微型集成光波导电场传感器的设计*

王 欣张家洪*陈福深刘 斌

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学云南省计算机应用技术重点实验室，云南 昆明 650500；3.北京森馥科技股份有限公司，北京 102209)

瞬态脉冲电磁场主要包括静电放电脉冲、高功率微波、核电磁脉冲、雷电以及大功率开关动作等产生的瞬态电磁场[1]。在信息社会中，瞬态脉冲电磁场在军事国防、电力输送、通信传输及航空航天等领域产生的影响不容忽视，比如脉冲强电磁信号产生的瞬态脉冲电压可达数千伏甚至数万伏，轻则导致电脑等精密电子仪器短暂失灵，重则成为点火源、爆炸源造成重大事故，仅在微电子领域，由瞬态脉冲电磁场造成的损失每年多达上百亿美元[2-4]。因此，瞬态脉冲电磁场的测量技术一直是国内外学者的研究重点。但脉冲电磁信号持续时间短、上升时间快、幅值变化极大、频谱范围极宽等时、频特征使测量极其困难，而通过传感器将空间传播的脉冲电磁信号不失真地转换为便于后端处理的电压或电流信号是最简单有效的方法[5]。

早在1978年，Baum C E等人利用电小天线等效为一个与频率无关的电容，并连接同轴线实现了对核电磁脉冲电场的无失真测量[6]。这类直接感应式传感器中应用最广的就是渐进锥形偶极子(Asymptotic Conical Dipole，ACD)D-dot电场传感器，但其输出与源信号呈微分关系，需要在后端串联积分器才可获得时域波形，且探头的金属结构与同轴电缆常会对空间电场产生较大的影响。为了进一步增强信号传输过程中的抗电磁干扰能力，Thomson等人研制了一款基于电光集成技术的雷击瞬态电场传感器，将电信号转换为光信号再通过光纤传输[7]。这类有源直接电光调制传感器集成度高、体积小、性价比高，但探头端需内置复杂的处理电路、电光转换电路与供电模块，极易在强脉冲电场下损毁。

区别于以上两种电场传感器，本文利用电光材料铌酸锂(LiNbO3)晶体具有显著的电光效应与较大的电光系数等特性，设计了一种微型集成光波导电场传感器。该电场传感器的基本原理为，当偏振光进入铌酸锂晶体时，在外加电场的作用下，偏振光的相位会随着外加电场的大小而改变，这样就实现了电场信息对光波的调制。这种集成光波导电场传感器不仅避免了金属结构与有源测量的缺点，也具备体积小、带宽宽等优点。

1 电场传感器的设计

1.1 传感器工作原理及波导结构设计

LiNbO3晶体的电光系数γ33最大，因此采用x切y传的铌酸锂晶体作为传感器的衬底调制效果最好[8-9]。当施加沿z轴方向的空间电场E z时，铌酸锂晶体折射率的变化可以表示为:

式中:neff表示晶体的有效折射率；γ33表示晶体电光系数；Γ(<1)表示电场和光场中的重叠因子。公式(1)表明，铌酸锂晶体折射率的改变量与空间电场的大小线性相关，这是集成光波导电场传感器工作的基础。

如图1所示，集成光波导电场传感器本质上是一个非对称马赫曾德尔干涉仪(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI)。当光从AMZI入射端入射时，被Y型分支分为等强度的两束光，接收天线会在空间电场E(t)的作用下产生感应电压从而对下波导臂中的光进行相位调制，使其在出射端与通过上波导臂中的光形成一定的相位差Δφ[8]为:

图1 集成光波导电场传感器结构图

式中:λ为入射光的波长，L el为屏蔽电极的长度，Han是天线高度，G el是电极间距，E(t)是沿电极方向的入射电场。当Δφ＝π时，可以得到半波电场Eπ为:

由集成光波导电场传感器的工作原理可知，出射光功率Pout与入射光功率Pin的关系[10]为:

