本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前基于電光效應(yīng)的鈮酸鋰電場傳感器大多是在塊狀鈮酸鋰上集成調(diào)制電極測量空間電場，塊狀鈮酸鋰低折射率對比度使得電場傳感器集成度較低，整個器件尺寸都在厘米量級，在現(xiàn)有技術(shù)中，專利文獻cn108896838a、cn109975618a、cn112858795a中都是利用質(zhì)子交換方法制成集成塊狀鈮酸鋰，通過設(shè)計調(diào)制電極的形狀實現(xiàn)推挽結(jié)構(gòu)，即馬赫曾德爾干涉儀的兩臂感應(yīng)大小相同，方向相反的電場實現(xiàn)高靈敏度；而在專利文獻cn116520038a中雖然公開了利用薄膜鈮酸鋰以及利用lf結(jié)構(gòu)電極來實現(xiàn)馬赫曾德爾電極臂的推挽調(diào)制，但是其只能進行一次調(diào)制，調(diào)制效率較低；以上技術(shù)存在的缺點有1)質(zhì)子交換方法導(dǎo)致器件尺寸過大，波導(dǎo)寬度大，鈮酸鋰折射率對比度低；2)為了引入傳感器工作點的波導(dǎo)的非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計增大了損耗并且尺寸變大；3)反射膜要求的器件尺寸大，光學(xué)微結(jié)構(gòu)的反射光柵尺寸更小，自由度更高；4)塊狀鈮酸鋰導(dǎo)致電極間距過大，對空間電場的增益相較于薄膜鈮酸鋰?。?)現(xiàn)有的薄膜鈮酸鋰傳感器只能進行一次調(diào)制，調(diào)制效率低。

2、因此，為了解決上述問題，在本技術(shù)方案中提出了一種基于薄膜鈮酸鋰的片上集成電場傳感器，使得基于微環(huán)或者馬赫曾德爾干涉儀的電場傳感器做到毫米或亞毫米量級，并且利用u型結(jié)構(gòu)導(dǎo)波來使薄膜鈮酸鋰平臺有更高的集成度，提高調(diào)制效率，能夠提供的電極間距更小，對空間電場的增益更高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷(不足)，提供一種基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器及測量系統(tǒng)，用于解決傳統(tǒng)電場傳感器尺寸大、集成度低，電場增益小，靈敏度低、調(diào)制效率低等問題，實現(xiàn)了電場傳感器結(jié)構(gòu)基于薄膜鈮酸鋰平臺的集成小型化，并且能夠成倍增加相位積累以及成倍增加調(diào)制區(qū)長度而不改變器件的大小。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器，所述電場傳感器包括了端面耦合結(jié)構(gòu)和薄膜鈮酸鋰平臺，在所述薄膜鈮酸鋰平臺中自下而上依次設(shè)置有薄膜鈮酸鋰襯底、薄膜鈮酸鋰二氧化硅襯底、薄膜鈮酸鋰平板層、脊型波導(dǎo)層以及二氧化硅包覆層；其中，所述脊型波導(dǎo)層包括了多模干涉儀、類f型電極模塊、u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及布拉格光柵；

3、所述端面耦合結(jié)構(gòu)與處于所述脊型波導(dǎo)層前端的多模干涉儀連接；所述多模干涉儀連接在所述類f型電極模塊前端上；所述u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)置在脊型波導(dǎo)層末端并與所述類f型電極模塊相連；經(jīng)過u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)折疊后，所述類f型電極模塊的末端與所述布拉格光柵進行連接。

4、在本發(fā)明中，光束經(jīng)過端面耦合結(jié)構(gòu)耦合后，多模干涉儀將單模光平均分光為兩束進入調(diào)制區(qū)域，首先經(jīng)過類f型電極模塊對其中兩條路徑上的光束進行正反調(diào)制，然后光束經(jīng)過u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后再次進行正反調(diào)制，最后波導(dǎo)末端光束經(jīng)過布拉格光柵反射后再次調(diào)制，從而在本發(fā)明中通過設(shè)置u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和類f型推挽電極的設(shè)計使得整體的調(diào)制效率提高了8倍，即引入了增益9db，與傳統(tǒng)的塊狀鈮酸鋰晶體電場傳感器相比，本發(fā)明所提供的基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器的電極間距更小、集成化更高、增益效果更好、調(diào)制效率也更高，具有測量帶寬大、空間分辨率高、侵入性低等特點，可以應(yīng)用于多種傳感應(yīng)用場景。

5、優(yōu)選地，在所述u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，將兩臂長度設(shè)置不同來引入臂長差，并通過所述臂長差來產(chǎn)生干涉相位差所述臂長差為187μm，用于為電場傳感器提供所需要的工作波長點。

