本发明专利技术提出了一种基于液晶填充光子晶体微腔的电场测量方法。由宽谱光源1、传感单元2、信号处理单元3、光电探测器4、计算机5组成。其特点是传感单元2由光子晶体微腔组成，且液晶填充在光子晶体微腔的缺陷孔中。当外界电场的变化时，会引起液晶折射率的改变，进而导致光子晶体微腔的透射峰发生移动。最后，利用马克-增德干涉仪波长检测技术来监测光子晶体微腔的透射峰的移动，进而实现对外界电场的测量。结果表明，本发明专利技术所设计的系统具有很好的线性度，测量灵敏度为7nW/(V/m)，分辨力为0.143V/m，实现了微型化、高灵敏度的电场测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于光电检测技术 领域。
技术介绍
随着各国科技水平的快速发展及人们生活质量的不断提高，人们对电力的需求越 来越大，对电能质量的要求也越来越高。与此同时，各种电子通讯设备及仪器在日常生活中 的广泛使用，使得人们长期生活在电磁辐射中。因此，对电场测量的研宄受到了人们广泛的 关注(文献1.周龙.基于Pockels效应的大气电场测量传感器研宄.南京信息工程 大学，2013)。目前，电场传感器已经广泛应用于电力工业、航天航空、以及日常环境监测领 域。光纤电场传感器因其独特的抗电磁干扰、本质安全、抗腐蚀、灵敏度高、可进行远距离传 输等优点，一直是近几年电场测量领域研宄的热点（文献2. N. Hidaka，S. Tsujino，H. Sugama， et al. A design for significantly improving the measurable sensitivity of log-periodic dipole antenna arrays for optical electric field sensors. Microwave and Optical Technology Letters，2015，57(6): 1386-1390.)，目前迫切 需要解决的问题是如何实现传感器件的微型化和集成化。尺寸在光波长量级的微型光子 晶体传感器是迄今为止所提出的传感面积最小的器件(文献3. R. V. Nair，R. Vijaya. Photonic crystal sensors: An overview. Progress in Quantum Electronics, 2010，34(3): 89-134.)。液晶是由各向异性的分子构成的处于固态和液态之间的物质， 再外加电场作用下，其分子的指向分布将发生变化，进而引起液晶折射率的改变。利用液 晶的这种液体流动性和电场可调折射率特性，近几年有研宄表明，可将液晶填充入光子 晶体的空气孔中（文献 4. C. L. C. Smith, U. Bog, S. Toml jenovic-Hanic, et al. Reconfigurable microfluidic photonic crystal slab cavities. Optics Express, 2008，16(20): 15887-15896.)，实现可调光子晶体开关（文献 5. J. W. Zhou, J. Q. Liang, Z. Z. Liang, et al. Tunable two-dimensional photonic crystal cavity all-optical switching infiltrated with liquid-crystal. Acta Physica Sinica, 2013: 134208.)、可调光子晶体波导慢光（文献 6. K. R. Khan，K. Mnaymneh，H. Awad， et al. Slow light propagation in tunable nanoscale photonic crystal cavity filled with nematic liquid crystal . Optical Engineering, 2014，53(10): 102705(1-7))、可调光子晶体微腔（文献 7. N. W. L. Speijcken，M. A. Dundar，A. C. Bedoya, et al. In situ optofluidic control of reconfigurable photonic crystal cavities. Applied Physics Letters，2012，100(26): 261107.)等器件。 本专利技术提出将液晶填充在光子晶体微腔中，利用光子晶体微腔的谐振特性、液晶 的可调折射率特性、以及马克-增德干涉仪的高灵敏度解调特性，实现高灵敏度、微型化、 易于集成的电场测量方法。
