一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的制作方法

本发明涉及光学电场测量，特别是一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线。

背景技术：

1、电场是反映电力系统状态的重要物理量之一，测量需求十分广泛。尤其是在电力系统中新能源的比重逐渐提升、分布式储能大量接入后，电场测量需求显著增加。在高电压工程领域，许多热点问题需要测量不同幅值及频率的电场，需要大测量范围、宽测量频带的传感器来满足测量需求。

2、传统的电场传感器包括偶极子天线电场传感器和球形电场传感器等，它们含有较多金属材料，对原场的畸变较大，导致测量精度下降，且抗干扰能力较差。近年来较为新颖的电场传感器有基于逆压电效应的电场传感器和mems电场传感器，前者通过将压电晶体在电场下的机械形变转化为电、光等可测量的物理量来实现电场测量，由于灵敏度有限，无法测量小电场，且工作频带窄；后者通过电极的周期性遮蔽将待测电场调制成感应电流来测量交直流场，但是无法测量较高的频率，抗干扰能力弱。

3、集成光学电场传感器主要利用铌酸锂中的电光效应进行电场测量，通过微纳加工工艺在铌酸锂衬底上制作波导，在波导两侧制作电极与偶极子天线，通过改变电极与偶极子天线的形状与尺寸，可以改变传感器的性能。相比于传统电场传感器，集成光学电场传感器有着空间分辨率高、测量范围广、对原场干扰小等优势。

4、集成光学电场传感器采用偶极子天线来感应与放大空间电磁信号，并将信号馈送到位于铌酸锂波导两侧的电极，形成电极电压，经pockels效应将外界电场信息通过调制的形式加载到波导中的光波上。因此，集成光学电场传感器的特殊之处在于如何优化设计偶极子天线和电极结构，增大外界电场对波导中光的调制效率，电极和偶极子天线的设计对传感器的性能十分重要。偶极子天线是最广泛使用的偶极子天线类型如图所示，电极制作在mz(马赫-曾德尔)结构某一个波导分支的两侧，偶极子天线沿电极的垂直方向，偶极子天线由根部向两端变细，用来改善偶极子天线的高频响应特性。当沿偶极子天线方向存在电场时，偶极子天线上感应电场，加载在波导两侧的电极上的感应电压，从而对波导中的光产生调制作用。受到谐振等因素的影响，采用偶极子天线的电场传感器通常高灵敏度的频率测量范围较窄。

5、目前电场传感器使用的双电极锥形偶极子天线没有充分利用波导两侧的空间，增益不够高，并且是针对钛扩散波导设计的，暂无专门针对铌酸锂薄膜波导设计的偶极子天线。

技术实现思路

1、在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、本发明目的是提供一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线。

3、因此，其目的在于解决：双电极锥形偶极子天线没有充分利用波导两侧的空间，增益不够高，并且是针对钛扩散波导设计的，暂无专门针对铌酸锂薄膜波导设计的偶极子天线的问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其包括偶极子天线采用锥形形状，以改善偶极子天线的高频响应特性；两个偶极子天线采用叉指结构，上方偶极子天线引出一个电极，下方偶极子天线引出两个电极包裹上方一个电极；其中，下方偶极子上方开设有连接槽，所述上方偶极子天线底部设有插入连接槽内部的；mz(马赫-曾德尔)结构的两个波导分支从三个电极中间的两条缝隙中穿过。

5、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述上方偶极子天线和下方偶极子天线之间的电极形成局部电场，当z轴方向存在电场时，偶极子天线上产生沿z方向的感应电场，进而产生感应电压，加载在波导两侧的电极上。

6、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述偶极子天线沿电极的垂直方向，即z轴方向布置。

7、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述偶极子天线上的感应电场使得上、中和中、下电极之间的区域形成方向相反的局部电场，位于这段区域的上、下两分支波导的折射率在该电场的作用下产生相反变化，从而改变波导中光的传输状态。