6、在u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中內(nèi)外兩個半圓的半徑不同，從而使得兩臂長度不同來引入臂長差，并且將臂長差長度設(shè)置為187μm，使其在器件滿足小長度尺寸的情況下，這個長度下能夠足夠提供c波段電場傳感器所需要的工作點，同時可以提供折疊使得波導(dǎo)可以再次調(diào)制，提高電場傳感器的靈敏度及調(diào)制效率。

7、優(yōu)選地，所述類f型電極模塊由若干個類f型調(diào)制電極陣列組成，并結(jié)合u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成4路直波導(dǎo)調(diào)制路徑，用于成倍增加光的調(diào)制長度。

8、通過設(shè)置u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不僅為傳統(tǒng)電場傳感器提供了需要的臂長差來提供線性工作點，還能使得在保證器件長度不變的情況下通過折疊實現(xiàn)了雙倍的調(diào)制長度，提高了調(diào)制效率。

9、優(yōu)選地，在所述類f型調(diào)制電極中還包括電極長臂，通過調(diào)制所述電極長臂上的感應(yīng)電荷積累來表征待測空間電場ez，并獲得所述待測空間電場ez與感應(yīng)電壓v之間的關(guān)系：v＝heffez，其中，heff為電極或者天線的有效長度；

10、并結(jié)合上述公式在電極長臂的作用下，所得到的相位改變量為：

11、

12、其中，λ為輸入光的波長，γ為待測空間電場和光模式場之間的重疊因子，ne為te0單模光的有效折射率，d為電極間距，lcl為電場傳感器中的調(diào)制長度，γ33為最大電光效應(yīng)系數(shù)。

13、電極長臂在空間電場的作用下積累感應(yīng)電荷，收集空間電場信息，電荷積累在波導(dǎo)兩端形成電勢差，從而在電極長臂的作用下得到相應(yīng)的相位改變量，為后續(xù)對輸出光功率的計算進行簡化奠定了基礎(chǔ)，使得所輸出的光功率更容易計算得到，提高計算效率。

14、優(yōu)選地，所述多模干涉儀將輸入的單模光均分為兩束并保持其原本的模態(tài)和偏振態(tài)進入直波導(dǎo)調(diào)制路徑和u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中進行推挽結(jié)構(gòu)調(diào)制，通過布拉格光柵反射后再次進行推挽結(jié)構(gòu)調(diào)制，最后所述多模干涉儀將兩束反射光合束發(fā)生干涉并輸出光功率。

15、通過利用多模干涉儀來對光束進行整形，將輸入光束轉(zhuǎn)換為不同形狀和模式的輸出光束，并讓其保持原本模態(tài)可以極大程度地提高調(diào)制效率，并且能夠有效地耦合不同光波導(dǎo)或光纖之間的光信號，提高光學(xué)系統(tǒng)的耦合效率，減少損耗，并且還能從光接收器的輸出電信號中提取電場信息，將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制。

16、優(yōu)選地，在所述多模干涉儀將兩束反射光合束發(fā)生干涉并輸出光功率中，還包括了：引入半波電壓eπ并結(jié)合相位改變量來簡化光功率計算公式，同時設(shè)置干涉相位差使電場傳感器處于工作波長點，并使用泰勒展開公式對所述光功率計算公式進行線性表示，從而得到最終的輸出光功率，所述光功率計算公式pout為：

17、

18、其中，pout為輸出端光功率，pin為輸入端光功率，α為總損耗，g為光電調(diào)制增益，k為消光系數(shù)，eπ為半波電壓，ez為空間待測電場；

19、從而在本發(fā)明中通過引入半波電壓eπ并結(jié)合相位改變量以及通過設(shè)置干涉相位差的數(shù)值使電場傳感器處于工作波長點來簡化光功率計算公式，從而保證了本系統(tǒng)在能夠保證輸出光功率的準(zhǔn)確性高的同時，還能提高其輸出效率。

20、優(yōu)選地，所述端面耦合結(jié)構(gòu)包括了模斑轉(zhuǎn)換器，用于對輸入電場傳感器的光進行高效耦合并輸入到脊型波導(dǎo)層中進行調(diào)制。

21、在端面耦合結(jié)構(gòu)中設(shè)置模斑轉(zhuǎn)換器使其可以在光纖和光波導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過優(yōu)化光信號的模式匹配，提高光纖耦合效率，減少模式失配帶來的光損耗，從而提高光信號的傳輸效率和質(zhì)量，確保系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定運行。

22、優(yōu)選地，所述二氧化硅包覆層的厚度為800nm。通過在薄膜鈮酸鋰平臺上將二氧化硅包裹層的厚度設(shè)置為800nm，這個厚度可以很好的權(quán)衡損耗與調(diào)制效率，從而有效的保護器件避免器件損壞，還能減少有金電極的波導(dǎo)傳播損耗。

