[发明专利]抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片、系统及方法

权利要求书

1.一种抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，其特征在于：包括：

铌酸锂晶片(1)、两平行直波导(2)、T形电极(3)、两平行条形电极(4)、反射膜(5)；

在一片铌酸锂晶片(1)表面设置两平行直波导(2)，在两平行直波导(2)的外侧设置两平行条形电极(4)，T形电极(3)中带一个悬空端的边位于两平行直波导(2)的内侧，T形电极(3)中带两个悬空端的边与两平行直波导(2)垂直，在两平行直波导(2)的末端端面设置反射膜(5)，在两平行直波导(2)的输入端面进行抛光处理。

2.根据权利要求1所述的抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片，其特征在于：所述T形电极(3)中带一个悬空端的边与两平行条形电极(4)之间的距离相等。

3.一种采用权利要求1所述的抑制直流漂移的集成光波导电场传感芯片构建的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：波长可调激光器(6)、保偏光纤(7)、1×2保偏光耦合器(8)、三端口保偏光环形器(9)、单模光纤(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、传输电缆(13)、信号采集处理器(14)以及集成光波导电场传感芯片；

波长可调激光器(6)由保偏光纤(7)与1×2保偏光耦合器(8)的输入端相连接；1×2保偏光耦合器(8)的两输出端经保偏光纤(7)与两个三端口保偏光环形器(9)的端口1相连接；三端口保偏光环形器(9)的端口2经保偏光纤(7)与两平行直波导(2)相连接；两平行直波导(2)末端的反射膜(5)反射光再次进入两平行直波导(2)，并由保偏光纤(7)输入三端口保偏光环形器(9)的端口2，再由三端口保偏光环形器(9)的端口3输出；三端口保偏光环形器(9)端口3输出光由单模光纤(10)分别接入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号由传输电缆(13)与信号采集处理器(14)相连接；信号采集处理器(14)，对第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号进行采集与计算处理，最后输出被测电场信号。

4.一种采用权利要求3所述的测量系统进行直流漂移抑制的方法，其特征在于：所述方法为：

当集成光波导电场传感芯片接收到水平电场E时，会在T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间产生方向相反的感应电压V₁与感应电压V₂，利用铌酸锂晶片(1)的电光效应，该感应电压将对两平行直波导(2)中传输的光波产生相反的相位调制作用，即将电场信息加载到光波上，加载有电场信号的光波传输到两平行直波导(2)的末端经反射膜(5)反射后再次进入两平行直波导(2)，并再次受到感应电压V₁与感应电压V₂的调制，该反射光透射出两平行直波导(2)的输入端面后与经过抛光面反射的光波相互叠加，并发生干涉效应，转换成光强度的变化，再由三端口保偏光环形器(9)的端口2输入、端口3输出，接着经单模光纤(10)分别输入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)，转换成电信号；

设第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)的光电转换系数分别为G₁和G₂，则第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电压V_out1(t)和V_out2(t)分别为：

取m＝1、2，则式(1)和式(2)中：k_m、a_m、P_inm分别为两平行直波导(2)的损耗系数、消光系数、输入光功率，为被测水平电场E引起的两平行直波导的光波相位变化，为光波通过两平行直波导(2)产生的固有相位变化，为由外界环境因素变化引起两平行直波导(2)中的光波导相位变化即为直流漂移，将和进一步表示为：

取m＝1、2，则式(3)(4)(5)中，λ为激光器输出光波长，γ₃₃为铌酸锂晶片(1)的电光系数，n_em为两平行直波导(2)的有效折射率，Γ_m为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间形成的电场V_m/d_m与两平行直波导(2)中的光波导电场之间的重叠因子，V_m为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间的感应电压，d_m为T形电极(3)与两平行条形电极(4)之间的间距，L_elm为电极与两平行直波导(2)之间的电光互作用长度，L_wlm为两平行直波导(2)的长度；

分析公式(3)(4)可知，若设计两平行直波导(2)的结构尺寸相同，两平行条形电极(4)的结构尺寸相同，T形电极(3)中带一个悬空端的边与两平行条形电极(4)之间的距离相等，并且被测水平电场E在两平行条形电极(4)与T形电极(3)之间感生的感应电压大小相等、方向相反，则有n_e1＝n_e2，Γ₁＝Γ₂，L_el1＝L_el1，d₁＝d₂，V₁＝-V₂，a₁＝a₂于是令同时通过调节波长可调激光器(6)的输出波长，使得则(1)(2)式简化为：

进一步地，通过调节两平行直波导(2)的输入光功率使得k₁P_in1＝k₂P_in2，并且设计第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)的光电转换系数G₁＝G₂，令k₁G₁P_in1＝G，则进一步将公式(6)(7)式简化为：

更进一步地，考虑小信号调制的情况bV₁1，则将公式(8)(9)式进一步简化为：

注意到两平行直波导(2)的结构尺寸完全相同，并且制作在同一片铌酸锂晶片(1)上，由此可以认为外界环境因素变化引起的直流漂移相等因此，在本测量系统中，采用信号采集处理器(14)对第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号进行差分运算可得系统输出电信号V_out(t)为：

V_out(t)＝-2Ga₁bV₁＝-2Ga₁bFE(12)

式(12)中V₁＝FE，F为T形电极(3)与两平行条形电极(4)接收被测水平电场E的接收系数。