王 欣張家洪*陳福深劉 斌

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)云南省計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3.北京森馥科技股份有限公司，北京 102209)

瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)主要包括靜電放電脈沖、高功率微波、核電磁脈沖、雷電以及大功率開(kāi)關(guān)動(dòng)作等產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)[1]。在信息社會(huì)中，瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)在軍事國(guó)防、電力輸送、通信傳輸及航空航天等領(lǐng)域產(chǎn)生的影響不容忽視，比如脈沖強(qiáng)電磁信號(hào)產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電壓可達(dá)數(shù)千伏甚至數(shù)萬(wàn)伏，輕則導(dǎo)致電腦等精密電子儀器短暫失靈，重則成為點(diǎn)火源、爆炸源造成重大事故，僅在微電子領(lǐng)域，由瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)造成的損失每年多達(dá)上百億美元[2-4]。因此，瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。但脈沖電磁信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、上升時(shí)間快、幅值變化極大、頻譜范圍極寬等時(shí)、頻特征使測(cè)量極其困難，而通過(guò)傳感器將空間傳播的脈沖電磁信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為便于后端處理的電壓或電流信號(hào)是最簡(jiǎn)單有效的方法[5]。

早在1978年，Baum C E等人利用電小天線等效為一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的電容，并連接同軸線實(shí)現(xiàn)了對(duì)核電磁脈沖電場(chǎng)的無(wú)失真測(cè)量[6]。這類直接感應(yīng)式傳感器中應(yīng)用最廣的就是漸進(jìn)錐形偶極子(Asymptotic Conical Dipole，ACD)D-dot電場(chǎng)傳感器，但其輸出與源信號(hào)呈微分關(guān)系，需要在后端串聯(lián)積分器才可獲得時(shí)域波形，且探頭的金屬結(jié)構(gòu)與同軸電纜常會(huì)對(duì)空間電場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響。為了進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗電磁干擾能力，Thomson等人研制了一款基于電光集成技術(shù)的雷擊瞬態(tài)電場(chǎng)傳感器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)再通過(guò)光纖傳輸[7]。這類有源直接電光調(diào)制傳感器集成度高、體積小、性價(jià)比高，但探頭端需內(nèi)置復(fù)雜的處理電路、電光轉(zhuǎn)換電路與供電模塊，極易在強(qiáng)脈沖電場(chǎng)下?lián)p毀。

區(qū)別于以上兩種電場(chǎng)傳感器，本文利用電光材料鈮酸鋰(LiNbO3)晶體具有顯著的電光效應(yīng)與較大的電光系數(shù)等特性，設(shè)計(jì)了一種微型集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器。該電場(chǎng)傳感器的基本原理為，當(dāng)偏振光進(jìn)入鈮酸鋰晶體時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，偏振光的相位會(huì)隨著外加電場(chǎng)的大小而改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)信息對(duì)光波的調(diào)制。這種集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器不僅避免了金屬結(jié)構(gòu)與有源測(cè)量的缺點(diǎn)，也具備體積小、帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。

1 電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 傳感器工作原理及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LiNbO3晶體的電光系數(shù)γ33最大，因此采用x切y傳的鈮酸鋰晶體作為傳感器的襯底調(diào)制效果最好[8-9]。當(dāng)施加沿z軸方向的空間電場(chǎng)E z時(shí)，鈮酸鋰晶體折射率的變化可以表示為:

式中:neff表示晶體的有效折射率；γ33表示晶體電光系數(shù)；Γ(<1)表示電場(chǎng)和光場(chǎng)中的重疊因子。公式(1)表明，鈮酸鋰晶體折射率的改變量與空間電場(chǎng)的大小線性相關(guān)，這是集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器工作的基礎(chǔ)。

如圖1所示，集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器本質(zhì)上是一個(gè)非對(duì)稱馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI)。當(dāng)光從AMZI入射端入射時(shí)，被Y型分支分為等強(qiáng)度的兩束光，接收天線會(huì)在空間電場(chǎng)E(t)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓從而對(duì)下波導(dǎo)臂中的光進(jìn)行相位調(diào)制，使其在出射端與通過(guò)上波導(dǎo)臂中的光形成一定的相位差Δφ[8]為:

