专利名称：一种电压检测用光学传感头及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无源式光学电压光学传感装置制作方法，具体涉及光学电压检测技术与光电子微纳制造技术。
背景技术：
在智能电网与数字化变电站建设的背景下，用作电力线电压测量的电子式电压互感器是重要的设备之一。当前电子式互感器主要分为有源式电子式互感器和无源电子式互感器，其中无源式电子式互感器采用光学传感装置进行电压测量，具有无电磁干扰、动态范围大、可测直流、无需供能等有源式电子式互感无法比拟的优点，因此受到工业界的重视。无源式的光学电压传感器的原理为介质中传播光的电光效应，具有电光效应的光纤或玻璃(光学晶体)中传播的偏振光的偏振方向在电场作用下发生改变，通过检测偏振角度的改变大�。蛘呤峭ü觳獯殴庑вσ鸸獯淠＜湎辔徊罾床饬康缪怪担焕嗨频模拊词降墓庋У缪够ジ衅鞯脑砦橹手写ス獾牡绻庑вΓ诰哂械绻庑вΦ墓庀嘶虿Ａ�(光学晶体)中传播的偏振光的偏振方向在电压的作用下发生改变，通过检测偏振角度的改变大小来测量电压值，或者是通过检测电光效应引起光传输模间相位差来测量电压值。其传感过程的实现涉及偏振器、偏振分束器、波片等光学器件的使用。利用具有Pockels (泡克尔)效应的光学玻璃或晶体的检测方案是实现光学电压互感器的主要方案之一，到目前为止，多家公司与研究机构已经研制成功了基于该方案的光学电压互感器。ABB公司2004年推出了基于电光效应的光学电压互感器；NxtphaSe研发成功了光学电压互感器以及全光学的电子式互感器；南瑞航天推出的全光学电压互感器也属于此类型的检测方案。然而当前敏感光学玻璃或晶体的检测方案的光学电压互感器的光学传感头，主要采用分立的光学元件(偏振器、反射镜、敏感元件等)在空间光路中组合而成，长时间的工作在户外恶劣的气候、振动等环境下，容易造成分立元件的脱落、器件间耦合效率的改变，从而对这个传感头部分造成较大误差甚至功能性的丧失，存在着很大的稳定性与可靠性的隐患。由于存在上述稳定性与可靠性的隐患，当前智能电网的建设中光学电压/互感器一直没能获得大力推广，各个公司生产的光学电压/互感器在实际的电力场景运行中也频频发生误报、误动，造成了大量的经济损失。微纳制造技术与光子集成技术的发展给光学电压传感部件发展创造了新的条件。从二十世纪八十年代开始，M. G. Moharam等人开始了针对各种表面结构光栅的严格耦合波理论研究，随着光电子技术与工艺的发展，科学家制成了各种可集成化的基于纳米栅格结构的表面光学元件，Jian Jim Wang等人实现的纳米栅格波片(Precision Nano-opticalffaveplates, 20030SA/CLE0)与纳米栅格偏振器(High-preformance nanowire-gridpolarizers, OPTICS LETTERS, January 15，2005/Vol. 30, No. 2)，Y. Pang 等人实现的金属纳米栅格反射型波片(Metal nano-grid refletive wave plate, OPTICS EXPRESS, 16February 2009/Vol. 17, No. 4),以及A. G. Lopez等人实现的多层光栅结构的偏振分束器(ffave-plate polarizing beam splitter based on a form-birefringent multilayergrating, October 15, 1998/Vol. 23, No. 20/0PTICS LETTERS).这些新器件的发展不仅促进了光电子技术的发展，也为光学传感的集成化、一体化与微型化发展提供了思想。并且基于这种思想的光学元件在多方面具有传统光学元件无法比拟的优势，如上述所提及的纳米光栅偏振器等，其工作范围波长可以根据结构的改变进行灵活设计，温度特性与材料的温度特性关系不大，具有较好的温度稳定性。因此，我们可以借助这类技术实现性能更优异的电压传感头。
发明内容
本发明针对现有技术的部分不足，基于微纳制造技术与集成光电子技术的发展，提出了一种用作光学电子式互感器的电压检测用光学传感头及其制作方法，其中传感部件采用一体化设计的思想，将纳米光栅偏振器件与敏感元件电光玻璃(晶体)制作成一个整体，提高了光学电压互感器的稳定性。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为一种电压检测用光学传感头，其功能部件包括偏振器、四分之一波片、BGO晶体、金属反射膜、偏振器；入射光通过偏振器转变成线偏振光，经过轴向与偏振器成45°的四分之一波片后转化成圆偏振光进入电光材料BGO晶体，圆偏振光在电光材料BGO晶体特定的传播方向了10上其e光与ο光偏振光的折射率在晶体中受到电压的调制，其传播方向由金属反射膜控制，最后经另一个偏振器发生干涉然后出射。一种电压检测用光学传感头制作方法，其具体制作步骤依次如下
步骤I)、取大小为IOmmX IOmmX60mm的BGO晶体，通过其长为IOmm与侧面成45°的角度对晶体进行切割，电场沿着晶体的001方向，BGO的晶向TlOz轴，在晶体中光传输方向沿z周方向；
步骤2)、将切割好的BGO晶体进行清洁，采用磁控溅射工艺在如图所示的区域沉积一层厚度为80nm的二氧化铪薄膜，对二氧化铪表面进行清洁；然后采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在二氧化铪薄膜表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并对其表面进行清洁；再采用纳米压印工艺在二氧化硅膜上制作线宽为60nm、深580nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形，光栅方向在xy平面上x轴平行；步骤2)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对二氧化硅表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为580nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；
