專利名稱：一種基于光子晶體光纖的壓力傳感方法及傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學傳感方法及傳感器，更特別地說，是指一種基于光子晶體光纖，能夠測量得到壓力的光纖傳感方法及傳感器。
背景技術：
光纖壓力傳感器以其造價低廉、重量輕、不受電磁輻射影響等優點而被廣泛應用， 同時成為目前該領域的主要研究方向。比如在醫療領域，隨著微小侵入式療法的推廣，加之所探測空間部位都極其狹窄，小型化變得重要。而且光纖具有很好的生物兼容性，使得光纖傳感器因其生物適應性，尺寸小，成本低，電絕緣性，電磁干擾性，在生物工程、醫學診斷和治療領域等器件的制作方面具有很大吸引力。
然而，目前光纖壓力傳感技術的成熟度和應用情況相對不足，大部分研究也都基于法布里-珀羅干涉儀(FPI)。一般采用微機電或微光機電技術在光纖端形成FP腔，由于石英和硅材料的楊氏模量都較高，很難實現生理壓力測量需要的高壓力靈敏度，一直未能很好滿足生理壓力測量的要求。另外，這種技術復雜，可靠性差，受溫度影響大，容易產生溫度壓力傳感信號交叉，影響了其使用效果，限制了傳感器性能的進一步提高。
20世紀90年代中期，研制出一種光子晶體光纖，這種光纖不同于傳統光纖，一般由純石英拉制而成，因為沒有摻雜而具有良好的抗輻射特性和溫度穩定性。它還具有許多優點，如無截止的單模特性、低損耗特性、靈活的色散特性、可控的非線性、極強的雙折射效應以及可進行微結構設計改造等。光子晶體光纖包層區域是由許多沿光纖軸向的微孔構成。根據其芯區的不同，導光機理也有所不同，通常將其分為兩類。一種是折射率導光型光子晶體光纖，這種光纖為實心，其導光原理類似于標準的全內反射傳導，是根據修正的全內反射原理，在實心中傳導光波。另一種是光子帶隙型光子晶體光纖，這種光纖芯區折射率低，其包層中的孔是按周期性排列的，形成二維光子晶體。這種二維周期性折射率變化的結構不允許某些頻段的光在垂直于光纖軸的方向(橫向)傳播，形成所謂的光子帶隙。由于這種光纖只用石英材料，通過特殊的微結構實現導光，因此其光傳輸特性對溫度不敏感，而當由壓力作用在光纖上時，將會改變光纖的微結構，導致傳輸光的模場、數值孔徑等參數發生變化，因此可用來實現溫度無關的壓力測量。
由于傳統的光纖為實芯結構，其傳輸特性對壓力不敏感，相反，對溫度確較敏感， 所以目前還沒有單純采用光纖實現壓力測量的實用方案和技術。由于光子晶體光纖是一種新型的光纖，將其用于壓力測量的研究和報道很少，尚無利用光子晶體光纖受壓時模場變化的特性進行壓力傳感的方法和技術。發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供了一種基于光子晶體光纖的壓力傳感方法及傳感器，利用光子晶體光纖作為壓力傳感頭，通過光子晶體光纖與普通傳導光纖熔接點的模場不匹配來實現環境壓力測量。
本發明技術解決方案一種基于光子晶體光纖的壓力傳感方法，將光子晶體光纖制作的壓力傳感頭與普通傳導光纖熔接，熔接點兩端的光纖因結構不同具有不同的傳輸模場，光源發出的光經過普通傳導光纖耦合至由光子晶體光纖制作的壓力傳感頭中，當壓力作用在壓力傳感頭上時，壓力傳感頭中光子晶體光纖的空氣孔尺寸、孔間距變化和壓力呈線性變化，而普通傳導光纖的模場幾乎不發生變化，光在經過熔接點進入壓力傳感頭后，光功率損耗會發生變化，采用探測器探測輸出光功率的變化，便可實現壓力的測量；所述壓力測量模型為