式中:α是传感器的衰减系数，β是消光系数，φ0是传感器的相位偏置，取决于光波导结构(φ0＝2πneff×ΔL/λ，ΔL是AMZI两臂的长度差)。分析式(4)，可知当两波导臂相位偏置φ0＝π/2，且半波电场Eπ足够大使πE(t)/Eπ≪1时，可将其简化为:

再利用泰勒展开式(sinx≈x)一阶展开得:

此时，传感器的输出光功率与空间电场成正比，使用光电探测器(Photodetector，PD)将传感器输出的光信号还原成电信号便可获得空间电场的信息。相对偏置φ0＝π/2为传感器的最佳工作点。因此，通过光波导结构与电极结构的合理设计来控制相对偏置φ0与半波电场Eπ的大小，是使电场传感器工作在线性区的关键[10]。

图2 AMZI型传感器光波导结构

将输入直波导L1设置为5 mm可以确保光波处在稳定的工作模式。上下波导臂夹角θ过大将导致光耦合的低效与光功率的高损耗，因此要确保L2/H1>10 000，将L2设置为14 mm，H1设置为12.5μm。若想实现在C波段通过控制光波长λ的值找到最佳工作点，需设置波导两臂长度差ΔL为33μm[11]。由于S型弯曲波导长度SLength可表示为:

并且ΔL＝2(SLength-L3)，得到AMZI光波导的结构参数如表1所示，此时波导弯曲长度为15 mm，C波段的光波在弯曲波导中产生的损耗接近0 dB，可以忽略。

表1 AMZI光波导结构参数设置

1.2 天线结构设计

集成光波导电场传感器利用波导臂两侧的天线来接收空间电场并对通过波导臂中的光进行相位调制。现有研究结果证明接收天线不但影响电光传感器的带宽，更决定其灵敏度，因此天线的结构设计是传感器设计的核心[12]。本文采用的天线结构为图3所示的锥形天线，这种锥形天线的阻抗从底端到尖端逐渐增大，导致尖端的反射电流大大减小甚至消除，避免了形成驻波，有效提升了传感器的带宽与灵敏度。

图3 锥形天线结构图

为满足πE(t)/Eπ≪1，需确保半波电场Eπ足够大，将锥形天线的高度Han设置为2 200μm，电极长度Lel设置为5 000μm，电极间距G el设置为60μm，锥形天线底端宽度Wan设置为100μm，电极的宽度Wel设置为20μm，厚度Del设置为1μm，如表2。电极会吸收部分光波损耗而对上下波导臂产生影响，因此在制作传感器时在波导平面与天线平面间涂覆一层500 nm厚度的SiO2缓冲层减少影响。将neff＝2.138，γ33＝30.8×10-12m/V，Γ＝0.07，C波段中心波长λ＝1 550 nm代入式(3)，得到半波电场Eπ≈401 kV/m。这时，传感器最大可测电场为Emax≈0.32Eπ≈128 kV/m，理论上满足瞬态脉冲电磁场的测量需求。

表2 锥形天线结构参数设置 单位:μm

2 电场传感器的制备

首先，使用甩胶机将光刻胶均匀涂抹在厚度为1 mm的x切y传LiNbO3衬底上，通过紫外曝光显影获得波导图案，再通过退火质子交换技术形成宽6μm深3μm的非对称光波导[13-14]。随后，通过反应溅射法在AMZI下波导臂上涂覆一层500 nm厚度的SiO2缓冲层，最后在缓冲层上电镀1对厚度为1μm的锥形金属电极，电极上层电镀金属铬(Cr)，下层电镀金属金(Au)，其横截剖面如图4所示。