圖1 集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)圖

式中:λ為入射光的波長(zhǎng)，L el為屏蔽電極的長(zhǎng)度，Han是天線高度，G el是電極間距，E(t)是沿電極方向的入射電場(chǎng)。當(dāng)Δφ＝π時(shí)，可以得到半波電場(chǎng)Eπ為:

由集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器的工作原理可知，出射光功率Pout與入射光功率Pin的關(guān)系[10]為:

式中:α是傳感器的衰減系數(shù)，β是消光系數(shù)，φ0是傳感器的相位偏置，取決于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(φ0＝2πneff×ΔL/λ，ΔL是AMZI兩臂的長(zhǎng)度差)。分析式(4)，可知當(dāng)兩波導(dǎo)臂相位偏置φ0＝π/2，且半波電場(chǎng)Eπ足夠大使πE(t)/Eπ?1時(shí)，可將其簡(jiǎn)化為:

再利用泰勒展開(kāi)式(sinx≈x)一階展開(kāi)得:

此時(shí)，傳感器的輸出光功率與空間電場(chǎng)成正比，使用光電探測(cè)器(Photodetector，PD)將傳感器輸出的光信號(hào)還原成電信號(hào)便可獲得空間電場(chǎng)的信息。相對(duì)偏置φ0＝π/2為傳感器的最佳工作點(diǎn)。因此，通過(guò)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)來(lái)控制相對(duì)偏置φ0與半波電場(chǎng)Eπ的大小，是使電場(chǎng)傳感器工作在線性區(qū)的關(guān)鍵[10]。

圖2 AMZI型傳感器光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

將輸入直波導(dǎo)L1設(shè)置為5 mm可以確保光波處在穩(wěn)定的工作模式。上下波導(dǎo)臂夾角θ過(guò)大將導(dǎo)致光耦合的低效與光功率的高損耗，因此要確保L2/H1>10 000，將L2設(shè)置為14 mm，H1設(shè)置為12.5μm。若想實(shí)現(xiàn)在C波段通過(guò)控制光波長(zhǎng)λ的值找到最佳工作點(diǎn)，需設(shè)置波導(dǎo)兩臂長(zhǎng)度差ΔL為33μm[11]。由于S型彎曲波導(dǎo)長(zhǎng)度SLength可表示為:

并且ΔL＝2(SLength-L3)，得到AMZI光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，此時(shí)波導(dǎo)彎曲長(zhǎng)度為15 mm，C波段的光波在彎曲波導(dǎo)中產(chǎn)生的損耗接近0 dB，可以忽略。

表1 AMZI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器利用波導(dǎo)臂兩側(cè)的天線來(lái)接收空間電場(chǎng)并對(duì)通過(guò)波導(dǎo)臂中的光進(jìn)行相位調(diào)制?，F(xiàn)有研究結(jié)果證明接收天線不但影響電光傳感器的帶寬，更決定其靈敏度，因此天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是傳感器設(shè)計(jì)的核心[12]。本文采用的天線結(jié)構(gòu)為圖3所示的錐形天線，這種錐形天線的阻抗從底端到尖端逐漸增大，導(dǎo)致尖端的反射電流大大減小甚至消除，避免了形成駐波，有效提升了傳感器的帶寬與靈敏度。

圖3 錐形天線結(jié)構(gòu)圖

為滿足πE(t)/Eπ?1，需確保半波電場(chǎng)Eπ足夠大，將錐形天線的高度Han設(shè)置為2 200μm，電極長(zhǎng)度Lel設(shè)置為5 000μm，電極間距G el設(shè)置為60μm，錐形天線底端寬度Wan設(shè)置為100μm，電極的寬度Wel設(shè)置為20μm，厚度Del設(shè)置為1μm，如表2。電極會(huì)吸收部分光波損耗而對(duì)上下波導(dǎo)臂產(chǎn)生影響，因此在制作傳感器時(shí)在波導(dǎo)平面與天線平面間涂覆一層500 nm厚度的SiO2緩沖層減少影響。將neff＝2.138，γ33＝30.8×10-12m/V，Γ＝0.07，C波段中心波長(zhǎng)λ＝1 550 nm代入式(3)，得到半波電場(chǎng)Eπ≈401 kV/m。這時(shí)，傳感器最大可測(cè)電場(chǎng)為Emax≈0.32Eπ≈128 kV/m，理論上滿足瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)的測(cè)量需求。

