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1、(10)申请公布号 CN 104280900 A (43)申请公布日 2015.01.14 C N 1 0 4 2 8 0 9 0 0 A (21)申请号 201410519621.0 (22)申请日 2014.09.30 G02F 1/03(2006.01) G02B 6/42(2006.01) G02B 6/14(2006.01) (71)申请人浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人周锋 金晓峰 章献民 池灏 郑史烈 (74)专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 代理人胡红娟 (54) 发明名称 一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传。
2、感 装置 (57) 摘要 本发明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。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书。
3、1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104280900 A CN 104280900 A 1/1页 2 1.一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。 2.如权利要求1所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，所述的相位调制部 件为包覆于光纤包层外的石墨烯薄膜。 3.如权利要求1所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，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。
4、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。 4.如权利要求2或3所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，所述石墨烯薄膜 的厚度为0.335nm1.005nm。 5.如权利要求3所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，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。 6.如权利要求5所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，沿光纤长度方向，石 墨烯。
5、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。 7.如权利要求6所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，所述石墨烯薄膜沿 光纤长度方向上的长度为50200m。 8.如权利要求7所述的全光纤结构的电场敏感元件，其特征在于，所述光纤的长度小 于10cm。 9.一种电场传感装置，其特征在于，包括如权利要求18中任意一项权 利要求所述 的电场敏感元件。 10.如权利要求9所述的电场传感装置，其特征在于，所述的电场传感装置还包括与电 场敏感元件的输入端连接的用于将输入的信号光由线偏振光转换为圆偏振光的第一偏振 转换器； 与电场敏感元件的输出端连接有用于将输入的信号光由圆偏振光转换为线偏振光。
6、的 第二偏振转换器； 以及与所述的第二偏振转换器的输出端连接的光电探测器。 权 利 要 求 书CN 104280900 A 1/5页 3 一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感装置 技术领域 0001 本发明涉及光电子技术领域，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。 背景技术 0002 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。
7、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。 0003 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 (如铌酸锂LiNbO3)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。 0004 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。
8、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。 0005 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 外，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，。
9、增加了操作的复杂度。 发明内容 0006 针对现有技术的不足，本发明提供了一种全光纤结构的电场敏感元件及电场传感 装置。 0007 本发明的全光纤结构的电场敏感元件，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； 0008 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。 0009 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。本发明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。。
