一种全光纤集成的电光晶体电场探头及解调装置

1.本实用新型涉及电磁场测量技术领域，具体涉及一种全光纤集成的电光晶体电场探头及解调装置。


背景技术：

2.随着5g时代的到来、物联网以及云计算等的出现，对于处理芯片的要求为速度越快、带宽越宽以及集成度越高。近场电场探针尤其是非破坏性探针为高速芯片设计中电磁干扰(emi)或电磁兼容(emc)性能测试表征的重要手段，是评估器件可靠性的重要依据。另一方面，静电放电(eds)和电子系统受到过度电应力(eos)是引起设备毁坏和性能下降的重要原因之一。因此开发高灵敏、高空间分辨率的微型电场传感器对于提高相关微器件的检测效率和保证器件安全的工作显得极其重要。
3.传统的电场测量方法为电学法金属探针其频率响应为典型支持驻波结构的共振型，其频响不平坦，因此对于宽带信号的测量具有局域性，对于集成度高的5g高速芯片检测存在局域性，并且金属电场探针由于会通过金属探针散射以及与待测量近场电场耦合导致其测量保真度低，给待测电场带来极大的不确定性。金属导线会引起待测场扭曲以及扰动，与探针的参数有关，很难通过后续通用化的处理进行矫正，因此测量具有不准确性。
4.光学法的电光电场传感器包含的系统往往无有源电子设备或电源，通常以全介质电光晶体为材料，由于具有天然的与电磁不串扰特性，在测量准确性以及提供宽带测量上具有极大的优势。因为由电光调制器组成光纤网络通常不含金属，所以不受电磁干扰并且对待测电场的扰动很小，频率响应平坦。
5.现有的反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法，探头通过光纤接入准直器，偏振片、电光晶体、1/8波片和反射片组装在石英管的中部，最后使用一个石英圆柱体封住石英管做成套封。然而这样的电场传感器因为在探头内集成了更多的光学元件，带来装配上的复杂性，并且增大了器件的插入损耗。探头内晶体自然双折射所带来的温度效应会导致系统工作点漂移，影响电场测试，在其所述配置下无法得到解决，光纤的温度变化而产生的双折射效应同样会带来系统灵敏度工作点的漂移的问题。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提供一种全光纤集成的电光晶体电场探头及解调装置，解决空间光学元件难集成、易受振动、体积大、难以耦合等造成电场测量不稳定的问题，提高测量装置的灵敏度和稳定性。
7.为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
8.本实用新型提供一种全光纤集成的电光晶体电场探头，包括：保偏光纤，第一玻璃套管、第二玻璃套管、准直透镜、1/4波片、电光晶体和反射膜；
9.所述保偏光纤与第一玻璃套管固定连接，所述第一玻璃套管与第二玻璃套管固定连接，所述保偏光纤与准直透镜连接，所述准直透镜与1/4波片连接，所述1/4波片与电光晶
体连接，所述电光晶体与反射膜连接；
10.所述准直透镜和1/4波片设于第二玻璃套管内。
11.作为优选的技术方案，所述第一玻璃套管的管径大于第二玻璃套管的管径。
12.作为优选的技术方案，准直透镜、1/4波片与第二玻璃套管之间设有填充缝隙，填充缝隙通过紫外胶填充。
13.作为优选的技术方案，1/4波片和保偏光纤的保偏轴夹角的角度采用45度。
14.作为优选的技术方案，所述电光晶体采用铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、碲化锌晶体、硅酸铋晶体中的任意一种。
15.作为优选的技术方案，铌酸锂晶体或钽酸锂晶体切向为横切，形成横向电场探针，形状为立方体。
16.本实用新型还提供一种全光纤集成的电光晶体电场探头的解调装置，设有上述全光纤集成的电光晶体电场探头，还包括：激光器、环形器、适配器、偏振控制器、分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和终端处理器；
17.所述激光器与环形器连接，环形器与适配器连接，适配器通过保偏光纤与电光晶体电场探头连接，环形器还与偏振控制器连接，偏振控制器与分束器连接，分束器分别与第一偏振分束器、第二偏振分束器连接，第一偏振分束器分别与第一光电探测器、第二光电探测器连接，第二偏振分束器分别与第三光电探测器、第四光电探测器连接；