表2 錐形天線結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置 單位:μm

2 電場(chǎng)傳感器的制備

首先，使用甩膠機(jī)將光刻膠均勻涂抹在厚度為1 mm的x切y傳LiNbO3襯底上，通過(guò)紫外曝光顯影獲得波導(dǎo)圖案，再通過(guò)退火質(zhì)子交換技術(shù)形成寬6μm深3μm的非對(duì)稱光波導(dǎo)[13-14]。隨后，通過(guò)反應(yīng)濺射法在AMZI下波導(dǎo)臂上涂覆一層500 nm厚度的SiO2緩沖層，最后在緩沖層上電鍍1對(duì)厚度為1μm的錐形金屬電極，電極上層電鍍金屬鉻(Cr)，下層電鍍金屬金(Au)，其橫截剖面如圖4所示。

圖4 電場(chǎng)傳感器橫截面示意圖

集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)用化的關(guān)鍵在于波導(dǎo)兩端分別與保偏光纖(Polarization Maintaining Fiber，PMF)、單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)高效耦合，使用的保偏光纖為1 550 nm的熊貓型光纖，其裸纖直徑為125μm，塑料外包層直徑為2.5 mm?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明[15]，光纖與光波導(dǎo)模場(chǎng)失配、橫向偏移、端面間隙、端面菲涅耳反射是影響光纖與光波導(dǎo)之間耦合的主要因素。其中，可以利用光纖V型槽來(lái)控制橫向偏移和端面間隙，而對(duì)于菲涅耳反射來(lái)說(shuō)，可以使用折射率匹配液來(lái)減小。首先，要保證光纖和波導(dǎo)間的模匹配，調(diào)節(jié)好匹配液的濃度，嚴(yán)格控制質(zhì)子交換的時(shí)間、溫度；其次，采用高精度的耦合設(shè)備、正確的耦合結(jié)構(gòu)并使用刻有V型槽的硅片固化光纖[16]。

如圖5所示，傳感器兩端均采用正裝耦合。將刻有V型槽的硅片置于光纖底部支撐，避免光纖的橫向位移，也消除LiNbO3晶片和硅片由于熱膨脹差異造成的位移。光波導(dǎo)與光纖耦合完成后，為保證工程使用時(shí)的便利與避免環(huán)境中灰塵等微粒的干擾，將其封裝至大小為70 mm×15 mm×15 mm的陶瓷外封裝盒中，如圖6。使用光功率計(jì)對(duì)封裝完成后的傳感器輸入、輸出光功率進(jìn)行測(cè)量，得到其插入損耗為13.7 dB。

圖5 光波導(dǎo)與光纖的正裝耦合

圖6 封裝后的電場(chǎng)傳感器

3 傳感器的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 頻響特性測(cè)試

如圖7所示，為了保證測(cè)試實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在9 m×6 m×5 m大小的微波暗室中進(jìn)行集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器的頻響特性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前，將傳感器置于微波暗室內(nèi)，并分別使用20 m長(zhǎng)度的PMF/SMF將傳感器的輸入端/輸出端與屏蔽室中的可調(diào)諧激光源、20GHz帶寬光電探測(cè)器相連接。同時(shí)，光電探測(cè)器的輸出端通過(guò)射頻線連接至頻譜儀中。實(shí)驗(yàn)所用的可調(diào)諧激光源內(nèi)部通過(guò)起偏器輸出慢軸對(duì)準(zhǔn)的線偏振光，光源調(diào)諧范圍覆蓋C波段(1 525 nm～1 565 nm)，使用保偏光纖對(duì)光源輸出的偏振光保持。