步骤3)、入射端的偏振器的制作步骤首先采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在波片表面生长一层厚度为200-300nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；然后采用磁控溅射工艺在上一步制作的二氧化硅层沉积一层厚度为72nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；再采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；接着采用磁控溅射工艺在二氧化硅表面沉积一层厚度为25nm的铝金属膜；接着采用纳米压印工艺在二氧化娃膜上制作线宽为60nm、深540nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形，光栅方向在xy平面上X轴成45°角，该步骤3)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对铝金属表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为540nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；接着在纳米光栅的表面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为340nm的二氧化硅；接着采用磁控溅射工艺在上述二氧化硅的表面沉积一层厚度为150nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；接着采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为310nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；
步骤4)、出射端的偏振器的制作步骤首先采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在波片表面生长一层厚度为200-300nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；然后采用磁控溅射工艺在上一步制作的二氧化硅层沉积一层厚度为72nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；再采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为385nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进 行清洁；接着采用磁控溅射工艺在BGO晶体斜侧面上(区域B1、B2)镀金金属反射膜；接着采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在金属膜表面生长一层厚度为515nm 二氧化硅层，之后并对其表面进行清洁；接着采用纳米压印工艺在二氧化硅膜上制作线宽为60nm、深540nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形,光栅方向在xy平面上x轴成45°角，该步骤4)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对铝金属表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为540nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；接着在纳米光栅的表面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为340nm的二氧化硅；接着采用磁控溅射工艺在上述二氧化硅的表面沉积一层厚度为150nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；接着采用PECVD工艺在二氧化铪表面生长一层厚度为310nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁。所述方法制作的光学传感头由电压光学敏感材料块、反射膜、偏振器、分束器和波片中的两种或多种组成。电压检测用光学传感头，采用光电子集成技术方法，将传感功能所需的光学元件(反射膜、偏振器、分束器和波片)直接制作在电压光学敏感材料块上，构成一个具有完整功能的光学传感整体。所述的反射膜为采用电子束蒸镀或磁控溅射技术在光学敏感材料上制作的金属反射膜。所述的偏振器为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅偏振器。所述的分束器为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅分束器。所述的波片为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅波片。所述的偏振器具体具有如下结构抗反射层、纳米光栅层、金属膜、抗反射层，输入端偏振器金属层在纳米光栅层外部方向，输出端偏振器金属层在纳米光栅层内部方向，且纳米光栅的方向成45°角度。与现有技术相比，本发明具有如下优点利用光电子集成技术制成的单体化电压传感芯片，集成化的设计保证了装置的精确性稳定性，有效避免了分立元件失位、脱胶问题；光路在器件内部完成，避免了光路空间遭受污染(水汽，粉尘等)对系统性能的影响；集成制作的纳米光栅型偏振类器件，工作波长、温度性能主要取决于器件的结构，性能稳定性闻。
图1为本发明具体实施例应用场景结构示意 图2为本发明具体实施例电压检测用光学传感头结构示意 图3为本发明具体实施例中BGO晶体结构示意 图4为本发明四分之一波片功能结构示意 图5为本发明输入偏振器功能结构示意 其中，1-偏振器、2-四分之一波片、3-BG0晶体、4-金属反射膜、5-偏振器、6-外壳、7-待测试电场。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。结合附图对本发明进一步进行说明。如图1，所述的本发明所实施的一种电压检测用光学传感头设置在图中所示的光学电压传感装置中。如图2所示，一种电压检测用光学传感头，其功能部件包括偏振器1、四分之一波片2、BG0晶体3、金属反射膜4、偏振器5、外壳6 ;入射光通过偏振器I转变成线偏振光，经过轴向与偏振器I成45°的四分之一波片2后转化成圆偏振光进入电光材料BGO晶体3，圆偏振光在BGO晶体特定的传播方向HO上其e光与ο光偏振光的折射率在晶体中受到电压的调制，其传播方向可由金属反射膜4控制，最后经另一个偏振器5发生干涉然后出射；除了入射光强、光路损耗等恒定因素，其出射光强度与受在传感头内部传播时受电压调制强度相关，通过探测器检查出射光的强度来达到检测电压的目的。如图2所示，本发明一种电压检测用光学传感头的电压检测光学传感头芯片，其具体制作步骤如下
