Устройство для измерения напряженности электрического поля

 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и электроизмерительной техники. Целью .изобретения является повышение чувствительности, линейности и технологичности устройства . При этом в устройстве, содержащем источник света, соединенный волоконным световодом с интегральнооптическим элементом, соединенным, в свою очередь, двумя волоконными световодами соответственно с двумя фотоприемниками детектора, и индикатор , подключенный к выходу детектора, интегрально-оптический элемент выполнен в виде направленного ответвителя с предельно сильной связью, а в детектор для .обработки сигналов фотоприемников введены блок суммарноразно.стной обработки и схема деления . 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л оо оо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1317371

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3822437/31-25 (22) 12. 12.84 (46) 15.06.87. Бюл. 9 22 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им. проф.М.А.БончБруевича (72) Б.М.Машковцев и Ю.Н.Балодис (53) 535.8 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1101746, кл. G 01 R 13/40, опублик.

7.07.84 ° (54) УСТРОЙСТВО ДПЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ . (57) Изобретение относится к области оптоэлектроники и электроизмерительной техники. Целью .изобретения яв(59 4 G 01 R 29/08, С 02 F 1/03 ляется повышение чувствительности, линейности и технологичности устройства. При этом в устройстве, содержащем источник света, соединенный волоконным световодом с интегральнооптическим элементом, соединенным, в свою очередь, двумя волоконными све-товодами соответственно с двумя фотоприемниками детектора, и индикатор, подключенный к выходу детектора, интегрально-оптический элемент выполнен в виде направленного ответвителя с предельно сильной связью, а в детектор для .обработки сигналов фотоприемников введены блок суммарноразностной обработки и схема деления. 1 з,п. ф-лы, 6 ил.

13173

Изобретение относится к оптоэлектронике и электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении (исследовании) постоянных и переменных электрических полей как в неограниченных, так и н ограниченных (замкнутых) пространствах газообразных и жидких сред.

Цель изобретения — повышение чувствительности и линейности показаний, 1О а также технологичности устройства.

На фиг,1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — конструкция интегрально-оптического элемента; на фиг.3 — - прин- 15 цйп функционирования интегрально-оптического элемента; на фиг.4 и.5 варианты технологической реализации интегрально-оптического элемента; на фиг.6 — пример реализации блока сум- 20 марио-раэностной обработки.

Устройство содержит источник 1 света (полупроводниковый лазерный диод), волоконный световод 2, интегрально, оптический элемент 3 (типа направленного ответвителя с предельно сильной связью), волоконные снетоводы 4

5, детектор 6 излучения с фотоприемниками (фотодиодами) 7 и 8, блоком 9 суммарно-разностной обработки 30 и схемой 10 деления, индикатор 11.

Вход интегрально-оптического элемента 3 через волоконный световод 2 соединен с выходом источника 1 света.

Входы фотоприемников 6 и 7 детектора

6 излучения через волоконные светоноды 4 и 5 подключены к выходам интегрально-оптического элемента 3. Входы блока 9 суммарно-разностной обработки детектора 6 излучения соединены с 40 выходами фотоприемников 7 и 8, а его выходы подключены к соответствующим входам схемы 10 деления, выход которой соединен со входом индикатора 11.

Интегрально-оптический элемент 3 (типа направленного ответвителя с предельно сильной связью) состоит из подложки 12, в которой технологическими методами сформированы одномодовые полосковые входные 13 и 14 и выходные 15 и 16 световоды, два Y-разветвителя одномодовых снетоводов и включенный между ними днухмодовый полосковый световод 17, н пределах которого материал обладает линейным электрооптическим эффектом.

Устройство работает следующим образом.

71 2

Работу устройства можно пояснить с помощью фиг.1-3. При помещении интегрально-оптического элемента 3 в исследуемое поле, двухмодовый полосковый светонод 17 должен быть ориентирован перпендикулярно вектору напряженности Е поля (фиг,1). Поток излучения, испускаемого источником 1 света, по нолоконному снетоводу 2 поступает на вход интегрально-оптического элемента 3, т.е. в одномодовый полосковый световод 13, в котором распространяется в виде основной волны Н„. Эта волна падает из световода 13 через входной У-разветвитель в двухмодоный полосконый световод 17 и возбуждает распространяющиеся в нем моды Н и Н2, коэффициенты фаз p и

I I

1 р которых различны и по разному из2 меняются под действием внешнего электрического поля. В выходном Y-разветвителе эти моды преобразуются обратно в моду Н„ одномодовых светонодов 15 и 16 (световод 14 также участвует в преобразовании волн, уменьшая потери на излучение и отражение). Распространение мощностей волн Н в свето1 водах 15 и 16 определяется соотношеI I нием фаз мод Н, и Н н сечении, где светоноды разветвляются (выходном

Y-разветвителе). Это соотношение зависит от напряженности Е, внешнего электрического поля. С выходов одномодовых полосковых снетоводон 15 и 16 перераспределенный свет по волоконным светонодам 4 и 5 подводится к фотоприемникам 7 и 8 детектора 6 излучения, сигналы которых поступают на вход блока 9 суммарно-разностной обработки. Выходной сигнал блока 9 подается на вход схемы 10 деления, с выхода которой сигнал поступает на вход индикатора 11, показания которого являются, при определенных условиях, приводимых ниже, пропорциональными напряженности Е поля. Введение в детектор 6 блока 9 суммарно-разностной обработки сигналов фотоприемников 7 и 8 и схемы 10 деления позволяет устранить влияние колебаний мощности источника 1 света на показания индикатора 11 устройства измерения, повысить чувствительность и линейность устройства.

