光子晶體光纖溫傳感器李學金

1、會計學1光子晶體光纖溫傳感器李學金光子晶體光纖溫傳感器李學金第1頁/共42頁n多參數傳感器等第2頁/共42頁Figure 1. Schematic of the sensor configuration. Figure2. Mechanics model of square diaphragmFigure 3. Deflection 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

2、-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.第3頁/共42頁Figure 7. Experimental system for the

3、MEMS pressure sensor.(a) Computer simulation (b) Picture of silicon cups Figure 6. Simulation and photo of silicon cups第4頁/共42頁05101520253035400.90.920.940.960.9811.02Pressure KPaNormalized reflectivityFigure 9. Experimental results and fitting line01020304050607080901000.90.910.920.930.940.950.960.

4、970.980.991Pressure KPaNormalized reflectivityFigure 8. Relationship between pressure and normalized reflectivity第5頁/共42頁3. Principle of Microbending Optical Fiber Sensor第6頁/共42頁Strain Measuring Liquid Lever and Pressure Sensor Temperature SensorDifferential Force and Displacement Sensor (3)(1)(2)(4

5、)第7頁/共42頁第8頁/共42頁 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第9頁/共42頁第10頁/共42頁實心折射率導光型PCF空心光子帶隙導光型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)。第11頁/共42頁第12頁/共42頁實心折射率導光型PCF發(fā)明專利：光子晶體光纖折射率溫度傳感器及系統光子晶體光纖折射

6、率溫度傳感器及系統（公開號：CN101216354）。發(fā)明人：李學金李學金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,

7、 2009, VOL. 36 (5).第13頁/共42頁（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()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。第14頁/共42頁 第15頁/共42頁填充材料的折射率溫度系數定義：00TTnn第16頁/共42頁 （a） （c） （d） 第17頁/共42頁800100012001400160018001.3951.4001.4051.4101.4151.4201.4251.4301.43

8、51.4401.4451.450neffWavelength (nm) d/ d/ d/ d/ 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第18頁/共42頁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

9、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第19頁/共42頁限制損耗：不同結構時限制損耗與波長的關系8001000120014001600180010-310-210-1100101102103104105t=20Confinement Losses dB/mWavelength nm d/0.3 d/0.4 d/0.5 d/0.6 d/0.7 LnkedBPeffL010Imlog20第20頁/共42頁-20020406080101102103104=1500nmConfinement Losses dB/mTemperature d/0.3 d/0.4 d/0.5 d/0

10、.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第21頁/共42頁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第22頁/共42頁-20020406080-50050100150200250300350Confinement Losses (dB/m)Temperature ( C) d/ 1

11、500 nm 800 nm第23頁/共42頁選用光纖(a)光纖1(b)光纖2(c)光纖3（6）.實驗結果第24頁/共42頁輸出功率隨溫度的變化(a)(b)第25頁/共42頁輸出功率隨溫度的變化(c)(d)第26頁/共42頁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輸出功率的影響更大些。第27頁/共42頁(6-2).雙包層光子

12、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 /。 第28頁/共42頁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

13、。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，最后接近于不變化第29頁/共42頁(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的實驗對比圖第30頁/共42頁空心光子帶隙導光型PCF略略1.發(fā)明專利：光子晶體光纖熒光溫度傳感光子晶體光纖熒光溫度傳感器及系統器及系統（申請?zhí)枮椋?00

14、810065176.X）。發(fā)明人：李學金李學金第31頁/共42頁利用雙包層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使用空芯光子帶隙型PCF 制作的熒光溫度傳感器探頭第32頁/共42頁(c) (a) PCF橫截面 (b)遠場光場強度分布(c)實驗裝置4.基于Mach-Zehnder干涉式光子晶體光纖傳感器第33頁/共42頁Length of AS-PBF: L=80mmTotal insertion loss: 2.5dB第34頁/共42頁AS-PBF length: L=80mm略略第35頁/共42頁略略第36頁/共42頁第3

15、7頁/共42頁3. Principle of Microbending Optical Fiber Sensor第38頁/共42頁Strain Measuring Liquid Lever and Pressure Sensor Temperature SensorDifferential Force and Displacement Sensor (3)(1)(2)(4)第39頁/共42頁填充材料的折射率溫度系數定義：00TTnn第40頁/共42頁(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