基于电光聚合物缺陷光子晶体的脉冲电场测量技术

doi:10.12263/DZXB.20200501

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (9): 1691-1700.DOI: 10.12263/DZXB.20200501

基于电光聚合物缺陷光子晶体的脉冲电场测量技术

李仙丽¹, 王冬冬², 李向龙¹, 赵校庆¹, 张航¹, 张崎², 江云峰²

^1.西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室，陕西西安 710071
^2.中国舰船研究设计中心电磁兼容性国防科技重点实验室, 湖北武汉 430064

收稿日期:2020-05-27 修回日期:2020-12-04 出版日期:2021-10-21
- 作者简介:
- 李仙丽　女，1985年5月出生，山西临汾人.讲师、硕士生导师.2008和2015年分别毕业在天津大学和西安交通大学获工学学士和工学博士学位.主要从事光学检测、电磁测量等方面的研究工作.E-mail:lxlli@xidian.edu.cn
  王冬冬　男，1984年3月出生，河南临颍人.2011年毕业于复旦大学获博士学位.现就职于中国舰船研究设计中心工作，从事电磁兼容及防护技术方面的研究工作.
- 基金资助:
- 国家自然科学基金 (51607131); 中央高校基本科研业务费 (JB210406); 陕西省自然科学基金 (2021JM-120)

Photonic Crystal with Electro-optic Polymer Defect for a Pulse Electric Field Sensor

LI Xian-li¹, WANG Dong-dong², LI Xiang-long¹, ZHAO Xiao-qing¹, ZHANG Hang¹, ZHANG Qi², JIANG Yun-feng²

^1.Key Laboratory of Electronic Equipment Structure Design, Ministry of Education, Xidian University, Xi’an, Shaanxi 710071, China
^2.National Key Laboratory of Science and Technology, China Ship Development and Design Center, Wuhan, Hubei 430064, China

Received:2020-05-27 Revised:2020-12-04 Online:2021-10-21 Published:2021-09-25
- Supported by:
- National Natural Science Foundation of China (51607131); Fundamental Research Funds for the Central Universities (JB210406); Natural Science Foundation of Shaanxi Province, China (2021JM-120)

摘要/Abstract

摘要：

针对幅值强、频带宽、持续时间短等脉冲电场测量需求，本文提出一种基于电光聚合物缺陷光子晶体的全介质脉冲电场传感器.在周期性分布的光子晶体中引入电光聚合物作为缺陷层，外界电场的作用下，电光聚合物的折射率发生改变，这将会引起光子晶体的谐振频率偏移，监测谐振频率的变化即可实现被测电场测量.本文通过理论分析与数值模拟光入射角度不同且入射波的偏振状态不同时，光子晶体的结构参数对光子晶体传输光谱特征的影响规律，验证了该传感器的电场敏感特性.仿真结果表明，通过合理设计传感器的结构参数，结合波长-光强解调系统，基于电光聚合物缺陷光子晶体的电场传感器的电场分辨力可以达到约30V/m，最高可测量场强则可达到兆V/m量级.

关键词: 电磁脉冲测量, 光子晶体, 光学传感

Abstract:

As for the measurement requirements of the pulse electric field with high intensity, wide frequency band and short duration, an all-dielectric electric field sensor based on photonic crystal with electro-optic polymer defect was proposed in this paper. The electro-optic polymer in the form of a defect layer was inserted in the periodic one-dimensional photonic crystal structure. The variations of refractive index of electro-optic polymer under the externally applied electric fields may induce the changes of the resonance wavelength of the defect mode. Accordingly, the applied electric field may be measured by monitoring the shift of the resonant wavelength. It is theoretically shown that the minimal detectable electric field of 30V/m can be achieved and the maximum detectable field could reach up to the order of MV/m.

Key words: electromagnetic pulse measurement, photonic crystal, optical sensor

中图分类号:

TM937

李仙丽, 王冬冬, 李向龙, 赵校庆, 张航, 张崎, 江云峰. 基于电光聚合物缺陷光子晶体的脉冲电场测量技术[J]. 电子学报, 2021, 49(9): 1691-1700.

LI Xian-li, WANG Dong-dong, LI Xiang-long, ZHAO Xiao-qing, ZHANG Hang, ZHANG Qi, JIANG Yun-feng. Photonic Crystal with Electro-optic Polymer Defect for a Pulse Electric Field Sensor[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(9): 1691-1700.

图/表 16

参考文献 12

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序号	介质折射率	周期数N	半带宽（pm）	谐振峰透过率	Δλ/E_ex （pm/（MV/m））
1	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	3	400	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	4	50	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	5	5	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	6	0.5	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	7	0.1	1	389
2	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	3	400	1	389
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	3	900	1	370
	n_A=2.6，n_B=1.45，n_C=2.0	3	6000	1	305
3	n_A=2.6，n_B=1.45，n_C=2.0	N_L=4，N_R=3	4000	0.7	—
	n_A=2.6，n_B=1.45，n_C=2.0	N_L=5，N_R=3	3000	0.32	—
	n_A=2.6，n_B=1.45，n_C=2.0	N_L=6，N_R=3	3000	0.12	—
	n_A=2.6，n_B=1.45，n_C=2.0	N_L=7，N_R=3	2500	0.04	—
4	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=1.4	4	160	1	438
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=1.6	4	155	1	413
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=1.8	4	145	1	390
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	140	1	370
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.2	4	125	1	353
5	n_A=4.1，n_B=1.38， n_C=1.4	7	0.1	1	463

序号	介质折射率	周期数N	半带宽（pm）	谐振峰透过率	Δλ/E_ex （pm/（MV/m））
1	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	3	400	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	4	50	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	5	5	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	6	0.5	1	389
	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	7	0.1	1	389
2	n_A=4.1，n_B=1.38，n_C=2.0	3	400	1	389
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	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=1.6	4	155	1	413
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=1.8	4	145	1	390
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	140	1	370
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.2	4	125	1	353
5	n_A=4.1，n_B=1.38， n_C=1.4	7	0.1	1	463

特征模	介质折射率	周期数	入射角度	B/pm	中心波长/nm	消光比	Δλ/E_ex/ （pm/（MV/m））
TE模	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	0	140	1550	1	387
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	20	110	1519.74	1	382
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	40	50	1439.5	1	425
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	60	15	1341.6	1	481
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	70	7.5	1300.53	1	510
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	75	5	1284.75	1	518
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	80	3	1273	1	526
TM模	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	0	140	1550	1	387
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	20	160	1519.73	1	370
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	40	350	1439.5	1	360
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	60	1100	1340.25	1	349
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	70	2400	1298	1	330
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	80	5500	1268	1	322

特征模	介质折射率	周期数	入射角度	B/pm	中心波长/nm	消光比	Δλ/E_ex/ （pm/（MV/m））
TE模	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	0	140	1550	1	387
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	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	40	50	1439.5	1	425
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	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	70	7.5	1300.53	1	510
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	75	5	1284.75	1	518
	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	80	3	1273	1	526
TM模	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	0	140	1550	1	387
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	n_A=3.48，n_B=1.38，n_C=2.0	4	80	5500	1268	1	322

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