1、光子晶體光纖溫度傳感器光子晶體光纖溫度傳感器(草稿草稿) 深圳大學(xué)深圳市傳感器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李學(xué)金 于永芹 耿優(yōu)福 鄧元龍 洪學(xué)明 宋奎巖 2 July, 2010 0755-269583981.光子晶體光纖傳感器（Photonic Crystal Fiber Sensor）q折射率型光子晶體光纖溫度傳感器q光子晶體熒光溫度傳感器q光子晶體光纖Mach-Zehnder干涉型溫度、應(yīng)變傳感器2. MEMS-光纖傳感器（MEMS-Optical Fiber Sensor）q MEMS-光纖壓力傳感器qMEMS-光纖加速度傳感器3.光纖微彎傳感器（Microbending Optical Fiber

2、 Sensors）q折射率型光子晶體光纖溫度傳感器q光子晶體熒光溫度傳感器q光子晶體光纖折射率型溫度、應(yīng)變傳感器4. 光纖位移傳感器（Optical Fiber Displacement Sensors）q光纖壓力傳感器q位置傳感器q多參數(shù)傳感器等 深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的光纖傳感器方面的工作主要有：Some Research Focuses of our Key LaboratoryFigure 1. Schematic of the sensor configuration. Figure2. Mechanics model of square diaphragmFigure 3. Defl

3、ection distribution of the square diaphragm. (a=3.5mm, h=162m, q=40KPa, E=160GPa, =0.22,max=0.409m)2.MEMS Optical Fiber Pressure Sensor Xue-jin Li, Cheng-jun Qiu, Yuan-long Deng, Wei Qu, Jun-nan He, An MEMS optical fiber pressure sensor based on a square silicon diaphragm: numerical simulations and

4、experiments, International Journal of Sciences and Numerical Simulations，2010, 11: 1785-1789.Experimental resultsFigure 7. Experimental system for the MEMS pressure sensor.(a) Computer simulation (b) Picture of silicon cups Figure 6. Simulation and photo of silicon cups05101520253035400.90.920.940.9

5、60.9811.02Pressure KPaNormalized reflectivityFigure 9. Experimental results and fitting line01020304050607080901000.90.910.920.930.940.950.960.970.980.991Pressure KPaNormalized reflectivityFigure 8. Relationship between pressure and normalized reflectivityExperimental results3. Principle of Microben

6、ding Optical Fiber SensorStrain Measuring Liquid Lever and Pressure Sensor Temperature SensorDifferential Force and Displacement Sensor Applications(3)(1)(2)(4)液位與溫度測(cè)量系統(tǒng)液位與溫度測(cè)量系統(tǒng) 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 引言1基于液體填充的光子晶體光纖溫度傳感器2基于熒光的光子晶體光纖溫度傳感器 3基于Mach-Zehnder干涉式光子晶體光纖傳感器4 總結(jié)5 1. 引言引言v 光子晶體光纖PCF(photonic crystal fibe

7、rs)是在1990年由英國(guó)Bath大學(xué)物理系的Russell首次提出，Russell在1995年成功制造出光子晶體結(jié)構(gòu)的光纖， 并在1999年成功地進(jìn)行首次中空PCF光導(dǎo)演示。v 光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCF）的特性）的特性 ：(1)無(wú)截止單模無(wú)截止單模( Endlessly Single Mode) (2)不同尋常的色度色散不同尋常的色度色散 (3)極好的非線性效應(yīng)極好的非線性效應(yīng) (4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)優(yōu)良的雙折射效應(yīng) (5)大模面積特性大模面積特性 1.引言引言 光子晶體光纖光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)實(shí)心折射率導(dǎo)光型PCF空心光子帶隙導(dǎo)光型

8、PCF多孔光纖(Holey Fiber) 微結(jié)構(gòu)光纖(Micro-Structured Fiber)9/51v根據(jù)光的傳導(dǎo)機(jī)理，PCF可分為兩類。全內(nèi)反射型光子晶體光纖（TIR-PCF），光子帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)。 Temperature Sensing with Holey Fibers v2. 基于液體填充的光子晶體光纖溫度傳感器實(shí)心折射率導(dǎo)光型PCF發(fā)明專利：光子晶體光纖折射率溫度傳感器及系統(tǒng)光子晶體光纖折射率溫度傳感器及系統(tǒng)（公開(kāi)號(hào)：CN101216354）。發(fā)明人：李學(xué)金李學(xué)金1.Y.Q. Yu, X.J. Li, X. M. Hong, Y. L. Deng, K.

9、 Y. Song, Y. F. Geng, H. F. Wei, W. J. Tong, Some features of photonic crystal fiber temperature sensor based on liquid ethanol filling, Opt. Express(已接收已接收).2.李學(xué)金, 于永芹, 洪學(xué)明, 宋奎巖, 朱莉. 基于液體填充的光子晶體光纖溫度傳感特性分析J. 中國(guó)激光中國(guó)激光, 2009, VOL. 36 (5).（1）.光子晶體光纖的模擬麥克斯韋方程：磁場(chǎng)：H)c()H(rr21E)c(Er2)zjexp()y, x(HH)zjexp()

