[發(fā)明專利]一種全光纖結(jié)構(gòu)的電場敏感元件及電場傳感裝置

在審

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• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104280900A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設計）人: 周鋒;金曉峰;章獻民;池灝;鄭史烈
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03;G02B6/42;G02B6/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領域，具體涉及一種全光纖結(jié)構(gòu)的電場敏感元件及電場傳感裝置。

背景技術(shù)

電場測量在科學、工業(yè)和商業(yè)領域中有著重要的應用。傳統(tǒng)電磁波測量系統(tǒng)采用有源金屬探測器，它勢必會引起電磁干擾，產(chǎn)生電磁場畸變，并且會導致測量系統(tǒng)對電磁噪音非常敏感。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，為解決電磁波測量系統(tǒng)中的電磁噪音的干擾，美國海軍研究機構(gòu)Bulmer、英國NPL的W.LANG等人，將光波導、電極與天線有機集成在一起，制備出了一種基于Pockels效應的集成光電式電場傳感器，首次實現(xiàn)了利用光學原理對電場的測量。

與傳統(tǒng)電子電場傳感器相比，基于電光效應的光電式電場傳感器利用某些晶體(如鈮酸鋰LiNbO3)的線性電光效應，當光信號在電光材料中傳輸時，由于光電材料的電光效應，將電場強度的變化通過晶體折射率的變化轉(zhuǎn)化為光信號相位的變化，最終導致干涉信號強度變化，進而干涉信號的強度變化計算得到待測電場的強度變化。

光電式電場傳感器克服了傳統(tǒng)電子電場傳感器的電磁干擾的問題，且由于光電式電場傳感器通常基于集成光學器件和光纖器件，與其他類型的電場傳感器相比，還具有尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景，近年來發(fā)展迅速。

但是，該類電場傳感器無法做到全光纖化，結(jié)構(gòu)復雜、成本高、體積大、難以實現(xiàn)光集成，且波導與光纖之間耦合會產(chǎn)生較大的損耗，難于實現(xiàn)級聯(lián)構(gòu)成準分布式傳感網(wǎng)絡。此外，該類電場傳感器基于晶體材料實現(xiàn)，一方面由于晶體的偏光特性，使得電場傳感器的探頭需要采用保偏光纖與光源相連，且還另需一根傳輸光纖將干涉信號光導入測量系統(tǒng)中，進一步增加了結(jié)構(gòu)的復雜程度和制備成本。另一方面，晶體材料的光電性能對溫度比較敏感，直接導致基于該晶體材料的電場傳感器的性能也對溫度敏感，因此，須經(jīng)常對探頭進行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，以保持最佳工作狀態(tài)，增加了操作的復雜度。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種全光纖結(jié)構(gòu)的電場敏感元件及電場傳感裝置。

本發(fā)明的全光纖結(jié)構(gòu)的電場敏感元件，包括光纖和相位調(diào)制部件，所述光纖的一端作為電場敏感元件的輸入端，另一端作為輸出端；

所述的相位調(diào)制部件用于使光纖中的部分信號光在電場作用下改變相位。

相位調(diào)制部件在外加電場發(fā)生變化時，會使部分在光纖中傳輸?shù)男盘柟獾南辔话l(fā)生變換。本發(fā)明的電場敏感元件使用時，從輸入端輸入信號光，經(jīng)過相位調(diào)制部件的作用，使信號光的相位發(fā)生變化，進而根據(jù)輸出端輸出的信號光與輸入的信號光的相位差異，即可完成對外加電場變化的感知。

相位調(diào)制部件也可以由具有電光效應的材質(zhì)制備。作為優(yōu)選，所述的相位調(diào)制部件為包覆于光纖包層外的石墨烯薄膜。一方面可以降低成本，另一方便形成光纖同軸石墨烯結(jié)構(gòu)，使敏感元件能夠應用的集成光學領域。

本發(fā)明中可以整段光纖都包覆有石墨烯薄膜，也可以僅一段光纖包層外圍包覆有石墨烯薄膜。

本發(fā)明中石墨烯薄膜可以完整或部分覆蓋包層的整個周向，可根據(jù)需要和工藝條件設定。為保證信號光能量分布的均勻性，本發(fā)明中石墨烯薄膜完整覆蓋包層的整個周向。

所述的光纖纖芯外周沿信號光傳輸方向設有間隔布置的兩個模式轉(zhuǎn)換器；

兩個模式轉(zhuǎn)換器用于使光纖中的部分信號光由纖芯進入包層，再與相位調(diào)制部件相作用后返回纖芯；

兩個模式轉(zhuǎn)換器之間的光纖包層的至少一部分外周包裹有所述的石墨烯薄膜。

本發(fā)明中兩個模式轉(zhuǎn)換器均為一段由光纖的纖芯制備得到的光纖光柵，制備時直接在該光纖纖芯的一端寫入光柵即可，基于該模式轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)敏感元件的全光纖結(jié)構(gòu)，易于集成，且大大減小了接入損耗。

兩個模式轉(zhuǎn)換器的工作波長必須與該電場敏感元件的工作波長相匹配，可通過合理設置光纖光柵的周期實現(xiàn)波長匹配。靠近輸入端的模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率越高，發(fā)生相位變化的信號光越多，電場敏感元件的靈敏度會越高。光纖光柵模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率與光纖光柵的長度有關。一般光纖光柵的長度越大，轉(zhuǎn)換效率越高。但是為實現(xiàn)器件的小型化，需要根據(jù)應用需求適當調(diào)整光纖光柵的長度。通常光纖光柵模式轉(zhuǎn)換器的長度為5mm左右。

所述的兩個模式轉(zhuǎn)換器分別為靠近光纖輸入端的第一模式轉(zhuǎn)換器和靠近光纖輸出端的第二模式轉(zhuǎn)換器；

所述的第一模式轉(zhuǎn)換器用于將信號光由低階模式轉(zhuǎn)化為高階模式；

所述的第二模式轉(zhuǎn)換器用于將信號光由高階模式轉(zhuǎn)化為低階模式。