本发明专利技术公开了一种全光纤结构的电场敏感元件和电场传感装置，该电场敏感元件包括光纤和相位调制部件，所述光纤的一端作为电场敏感元件的输入端，另一端作为输出端；所述的相位调制部件用于使光纤中的部分信号光在电场作用下改变相位。本发明专利技术的电场敏感元件为全光纤结构，一方面降低了插入损耗小，另一方便，有利于降低器件尺寸，便于集成，且基于该电场敏感元件制备的电场传感装置在应用时，不会对被测电场产生影响，具有灵敏度高以及有利于光集成等优点。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种全光纤结构的电场敏感元件和电场传感装置，该电场敏感元件包括光纤和相位调制部件，所述光纤的一端作为电场敏感元件的输入端，另一端作为输出端；所述的相位调制部件用于使光纤中的部分信号光在电场作用下改变相位。本专利技术的电场敏感元件为全光纤结构，一方面降低了插入损耗小，另一方便，有利于降低器件尺寸，便于集成，且基于该电场敏感元件制备的电场传感装置在应用时，不会对被测电场产生影响，具有灵敏度高以及有利于光集成等优点。【专利说明】一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感装置
本专利技术涉及光电子
，具体涉及一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传 感装置。
技术介绍
电场测量在科学、工业和商业领域中有着重要的应用。传统电磁波测量系统采用 有源金属探测器，它势必会引起电磁干扰，产生电磁场畸变，并且会导致测量系统对电磁噪 音非常敏感。随着光电子技术的发展，为解决电磁波测量系统中的电磁噪音的干扰，美国海 军研究机构Bulmer、英国NPL的W. LANG等人，将光波导、电极与天线有机集成在一起，制备 出了一种基于Pockels效应的集成光电式电场传感器，首次实现了利用光学原理对电场的 测量。 与传统电子电场传感器相比，基于电光效应的光电式电场传感器利用某些晶体 (如银酸锂LiNb03)的线性电光效应，当光信号在电光材料中传输时，由于光电材料的电光 效应，将电场强度的变化通过晶体折射率的变化转化为光信号相位的变化，最终导致干涉 信号强度变化，进而干涉信号的强度变化计算得到待测电场的强度变化。 光电式电场传感器克服了传统电子电场传感器的电磁干扰的问题，且由于光电式 电场传感器通常基于集成光学器件和光纤器件，与其他类型的电场传感器相比，还具有尺 寸小、质量轻、灵敏度高等优点，具有广泛的应用前景，近年来发展迅速。 但是，该类电场传感器无法做到全光纤化，结构复杂、成本高、体积大、难以实现光 集成，且波导与光纤之间耦合会产生较大的损耗，难于实现级联构成准分布式传感网络。此 夕卜，该类电场传感器基于晶体材料实现，一方面由于晶体的偏光特性，使得电场传感器的探 头需要采用保偏光纤与光源相连，且还另需一根传输光纤将干涉信号光导入测量系统中， 进一步增加了结构的复杂程度和制备成本。另一方面，晶体材料的光电性能对温度比较敏 感，直接导致基于该晶体材料的电场传感器的性能也对温度敏感，因此，须经常对探头进行 结构上的调整，以保持最佳工作状态，增加了操作的复杂度。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感 装直。 本专利技术的全光纤结构的电场敏感兀件，包括光纤和相位调制部件，所述光纤的一 端作为电场敏感元件的输入端，另一端作为输出端； 所述的相位调制部件用于使光纤中的部分信号光在电场作用下改变相位。 相位调制部件在外加电场发生变化时，会使部分在光纤中传输的信号光的相位发 生变换。本专利技术的电场敏感元件使用时，从输入端输入信号光，经过相位调制部件的作用， 使信号光的相位发生变化，进而根据输出端输出的信号光与输入的信号光的相位差异，即 可完成对外加电场变化的感知。 相位调制部件也可以由具有电光效应的材质制备。作为优选，所述的相位调制部 件为包覆于光纤包层外的石墨烯薄膜。一方面可以降低成本，另一方便形成光纤同轴石墨 烯结构，使敏感元件能够应用的集成光学领域。 本专利技术中可以整段光纤都包覆有石墨烯薄膜，也可以仅一段光纤包层外围包覆有 石墨烯薄膜。 