I = I0 · (A+B · P)
其中A、B分別為rcicn ,-. 力 _ 4wc W0px W0py t p _^wOpx ^py W0py ^fJ)LUUl U」~；~rri" - ~2；ΓΤ2
其中=Itl為輸入光功率，I為輸出光功率Atlpj^ktlpy分別為光子晶體光纖在X和Y軸方向的壓力系數，Wc為普通傳導光纖的模場直徑，w0px, W0py為光子晶體光纖未施加壓力時X 軸和Y軸的初始模場直徑，P是施加的壓力大小；由于W。相對光子晶體光纖的模場直徑大很多，而光子晶體光纖模場較小，所以高階項可以被忽略。
所述光子晶體光纖是實心結構，也可為空心結構。
所述壓力傳感頭為透射光路中的透射型壓力傳感頭或反射光路中反射型壓力傳感頭。
所用光源是寬譜的發光二極管、或窄譜的激光二級管，或摻稀土的光纖光源、或光纖激光器。
本發明采用反射和透射光路結構實現壓力測量，其中反射結構為
一種基于光子晶體光纖的反射型壓力傳感器，包括光源(1)、光纖耦合器(3)、探測器O)、第一傳導光纖G)、反射型壓力傳感頭(5)；所述反射型壓力傳感頭(5)由一段第一光子晶體光纖⑶和反射膜(9)組成；光源⑴的尾纖與光纖耦合器(3)的輸入端即A 端熔接，探測器( 與光纖耦合器C3)的反射端即C端熔接；傳導光纖(4)的一端與光纖耦合器(3)的出射端即B端熔接，另一端與反射型壓力傳感頭(5)中第一光子晶體光纖(8) 的第一出射端D端熔接，第一光子晶體光纖(8)的第二出射端即E端鍍有反射膜(9)。
反射膜(9)的材料為二氧化硅、二氧化鈦或金屬膜。
透射結構為
一種基于光子晶體光纖的透射型壓力傳感器包括其特征在于包括光源(1)、探測器O)、透射型壓力傳感頭(11)、第二傳導光纖(10)、第三傳導光纖(1 ；所述透射型壓力傳感頭(11)為一段第二光子晶體光纖(1 ；第二傳導光纖(10)的一端與光源(1)的尾纖熔接，另一端與透射型壓力傳感頭(11)中第二光子晶體光纖(1 的入射端即F端熔接； 第三傳導光纖(1 的一端與探測器( 熔接，另一端與透射型壓力傳感頭(11)中第二光子晶體光纖(15)的出射端即G端熔接。
本發明測量壓力的光纖傳感器的優點在于
(1)本發明利用光子晶體光纖作為壓力傳感頭，通過光子晶體光纖與普通傳導光纖熔接點的模場不匹配來實現環境壓力測量，由于溫度對光纖的模場不影響，因此可實現溫度無關的壓力測量。解決了目前傳統光纖傳感器由于對溫度交叉敏感大而不能實用的難題。
(2)在光纖中形成穩定模場的光傳輸距離很短，本發明所用的光子晶體光纖傳感頭尺寸可以很小，由于光纖本身具有很好的生理、生物兼容性，本發明可很好的滿足生物醫學領域的各種壓力的監測，特別適合人體侵入式壓力測量。
(3)由于純石英對輻射不敏感，本發明還可很好滿足各種核輻射環境下的壓力測量。克服了目前光纖傳感器由于對核輻射敏感而不能應用于核輻射環境的“瓶頸”問題。
(4)本發明通過測量由壓力引起的功率變化實現壓力測量，除壓力傳感頭需要用到特種的光子晶體光纖外，對傳輸光纖和光源形式沒有要求，因此這種傳感器的設計和制作具有非常好的靈活性和兼容性，而且成本低廉。這一點是目前所有光纖壓力傳感器都不能做到的。
圖1是空芯光子晶體光纖截面及其模場圖2是實芯光子晶體光纖截面及其模場圖3是光子晶體光纖模場直徑與壓力關系曲線；