圖7 頻響測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的輸出波長(zhǎng)并記錄對(duì)應(yīng)的傳感器輸出光功率，將波長(zhǎng)λ設(shè)置為最大輸出光功率與最小輸出光功率的中點(diǎn)光功率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，便可使φ0處在最佳工作點(diǎn)，輸出光功率強(qiáng)度保持在13 mW。在屏蔽室內(nèi)通過(guò)PC端控制信號(hào)發(fā)生器(ROHDE＆SCHWARZ?SMA100B)輸出不同頻率(100 kHz～10 GHz)的源信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器(RFLIGHT 10 kHz～6 GHz、RFLIGHT 6 GHz～18 GHz)放大后再通過(guò)喇叭天線輸出，注意根據(jù)源信號(hào)的頻率及時(shí)更換對(duì)應(yīng)帶寬的喇叭天線。

不同頻率的信號(hào)在微波暗室中的產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)保持一致，在暗室內(nèi)放置如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)探頭，該探頭會(huì)將暗室內(nèi)空間場(chǎng)強(qiáng)值傳回PC端。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)探頭的測(cè)量值及時(shí)調(diào)整源信號(hào)的輸出幅值，直至空間電場(chǎng)強(qiáng)度維持在固定值10 V/m。

圖8 暗室內(nèi)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)探頭布置圖

選擇20 GHz光電探測(cè)器對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，該P(yáng)D的光譜范圍為850 nm～1650 nm，20 GHz內(nèi)帶寬波動(dòng)±3 dB，響應(yīng)時(shí)間為18 ps，滿足實(shí)驗(yàn)需求。PD將調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出至頻譜儀(ROHDE＆SCHWARZ?FSW43)顯示端，依次記錄不同頻率下源信號(hào)與傳感器輸出的對(duì)應(yīng)值并繪制成頻響特性曲線，如圖9。

圖9 頻響特性輸出曲線

由圖9可知，傳感器在100 kHz至8.5 GHz頻率范圍內(nèi)，波動(dòng)小于±5 dB；在8.5至10 GHz范圍內(nèi)，波動(dòng)小于±15 dB。由此證明，基于LiNbO3制成的集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器在100 kHz～10 GHz的超大帶寬范圍內(nèi)頻響特性良好，基本滿足測(cè)量瞬態(tài)時(shí)域脈沖電場(chǎng)的大帶寬需求。

3.2 時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

如圖10所示，將集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器豎直放置于橫電磁波(TEM Cell)小室內(nèi)進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試實(shí)驗(yàn)。TEM小室本質(zhì)上是將同軸線外導(dǎo)體擴(kuò)展為矩形箱體，內(nèi)導(dǎo)體漸變?yōu)楸馄叫景?；?dāng)其終端接上匹配負(fù)載，始端經(jīng)同軸電纜饋入激勵(lì)功率時(shí)，TEM小室內(nèi)就建立起了橫電磁波，可提供一個(gè)與外界相對(duì)隔離的電場(chǎng)測(cè)試環(huán)境[17]。TEM小室具有較好的場(chǎng)均勻性，且由于其內(nèi)部空間小，可產(chǎn)生較高幅值的電場(chǎng)，適用于大場(chǎng)強(qiáng)的脈沖電場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖10 傳感器在TEM小室布置圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖11。使用同軸電纜將納秒脈沖發(fā)生器的輸出端與TEM小室的輸入端相連，小室輸出端先通過(guò)衰減器衰減后再接入示波器(TEKTRONIX MSO54)的一個(gè)通道，方便與測(cè)試信號(hào)對(duì)比。將傳感器豎直放置在TEM小室中，輸入端與輸出端分別與可調(diào)諧激光源、光電探測(cè)器相連，PD的輸出接入示波器的另一個(gè)通道。

