光子晶体光纤温度传感器李学金

58
59 62
60
65
62
68 71
64
74
66
77 80
68
83
70
86
72
89
92
74
95
76
98
101
78
104
80
107
110
82
113
84
116 119
86
122
88
125 128
90
131
92
百度文库
134
94
137
140
96
98
内容提要
1 引言 2 基于液体填充的光子晶体光纤温度传感器 3 基于荧光的光子晶体光纤温度传感器 4 基于Mach-Zehnder干涉式光子晶体光纤传感器 5 总结
0.96
0.95
0.94 1.02
0.93
0.92 1
0.91
0.9 0
10 20 30 40 50 60 70 Pressure [KPa]
80 90 100
0.98
0.96
Figure 8. Relationship between pressure
and normalized reflectivity
实心折射率导光型PCF
空心光子带隙导光型PCF
多孔光纤(Holey Fiber) 微结构光纤(Micro-Structured Fiber)
Temperature Sensing with Holey Fibers
❖2. 基于液体填充的光子晶体光纤温度传感器
发明专利：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
Experimental results
(a) Computer simulation (b) Picture of silicon cups Figure 6. Simulation and photo of silicon cups
Light source
2×2 Optical Fiber Coupler
1000
1200
1400
Wavelength (nm)
1600
1800
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
neff
1.450
t=20℃
1.448
1.446
1.444
1.442
1.440
1.438
1.436
1.434
1.432
1.430
1.428
1.426 1.424 1.422 1.420
▪ (2)不同寻常的色度色散
▪ (3)极好的非线性效应
▪ (4)优良的双折射效应
▪ (5)大模面积特性
9/51
1.引言 光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)
❖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)。
0.94
0.92
0.9 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Pressure [KPa]
Figure 9. Experimental results and fitting line
3. Principle of Microbending Optical Fiber Sensor
Applications
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
0
1600 1400 1200 1000
800 600 400 200
0
光强(mV)
悬臂梁式温度测量(水中)
液位测量140cm
液位(cm)
40
20 23
42
26
44
29 32
46
35
48
38
50
41
44
52
47
54
50
53
56
56
4.温度对有效折射率的影响
1.450 1.445
在同一波长 下，填充后 的模式有效 折射率要比 填充前的大。
1.440 1.435
d/ after filling before filling
1.430
neff
1.425
1.420
1.415
1.410
1.405
800
1000 1200 1400 1600 1800
-45
-50
PCF长19cm PCF长13cm
-55
20
30
40
50
60
70
80
T/℃
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 响更大些。
POUT/dBm
(3) … (4)
成果
(2)
(1)
Applications
① Strain Measuring
②
Liquid Lever and Pressure Sensor
③
Temperature Sensor
④ Differential Force and Displacement Sensor
液位与温度测量系统
Confinement Losses [dB/m]
105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3
800
t=20℃
d/∧＝0.3 d/∧＝0.4 d/∧＝0.5 d/∧＝0.6 d/∧＝0.7
1000
1200
1400
Wavelength [nm]
1600
1800
不同结构时限制损耗与波长的关系
（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：
n n0 T T0
其中，T为工作温度，T0＝20°C。n为T的折射率，n0 为T0的折射率。乙醇的温度系数α=3.94×10-4/K，石英光 纤的温度系数为＝8.6×10-6/K。因为石英光纤的温度系 数比填充材料低两个数量级，在分析中，近似认为石英光 纤的折射率不随温度变化
1.Y.Q. Yu, X.J. Li, X. M. Hong, Y. L. Deng, K. 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). 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, 2009, VOL. 36 (5).
1. 引言
❖ 光子晶体光纤PCF(photonic crystal fibers)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。
❖ 光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
▪ (1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
实心折射率导光型PCF
（1）.光子晶体光纤的模拟
麦克斯韦方程：
(
1
r


H)

(

c
)2

r H




E
(

c

)2 r E
磁场：

H H( x, y )exp( jz )

电场： E E( x, y )exp( jz )
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.MEMS Optical Fiber Pressure Sensor
diaphragm
pressure
F-P cavity
a X
Silicon cup
a
Glass substrate
Optical fiber
Figure 1. Schematic of the sensor configuration.
3.光纤微弯传感器（Microbending Optical Fiber Sensors）
折射率型光子晶体光纤温度传感器 光子晶体荧光温度传感器 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）
光纤压力传感器 位置传感器 多参数传感器等
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 experiments, International Journal of Sciences and Numerical Simulations，2010, 11: 1785-1789.
（3）. 温度对模场分布的影响
（a）
（c）
（d）
（4）.温度对等效折射率的影响
neff
1.450 1.445 1.440 1.435 1.430 1.425 1.420 1.415 1.410 1.405 1.400 1.395
800
d/ d/ d/ d/ d/
光子晶体光纤温度传感器
(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 lixuejin@szu.edu.cn 0755-26958398
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 Laboratory
d/∧＝0.3 d/∧＝0.4 d/∧＝0.5
1.418
d/∧＝0.6
1.416 1.414
d/∧＝0.7
1.412
800
1000
1200
1400
1600
1800
Wavelength(nm)
(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
限制损耗： PL dB 20 log10 eIm k0neff L
1.光子晶体光纤传感器（Photonic Crystal Fiber Sensor）
折射率型光子晶体光纤温度传感器 光子晶体荧光温度传感器 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）
MEMS-光纤压力传感器 MEMS-光纤加速度传感器
不同长度输出功率对比图
(6-2).双包层光子晶体光纤的实验结果
POUT/dBm
-40
波长1550nm
-42
-44
-46
-48
-50
-52
20
30
40
50
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
（6）.实验结果
选用光纤
(a)光纤1
(b)光纤2
(c)光纤3
（6-1）.高非线性光子晶体光纤(光纤1)的实验结果
(a)
(b)
输出功率随温度的变化
(c)
(d)
输出功率随温度的变化
-30
-35
-40
MEMS Sensor
PIN Reflected light
PIN
Reference light
Figure 7. Experimental system for the MEMS pressure sensor.
Experimental results
1
0.99
0.98
0.97
Normalized reflectivity Normalized reflectivity
（5）.温度对限制损耗的影响
Confinement Losses [dB/m]
λ=1500nm
104
103
102
d/∧＝0.3
d/∧＝0.4
d/∧＝0.5
d/∧＝0.6
d/∧＝0.7
101
-20
0
20
40
60
80
Temperature[℃]
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
Y Figure2. Mechanics model of square diaphragm
Figure 3. Deflection distribution of the square diaphragm. (a=3.5mm, h=162μm, q=40KPa, E=160GPa, μ=0.22,ωmax=0.409μm)
Wavelength (nm)
图5 在d/=0.6，20ºC下，PCF填充前后的模式有效折射率的比较
（5）.温度对限制损耗的影响
Confinement Losses (dB/m)
350
300
d/
250
1500 nm
800 nm
200
150
100
50
0
-50
-20
0
20
40
60
80
Temperature (C)