8、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述z轴方向电场通过偶极子天线与电极的放大对两分支波导中的光产生了相反的调制作用。

9、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述z轴方向电场本身作用于波导时，由于对波导的两个分支作用效果相同，引起的折射率变化相互抵消，所述x轴方向电场也是如此，而y轴方向的电场分量对沿y方向传播的te模无影响。

10、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述两个分支波导中传输的光的相位差仅取决于电极间电场，即取决于z轴方向电场分量作用在偶极子天线上的感应电场。

11、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述波导的折射率变化仅由z轴方向的电场分量所引起。

12、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述波导的上方设有二氧化硅包层，所述电极设置在二氧化硅包层内。

13、作为本发明用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的一种优选方案，其中：所述偶极子天线放置在二氧化硅包层外，并通过金属线与所述二氧化硅包层内的电极连接。

14、本发明的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线的有益效果为：本发明使用两个分支波导来增强三电极锥形天线的等效增益，在这种设计中，上分支波导和下分支波导产生的电场是相反的，这意味着当电磁波通过这两个分支波导时，它们的电场会相互叠加，从而产生一个比单个波导更大的合成电场，能够进一步提高偶极子天线的增益和灵敏度。

15、本发明通过利用两个分支波导，使三电极锥形天线的等效增益比传统的双电极锥形偶极子天线大一倍以上，这意味着本发明的偶极子天线可以更有效地发送或接收信号，从而提高光学电场传感器的性能，可以检测到更弱的信号，从而提高其准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述上方偶极子天线(101)和下方偶极子天线(102)之间的电极形成局部电场，当z轴方向存在电场时，偶极子天线(100)上产生沿z方向的感应电场，进而产生感应电压，加载在波导两侧的电极上。

3.如权利要求2所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述偶极子天线(100)沿电极的垂直方向，即z轴方向布置。

4.如权利要求3所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述偶极子天线(100)上的感应电场使得上、中和中、下电极之间的区域形成方向相反的局部电场，位于这段区域的上、下两分支波导的折射率在该电场的作用下产生相反变化，从而改变波导中光的传输状态。

5.如权利要求4所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：z轴方向电场通过偶极子天线(100)与电极的放大对两分支波导中的光产生了相反的调制作用。

6.如权利要求5所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：z轴方向电场本身作用于波导时，由于对波导的两个分支作用效果相同，引起的折射率变化相互抵消，x轴方向电场也是如此，而y轴方向的电场分量对沿y方向传播的te模无影响。

7.如权利要求6所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述两个分支波导中传输的光的相位差仅取决于电极间电场，即取决于z轴方向电场分量作用在偶极子天线(100)上的感应电场。

8.如权利要求7所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述波导的折射率变化仅由z轴方向的电场分量所引起。

9.如权利要求2所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述波导的上方设有二氧化硅包层，所述电极设置在二氧化硅包层内。

10.如权利要求9所述的用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，其特征在于：所述偶极子天线(100)放置在二氧化硅包层外，并通过金属线与二氧化硅包层内的电极连接。

技术总结本发明涉及光学电场测量技术领域，特别是一种用于铌酸锂电场传感器的三电极锥形天线，包括，偶极子天线采用锥形形状，以改善偶极子天线的高频响应特性；两个偶极子天线采用叉指结构，上方偶极子天线引出一个电极，下方偶极子天线引出两个电极包裹上方一个电极；MZ马赫‑曾德尔结构的两个波导分支从三个电极中间的两条缝隙中穿过。本发明的有益效果为通过利用两个分支波导，使三电极锥形天线的等效增益比传统的双电极锥形偶极子天线大一倍以上，这意味着本发明的偶极子天线可以更有效地发送或接收信号，从而提高光学电场传感器的性能，可以检测到更弱的信号，从而提高其准确性和可靠性。技术研发人员：周柯,金庆忍,廖文涛,卢柏桦,莫枝阅,覃思,庄池杰,刘向东,刘新霆,吴世林受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/17