Поясним принцип действия интегрально-оптического элемента 3, являющегося в устройстве измерения датчиком напряженности Еополя

3 13173

Представим действительное распределение поля моды Н в дальнейшей зоне световодов 13 и 14 в виде двух волн с амплитудами, равными половине падающей (фиг.3). Эти волны будут в фазе в световоде 1,3 и в противофазе в световоде 14 (считаем, что в дальнейшей зоне связь между световодами

13 и 14 исчезающе кала). По мере распространения волн к началу Y-развет- 10 вителя, появлению и возрастанию связи между световодами 13 и 14 (световоды сближаются), эти волны плавно преобразуются в собственные волны связанной системы световодов: син- 15 фазную Нс и противофазную Н„. Когда световоды 13 и 14 соединяются, волны

Нс и Н„ преобразуются в структуры полей мод двухмодового световода 17, т.е..соответственно в Н„ и H . По пу-20 ти распространения в световоде 17 имеет место интерференция мод.

Распределение мощностей волн Н, в выходных световодах 15 и 16 определяется соотношением фаз мод Н 25 !

1 и Н2 в выходном сечении световода 17 °

Амплитуды электрических полей мод в световодах 15 и 16 соответственно равны:

30 и

2о т.е. при соответствующем выборе длины двухмодового световода 17, равной

Од5 A 2(со п ) А1о 2о

Здесь и в последующем индексом "о" обозначены величины исходного режима, т.е. при Е, = О.

При Е О появляется дополнительная относительная разность фаз и можно записать:

Ф вЂ” Ф = — +аФ. ч

2 (2) Так как напряженность Е внешнего поля практически не влияет на связь между световодами, то „- 2)1=k(, („-ьМ ) «/, (3) 7 4 сигналов, Для этого в исходном режиме отсутствия измеряемого поля (при

Е = О) необходимо обеспечить равное деление мощности света в выходных световодах 15 и 16, что достигается при

1 - Ф - Ф

U =-U (е +е 2 )

15 2 1

Ф - Ф2 -1(Ф +ф )/2

= U cos — — — е

У

1 ф, - ф2

U =-U (е -е )

1 2

Ф1- Ф2 - (Ф Ф2)/2

= -iU sin — — — е

15 2

40 где U > — амплитуда волн в дальней зоне световода 13;

Ф„= p„1+2 Ч и Ф2 Р21+2 М, — набеги фаз соответственно волн Н и Н и Н и Н до дальней зоны выходных свеI

fl Z. товодов 15 и 16 (входной и выходной

Y-разветвители считаем одинаковыми).

Для устранения влияния изменений мощности излучения источника 1 света

50 на показания индикатора 11, повьппения чувствительности и линейности устройства для измерения напряженности электрического поля целесообразно использовать суммарно-разностную обра55 ботку сигналов с выходов фотоприемников 7 и 8 (схема такой обработки приведена на фиг.7), а затем взять соотношение суммарного и разностного где ko — волновое число в вакууме;

ЛИ1 и дИ2 — изменения под действием напряженности Ео внешнего поля эффективных показателей преломления мод Н, ! и Н2, т ° е. замедления волн.

Показания I индикатора 11 устройства для измерения напряженности поля суммарно-разностной обработке сигналов фотоприемников и последующем взятии их соотношения равны 6Ф:

/U1q/ -/U16 /2

? — /Н /2 /П / — з1плФ=лФ. (4)

И + 14

Определим зависимость ьФ от Е, для чего воспользуемся дисперсионными характеристиками Н-волн симметричного двумерного световода в обобщенных параметрах:

V = — — — j (m-1) Ti +2агсtg 1 — — ), (5)

b 1-Ь 1 1-Ь где m = 1,2,3...

