袁 文-铌酸锂双面金属包覆波导电压传感doc

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1、征文主题：微纳光机电与光传感技术铌酸锂双面金属包覆波导电压传感特性袁文1，2曹庄琪1（1上海交通大学物理系，上海200240；2江西师范大学物理系，江西南昌330022）摘要设计了一种利用铌酸锂作为波导基片材料的双面金属包覆波导，利用波导中超高阶导模高敏感特性制成了一种新型的光学电压传感器。入射激光束采用小角度入射，以便激发波导中超高价导模。当器件处于导模共振状态时，选择一个恰当的工作点，再通过两金属电极对该器件施加直流电压，通过检测反射光强，即可获得相应的电压值变化。实验测量中所用的电压范围是-800V～+800V,得到的线性度值为0.995

2、，激光光强反射率变化灵敏度为0.02％V-1，实验表明这种电压传感器具有较好的线性和灵敏度，该新型电压传感器具有结构与制作简单、调节方便和成本低廉等优点。关键词导波光学；铌酸锂；双面金属波导；电压传感中图分类号O437文献标识码A11引言图1器件结构Fig.1Theconfigurationofsensor光学电压传感器大多是利用电光效应、磁光效应来实现电压传感测量，具有精度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小、重量轻、携带方便等特点，光学电压传感器一般可分为两类，块状光学电压传感器和波导光学电压传感器。块状光学电压传感器通常包括电光晶体、1/4波

3、片、自聚焦透镜等光学组件。光波导电压传感器主要是利用一些电光晶体[1]或者聚合物[2]的集成光学装置设计而成，本文根据铌酸锂晶体的电光效应，结合双面金属波导超高阶导模的高灵敏度特性[3]提出了一种新型无棱镜耦合、结构简单、制作容易的电压传感器件，并且实验测试了该结构器件的电压传感特性，得到了很好的线性。2原理实验中研究的铌酸锂双面金属包覆波导器件结构形式如图1所示。由于采用了直接耦合双面金属包覆波导结构，所以去除了一般波导耦合中的棱镜，使得结构更为简单、制作容易。该结构的器件从上至下依次为：上电极金膜、铌酸锂晶体、下电极金膜三部分构成。作者简介

4、：袁文（1972－），男，博士研究生，主要从事导波光电子器件的研究。Email:yuanwen@sjtu.edu.cn4该电压传感器是一个双面金属包覆波导结构，上电极金膜既是耦合介质也是铌酸锂波导的覆盖层，又是施加电压的电极。当一束准直的TM线偏振激光束处于近法线入射至上电极金膜时，在其表面反射，进行角度扫描，对反射光进行探测，当波导处于导模共振状态时，入射光的能量耦合到铌酸锂导波层中，从而引起反射光能量的急剧下降，在反射率曲线中形成一个吸收峰。图2是反射光强随入射角的变化曲线，即衰减全反射谱（ATR）。每一个吸收峰对应于一个共振模式。电压传感

5、器的工作过程如下：当设未加电压时，传感器的工作角位于图2所示的处，该角度处于线性段的中点。当传感器的上下电极施加电压以后，电压改变铌酸锂的折射率，使导模的耦合效率发生变化，也就造成ATR谱线在角度方向上发生移动，在原来的工作角处的反射光强将发生变化，因此，可通过反射光强的测量而确定电压的变化。由于器件结构属于平板光波导，根据波导TM模式本征方程有[5]：（1）（2）（3）（4）（5）（6）其中h1、e1为铌酸锂导波层的厚度和介电系数为，l为入射激光波长，q为入射光角度，m为模序数，由于上、下电极均为金膜，所以，再根据超高阶导模特性[3]，（1）

6、式可以简化为：图2衰减全反射谱Fig.3Attenuated-Total-Reflectionspectrum（7）neff为导模有效折射率。上式由于m很大，而neff→0,说明超高阶导模的有效折射率对导波层厚度的变化十分灵敏，反射光强的变化与所加电压的关系[6]（8）（8）式中共振吸收峰下降沿的斜率为K，为铌酸锂的电光系数，n1为铌酸锂的折射率，（8）式表明了反射光强变化与所作用电压之间的依赖关系，反射光经光电变换处理后可得到对应的被测电压，这就是电压传感器的工作原理。传感器工作区一般选择在有较大线性范围的共振吸收峰的下降沿。3、实验电压传感

7、器的制备过程为：选取长×宽×厚为1.2cm×1cm×0.1cm的铌酸锂波导基片经超声波清洗烘干，用磁控溅射法在铌酸锂波导基片上先镀好下电极金膜，由于下电极金膜的厚度在大于50nm之后，对ATR谱线的最低点没有什么影响，所以该金膜的厚度不需要精确控制，实验中的镀膜厚度在200nm左右。然后是制作上电极金膜，该膜层的厚度直接影响到ATR曲线的深浅[7]，也就是入射光耦合到导波层的效率。实验测试，选取34nm厚的金膜耦合效率达到最佳。两面金属膜制作完毕后再粘上电极。4电压传感器实验装置如图3所示。将制作好的器件放在q/2q转台上，以精确控制入射角的大

8、小。进行角度扫描，由于实验中是利用高阶导模来进行电压传感特性测试，所以入射光束小于5°。实验中采用波长为650nm的半导体激光器。经角度扫描得到ATR