10、y, x(EE電場(chǎng)： 在理論上,求解電磁波(光波) 在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF 的傳導(dǎo)條件,其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理論。（2）.PCF模型圖 (a).用有限元分法建立的六角形結(jié)構(gòu)的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的截面圖； (b). 計(jì)算區(qū)域的有限元離散網(wǎng)格. 填充材料的折射率溫度系數(shù)定義：00TTnn（3）. 溫度對(duì)模場(chǎng)分布的影響 （a） （c） （d） 800100012001400160018001.3951.4001.4051.4101.4151.4201.4251.4301.4351.4401.4451.450neffWavelength (nm) d/ d/ d/ d/

11、 d/填充前PCF有效折射率與傳輸波長(zhǎng)的關(guān)系（4）.溫度對(duì)等效折射率的影響800100012001400160018001.4121.4141.4161.4181.4201.4221.4241.4261.4281.4301.4321.4341.4361.4381.4401.4421.4441.4461.4481.450t=20neffWavelength(nm) d/0.3 d/0.4 d/0.5 d/0.6 d/0.7(a) 填充后有效折射率與波長(zhǎng)關(guān)系(b) 填充前后有效折射率對(duì)比填充前后有效折射率與波長(zhǎng)的關(guān)系（4）.溫度對(duì)等效折射率的影響限制損耗：不同結(jié)構(gòu)時(shí)限制損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系800100

12、0120014001600180010-310-210-1100101102103104105t=20Confinement Losses dB/mWavelength nm d/0.3 d/0.4 d/0.5 d/0.6 d/0.7 LnkedBPeffL010Imlog20-20020406080101102103104=1500nmConfinement Losses dB/mTemperature d/0.3 d/0.4 d/0.5 d/0.6 d/0.7不同結(jié)構(gòu)PCF限制損耗與溫度的關(guān)系（5）.溫度對(duì)限制損耗的影響圖5 在d/=0.6，20C下，PCF填充前后的模式有效折射率的比較在

13、同一波長(zhǎng)下，填充后的模式有效折射率要比填充前的大。 800100012001400160018001.4051.4101.4151.4201.4251.4301.4351.4401.4451.450neffWavelength (nm)d/ after filling before filling4.溫度對(duì)有效折射率的影響溫度對(duì)有效折射率的影響（5）.溫度對(duì)限制損耗的影響（5）.溫度對(duì)限制損耗的影響圖9 當(dāng)波長(zhǎng)為1500nm和800 nm，d/0.7時(shí)，PCF填充乙醇后限制損耗隨溫度的變化曲線-20020406080-50050100150200250300350Confinement Los

14、ses (dB/m)Temperature ( C) d/ 1500 nm 800 nm 選用光纖(a)光纖1(b)光纖2(c)光纖3（6）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （6-1）.高非線性光子晶體光纖(光纖1)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出功率隨溫度的變化(a)(b) 輸出功率隨溫度的變化(c)(d) 20304050607080-55-50-45-40-35-30 PCF長(zhǎng)19cm PCF長(zhǎng)13cmPOUT/dBmT/不同長(zhǎng)度輸出功率對(duì)比圖液體填充PCF選取的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其輸出功率的溫度敏感性越好.引起這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)PCF的長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，填充的折射率溫度敏感液體與PCF的作用長(zhǎng)度越長(zhǎng)，因此溫度變化對(duì)PCF輸出功率的影

15、響更大些。 (6-2).雙包層光子晶體光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果20304050607080-52-50-48-46-44-42-40波長(zhǎng)1550nmPOUT/dBmT/輸出功率隨溫度的變化(光纖2)溫度從25升高到80 時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率從-51.9dBm增大到-41dBm，輸出功率隨溫度變化的斜率為0.1982dBm /。 20304050607080-8-6-4-2024功率/dBmT/ 波長(zhǎng)1550nm 波長(zhǎng)1310nm 波長(zhǎng)980nm 波長(zhǎng)850nm（6-3).大模場(chǎng)光子晶體光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同一PCF(光纖3)在四種不同波長(zhǎng)下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖從圖中可以看出，波長(zhǎng)為1550 nm時(shí)對(duì)溫度的變化最為敏感。

16、隨著波長(zhǎng)的減小，輸出功率對(duì)溫度變化的敏感性也逐漸降低，最后接近于不變化 (6-4).不同結(jié)構(gòu)光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比2030405060708090-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 光纖1 光纖2 光纖3POUT/dBmT/當(dāng)向PCF的空氣孔填充同一種高溫度系數(shù)折射率敏感的液體后，光纖的占空比越大，其輸出功率對(duì)溫度變化的敏感性越強(qiáng)，即表現(xiàn)為占空比越大，輸出功率溫度曲線的斜率越大。三種不同結(jié)構(gòu)的PCF的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖 3.基于熒光的光子晶體光纖溫度傳感器空心光子帶隙導(dǎo)光型PCF略略1.發(fā)明專利：光子晶體光纖熒光子晶體光纖熒光溫度傳感器及系統(tǒng)光溫度傳感器及系統(tǒng)（申請(qǐng)?zhí)枮椋?00810065176.X）。發(fā)明人：李學(xué)金李學(xué)金 PCF應(yīng)用于熒光傳感研究現(xiàn)狀應(yīng)用于熒光傳感研究現(xiàn)狀利用雙包層PCF實(shí)現(xiàn)的兩種不同的熒光檢測(cè)樣品方案利用后向熒光檢測(cè)樣品方案示意圖利用前向熒光檢測(cè)樣品方案示意圖10/51使用空