图4 电场传感器横截面示意图

集成光波导电场传感器从实验室走向工程实用化的关键在于波导两端分别与保偏光纤(Polarization Maintaining Fiber，PMF)、单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)高效耦合，使用的保偏光纤为1 550 nm的熊猫型光纤，其裸纤直径为125μm，塑料外包层直径为2.5 mm。现有研究结果表明[15]，光纤与光波导模场失配、横向偏移、端面间隙、端面菲涅耳反射是影响光纤与光波导之间耦合的主要因素。其中，可以利用光纤V型槽来控制横向偏移和端面间隙，而对于菲涅耳反射来说，可以使用折射率匹配液来减小。首先，要保证光纤和波导间的模匹配，调节好匹配液的浓度，严格控制质子交换的时间、温度；其次，采用高精度的耦合设备、正确的耦合结构并使用刻有V型槽的硅片固化光纤[16]。

如图5所示，传感器两端均采用正装耦合。将刻有V型槽的硅片置于光纤底部支撑，避免光纤的横向位移，也消除LiNbO3晶片和硅片由于热膨胀差异造成的位移。光波导与光纤耦合完成后，为保证工程使用时的便利与避免环境中灰尘等微粒的干扰，将其封装至大小为70 mm×15 mm×15 mm的陶瓷外封装盒中，如图6。使用光功率计对封装完成后的传感器输入、输出光功率进行测量，得到其插入损耗为13.7 dB。

图5 光波导与光纤的正装耦合

图6 封装后的电场传感器

3 传感器的性能测试实验

3.1 频响特性测试

如图7所示，为了保证测试实验的准确性，在9 m×6 m×5 m大小的微波暗室中进行集成光波导电场传感器的频响特性测试。实验前，将传感器置于微波暗室内，并分别使用20 m长度的PMF/SMF将传感器的输入端/输出端与屏蔽室中的可调谐激光源、20GHz带宽光电探测器相连接。同时，光电探测器的输出端通过射频线连接至频谱仪中。实验所用的可调谐激光源内部通过起偏器输出慢轴对准的线偏振光，光源调谐范围覆盖C波段(1 525 nm～1 565 nm)，使用保偏光纤对光源输出的偏振光保持。

图7 频响测试实验框图

实验时，通过调节激光器的输出波长并记录对应的传感器输出光功率，将波长λ设置为最大输出光功率与最小输出光功率的中点光功率对应的波长，便可使φ0处在最佳工作点，输出光功率强度保持在13 mW。在屏蔽室内通过PC端控制信号发生器(ROHDE＆SCHWARZ®SMA100B)输出不同频率(100 kHz～10 GHz)的源信号，该信号经过功率放大器(RFLIGHT 10 kHz～6 GHz、RFLIGHT 6 GHz～18 GHz)放大后再通过喇叭天线输出，注意根据源信号的频率及时更换对应带宽的喇叭天线。

不同频率的信号在微波暗室中的产生的电场强度应保持一致，在暗室内放置如图8所示的标准场强探头，该探头会将暗室内空间场强值传回PC端。根据标准场强探头的测量值及时调整源信号的输出幅值，直至空间电场强度维持在固定值10 V/m。

图8 暗室内传感器与标准场强探头布置图

选择20 GHz光电探测器对传感器的输出进行光电转换，该PD的光谱范围为850 nm～1650 nm，20 GHz内带宽波动±3 dB，响应时间为18 ps，满足实验需求。PD将调制后的光信号转换成电信号后输出至频谱仪(ROHDE＆SCHWARZ®FSW43)显示端，依次记录不同频率下源信号与传感器输出的对应值并绘制成频响特性曲线，如图9。

图9 频响特性输出曲线

由图9可知，传感器在100 kHz至8.5 GHz频率范围内，波动小于±5 dB；在8.5至10 GHz范围内，波动小于±15 dB。由此证明，基于LiNbO3制成的集成光波导电场传感器在100 kHz～10 GHz的超大带宽范围内频响特性良好，基本满足测量瞬态时域脉冲电场的大带宽需求。

3.2 时域动态范围测试

如图10所示，将集成光波导电场传感器竖直放置于横电磁波(TEM Cell)小室内进行时域动态范围测试实验。TEM小室本质上是将同轴线外导体扩展为矩形箱体，内导体渐变为扁平芯板；当其终端接上匹配负载，始端经同轴电缆馈入激励功率时，TEM小室内就建立起了横电磁波，可提供一个与外界相对隔离的电场测试环境[17]。TEM小室具有较好的场均匀性，且由于其内部空间小，可产生较高幅值的电场，适用于大场强的脉冲电场测试实验。