23、優(yōu)選地，所述脊型波導(dǎo)層的硬掩膜的脊型角度范圍為70°～80°。通過設(shè)置硬掩模的脊型角度能夠有效匹配光纖和波導(dǎo)的模式字段，提高光信號的耦合效率，從而減少光損耗和模式失配。合適的脊型角度還可以減小光在波導(dǎo)端面的散射和反射，降低光損耗并提高系統(tǒng)的整體性能，使波導(dǎo)能夠更好地保持光模式的穩(wěn)定性，減少模式轉(zhuǎn)換的干擾，提高光信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

24、第二方面，本發(fā)明還提供一種測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：可調(diào)諧傳感器、單模光纖、偏振控制器、環(huán)形隔離器、上述所述的基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器、摻鉺光纖放大器、光分束器、光譜分析儀、電光探測器以及電子頻譜分析儀；

25、其中，所述可調(diào)諧傳感器通過光譜確定電場傳感器的工作點波長，并將其調(diào)整至工作點波長后利用單模光纖對光束進行傳輸，傳輸?shù)狡窨刂破髦羞M行處理，確保輸入的單模光為te偏振，所述te偏振可以利用x切鈮酸鋰的最大電光效應(yīng)系數(shù)γ33進行有效地光調(diào)制，并通過環(huán)形隔離器將光束輸入到權(quán)利要求1-9任一項所述的基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器中進行調(diào)制，最后環(huán)形隔離器將接收到的經(jīng)過調(diào)制后反射回來的光束后傳輸?shù)綋姐s光纖放大器中進行光功率增益處理，經(jīng)過增益處理后再通過光分束器進行光分束處理，一部分進入光譜分析儀觀察光譜響應(yīng)，另一部分通過電光探測器轉(zhuǎn)換為電信號后連接電子頻譜分析儀對空間電場進行線性表征處理。

26、通過在本測量系統(tǒng)中引入上述所述的基于反射的折疊型馬赫曾德爾電場傳感器，使得本測量系統(tǒng)的測量效率更高，抗干擾能力更強，其集成度和測量靈敏度也更高，所得到的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸器件下的寬頻高靈敏度電場測量，可以適用于各種不同的傳感應(yīng)用場景。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

28、(1)該電場傳感器結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)塊狀鈮酸鋰晶體不同，本發(fā)明基于薄膜鈮酸鋰平臺，波導(dǎo)傳輸損耗小，集成度高，尺寸小使陣列調(diào)制電極的間距可以更小空間電場增益增加，抗干擾能力強，可以應(yīng)用于多種傳感應(yīng)用場景；

29、(2)該電場傳感器中波導(dǎo)部分的u型彎曲部分，不僅提供了傳統(tǒng)電場傳感器需要的臂長差以提供線性工作點，同時在器件長度不變的情況下折疊實現(xiàn)雙倍調(diào)制長度，大大地提高了調(diào)制效率；

30、(3)該電場傳感器中波導(dǎo)部分的最后使用了布拉格光柵反射光束，使光束在保證損耗較小的情況下實現(xiàn)再次調(diào)制，相較于傳統(tǒng)的反射膜，該光學(xué)微結(jié)構(gòu)的自由度更高，集成度更高，進一步提高調(diào)制效率；

31、(4)該電場傳感器中，首先是布拉格光柵的反射使得相位改變的調(diào)制長度增加一倍，u型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在提供工作點的同時，使器件長度不增加的情況下調(diào)制長度增加一倍，全路徑調(diào)制區(qū)域都有正負(fù)電場的推挽結(jié)構(gòu)，此技術(shù)方案使三者同時起作用，因此實現(xiàn)3次成倍增加調(diào)制效率，從而使調(diào)制效率提高了8倍，疊加后相較于傳統(tǒng)的偶極子電場傳感器能夠有9db的增益。

32、附圖說明

33、圖1為本發(fā)明實施例的整體結(jié)構(gòu)透視圖。

34、圖2為本發(fā)明實施例的整體俯視透視圖。

35、圖3為本發(fā)明實施例的傳感器結(jié)構(gòu)部分截面的標(biāo)識示意圖。

36、圖4為本發(fā)明實施例的多模干涉儀的俯視圖。

37、圖5為本發(fā)明實施例的布拉格光柵的俯視及局部放大圖。

38、圖6為本發(fā)明實施例的調(diào)制區(qū)域的橫截面圖。

39、圖7為本發(fā)明實施例的單個類f型調(diào)制電極的俯視透視圖。

40、圖8為本發(fā)明實施例的布拉格光柵的反射譜圖

41、圖9為本發(fā)明實施例的電場傳感測試系統(tǒng)圖。