N — п2

Ъ

n1 п2

1317371

Учитывая эти соотношения, получим:

V = k d (п.,2 — n2 п1о лп, 2 2 п10 20

4Ь (n,.—

noo)aN (N p п2о )nn, п2 — п2

1о 2о т.е °

aN = ab(n + n )+ (N,— и ) nn

Фо <о () ъ

lo 2o

55 причем

db db

ab = — / ач=--/.

dV o p1V о п1о a no — — — — — — V

2 и„— и

n — показатель преломления полосковых световодов;

n — показатель преломления под2 лОжки, причем n„Tnt, нО (n„-п ) (c1;

d — ширина двухмодового световода 17. t0

Следовательно, влияние Ео на дФ определяется изменениями в поле показателей и„ и и преломления световодов и подложки, а именно разностью изменений. Поэтому конструкция ин.тегрально-оптического элемента 3 должна быть такой, чтобы вызванное напряженностью Е внешнего поля изменение показателя п преломления под2 ложки было бы незначительным, в опти- 20 мальном случае равным нулю. Предельный случай достигается, если материал двухмодового полоскового световода 7 обладает электрооптическим эффектом,, а материал подложки 12 нет.

С целью повышения чувствительности устройства при использовании подложки из сегнетоэлектрика необходимо области повертюсти подложки 12, при- 30 легающие к l "..азветвителям и полосковому светоьоду 17 на величину проникновения полей волн в подложку, покрыть пленкой металла. Это позволяет в значительной мере локализовать воздействие напряж. чносги Ер внешнего поля областью дзухмодового полоскового световода 17. При этом приращение получит только коэффициент преломления световодов: и„= и„ + ап,, а о 40 дп . О.

Из формулы (6) следует, что

db dbms n,. Vo уф=1 1((— — — — -) — — — — -+ об/ о 17о П1о + П2о (7) N o — И2о

+ Jan, П1о П2а причем первое слагаемое в квадратных скобках существенно больше второго.

При линейном электрооптическом эффекте, имеем: (8) з оп„— 2 и Г 1 E где r; — электрооптический коэффициент.

Подстановка (8) в (7) показывает, что имеет место прямая пропорциональность между показаниями индикатора 11 и напряженностью измеряемого электрического поля: (9) о где коэффициент К чувствительности устройства равен n<о п2о 2

Пример. В качестве подложки используют монокристаллическую пластину сегмеятоэлектрика LiNb03,Y-срез.

На оптически полированную, соответственно подготовленную поверхность подложки 12 (фиг.4), покрытую слоем фоторезиста (электронорезиста, так как ширина одномодовых полосковых световодов 13-1б составляет 2-3 мкм, что лежит на пределе возможностей фотолитографии, целесообразно ориентироваться на электронолитографию) с окнами соответствующей конфигурации, т.е, фоторезистивный (электронорезистивный) контактной маской, в вакууме напыляют пленку титана расо четной толщины (приблизительно 300 А) .

После удаления с поверхности подложки 12 фоторезистивной (электронорезистивной) маски на поверхности остаются полоски 18 пленки титана, ориентированные вдоль оси Х кристалла (фиг.4). Проводят диффузию титана в

LiNb0, например, при 1000 С в течение 4 ч, в атмосфере очищенного кислорода, получая полосковые световоды

13 — 17. После плавного и медленного охлаждения подложки до комнатной тем1317371 пературы, поверхность подложки со сформированными световодами металлизуют, например, путем напыления в вакууме пленки алюминия толщиной около о

2000 A. Проводят вторую фотолитографию (электронолитографию) удаляя металлическую пленку непосредственно над полосковыми световодами 13-17 и с площадей поверхности подложки за пределами прилегающих к световоду 17 и 10

Y-разветвителям зон, куда проникают поля мод световодов, в результате чего получают интегрально-оптический элемент 3 (фиг.1), состоящий из подложки 12 со световодами 13-17, на 15 поверхности которого имеется металлическая пленка 19 (фиг.5), необходимая для выполнения сделанного при выводе формул (9) и (10) допущения an О, т.е. подложка не обладает электрооп- 20 тическим эффектом, а двухмодовый световод — обладает.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее интегрально-оптический элемент типа направленного ответвителя на подложке, вход которого через первый 30 волоконный световод соединен с выходом источника света, а выходы — через второй и третий волоконные световоды— подключены ко входам соответственно первого и второго фотоприемников детектора излучения, выход которого подключен ко входу индикатора, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и линейности показаний, .а также технологичности устройства, интегрально-оптический элемент выполнен в видЕ схемы, содержаЩей одномодовые полосковые входные и выходные световоды, соответственно входной и выходной Y-разветвители одномодовых световодов и сформированный между ними двухмодовый полосковый световод, материал которого обладает линейным электрооптическим эффектом, а в детектор излучения введены блок суммарно-разностной обработки и схема деления, при этом входы блока суммарно-разностной обработки соединены соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, а выходы блока суммарно-разностной обработки подключены к соответствующим входам схемы деления,выход которой подключен к входу индикатора.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности устройства, подложка выполнена из сегнетоэлектрика, а ее поверхность с обеих сторон двухмодового полоскового световода металлизирована.

1317371

1317371 у у 1б фиг.Я

-(1//и! I4 @Â

Фиг б

Составитель А.Трушин

Техред М.Ходанич (орректор А.Обручар

Редактор A.Ðåâèí

Заказ 2418/40 Тираж 730

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

1У

Ф . 12 (/Йк/ + u+/ )