18.所述第一光电探测器、第二光电探测器均与终端处理器连接。
19.本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
20.(1)本实用新型采用无金属的电场测量探头，探头具有高保真、空间分辨高、探测射频带宽宽、体积小、抗干扰能力强等优点，提供了极高的测量精度以及保真度，提高了测量性能。
21.(2)本实用新型设置第一玻璃套管和第二玻璃套管，用于固定内部光学元件，起到加固整体探头结构的作用，达到防止外部扰动的效果。
22.(3)本实用新型电光晶体电场探头内的各个光学元件由紫外胶固定，保证器件较小的插入损耗。
23.(4)本实用新型可选择配置不同尺寸长度和形状的电光晶体，最好地满足电光晶体探头的灵敏度及其频带宽度的需求，电光晶体电场探头搭配不同晶体长度，可以得到更强的电光信号。
24.(2)本实用新型采用全光纤集成偏振态解调的技术方案，设置的第一偏振分束器、第二偏振分束器将检测光分成两个互相正交的线偏振光，分别送入对应的光电探测器中，一路用于检测偏振态，一路用于反馈信号，解决了实际应用中传感器工作点受外界环境(温度、振动等)干扰的问题，提高了测量的灵敏度和稳定性。
附图说明
25.图1为本实用新型全光纤集成的电光晶体电场探头的结构示意图；
26.图2为本实用新型电光晶体电场探头在搭配不同晶体不同长度下，电光信号随电场幅值的函数关系示意图；
27.图3为本实用新型全光纤集成的电光晶体电场探头的解调装置的结构示意图。
28.其中，101-保偏光纤，102-固定胶，103-第一玻璃套管，104-第二玻璃套管、105-准直透镜，106-1/4波片，107-电光晶体，108-反射膜；
29.201-激光器，202-环形器，203-适配器，204-电光晶体电场探头，205-终端处理器，206-偏振控制器，207-分束器，208-第一偏振分束器，209-第二偏振分束器，210-第一光电探测器，211-第二光电探测器，212-第三光电探测器，213-第四光电探测器；
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.实施例1
32.如图1所示，本实施例提供一种全光纤集成的电光晶体电场探头，可探测电场幅值及矢量方向，依次设置有：保偏光纤101、固定胶102、第一玻璃套管103、第二玻璃套管104、准直透镜105、1/4(四分之一)波片106、电光晶体107、反射膜108；
33.保偏光纤101通过固定胶102与第一玻璃套管103固定连接，第一玻璃套管103通过紫外胶与第二玻璃套管104固定连接，第一玻璃套管103的管径大于第二玻璃套管104的管径；
34.保偏光纤101与准直透镜105连接，准直透镜105与1/4波片106连接，1/4波片106与电光晶体107连接，电光晶体107与反射膜108连接；
35.准直透镜105和1/4波片106设于第二玻璃套管104内，准直透镜105、1/4波片106与第二玻璃套管104之间的缝隙通过紫外胶填充，起到固定准直透镜和1/4波片的作用；
36.在本实施例中，保偏光纤用于传输偏振光，第一玻璃套管和第二玻璃套管用于固定内部光学元件，起到加固整体探头结构的作用，防止外部扰动；
37.准直透镜将探测光准直并进行聚焦，1/4波片产生圆偏振光，用于调整工作点，电光晶体用于感应电场信号，对光偏振态进行调制，反射膜反射偏振光，整体构成反射式探头结构；
38.在本实施例中，1/4波片和保偏光纤的保偏轴夹角优选为45
°
；
39.在本实施例中，电光晶体电场探头内各个光学元件由紫外胶固定，保证器件较小的插入损耗；
40.在本实施例中，电光晶体电场探头的测量过程为：准直透镜将偏振光进行聚焦，入射线偏振光经过电场探头内的1/4波片变成圆偏振光，圆偏振光通过受到电场调制折射率的电光晶体，圆偏振经过电场敏感材料电光晶体之后，在两个正交偏振方向上的光产生了不同的相位差，所以其输出随着电场信号的大小以及方向变成不同的椭圆偏振光，该调制后的光信号通过反射膜回到电光晶体、1/4波片、准直透镜、最后通过光纤进入解调装置。