圖4是光子晶體光纖損耗與壓力關系曲線
圖5是本發明反射型光纖傳感器結構圖6是本發明透射型光纖傳感器結構圖。
具體實施方式
本發明提供了一種基于光子晶體光纖的可精確傳感壓力的方法，當有壓力作用在傳統光纖和光子晶體光纖上時，光子晶體光纖的尺寸和傳輸模場的形狀會發生相應的變化，而傳統的模場不發生變化，因此在光子晶體光纖與普通傳導光纖的熔接點處傳輸損耗會隨著施加的壓力發生變化，利用這個特性，本發明設計了一種簡單的反射和透射光路，在光源功率一定時，通過測量光路的輸出變化，實現壓力的測量。
本發明的傳感測量可以有兩種不同結構，分別是反射型和透射型，具體實施如下
(1)反射型
如圖5所示，本發明是反射型的光子晶體光纖壓力傳感器，該光纖傳感器包含有光源1、探測器2、光纖耦合器3、第一傳導光纖4、反射型壓力傳感頭5。
下面是對各個器件所實現功能的詳細描述
1)光源 1
光源在本發明中，為壓力傳感頭提供適宜的光信號，在本例中采用寬譜摻鉺光纖光源(SFS)，其中心波長為1545nm，輸出功率大于10mW，帶寬大于40nm。
2)光纖耦合器3
光纖耦合器3為單模光纖定向耦合器，單模光纖定向耦合器選用四端口，即二入二出，能夠對中心波長為1550nm的光進行傳輸。在本發明中，光纖耦合器3采用 ORTEPhotonics公司生產的典型的4端口結構的50/50分光的單模光纖耦合器，A端、C端一般為光纖耦合器的入纖端，B端為光纖耦合器的尾纖端。工作波長1550nm，典型附加損耗0. 07dB，插入損耗小于3. 4dB。
3)探測器2
探測器可根據使用光源的波長范圍選取。在本例中選擇的是中心波長為1545nm 的摻鉺光纖光源，采用武漢電信器件有限公司的PFTM911型InGaAs平面結構PIN-FET探測器。它的帶寬為7MHz，靈敏度最大為-51dBm，調制速率為8. 40_10Mb/s，跨阻抗為1300k。
4)傳導光纖4
在本實施例中采用普通單模光纖，用于連接傳感頭與其他器件，組成傳輸光路。
5)反射型壓力傳感頭5
反射型壓力傳感頭5進行壓力傳感，光在壓力傳感頭5中的第一光子晶體光纖8 內傳輸，當外界引入壓力時，光的光譜將會發生變化(輸出光強會發生變化)。在本實施例中，第一光子晶體光纖8可以采用實芯結構，選用PM-1550-01型光子晶體光纖(Blaze Isotonic公司生產)，其端面如圖2 (a)所示，圖2(b)為圖2 (a)所示光纖的模場圖。也可以采用空芯結構，空芯光子晶體光纖可以選用HC-1550-PM-01型保偏光子晶體光纖 (Crystal-Fiber公司生產)，其端面如圖1(a)所示，圖1(b)為圖1(a)所示光纖的模場圖。 這兩種光子晶體光纖通過微結構實現導光，模場尺寸對微結構的尺寸變化敏感。在受到壓力時，小孔間距和直徑都會發生變化，從而使其內部傳輸模場和光強發生變化，并且這種變化和所受壓力呈簡單的函數關系，從而使光強的損耗和所受壓力呈簡單的函數關系。如圖 3是光子晶體光纖模場直徑與壓力關系曲線，曲線表示模場直徑隨壓力的增大呈線性增長。 圖4為對應的光子晶體光纖損耗與壓力關系曲線，表明損耗隨壓力的增大呈線性變化。反射型壓力傳感頭5部分涂覆有硅膠作為折射率匹配材料6，折射率匹配材料6采用聚合物材料，如紫外膠、硅膠，金屬材料，如金、鉬、鈀等。反射型壓力傳感頭5的一端鍍有^ 作為反射膜9。