10、 说 明 书CN 104280900 A 2/5页 4 0010 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。 0011 本发明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。 0012 本发明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，本发明中石墨烯薄膜完整覆盖包层的整个周向。 0013 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； 0。
11、014 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； 0015 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。 0016 本发明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元件的全光纤结 构，易于集成，且大大减小了接入损耗。 0017 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。
12、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5mm 左右。 0018 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； 0019 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； 0020 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。 0021 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。
13、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。 0022 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。 0023 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(。
14、被测电 场)的感知。 0024 本发明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，灵敏度高、易于光集成等优点。 说 明 书CN 104280900 A 3/5页 5 0025 所述石墨烯薄膜的厚度为0.335nm1.005nm。 0026 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。 0027 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。
15、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。 0028 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。 0029 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之间的距离可以为零(刚好在长度方向上 首尾相接)。 0030 所述。
16、石墨烯薄膜的长度为50200m。 0031 本发明中利用石墨烯薄膜的电光效应，改变包层中传输的信号光的相位，进而实 现对电场的感知，石墨烯薄膜的长度直接影响到相位改变量的大小，石墨烯薄膜的长度越 长，相位改变越大。但是，若过长，会增加传输距离，增大光损耗，不利于后续应用。且从器 件集成角度考虑，石墨烯薄膜的长度也不宜过长，具体可根据应用场合进行调整。 0032 光纤长度一方面要保证至少能够依次分布模式转换器、石墨烯薄膜和模式转换 器，另外还需要考虑敏感元件的体积和制备工艺，所述光纤的长度小于10cm。 0033 本发明还提供了一种电场传感装置，包括上述的电场敏感元件。 0034 所述的电场敏感。
17、元件的输入端连接有用于将输入的信号光由线偏振光转换为圆 偏振光的第一偏振转换器，输出端连接有用于将输入的信号光由圆偏振光转换为线偏振光 的第二偏振转换器， 0035 所述的第二偏振转换器还连接有光电探测器。 0036 使用时，本发明的电场传感装置中第一偏振转换器的输入端口需要外接LD光源， 以提供信号光。外接的LD光源的工作波长必须与偏振转换器、敏感元件和光电探测器的工 作波长相匹配。为方便应用，该电场传感装置也可以内置LD光源。 0037 光电探测器对接收到的信号光(包含相位发生变化的信号光和相位未发生变化 的信号光)进行拍频，相位的变化将会转换成时域上电信号幅度的大小，外加电场(被测电 场。
18、)的变化，最终将反映为光电探测器输出的电信号的幅度变化，从而完成电场传感，探测 器的输出的电信号经过外部数据处理，即可得到测试电场的大小。 0038 为使LD光源的输出光能够与电场敏感元件中光纤的传输特性相匹配，降低传输 损耗，本发明的电场传感装置还设有第一偏振转换器，利用该第一偏振转换器将LD光源的 输出光转换为圆偏振光之后再进入电场敏感元件中，将LD光源输入的线偏振光转换为圆 偏振光。 0039 另外，由于绝大多数光电探测器均是利用同频同偏振方向的两束线偏振光的干涉 实现光电探测，因此，本发明中还设置第二偏振转换器，进一步将以圆偏振光形式在光纤中 说 明 书CN 104280900 A 4。
19、/5页 6 传输的信号光转换为线偏振光，便于光电探测器完成检测。 0040 未作特殊说明，本发明的电场敏感元件中的光纤为单模光纤，且为裸光纤，即只有 纤芯和包层。 0041 与现有技术相比，本发明的优点在于： 0042 (1)本发明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。 0043 (2)本发明的电场敏感元件利用包覆于光纤包层外的石墨烯薄膜的电光效应，使 由模式转换器激发的以高阶模式在包层中传输的信号光发生相位变化，从而实现了对外界 电场强度的传感，该电场敏感元件不会对被测电场产生影响，有利于提高电场敏感元件的 灵敏度。 附图说明 0044。