第一步取大小为IOmmX IOmmX60mmBG0晶体，通过其长为IOmm与侧面成45°角对晶体进行切割，电场沿着晶体的001方向，BGO的晶向IlO沿z轴，在晶体中光传输方向沿z周方向。如图2所示。第二步在如图2所示区域(Al)地面制作纳米光栅四分之一波片，制作好后的纳米光栅四分之一波片由厚度为580nm,线宽为60nm,周期为200nm的二氧化娃光栅层与80nm厚二氧化铪和320nm厚的二氧化硅层组成的抗反射层组成，具体结构如图3所示，由其具体步骤如下1)将切割好的BGO晶体进行清洁，采用磁控溅射工艺在如图所示的区域沉积一层厚度为80nm的二氧化铪薄膜，对二氧化铪表面进行清洁；2)采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)在二氧化铪表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并对其表面进行清洁；3)采用纳米压印工艺在二氧化娃膜上制作线宽为60nm、深580nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形，光栅方向在xy平面上X轴平行。具体过程为，首先对二氧化硅表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作光栅所需图形(宽为60nm、周期为200η，形然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为580nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶。第三步在如图3所示区域Al四分之一波片表面制作入射端的偏振器，最终制作的入射用纳米光栅型偏振器结构如图4，其具体步骤如下1)采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)在波片表面生长一层厚度为200-300nm二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；2)采用磁控溅射工艺在上一步制作的二氧化硅层沉积一层厚度为72nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；3)采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)在二氧化铪表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；4)采用磁控溅射工艺在二氧化硅表面沉积一层厚度为25nm的铝金属膜；5)采用纳米压印工艺在二氧化娃膜上制作线宽为60nm、深540nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形,光栅方向在xy平面上X轴成45°角。具体过程为，首先对铝金属表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作光栅所需图形(宽为60nm、周期为200η，形然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为540nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶。6)在纳米光栅的表面采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)生长厚度为340nm的二氧化硅；7)磁控溅射工艺上述二氧化硅的表面沉积一层厚度为150nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；8)采用PECVD工艺在二氧化铪表面生长一层厚度为310nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁。第四步在如图2所示区域A2制作出射端的偏振器，其具体步骤与第三步相似，不 同在于(3)小步中900nm为385nm; (4)步之后加一步采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)在金属膜表面生长一层厚度为515nm 二氧化硅层，之后并对其表面进行清洁;第四步采用磁控溅射工艺在BGO晶体斜侧面上(区域B1、B2)镀金金属反射膜。 本发明制作的光学传感头由电压光学敏感材料块、反射膜、偏振器、分束器和波片中的两种或多种组成。本发明制作的光学传感头，采用光电子集成技术方法，将传感功能所需的光学元件(例如反射膜、偏振器、分束器和波片)直接制作在电压光学敏感材料块上，构成一个具有完整功能的光学传感整体。本发明制作的光学传感头的反射膜为采用电子束蒸镀或磁控溅射技术在光学敏感材料上制作的金属反射膜。该方法制作的光学传感头的偏振器为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅偏振器。本发明制作的光学传感头的分束器为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅分束器。本发明制作的光学传感头的波片为采用刻蚀、纳米压印等光电子微纳制造技术在光学敏感材料上制作的纳米光栅波片。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电压检测用光学传感头，其特征在于其功能部件包括偏振器(I)、四分之一波片(2)、BGO晶体(3)、金属反射膜(4)、偏振器(5);入射光通过偏振器(I)转变成线偏振光， 经过轴向与偏振器(I)成45°的四分之一波片(2)后转化成圆偏振光进入电光材料BGO晶体(3)，圆偏振光在电光材料BGO晶体(3)特定的传播方向(TlO)上传播，其e光与ο光偏振光的折射率在晶体中受到电压的调制，其传播方向由金属反射膜(4)控制，最后经另一个偏振器(5)发生干涉然后出射。
