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) 深圳大學深圳市傳感器技術重點實驗室李學金 于永芹 耿優福 鄧元龍 洪學明 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多參數傳感器等 深圳市重點實驗室開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)液位與溫度測量系統液位與溫度測量系統 內容提要內容提要 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Bath大學物理系的Russell首次提出，Russell在1995年成功制造出光子晶體結構的光纖， 并在1999年成功地進行首次中空PCF光導演示。v 光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCF）的特性）的特性 ：(1)無截止單模無截止單模( Endlessly Single Mode) (2)不同尋常的色度色散不同尋常的色度色散 (3)極好的非線性效應極好的非線性效應 (4)優良的雙折射效應優良的雙折射效應 (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)實心折射率導光型PCF空心光子帶隙導光型

8、PCF多孔光纖(Holey Fiber) 微結構光纖(Micro-Structured Fiber)9/51v根據光的傳導機理，PCF可分為兩類。全內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心折射率導光型PCF發明專利：光子晶體光纖折射率溫度傳感器及系統光子晶體光纖折射率溫度傳感器及系統（公開號：CN101216354）。發明人：李學金李學金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.李學金, 于永芹, 洪學明, 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. 中國激光中國激光, 2009, VOL. 36 (5).（1）.光子晶體光纖的模擬麥克斯韋方程：磁場：H)c()H(rr21E)c(Er2)zjexp()y, x(HH)zjexp()

10、y, x(EE電場： 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出實芯和空芯PCF 的傳導條件,其結果就是光子能隙導光理論。（2）.PCF模型圖 (a).用有限元分法建立的六角形結構的折射率引導型光子晶體光纖的截面圖； (b). 計算區域的有限元離散網格. 填充材料的折射率溫度系數定義：00TTnn（3）. 溫度對模場分布的影響 （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的關系（4）.溫度對等效折射率的影響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關系(b) 填充前后有效折射率對比填充前后有效折射率與波長的關系（4）.溫度對等效折射率的影響限制損耗：不同結構時限制損耗與波長的關系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不同結構PCF限制損耗與溫度的關系（5）.溫度對限制損耗的影響圖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.溫度對有效折射率的影響溫度對有效折射率的影響（5）.溫度對限制損耗的影響（5）.溫度對限制損耗的影響圖9 當波長為1500nm和800 nm，d/0.7時，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）.實驗結果 （6-1）.高非線性光子晶體光纖(光纖1)的實驗結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19cm PCF長13cmPOUT/dBmT/不同長度輸出功率對比圖液體填充PCF選取的長度越長，其輸出功率的溫度敏感性越好.引起這種現象的主要原因是：當PCF的長度越長時，填充的折射率溫度敏感液體與PCF的作用長度越長，因此溫度變化對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驗結果20304050607080-52-50-48-46-44-42-40波長1550nmPOUT/dBmT/輸出功率隨溫度的變化(光纖2)溫度從25升高到80 時，系統的輸出功率從-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1550nm 波長1310nm 波長980nm 波長850nm（6-3).大模場光子晶體光纖的實驗結果同一PCF(光纖3)在四種不同波長下的實驗對比圖從圖中可以看出，波長為1550 nm時對溫度的變化最為敏感。

16、隨著波長的減小，輸出功率對溫度變化的敏感性也逐漸降低，最后接近于不變化 (6-4).不同結構光纖的實驗結果對比2030405060708090-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 光纖1 光纖2 光纖3POUT/dBmT/當向PCF的空氣孔填充同一種高溫度系數折射率敏感的液體后，光纖的占空比越大，其輸出功率對溫度變化的敏感性越強，即表現為占空比越大，輸出功率溫度曲線的斜率越大。三種不同結構的PCF的實驗對比圖 3.基于熒光的光子晶體光纖溫度傳感器空心光子帶隙導光型PCF略略1.發明專利：光子晶體光纖熒光子晶體光纖熒光溫度傳感器及系統光溫度傳感器及系統（申請號為：200810065176.X）。發明人：李學金李學金 PCF應用于熒光傳感研究現狀應用于熒光傳感研究現狀利用雙包層PCF實現的兩種不同的熒光檢測樣品方案利用后向熒光檢測樣品方案示意圖利用前向熒光檢測樣品方案示意圖10/51使用空