20、 图1为本实施例的电场敏感元件的结构示意图； 0045 图2为该结构在不同外加电场下光相位和石墨烯薄膜长度关系的仿真图； 0046 图3为本实施例的电场传感装置的结构框图。 具体实施方式 0047 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。 0048 本实施例的全光纤结构的电场敏感元件包括光纤(为SMF-28型单模光纤，只有纤 芯和包层)和相位调制部件，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， 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，为包覆于光纤包层外的 石墨烯薄膜。 0049 本实施例的电场敏感元件的具体结构如图1所示，光纤纤芯外周沿信号光传输方 向设有。
21、间隔布置的两个模式转换器，两个模式转换器之间的光纤包层的至少一部分外周包 裹有石墨烯薄膜3。本实施例中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 1和靠近光纤输出端的第二模式转换器2。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；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。 0050 本实施例中第一模式转换器1和第二模式转换器2的长度为5mm。为便于集成，降 低插入损耗，本实施例中直接在光纤1的纤芯表面写入光栅作为模式转换器。模式转换器 的工作波长必须与电感敏感元件的工作波长匹配。本实施例中电感敏感元件的工作波长为 1.55m，相应的，通过设置模式转换器的周期，使第一模。
22、式转换器1和第二模式转换器2的 工作波长也为1.55m。 0051 为保证包层中传输的信号光的相位能够发生明显变化，本实施例中石墨烯薄膜的 长度为185.5m，厚度为0.335nm(即为一层)。本实施例中石墨烯薄膜可以采用化学气相 沉积法或者物理机械剥离法制备得到。 0052 为保证长度方向上第一模式转换器1和第二模式转换器2和石墨烯薄膜3能够排 列且无交叠部分，本实施例中电场敏感元件中光纤的长度应该大于三者的长度和。为缩小 电场敏感元件的体积，提高集成度，理想状态下石墨烯薄膜与两个模式转换器在长度方向 上的距离均为零(即相互首尾相接)。实际上由于工艺限制，本实施例中石墨烯薄膜与两个 说 明 。
23、书CN 104280900 A 5/5页 7 模式转换器在长度方向上具有一定的距离，该间距小于0.15mm。因此，本实施例中设置光纤 的长度为1.3cm。 0053 工作时，信号光从输入端进行敏感元件，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(石墨烯薄膜)相作用后返回纤芯。具体如下： 0054 输入的信号光由第一模式转换器1转化为高阶模式，高阶模式的信号光在光纤传 输过程中会进入包层，由于石墨烯薄膜的电光效应，经过被石墨烯薄膜3包覆的包层时信 号光的相位会发生变化，当该部分信号光传输时，经过第二模式转换器2后，重新被转换为 低阶模式，限制在纤芯中传输，根据输出的。
24、信号光即可实现对电场的传感作用。 0055 本实施例电场敏感元件工作时，在包层中以高阶模式传输的信号光的相位(默 认进入时信号光的相位为零)如下： 0056 0057 其中k 0 为真空中波数，L为石墨烯薄膜的长度，n eff 为包层的有效折射率。当电场 敏感元件置于被测电场中时，由于电光效应石墨烯薄膜的折射率发生变化，进而导致石墨 烯薄膜包覆处包层的有效折射率n eff 发生变化，进而使经过包层中以高阶模式传输的信号 光的相位变换。 0058 图2为该结构在不同外加电场下光相位和石墨烯薄膜长度关系的仿真图，由图中 可以看出，光相位和石墨烯薄膜的长度成正比关系。四种颜色分别表示在不同外加电压下。
25、 (0V，0.2V，0.25V，1V)信号光的相位随着石墨长度的变化示意图，四条曲线变化趋近重合， 但对石墨烯薄膜长度为184.5185.5m区间内的图形进行局部放大，可以看出来，在 0.2V和0.25V外加电压情况下，当经过了185.5m长度的石墨烯薄膜后，两者的相位差约 可以达到/2，足够分辨出两者电压细微的差别，这也从另外一个角度说明该种电场传感 器具有较高的精确度和灵敏度。 0059 本实施例的电场敏感元件为光纤同轴石墨烯薄膜结构，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薄膜结构的电场传感器具有体积 小，插入损耗小，不会对被测电场产生影响，灵敏度高以及有。
26、利于光集成等优点。 0060 如图3所示，本实施例的电场传感装置包括电场敏感元件，该电场敏感元件的输 入端与第一偏振转换器的输出端连接，输出端与第二偏振转换器的输入端连接。第二偏振 转换器的输入端还连接有光电探测器输入端。 0061 本实施例的电场传感装置以第一偏振转换器的输入端作为总输入端。使用时，第 一偏振器的输入端需要外接LD光源以为整个传感装置提供信号光。外接的LD光源的工作 波长必须与偏振转换器、敏感元件和光电探测器的工作波长相匹配。 0062 为使LD光源的输出光能够与电场敏感元件中光纤传输特性匹配，通过偏振转换 器，将LD光源输入的线偏振光转换为圆偏振光。另外，由于绝大多数光电探测器均是利用 同频同偏振方向的两束线偏振光的干涉实现光电探测，因此，需要进一步将圆偏振光再次 转换为线偏振光，以适应光电探测器的探测性能。 0063 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理 解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范 围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 104280900 A 1/1页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104280900 A 。