該光纖傳感器的連接關系是光源1的尾纖與光纖耦合器3的A端熔接，探測器2 與光纖耦合器3的C端熔接；傳導光纖4與光纖耦合器3的B端熔接，另一端與反射型壓力傳感頭5中第一光子晶體光纖8熔接，形成熔接點7。
(2)透射型
如圖6所示，本發明是透射型的光子晶體光纖壓力傳感器，該光纖傳感器包含有光源1、探測器2、透射型壓力傳感頭11、第二傳導光纖10、第三傳導光纖12。
下面是對各個器件所實現功能的詳細說明
1)光源 1
光源在本發明中為壓力傳感頭11提供適宜的光信號。本實施例中采用寬譜摻鉺光纖光源(SFS)，其中心波長為1545nm，輸出功率大于10mW，帶寬大于40nm。
2)探測器2
探測器可根據使用光源的波長范圍選取。本例中選擇的是中心波長為1545nm的摻鉺光纖光源，采用武漢電信器件有限公司的PFTM911型InGaAs平面結構PIN-FET探測器。它的帶寬為7MHz，靈敏度最大為-51dBm，調制速率為8. 40_10Mb/s，跨阻抗為1300k。
3)第二傳導光纖10和第三傳導光纖12
上述兩個個傳導光纖采用普通單模光纖，用于連接傳感頭與其他器件，組成傳輸光路。
4)透射型壓力傳感頭11
透射型壓力傳感頭11壓進行壓力傳感，光在透射型壓力傳感頭11的第二光子晶體光纖15內傳輸，當外界引入壓力時，傳輸光的光譜將會發生變化(輸出光強會發生變化)。在發明實施例中，光子晶體光纖8可以采用實芯結構，選用PM-1550-01型光子晶體光纖(Blaze Wiotonic公司生產)，其端面如圖2 (a)所示，圖2(b)為圖2(a)所示光纖的模場圖。也可以采用空芯結構，空芯光子晶體光纖可以選用HC-1550-PM-01型保偏光子晶體光纖(Crystal-Fiber公司生產)，其端面如圖1 (a)所示，圖1 (b)為圖1 (a)所示光纖的模場圖。這兩種光子晶體光纖通過微結構實現導光，模場尺寸對微結構的尺寸變化敏感。在受到壓力時，小孔間距和直徑都會發生變化，從而使其內部傳輸模場和光強發生變化，并且這種變化和所受壓力呈簡單的函數關系，從而使光強的損耗和所受壓力呈簡單的函數關系。如圖3是光子晶體光纖模場直徑與壓力關系曲線，曲線表示模場直徑隨壓力的增大呈線性增長。圖4為對應的光子晶體光纖損耗與壓力關系曲線，表明損耗隨壓力的增大呈線性變化。 在透射型傳感頭11的包層外面涂覆有折射率匹配材料13，折射率匹配材料13可以為聚合物材料，如紫外膠、硅膠，金屬材料，如金、鉬、鈀等。
該光纖傳感器的連接關系是第二傳導光纖10的一端與光源1的尾纖熔接，傳導光纖10的另一端與透射型壓力傳感頭11中的第二光子晶體光纖15的入射端即F端熔接， 熔接點為14 ；第三傳導光纖12的一端與探測器2熔接，另一端與透射型壓力傳感頭11中第二光子晶體光纖15的出射端即G端熔接，熔接點為16。
本發明中的光纖壓力傳感器具有體積小，結構簡單，實現方便，可靠性高的特點。
權利要求
1.一種基于光子晶體光纖的壓力傳感方法，其特征在于將光子晶體光纖制作的壓力傳感頭與普通傳導光纖熔接，熔接點兩端的光纖因結構不同具有不同的傳輸模場，光源發出的光經過普通傳導光纖耦合至由光子晶體光纖制作的壓力傳感頭中，當壓力作用在壓力傳感頭上時，壓力傳感頭中光子晶體光纖的空氣孔尺寸、孔間距變化和壓力呈線性變化，而普通傳導光纖的模場幾乎不發生變化，光在經過熔接點進入壓力傳感頭后，光功率損耗會發生變化，采用探測器探測輸出光功率的變化，便可實現壓力的測量；所述壓力測量模型為Ι = Ι0· (A+B · P)其中A、B分別為A = ^-wOpx-wOpy ,β = 4w^(w0px-kpy+w0py-kpx)其中山為輸入光功率，ι為輸出光功率；k.、Ictlpy分別為光子晶體光纖在X和Y軸方向的壓力系數，wc為普通傳導光纖的模場直徑，w0px, w0py為光子晶體光纖未施加壓力時X軸和Y軸的初始模場直徑，P是施加的壓力大小。