圖11 時(shí)域動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)使用的納秒脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生上升沿3 ns～5 ns，持續(xù)時(shí)間150 ns～200 ns，峰值電壓200 V～4 000 V的納秒脈沖信號(hào)。由于使用的TEM小室(ROHDE＆SCHWARZ TEMZ5233)內(nèi)部?jī)善叫邪宓拇怪本嚯x僅為3 cm，利用E＝V/d計(jì)算出TEM小室內(nèi)空間電場(chǎng)E范圍為6.67 kV/m～133.33 kV/m。示波器中將源信號(hào)所在的通道設(shè)置為上升沿觸發(fā)信號(hào)，便得到圖12所示的兩個(gè)時(shí)域波形。

圖12中，源信號(hào)與傳感器輸出信號(hào)在上升沿、下降沿、脈寬、平坦度等脈沖信號(hào)特征上具有極高的還原度，僅存在120 ns左右的時(shí)間延遲，這是測(cè)試信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)影響。選取納秒脈沖發(fā)生器輸出峰值電壓為1 000 V與3 000 V時(shí)，即在TEM小室內(nèi)空間電場(chǎng)E為33.33 kV/m與100 kV/m時(shí)源信號(hào)與輸出信號(hào)進(jìn)行比較。

圖12 輸出信號(hào)與源信號(hào)波形圖

表3中的每個(gè)數(shù)據(jù)均是重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)后再將檢測(cè)數(shù)據(jù)平均計(jì)算后獲得，避免偶然誤差。在33 kV/m的空間電場(chǎng)強(qiáng)度下，源信號(hào)的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.67 ns，180.27 ns與73.36 ns，傳感器輸出信號(hào)的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.95 ns，176.09 ns與71.94 ns，兩個(gè)信號(hào)間的相對(duì)誤差分別為7.63%，2.31%與1.94%。在100 kV/m的空間電場(chǎng)強(qiáng)度下，源信號(hào)的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.73 ns，194.54 ns與74.98 ns，傳感器輸出信號(hào)的上升沿，下降沿與脈寬分別為3.50 ns，187.35 ns與65.95 ns，兩個(gè)信號(hào)間的相對(duì)誤差分別為6.17%，3.70%與12.04%。

表3 33.33 kV/m與100 kV/m電場(chǎng)下源信號(hào)與輸出信號(hào)數(shù)據(jù)比較

依次記錄納秒脈沖發(fā)生器輸出不同峰值電壓時(shí)傳感器輸出信號(hào)的電壓峰值，將其繪制成圖13所示的時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試曲線。

圖13表明，本文設(shè)計(jì)的傳感器在6.67 kV/m～133.33 kV/m的范圍內(nèi)有較好的線性相關(guān)度0.985 35。雖然在空間電場(chǎng)強(qiáng)度大于100 kV/m時(shí)，傳感器輸出有飽和的趨勢(shì)，但總體來(lái)看仍保持較好的線性度。在該空間電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，得到傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)擬合曲線y＝0.788 51x+11.254，這對(duì)測(cè)量未知電場(chǎng)提供了新的測(cè)量方法。

圖13 時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試曲線

4 總結(jié)

鑒于測(cè)量超帶寬時(shí)域脈沖電場(chǎng)的困難與ACD D-dot電場(chǎng)傳感器，電光直調(diào)電場(chǎng)傳感器對(duì)空間電場(chǎng)影響較大的不足之處，使用鈮酸鋰晶體設(shè)計(jì)了一種微型集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器。該電場(chǎng)傳感器具備體積小、帶寬大、時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)源測(cè)量、超遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)頻響特性測(cè)試與時(shí)域動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試，證明其滿足測(cè)量超帶寬脈沖電場(chǎng)所需要的超帶寬、大動(dòng)態(tài)范圍等性能。集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器在100 kHz至8.5 GHz頻率范圍內(nèi)波動(dòng)小于±5 dB，在8.5至10 GHz范圍內(nèi)波動(dòng)不超過(guò)±15 dB，且在6.67 kV/m～133.33 kV/m的空間電場(chǎng)內(nèi)，傳感器的輸入與輸出的線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.985 35。