2.一种电压检测用光学传感头制作方法，其特征在于其具体制作步骤依次如下 步骤I)、取大小为IOmmX IOmmX 60mm的BGO晶体，通过其长为IOmm与侧面成45°的角度对晶体进行切割，电场沿着晶体的(001)方向，BGO的晶向(' 110) z轴，在晶体中光传输方向沿z周方向；步骤2)、将切割好的BGO晶体进行清洁，采用磁控溅射工艺在如图所示的区域沉积一层厚度为80nm的二氧化铪薄膜，对二氧化铪表面进行清洁；然后采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在二氧化铪薄膜表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并对其表面进行清洁；再采用纳米压印工艺在二氧化硅膜上制作线宽为60nm、深580nmnm、周期为 200nm的纳米光栅图形，光栅方向在xy平面上x轴平行；步骤2)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对二氧化硅表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为580nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；步骤3)、入射端的偏振器的制作步骤首先采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在波片表面生长一层厚度为200-300nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；然后采用磁控溅射工艺在上一步制作的二氧化硅层沉积一层厚度为72nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；再采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为900nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；接着采用磁控溅射工艺在二氧化硅表面沉积一层厚度为25nm的铝金属膜；接着采用纳米压印工艺在二氧化娃膜上制作线宽为60nm、深540nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形，光栅方向在xy平面上X轴成45°角，该步骤3)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对铝金属表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和BCl3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为 540nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；接着在纳米光栅的表面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为340nm的二氧化硅；接着采用磁控溅射工艺在上述二氧化硅的表面沉积一层厚度为150nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；接着采用PECVD工艺在二氧化铪表面生长一层厚度为310nm二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；步骤4)、出射端的偏振器的制作步骤首先采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在波片表面生长一层厚度为200-300nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；然后采用磁控溅射工艺在上一步制作的二氧化硅层沉积一层厚度为72nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；再采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为385nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁；接着采用磁控溅射工艺在BGO晶体斜侧面上(区域B1、B2)镀金金属反射膜；接着采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在金属膜表面生长一层厚度为515nm 二氧化硅层，之后并对其表面进行清洁；接着采用纳米压印工艺在二氧化硅膜上制作线宽为60nm、 深540nmnm、周期为200nm的纳米光栅图形,光栅方向在xy平面上x轴成45°角，该步骤4)中的纳米压印工艺具体过程为，首先对铝金属表面进行匀胶，滞后采用紫外压印制作宽为60nm、周期为200η的光栅所需图形，然后采用RIE干法刻蚀去除残胶，之后采用Cl2和 BC l3气体进行干法刻蚀，刻蚀深度为540nmnm，再之后采用干法刻蚀去除压印工艺引入的残胶；接着在纳米光栅的表面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长厚度为340nm 的二氧化硅；接着采用磁控溅射工艺在上述二氧化硅的表面沉积一层厚度为150nm的二氧化铪薄膜，用酒精溶剂对二氧化铪表面进行清洁；接着采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在二氧化铪表面生长一层厚度为310nm 二氧化硅，之后并用酒精溶剂对其表面进行清洁。
全文摘要
本发明提供一种电压检测用光学传感头及其制作方法。该方法的核心思想是采用微纳制造技术将光学传感头中所需的偏振器、分束器、波片、反射镜等光学器件直接集成制作在被测量敏感光学材料上，制造成一个一体化的光学传感头整体，直接或者间接对电压产生感应的单体光学传感头。该技术方法制作的光学传感头优点在于结构紧凑及功能结构一体化的设计，整个光学的传感过程在器件内部完成，避免了采用传统的空间光学集成器件工艺所存在的一些性能稳定性隐患，具有良好的温度稳定性以及工作波长的灵活设计性，从整体上保证了系统的稳定性与精度。
文档编号G01R3/00GK103018520SQ20121057449
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者彭耐, 刘 文, 文涛, 王志浩, 崔新友 申请人:武汉烽火富华电气有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