2.根據權利要求1所述的基于光子晶體光纖的光纖壓力傳感方法，其特征在于所述光子晶體光纖是實心結構，也可為空心結構。
3.根據權利要求1所述的基于光子晶體光纖的光纖壓力傳感方法，其特征在于所述壓力傳感頭為透射光路中的透射型壓力傳感頭或反射光路中反射型壓力傳感頭。
4.根據權利要求1所述的基于光子晶體光纖的光纖壓力傳感方法，其特征在于所用光源是寬譜的發光二極管、或窄譜的激光二級管，或摻稀土的光纖光源、或光纖激光器。
5.一種基于光子晶體光纖的反射型壓力傳感器，其特征在于包括光源(1)、光纖耦合器(3)、探測器O)、第一傳導光纖G)、反射型壓力傳感頭(5)；所述反射型壓力傳感頭(5) 由一段第一光子晶體光纖(8)和反射膜(9)組成；光源(1)的尾纖與光纖耦合器(3)的輸入端即A端熔接，探測器( 與光纖耦合器C3)的反射端即C端熔接；傳導光纖(4)的一端與光纖耦合器(3)的出射端即B端熔接，另一端與反射型壓力傳感頭(5)中第一光子晶體光纖(8)的第一出射端D端熔接，第一光子晶體光纖(8)的第二出射端即E端鍍有反射膜 ⑶。
6.根據權利要求5所述的基于光子晶體光纖的反射型壓力傳感器，其特征在于所述的反射膜(9)的材料為二氧化硅、二氧化鈦或金屬膜。
7.一種基于光子晶體光纖的透射型壓力傳感器，其特征在于包括光源(1)、探測器 O)、透射型壓力傳感頭(11)、第二傳導光纖(10)、第三傳導光纖(1 ；所述透射型壓力傳感頭(11)為一段第二光子晶體光纖(1 ；第二傳導光纖(10)的一端與光源(1)的尾纖熔接，另一端與透射型壓力傳感頭(11)中第二光子晶體光纖(1 的入射端即F端熔接；第三傳導光纖(1 的一端與探測器( 熔接，另一端與透射型壓力傳感頭(11)中第二光子晶體光纖(15)的出射端即G端熔接。
8.根據權利要求5或7所述的光纖壓力傳感器，其特征在于所述第一光子晶體光纖 (8)和第二光子晶體光纖(15)是實心結構，或空心結構。
9.根據權利要求5或7所述的光纖壓力傳感器，其特征在于所述光源(1)為寬譜的發光二極管、窄譜的激光二級管或摻稀土的光纖光源。
全文摘要
一種基于光子晶體光纖的壓力傳感方法及傳感器，將光源發出的光經過普通傳導光纖耦合至由光子晶體光纖制作的壓力傳感頭中，當壓力作用在壓力傳感頭上時，光子晶體光纖的空氣孔尺寸、孔間距變化和壓力呈線性變化，使光源傳輸光模場發生變化，引起熔接點耦合損耗的變化，采用探測器探測輸出光強的變化，實現壓力的測量。本發明具有結構簡單，尺寸小，溫度無關和對電磁不敏感且生物兼容，對輻射不敏感等特點。
文檔編號G01L1/24GK102494816SQ20111037240
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月20日 優先權日2011年11月20日
發明者葉淼, 張星, 楊明偉, 楊遠洪, 段瑋倩 申請人:北京航空航天大學