基于M－Z干涉结构的集成光学电场传感器设计

杨 菲

（西安铁路职业技术学院电气工程学院，陕西西安710026）

1 引言

近些年来，在高功率微波、强流电子加速器、受控核聚变等研究领域，经常需要用到单次或连续、变化快、脉宽窄的脉冲高电压，如何对其进行测量是一个关键问题。因此，对于具有快速上升沿的高电压脉冲的测量技术的研究将对上述多个技术领域的发展产生深远的影响，在现代国防和现代科学技术的研究中具有重要意义，且兼具理论价值与现实应用价值。

测量高电压脉冲信号通常需先对其分压，常用的分压器探头中包含的金属部分，将对实际被测信号的电场分布等产生干扰，并且使得传感器对于电磁噪声非常敏感。本文使用铌酸锂（LiNbO3）电光晶体结合M－Z干涉结构集成为光学电场传感器（又称铌酸锂调制器）进行皮秒级高电压信号的测量，有效地实现了体积小、灵敏度高、带宽大、动态范围宽、测量精度高等特点。同时能够利用光纤将被测的强电高压区域与弱电信号处理区域之间进行隔离，从而保证测量的安全性和准确性。

2 集成光学电场传感器设计原理

2.1 铌酸锂电光晶体

铌酸锂LiNbO3晶体（简称LN晶体）属三方晶系，是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，目前被广泛应用于波导型光学无源器件的衬底材料。采用LiNbO3晶体制成的光波导器件具有以下优点：①晶体电光效应良好；②光吸收小，光透过率高；③光波损耗低，对波长依赖性小；④晶体生长制备方法简单，性能再现性良好；⑤基片尺寸大，可用作集成光学多功能芯片衬底材料。

在实际的电光调制器设计中需要合理设计器件结构以最好地利用材料的最大电光系数。就LiNbO3集成光学强度调制器而言，一方面需要利用LiNbO3晶体最大的电光系数，另一方面需要最大限度地利用外加调制电场，使光波电场与调制电场重叠积分最大。为使传感器工作于TM模状态，选用Z切X传LiNbO3晶体，电极位于光波导上方，外加电场在垂直于晶体表面方向上的分量对调制器起作用。

2.2 晶体电光效应与电光调制

晶体的折射率因光吸收和光散射特性在外加电场下发生变化时所产生的光学效应称为电光效应。假设未加电场时晶体在某方向上折射率为n1，加电场E后折射率为n2，对于外加电场作用引起的折射率变化，可以表达为外加电场E的幂级数形式：

其中一次项是泡克耳斯（Pockels）效应，二次项称为克尔（Kerr）效应。大多数情况下，由于外加电场与原子内场（一般为108V／cm）相比是很小的，因此与线性效应相比，二次效应的作用非常微弱（R＜＜r），所以常忽略二次效应。本文中仅考虑线性电光效应的作用。

2.3 M－Z 干涉结构

M－Z干涉结构广泛用于集成光波导电光调制器中。M－Z干涉型集成光学强度调制器主要由两个Y型的M－Z干涉结构组成，应用M－Z干涉仪原理，其波导结构图1所示。

图1 M－Z结构光调制器

再将两束调相波经过第二个Y形光波导（3dB合束器）干涉合成后输出干涉光的光强为：

3 基于M－Z干涉结构的集成光学电场传感器设计

3.1 传感器结构

基于电光效应与M－Z干涉型强度调制器的原理，设计集成光学电场传感器的结构如图2所示。

图2 集成光学电场传感器

假设输入光强为Pm，则经过集成光学电场传感器调制后的输出光强Pout为：

其中，VC与光波导上的电极结构有关，Vπ是铌酸锂晶体的半波电压为

式（6）中，L为晶体的通光长度，d为晶体加电压方向的厚度，λ0为光波波长。

由此可以得出，传感器的输出光强度主要受到输入光强度、晶体光波导结构与电极结构等因素的影响。

3.2 光波导结构

由光波导的单模传输条件得到光波导的宽度范围为：

其中，波导深度方向的衬底折射率为NS＝2.1560，光波导折射率为 NW＝2.146，工作波长为 λ＝1.3μm，设计波导的宽度 G 为6μm。

图3 集成光学电场传感器光波导结构

波导结构尺寸如图3所示，其中输入输出直波导长度L1取5mm，波导分支角小于1°，分支波导长度L2为2.5mm。由于两波导靠近时，将会产生波导消逝场的耦合，大大降低调制性能。因此要求两分支波导充分隔离，独立传输，取两分支直波导的间距为40μm。由于此处晶体半波电压较大，分支部分光波导长度必须远大于镀金电极长度，取分支直波导长度为35mm。

3.3 电极结构

晶体半波电压如下式所示：

式中，W为三角形电极底部宽度，G为光波导宽度，工作波长为λ＝1.3μm，ne为光波导非常光折射率，γ33为铌酸锂晶体电光系数。

由晶体半波电压可以计算晶体的半波场强Eπ，为使集成光学电场传感器工作于线性工作区，外加电场场强E需满足下式条件。

同时，光波被调制过程的传输时间t0也与电极底宽W和光波导的非寻常光折射率ne有关，

电极响应时间为t1＝118ps。故，传感器整体响应时间为 t＝t0＋t1＝125.2ps。

金制三角形电极具有很高的阻抗，其阻抗由下而上逐渐增强，进而形成行波偶极子天线。天线尖端的偏转电流可以减小或者消除，同时也可以避免驻波的形成。当系统工作频率大于2GHz时，以采用矩量法进行等效计算与分析其有效长度和驱动阻抗。传感器可等效为如图4所示的电路。

图4 集成光学电场传感器等效电路

偶极天线部分用一个电压源表示，其值为外加电场E和天线有效长度he的乘积；驱动点阻抗为Za。如果光电调制器的输入阻抗是Zm，则调制器上所加电压Vc如下式：由传感器的输入输出光功率之间的关系可以得到：

定义传感器的灵敏度为S：

4 集成光学电场传感器性能测试方案设计

使用集成光学电场传感器与光电探测器等，可以构建传感器性能测试系统如图5示。

图5 电压测量系统

使用保偏输出的1310nm波长激光器作为激光源，输出激光经过保偏光纤接入置于GTEM小室中的LN晶体电场传感器，经M－Z干涉结构光波导传输激光并干涉后通过单模光纤，高速光电探测器（20GHz带宽）将传感器输出光信号转换为电信号，最后用宽频带示波器（1GHz带宽以上）直接观察并记录系统输出信号。与脉冲源输入信号进行对比，可评价传感器的灵敏度、测量范围等性能。

5 结论与展望

本文设计了基于晶体电光效应与M－Z干涉结构集成光学电场传感器，用以测量具有快速上升沿的脉冲电压信号。传感器的频率响应、灵敏度、量程等性能受到光波导结构、电极高度与电极底部宽度等各项设计参数选取的影响。如加长电极长度，可提高传感器的灵敏度用于测量缓变信号或低电压信号；如缩短电极底部宽度，可提高响应时间用于测量更快前沿的信号。该传感器亦可用于直流、方波、正弦等多种信号的测量。