图10 传感器在TEM小室布置图

实验系统搭建如图11。使用同轴电缆将纳秒脉冲发生器的输出端与TEM小室的输入端相连，小室输出端先通过衰减器衰减后再接入示波器(TEKTRONIX MSO54)的一个通道，方便与测试信号对比。将传感器竖直放置在TEM小室中，输入端与输出端分别与可调谐激光源、光电探测器相连，PD的输出接入示波器的另一个通道。

图11 时域动态测量实验框图

实验使用的纳秒脉冲发生器可以产生上升沿3 ns～5 ns，持续时间150 ns～200 ns，峰值电压200 V～4 000 V的纳秒脉冲信号。由于使用的TEM小室(ROHDE＆SCHWARZ TEMZ5233)内部两平行板的垂直距离仅为3 cm，利用E＝V/d计算出TEM小室内空间电场E范围为6.67 kV/m～133.33 kV/m。示波器中将源信号所在的通道设置为上升沿触发信号，便得到图12所示的两个时域波形。

图12中，源信号与传感器输出信号在上升沿、下降沿、脉宽、平坦度等脉冲信号特征上具有极高的还原度，仅存在120 ns左右的时间延迟，这是测试信号在光纤中传输时产生的时延，对测试结果无影响。选取纳秒脉冲发生器输出峰值电压为1 000 V与3 000 V时，即在TEM小室内空间电场E为33.33 kV/m与100 kV/m时源信号与输出信号进行比较。

图12 输出信号与源信号波形图

表3中的每个数据均是重复5次实验后再将检测数据平均计算后获得，避免偶然误差。在33 kV/m的空间电场强度下，源信号的上升沿，下降沿与脉宽分别为3.67 ns，180.27 ns与73.36 ns，传感器输出信号的上升沿，下降沿与脉宽分别为3.95 ns，176.09 ns与71.94 ns，两个信号间的相对误差分别为7.63%，2.31%与1.94%。在100 kV/m的空间电场强度下，源信号的上升沿，下降沿与脉宽分别为3.73 ns，194.54 ns与74.98 ns，传感器输出信号的上升沿，下降沿与脉宽分别为3.50 ns，187.35 ns与65.95 ns，两个信号间的相对误差分别为6.17%，3.70%与12.04%。

表3 33.33 kV/m与100 kV/m电场下源信号与输出信号数据比较

依次记录纳秒脉冲发生器输出不同峰值电压时传感器输出信号的电压峰值，将其绘制成图13所示的时域动态范围测试曲线。

图13表明，本文设计的传感器在6.67 kV/m～133.33 kV/m的范围内有较好的线性相关度0.985 35。虽然在空间电场强度大于100 kV/m时，传感器输出有饱和的趋势，但总体来看仍保持较好的线性度。在该空间电场强度范围内，得到传感器的时域动态拟合曲线y＝0.788 51x+11.254，这对测量未知电场提供了新的测量方法。

图13 时域动态范围测试曲线

4 总结

鉴于测量超带宽时域脉冲电场的困难与ACD D-dot电场传感器，电光直调电场传感器对空间电场影响较大的不足之处，使用铌酸锂晶体设计了一种微型集成光波导电场传感器。该电场传感器具备体积小、带宽大、时域动态范围大、无源测量、超远距离测量等优势。通过频响特性测试与时域动态范围测试，证明其满足测量超带宽脉冲电场所需要的超带宽、大动态范围等性能。集成光波导电场传感器在100 kHz至8.5 GHz频率范围内波动小于±5 dB，在8.5至10 GHz范围内波动不超过±15 dB，且在6.67 kV/m～133.33 kV/m的空间电场内，传感器的输入与输出的线性拟合相关系数为0.985 35。