專利名稱：基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，應(yīng)用于強(qiáng)電磁場、 易燃易爆、長距離環(huán)境下的溫度探測。
背景技術(shù)：
溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，也是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍最重要的參數(shù)之一。溫度檢測在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)和工程應(yīng)用中占有十分重要的地位。隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光無源器件技術(shù)的日益成熟，光纖溫度探測器獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的光纖溫度探測器大多通過在光纖探頭上蒸鍍傳統(tǒng)的多層膜實(shí)現(xiàn)，溫度探測的靈敏度和精度都不是很高。目前對光纖溫度探測器的研究主要集中在三個(gè)方面一對溫度敏感的半導(dǎo)體材料的研究，更多的半導(dǎo)體材料被應(yīng)用到半導(dǎo)體式光纖溫度探測器中來；二是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)制技術(shù)的研究。為了克服環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，需要設(shè)某種形式的光路補(bǔ)償和強(qiáng)度參考。三是產(chǎn)品化實(shí)用化的研究，即從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對能滿足特定要求、應(yīng)用于特定場合的光纖溫度探測器實(shí)用系統(tǒng)的研發(fā)。但到目前為止的上述研究仍然沒有解決光纖溫度探測器長期工作的穩(wěn)定性和抗干擾性問題，且測量精度差，成本高。光子晶體是一種按照自然晶體的結(jié)構(gòu)對稱性制備的周期性微介電結(jié)構(gòu)。光子晶體最基本的特性就是具有光子禁帶，頻率在光子禁帶頻率內(nèi)的光由于受到周期性電介質(zhì)材料的強(qiáng)烈布拉格衍射，不能在光子晶體中傳播。當(dāng)在完整光子晶體中引入缺陷時(shí)，光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)缺陷模，使原本不能在光子晶體中傳播的光能在缺陷中傳播，這就形成了光子晶體波導(dǎo)。一維光子晶體由兩種具有大折射率差的介質(zhì)在一維方向交替排列組成。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，構(gòu)成一維光子晶體的兩種不同介質(zhì)的折射率會(huì)隨著溫度的變化而變化，并由此導(dǎo)致缺陷模的透射峰波長發(fā)生位移，同時(shí)也會(huì)引起原先透射峰波長的光透射率下降，反射率增高。而現(xiàn)有的利用一維光子晶體缺陷模來實(shí)現(xiàn)溫度探測的裝置，都是分立的體積較大的器件，不能實(shí)現(xiàn)很小區(qū)域的多點(diǎn)探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，其目的在于克服現(xiàn)有的光纖溫度探測器存在的穩(wěn)定性和抗干擾性差，測量精度低，成本高等弊端。本發(fā)明通過把具有缺陷模的一維光子晶體蒸鍍到光纖探頭端面，從而具有了光纖溫度傳感器小型化、長距離、抗電磁干擾和成本低的特點(diǎn)，同時(shí)又具有含缺陷模一維光子晶體溫度探測靈敏度高、精度高的特點(diǎn)。因此該專利具有很好的應(yīng)用前景，市場價(jià)值。