光子晶体光纤温度传感器李学金

1、光子晶体光纤温度传感器光子晶体光纤温度传感器(草稿草稿) 深圳大学深圳市传感器技术重点实验室李学金 于永芹 耿优福 邓元龙 洪学明 宋奎岩 2 July, 2010 0755-269583981.光子晶体光纤传感器（Photonic Crystal Fiber Sensor）q折射率型光子晶体光纤温度传感器q光子晶体荧光温度传感器q光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉型温度、应变传感器2. MEMS-光纤传感器（MEMS-Optical Fiber Sensor）q MEMS-光纤压力传感器qMEMS-光纤加速度传感器3.光纤微弯传感器（Microbending Optical Fiber

2、 Sensors）q折射率型光子晶体光纤温度传感器q光子晶体荧光温度传感器q光子晶体光纤折射率型温度、应变传感器4. 光纤位移传感器（Optical Fiber Displacement Sensors）q光纤压力传感器q位置传感器q多参数传感器等 深圳市重点实验室开展的光纤传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)液位与温度测量系统液位与温度测量系统 内容提要内容提要 引言1基于液体填充的光子晶体光纤温度传感器2基于荧光的光子晶体光纤温度传感器 3基于Mach-Zehnder干涉式光子晶体光纤传感器4 总结5 1. 引言引言v 光子晶体光纤PCF(photonic crystal fibe

7、rs)是在1990年由英国Bath大学物理系的Russell首次提出，Russell在1995年成功制造出光子晶体结构的光纤， 并在1999年成功地进行首次中空PCF光导演示。v 光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCF）的特性）的特性 ：(1)无截止单模无截止单模( Endlessly Single Mode) (2)不同寻常的色度色散不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应优良的双折射效应 (5)大模面积特性大模面积特性 1.引言引言 光子晶体光纤光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)实心折射率导光型PCF空心光子带隙导光型

8、PCF多孔光纤(Holey Fiber) 微结构光纤(Micro-Structured Fiber)9/51v根据光的传导机理，PCF可分为两类。全内反射型光子晶体光纤（TIR-PCF），光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)。 Temperature Sensing with Holey Fibers v2. 基于液体填充的光子晶体光纤温度传感器实心折射率导光型PCF发明专利：光子晶体光纤折射率温度传感器及系统光子晶体光纤折射率温度传感器及系统（公开号：CN101216354）。发明人：李学金李学金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.李学金, 于永芹, 洪学明, 宋奎岩, 朱莉. 基于液体填充的光子晶体光纤温度传感特性分析J. 中国激光中国激光, 2009, VOL. 36 (5).（1）.光子晶体光纤的模拟麦克斯韦方程：磁场：H)c()H(rr21E)c(Er2)zjexp()y, x(HH)zjexp()

10、y, x(EE电场： 在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。（2）.PCF模型图 (a).用有限元分法建立的六角形结构的折射率引导型光子晶体光纤的截面图； (b). 计算区域的有限元离散网格. 填充材料的折射率温度系数定义：00TTnn（3）. 温度对模场分布的影响 （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有效折射率与传输波长的关系（4）.温度对等效折射率的影响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) 填充后有效折射率与波长关系(b) 填充前后有效折射率对比填充前后有效折射率与波长的关系（4）.温度对等效折射率的影响限制损耗：不同结构时限制损耗与波长的关系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不同结构PCF限制损耗与温度的关系（5）.温度对限制损耗的影响图5 在d/=0.6，20C下，PCF填充前后的模式有效折射率的比较在

13、同一波长下，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.温度对有效折射率的影响温度对有效折射率的影响（5）.温度对限制损耗的影响（5）.温度对限制损耗的影响图9 当波长为1500nm和800 nm，d/0.7时，PCF填充乙醇后限制损耗随温度的变化曲线-20020406080-50050100150200250300350Confinement Los

14、ses (dB/m)Temperature ( C) d/ 1500 nm 800 nm 选用光纤(a)光纤1(b)光纤2(c)光纤3（6）.实验结果 （6-1）.高非线性光子晶体光纤(光纤1)的实验结果输出功率随温度的变化(a)(b) 输出功率随温度的变化(c)(d) 20304050607080-55-50-45-40-35-30 PCF长19cm PCF长13cmPOUT/dBmT/不同长度输出功率对比图液体填充PCF选取的长度越长，其输出功率的温度敏感性越好.引起这种现象的主要原因是：当PCF的长度越长时，填充的折射率温度敏感液体与PCF的作用长度越长，因此温度变化对PCF输出功率的影

15、响更大些。 (6-2).双包层光子晶体光纤的实验结果20304050607080-52-50-48-46-44-42-40波长1550nmPOUT/dBmT/输出功率随温度的变化(光纤2)温度从25升高到80 时，系统的输出功率从-51.9dBm增大到-41dBm，输出功率随温度变化的斜率为0.1982dBm /。 20304050607080-8-6-4-2024功率/dBmT/ 波长1550nm 波长1310nm 波长980nm 波长850nm（6-3).大模场光子晶体光纤的实验结果同一PCF(光纤3)在四种不同波长下的实验对比图从图中可以看出，波长为1550 nm时对温度的变化最为敏感。

16、随着波长的减小，输出功率对温度变化的敏感性也逐渐降低，最后接近于不变化 (6-4).不同结构光纤的实验结果对比2030405060708090-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 光纤1 光纤2 光纤3POUT/dBmT/当向PCF的空气孔填充同一种高温度系数折射率敏感的液体后，光纤的占空比越大，其输出功率对温度变化的敏感性越强，即表现为占空比越大，输出功率温度曲线的斜率越大。三种不同结构的PCF的实验对比图 3.基于荧光的光子晶体光纤温度传感器空心光子带隙导光型PCF略略1.发明专利：光子晶体光纤荧光子晶体光纤荧光温度传感器及系统光温度传感器及系统（申请号为：200810065176.X）。发明人：李学金李学金 PCF应用于荧光传感研究现状应用于荧光传感研究现状利用双包层PCF实现的两种不同的荧光检测样品方案利用后向荧光检测样品方案示意图利用前向荧光检测样品方案示意图10/51使用空