技术实现思路
(-）要解决的技术问题 本专利技术的目的在于克服光纤电场传感器的不足之处，提出一种高灵敏度、微型化、易于 集成的电场测量方法。(二）技术方案 为了达到上述目的，本专利技术提出，包 括宽谱光源1、传感单元2、信号处理单元3、光电探测器4、和计算机系统5,所述的宽谱光 源的波长范围为1500nm至1580nm，输出光功率为100mW ;所述的传感单元2是一个光子晶 体微腔，其特征在于：液晶填充在光子晶体微腔缺陷孔中，当外界电场变化时会引起液晶折 射率的改变，进而导致光子晶体微腔的透射峰发生移动，通过监测透射峰的移动即可推算 出外接电场大小；所述的信号处理单元3为马克-增德干涉仪，由分光比为50:50的耦合器 31、干涉臂32、干涉臂33、以及分光比为50:50的耦合器34组成，光子晶体微腔的透射光经 过耦合器31后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的干涉臂32和干涉臂33后， 在耦合器32处发生干涉，最后，发生干涉后的光信号将被光电探测器4接收并被传送至与 其相连的计算机系统5进行数据的采集、处理及显示。 (三）有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果： 1)本专利技术提出的这种基于液晶填充光子晶体微腔的电场测量方法，传感探头的面积 仅为220 ym2,而检测分辨力可达0. 143V/m，实现了微型化、高灵敏度的电场测量。 2)传感单元采用绝缘体上娃（Silicon-on-insulator, SOI)材料上制备的，与传 统的CMOS平面工艺具有良好的兼容性，并且易于集成。 3)信号处理采用的是马克-增德干涉仪波长检测技术，具有结构简单、价格低、 灵敏度高等优点。【附图说明】 图1为本专利技术提供的基于液晶填充光子晶体微腔的电场测量系统示意图； 图2为光子晶体微腔的透射谱与液晶折射率之间的关系曲线； 图3为系统输出与外界电场之间的关系曲线。【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。 如图1所示为本专利技术提出的基于液晶填充光子晶体微腔的电场测量方法。其工作 过程为：宽谱光源发出的光经液晶填充的光子晶体微腔后，被一个50:50的親合器平均分 成两束，这两束光分别经过马克-增德干涉仪的两臂后在另一个50:50的耦合器处发生干 涉，最后，干涉条纹由光电探测器接收并经串口传送至与其相连的计算机系统进行数据的 采集、处理及显示。 根据光子晶体微腔的谐振特性，宽谱光经过光子晶体微腔后，其透射光信号将是 一个高斯形状的窄带光，该透射峰所对应的谐振波长与填充在缺陷孔内的液晶折射率有 关，图2所示为液晶填充光子晶体微腔的透射谱与液晶折射率/7之间的关系。当外界电场变 化时会引起液晶折射率《的改变，进而导致液晶填充光子晶体微腔的谐振波长发生移动。 根据马克-增德干涉仪理论，马克_增德干涉仪的输出光强表达式为：其中，/〇为干涉仪的输入光强（即光子晶体微腔的透射光强)，#为干涉仪两个干涉臂的 相位差，其表达式为：其中，是入射光波长；〇是干涉仪的两干涉本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于液晶填充光子晶体微腔的电场测量方法，包括宽谱光源1、传感单元2、信号处理单元3、光电探测器4、计算机5，所述的宽谱光源的波长范围为1500nm至1580nm，输出光功率为100mW；所述的传感单元2是一个光子晶体微腔，其特征在于：液晶填充在光子晶体微腔的缺陷孔中，外界电场的变化会引起液晶折射率的改变，进而导致光子晶体微腔的透射峰发生移动，通过监测该透射峰的移动即可推算出外界电场大小；所述的信号处理单元3为马克‑增德干涉仪，由分光比为50:50的耦合器31、干涉臂32、干涉臂33、以及分光比为50:50的耦合器34组成，光子晶体微腔的透射光经过耦合器31后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的干涉臂32和干涉臂33后，在耦合器34处发生干涉，最后，发生干涉后的光信号将被光电探测器4接收并被传送至与其相连的计算机5中进行数据的采集、处理及显示。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，张亚男，王琦，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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