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，包括有探測器光源、一維光子晶體、光纖耦合器、第一傳輸光纖、第二傳輸光纖、第三傳輸光纖和半導(dǎo)體光功率計(jì)；其特征在于A)所述探測器光源位于第一傳輸光纖左側(cè)，并且出射的激光直接耦合入第一傳輸光纖中，所述光纖耦合器位于第一傳輸光纖右側(cè)，探測光通過第一傳輸光纖后到達(dá)光纖耦合器，所述第二傳輸光纖位于光纖耦合器的右端，并且探測光從光纖耦合器出射后直接進(jìn)入第二傳輸光纖，所述一維光子晶體位于第二傳輸光纖右端，并且探測光由第二傳輸光纖直接進(jìn)入一維光子晶體，所述第三傳輸光纖位于光纖耦合器左側(cè)，并接收由一維光子晶體反射且經(jīng)由第二傳輸光纖和光纖耦合器傳輸至第三傳輸光纖處的探測光，所述半導(dǎo)體光功率計(jì)位于第三傳輸光纖的左側(cè)，并測定該第三傳輸光纖輸出光的功率；B)所述的一維光子晶體為硅和二氧化硅在激光傳輸方向上交替排列組成，在其中一層硅介質(zhì)層引入缺陷模；C)除引入缺陷模的硅介質(zhì)層外，各個(gè)介質(zhì)層的光學(xué)厚度相等，而引入缺陷模的硅介質(zhì)層的厚度是各個(gè)介質(zhì)層光學(xué)厚度的2-3倍。所述的一維光子晶體是通過真空蒸鍍的方式直接鍍附在第二傳輸光纖右端端面上。所述激光器發(fā)出的探測光的波長為λ = 1.55μπι。本發(fā)明基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，而且測量精度高，成本低，一維光子晶體對溫度非常敏感，其中的缺陷模由硅層厚度變化引入，探測效果相對于傳統(tǒng)的光纖溫度探測器更加準(zhǔn)確可靠。探測過程中不需要花費(fèi)精力去調(diào)整復(fù)雜的光路，也不需要人為操作或調(diào)整任何部件，使用的半導(dǎo)體光功率計(jì)測量精度高、 響應(yīng)速度快。可以用于解決強(qiáng)電磁場、易燃易爆、長距離等惡劣環(huán)境下的溫度值的快速測量以及環(huán)境溫度變化記錄。


圖1為一維光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明光纖溫度探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。1、探測器光源，2、第一傳輸光纖，3、光纖耦合器，4、第二傳輸光纖，5、一維光子晶體，6、第三傳輸光纖，7、半導(dǎo)體光功率計(jì)，8、二氧化硅，9、硅。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，結(jié)構(gòu)如圖1所示包括有探測器光源1、一維光子晶體5、光纖耦合器3、第一傳輸光纖2、第二傳輸光纖4、第三傳輸光纖6 和半導(dǎo)體光功率計(jì)7 ；所述探測器光源1位于第一傳輸光纖2左側(cè)，并且出射的激光直接耦合入第一傳輸光纖中，所述光纖耦合器3位于第一傳輸光纖2右端，探測光通過第一傳輸光纖后到達(dá)光纖耦合器3，所述第二傳輸光纖4位于光纖耦合器3的右側(cè)，并且探測光從光纖耦合器3出射后直接進(jìn)入第二傳輸光纖4，所述一維光子晶體5位于第二傳輸光纖4右端， 并且探測光由第二傳輸光纖4直接進(jìn)入一維光子晶體5，所述第三傳輸光纖6位于光纖耦合器3左側(cè)，并接收由一維光子晶體5反射且經(jīng)由第二傳輸光纖4和光纖耦合器3傳輸至第三傳輸光纖處的探測光，所述半導(dǎo)體光功率計(jì)7位于第三傳輸光纖6的左側(cè)，并測定該第三傳輸光纖輸出光的功率；本發(fā)明探測器光源1采用常用通信波段激光器，輸出波長為1. 55 μ m ；光傳輸單元為光纖和光纖耦合器；探測單元為一維光子晶體5，一維光子晶體由硅9與二氧化硅8沿光傳輸方向相間排列致密連接構(gòu)成，硅層與二氧化硅層的光學(xué)厚度相等即= IW其中 H1為硅折射率，B1為硅層厚度；n2為二氧化硅折射率，a2為二氧化硅層厚度，其中一維光子晶體5中一層硅介質(zhì)層的的光學(xué)厚度與其他層厚度不同，由此在光子晶體中引入缺陷模， 引入缺陷模的硅介質(zhì)層的厚度是各介質(zhì)層光學(xué)厚度的2-3倍；一維光子晶體5是通過真空蒸鍍的方式直接鍍附在第二傳輸光纖4右端光輸出端面上；光接收單元為半導(dǎo)體光功率計(jì) 7。具體操作步驟如下1，輸入光本發(fā)明由于激光器選定的探測波長為1. 55μπι，在光纖中傳輸?shù)膿p耗非常小，所以光損耗可以忽略不計(jì)。2，操作過程第一步將本探測器置于待測環(huán)境中，當(dāng)探測器與環(huán)境溫度相同時(shí)才能開始探測， 否則測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。