本专利技术中石墨烯薄膜可以完整或部分覆盖包层的整个周向，可根据需要和工艺条 件设定。为保证信号光能量分布的均匀性，本专利技术中石墨烯薄膜完整覆盖包层的整个周向。 所述的光纤纤芯外周沿信号光传输方向设有间隔布置的两个模式转换器； 两个模式转换器用于使光纤中的部分信号光由纤芯进入包层，再与相位调制部件 相作用后返回纤芯； 两个模式转换器之间的光纤包层的至少一部分外周包裹有所述的石墨烯薄膜。 本专利技术中两个模式转换器均为一段由光纤的纤芯制备得到的光纤光栅，制备时直 接在该光纤纤芯的一端写入光栅即可，基于该模式转换器能够实现敏感兀件的全光纤结 构，易于集成，且大大减小了接入损耗。 两个模式转换器的工作波长必须与该电场敏感元件的工作波长相匹配，可通过合 理设置光纤光栅的周期实现波长匹配。靠近输入端的模式转换器的转化效率越高，发生相 位变化的信号光越多，电场敏感元件的灵敏度会越高。光纤光栅模式转换器的转换效率与 光纤光栅的长度有关。一般光纤光栅的长度越大，转换效率越高。但是为实现器件的小型 化，需要根据应用需求适当调整光纤光栅的长度。通常光纤光栅模式转换器的长度为5_ 左右。 所述的两个模式转换器分别为靠近光纤输入端的第一模式转换器和靠近光纤输 出端的第二模式转换器； 所述的第一模式转换器用于将信号光由低阶模式转化为高阶模式； 所述的第二模式转换器用于将信号光由高阶模式转化为低阶模式。 在使用时将电场敏感元件置于被测电场中，信号光从输入端进入电场敏感元件 后，通过第一模式转换器将在纤芯中以低阶模式传输的信号光转化高阶模式。由于光纤传 输特性的限制，部分高阶模式的信号光会进入包层传输，即高阶模式的信号光在传输过程 中会经过纤芯和包层。 在被测电场的作用下，光纤包层表面的石墨烯薄膜的电导率发生变化，继而引起 折射率发生变化，从而导致石墨烯薄膜包覆处包层的有效折射率发生变化，使经过包层的 信号光的相位发生变化。 信号光继续传播，在经过石墨烯薄膜作用后，由第二模式转换重新转化为低阶模 式，进而将信号光全部限定在纤芯中传输。此时由输出端输出的信号光，部分由于石墨烯薄 膜的作用而发生了相位变化，另外还有部分信号光始终在纤芯中传输，不会受到石墨烯薄 膜的作用，未发生相位变化，根据两部分信号光的相位关系，即可实现对外加电场（被测电 场）的感知。 本专利技术的电场敏感元件为全光纤结构，利用石墨烯薄膜的电光效应实现了对外界 电场强度的传感，这种光纤同轴石墨烯结构的电场传感器具有体积小，不会对被测电场产 生影响，灵敏度商、易于光集成等优点。 所述石墨烯薄膜的厚度为0· 335nm?1. 005nm。 由于石墨烯薄膜由若干（至少一层）单层石墨烯构成，单层石墨烯的厚度一定为 0. 335nm，因此石墨烯薄膜的厚度应为0. 335nm的整数倍。 增加石墨烯薄膜的厚度，可以增强石墨烯薄膜和信号光的作用，使得有效折射率 的变化量增加，进而增大信号光的相位的变化量，提高敏感元件的灵敏度，但是在相同传输 距离下，增加石墨烯薄膜也会导致信号光的传输损耗增大。作为优选，即石墨烯薄膜的厚度 为 0·335nm。 沿光纤长度方向，石墨烯薄膜与第一模式转换器和第二模式转换器的间距均小于 1mm η 间距指自输入端端沿光纤长度方向，前一个部件的尾端与后一个部件的首端的距 离（部件指第一模式转换器、石墨烯薄膜和第二模式转换器）。间距过大一方面会使光的传 输损耗增大，导致敏感元件的灵敏度下降，另一方面，也不利于器件的小型化和集成化。在 工艺条件允许时，石墨烯薄膜与两个模式转换器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，包括光纤和相位调制部件，所述光纤的一端作为电场敏感元件的输入端，另一端作为输出端； 所述的相位调制部件用于使光纤中的部分信号光在电场作用下改变相位。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周锋，金晓峰，章献民，池灏，郑史烈，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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