41.在本实施例中，电光晶体有多种选择，不同的电光晶体具有不同的电光系数，可根据不同的测量动态范围、空间分辨率等的需求，对晶体尺寸长度和形状进行选择。
42.电光晶体根据晶体种类，切向的不同，探头分为横向电光探头与纵向电光探头，切向、电光系数和尺寸结构等决定了电光晶体探头的灵敏度及其频带宽度，根据灵敏度需要，
可选用不同尺寸长度的电光晶体，具体电光晶体的选择包括：
43.选用铌酸锂或钽酸锂晶体，铌酸锂或钽酸锂晶体为各向异性晶体，切向为横切x-cut,为横向电场探针，形状为立方体，截面尺寸选择范围为2-10mm2,长度最高可达到30mm。铌酸锂晶体可以通过面内旋转90度测量面内正交两个轴(y轴和z轴方向)的电场分量；
44.或选用碲化锌(znte)晶体，碲化锌晶体为各向同性晶体，切向为《111》-cut，形状为柱状，尺寸厚度为1-5mm，直径为2-10mm，可以进行矢量测量；
45.或选用硅酸铋(bso)晶体，硅酸铋晶体为各向同性晶体，切向可使用《100》-cut或《111》-cut。《100》-cut时为纵向探针，《111》-cut时为横向探针，形状为柱状，尺寸厚度为2-10mm，直径可选择1-5mm之间，可同时测量两个轴向的电场分量。
46.如图2所示，得到电光晶体电场探头不同晶体在搭配不同晶体长度的情况下，得到电光信号随电场幅值的函数关系，表明在相同待测电场强度下，增大晶体长度，可以得到更强的电光信号；选用电光系数更大的晶体材料，也可以增强电光信号。
47.实施例2
48.如图3所示，本实施例提供一种全光纤集成的电光晶体电场探头的解调装置，设有上述实施例1的电光晶体电场探头，图中标记为电光晶体电场探头204，还包括；激光器201、环形器202、适配器203、偏振控制器206、分束器207、第一偏振分束器208、第二偏振分束器209、第一光电探测器210、第二光电探测器211、第三光电探测器212、第四光电探测器213、终端处理器205；
49.其中，激光器201与环形器202连接，环形器202与适配器203连接，适配器203通过保偏光纤与电光晶体电场探头204连接，环形器202还与偏振控制器206连接，偏振控制器206与分束器207连接，分束器207分别与第一偏振分束器208、第二偏振分束器209连接，第一偏振分束器208分别与第一光电探测器210、第二光电探测器211连接，第二偏振分束器209分别与第三光电探测器212、第四光电探测器213连接；
50.第一光电探测器210、第二光电探测器211均与终端处理器205连接；
51.在本实施例中，激光器产生线偏振光，偏振光经环形器、适配器输入至电场探头，环形器还将电场探头返回的偏振光输入至偏振控制器，由于待测电场通过线性电光效应对电光晶体的折射率进行调制，因此经过电光晶体探头反射回的信号中携带有受电场调制的偏振态信号，偏振控制器用于调整偏振态信号的偏振态工作点，分别进入第一偏振分束器、第二偏振分束器，第一偏振分束器和第二偏振分束器均对光进行分束，第一偏振分束器或第二偏振分束器将光分为两路，第一偏振分束器将光信号进行分解，通过第一光电探测器、第二光电探测器进行光电转换，第三光电探测器、第四光电探测器将所接收到的光信号转换为电信号，将两者的差分信号作为反馈信号输出至终端处理器，终端处理器将差分信号作为待测电场信号输出。
52.解调装置的静态工作点会随温度或机械振动等外界原因而变化，本实施例的第一偏振分束器、第二偏振分束器将检测光分成两个互相正交的线偏振光，分别送入对应的光电探测器中，本实施例第一光电探测器、第二光电探测器的作用是检测偏振态，将受到电场调制的偏振态信号转换为可读电信号；本实施例第三光电探测器、第四光电探测器用于反馈信号，通过反馈支路的输出信号是否为零，即可监控装置的静态工作点，起到监控静态工作点是否漂移的作用，终端处理器将电信号输入给偏振控制器，偏振控制器调节偏振态至
最佳工作点，构成追踪反馈控制回路稳定测量的装置。
53.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。