第二步當(dāng)探測器溫度與環(huán)境相同后，打開探測器光源1，激光出射后直接耦合進(jìn)入第一傳輸光纖2中，然后從傳輸光纖到達(dá)光纖耦合器3，通過光纖耦合器后激光轉(zhuǎn)入第二傳輸光纖4中繼續(xù)向前傳輸，激光通過第二傳輸光纖4后到達(dá)探測元件一維光子晶體5， 探測元件一維光子晶體是直接鍍附在第二傳輸光纖4的右端光輸出端面上的，當(dāng)溫度不同時(shí)，一維光子晶體中硅9和二氧化硅8的折射率會(huì)產(chǎn)生變化同時(shí)引起光子晶體中禁帶范圍的變化，最后導(dǎo)致探測器光源輸出光經(jīng)過一維光子晶體反射后的反射光能量產(chǎn)生變化，反射光返回并進(jìn)入第二傳輸光纖4。第三步反射光從第二傳輸光纖4返回后再次到達(dá)光纖耦合器3，然后穿過光纖耦合器3進(jìn)入第三傳輸光纖6，最后反射光經(jīng)過第三傳輸光纖6到達(dá)半導(dǎo)體光功率計(jì)7，由半導(dǎo)體光功率計(jì)探測出光功率大小并輸出。第四步根據(jù)輸出光功率大小判定環(huán)境溫度。上述的一維光子晶體中的二氧化硅介質(zhì)層和硅介質(zhì)層是依次通過真空蒸鍍的方式在第二傳輸光纖4光輸出右端面形成光子晶體結(jié)構(gòu)，依次蒸鍍五層，即三層二氧化硅介質(zhì)層，兩層硅介質(zhì)層，在其中一維光子晶體側(cè)面也蒸鍍上二氧化硅薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以防止硅層膜的污染與氧化，便于得到潔凈致密的一維光子晶體薄膜，在其中一層硅介質(zhì)層上引入缺陷模，該層硅介質(zhì)層厚度要達(dá)到其他各層厚度的2-3倍。
權(quán)利要求
1.一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，包括有探測器光源、一維光子晶體、光纖耦合器、第一傳輸光纖、第二傳輸光纖、第三傳輸光纖和半導(dǎo)體光功率計(jì)；其特征在于A)所述探測器光源位于第一傳輸光纖左側(cè)，并且出射的激光直接耦合入第一傳輸光纖中，所述光纖耦合器位于第一傳輸光纖右側(cè)，探測光通過第一傳輸光纖后到達(dá)光纖耦合器， 所述第二傳輸光纖位于光纖耦合器的右端，并且探測光從光纖耦合器出射后直接進(jìn)入第二傳輸光纖，所述一維光子晶體位于第二傳輸光纖右端，并且探測光由第二傳輸光纖直接進(jìn)入一維光子晶體，所述第三傳輸光纖位于光纖耦合器左側(cè)，并接收由一維光子晶體反射且經(jīng)由第二傳輸光纖和光纖耦合器傳輸至第三傳輸光纖處的探測光，所述半導(dǎo)體光功率計(jì)位于第三傳輸光纖的左側(cè)，并測定該第三傳輸光纖輸出光的功率；B)所述的一維光子晶體為硅和二氧化硅在激光傳輸方向上交替排列組成，在其中一層硅介質(zhì)層引入缺陷模；C)除引入缺陷模的硅介質(zhì)層外，各個(gè)介質(zhì)層的光學(xué)厚度相等，而引入缺陷模的硅介質(zhì)層的厚度是各個(gè)介質(zhì)層光學(xué)厚度的2-3倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，其特征在于 所述的一維光子晶體是通過真空蒸鍍的方式直接鍍附在第二傳輸光纖右端端面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，其特征在于 所述激光器發(fā)出的探測光的波長為λ = 1.55μπι。
全文摘要
一種基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器，探測器光源位于第一傳輸光纖左側(cè)，光纖耦合器位于第一傳輸光纖右側(cè)，第二傳輸光纖位于光纖耦合器的右端，一維光子晶體位于第二傳輸光纖右端，第三傳輸光纖位于光纖耦合器左側(cè)，并接收由一維光子晶體反射且經(jīng)由第二傳輸光纖和光纖耦合器傳輸至第三傳輸光纖處的探測光，半導(dǎo)體光功率計(jì)位于第三傳輸光纖的左側(cè)，并測定該第三傳輸光纖輸出光的功率；所述的一維光子晶體為硅和二氧化硅在激光傳輸方向上交替排列組成，在其中一層硅介質(zhì)層引入缺陷模；各個(gè)介質(zhì)層的光學(xué)厚度相等，而引入缺陷模的硅介質(zhì)層的厚度是各個(gè)介質(zhì)層光學(xué)厚度的2-3倍。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，而且測量精度高，成本低。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102252777SQ20111010078
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者張禮朝, 胡佳惠, 趙曼彤 申請人:上海理工大學(xué)