信号进行调制。；
[0029] -第二保偏光纤2'，其一端与电场传感器4的另一端连接，所述第二保偏光纤2' 为高双折射熊猫型保偏光纤；
[0030] 一检偏器5,其输入端与第二保偏光纤2'的另一端连接，用于检测所述探测光经 过电场传感器4的变化，所述检偏器5由尼科耳棱镜制成，或是格兰棱镜。由于克尔效应， 探测光经过传感器4后偏振态会发生改变，这种变化经过第二保偏光纤2'传输被检偏器5 侦测到，；
[0031] -第三保偏光纤2"，其一端与检偏器5的输出端连接，所述第三保偏光纤2"为高 双折射熊猫型保偏光纤；
[0032] -光电探测器6,其输入端与第三保偏光纤2"的另一端连接，接收所述第三保偏 光纤2"输出的通过检偏器5检测的探测光信号，将所述探测光信号的变化转变为相应电信 号的变化，所述光电探测器6为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟或硅基材料制成。检 偏器5检测到探测光的变化后经第三保偏光纤2"传输至光电探测器6,因为偏振态的变化 影响探测光的光强，光强的改变被光电探测器6捕获，所以光电探测器6通过对光强的监 测，根据相关公式能够计算出探测光的相位改变值并将其通过同轴电缆7传输至数据处理 系统8。光强与相位关系：/ = /,.,,cos2(p + ~)，1^是输入光功率，Ap是加电压后所述探测 光的相位改变，0是光波导固有相位改变，可以在不加电场时测出；
[0033] -同轴电缆7,其一端与光电探测器6的输出端连接；
[0034] 一数据处理系统8,其一端与同轴电缆7另一端连接，对接收数据进行处理，通过 面板实时显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。数据处理系统8中的信号处 理电路接收到光电探测器6通过同轴电缆7传输的相位改变信号，根据相位与电场强度的
【权利要求】
1. 一种基于Kerr效应的电场无源测量装置，包括： 一激光器，其用于发出处于某种偏振状态的探测光； 一第一保偏光纤，其一端与激光器的输出端连接，用于保持所述探测光的偏振状态； 一偏振控制器，其输入端与第一保偏光纤的另一端连接，用于调制所述探测光的偏振 态； 一电场传感器，其一端与偏振控制器的输出端连接，其利用Kerr效应，通过感应天线 探测空间电场，所述电场传感器无须电源供电，可以实现无源测量； 一第二保偏光纤，其一端与电场传感器的另一端连接； 一检偏器，其输入端与第二保偏光纤的另一端连接，用于检测所述探测光通过电场传 感器的变化； 一第三保偏光纤，其一端与检偏器的输出端连接； 一光电探测器，其输入端与第三保偏光纤的另一端连接，接收所述第三保偏光纤输出 的经过检偏器检测的探测光信号，并转变为电信号； 一同轴电缆，其一端与光电探测器的输出端连接； 一数据处理系统，其一端与同轴电缆另一端连接，对接收数据进行处理，通过面板实时 显示出电场强度，并经通讯模块传输至远处控制端。
2. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述激光器是半导体 激光器或光纤激光器。
3. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述电场传感器包括 晶体调制器、光波导、两个金属电极和感应天线，所述光波导位于晶体调制器中心，所述感 应天线与两个金属电极连接，所述金属电极位于晶体调制器上下表面。
4. 根据权利要求3所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述晶体调制器是非 中心对称的晶体；所述光波导的材料为二氧化硅，形状为矩形，或是聚合物光波导；所述金 属电极是合金电极；感应天线是偶极子天线。
5. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述第一、第二和第 三保偏光纤为高双折射熊猫型保偏光纤。
6. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述偏振控制器为铌 酸锂晶体，其是半导体聚合物或电光有机聚合物。
7. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述检偏器由尼科耳 棱镜制成，或是格兰棱镜。
8. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，所述光电探测器为光电二 极管或光电倍增管，采用磷化铟或硅基材料制成。
9. 根据权利要求1所述基于Kerr效应的电场无源测量装置，其中所述数据处理系统包 括：信号处理电路、面板显示及通讯模块。
【文档编号】G01R29/12GK104407235SQ201410669694
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】张志珂, 刘宇, 祝宁华 申请人:中国科学院半导体研究所