基本信息
- 项目名称：
- 基于一维光子晶体缺陷模的光纤探测器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 基于一维光子晶体缺陷模的光纤温度探测器以一维光子晶体作为温度传感元件并与光纤结合，研发出一种灵敏度高，响应速度快的温度探测器。本探测器首次将光子晶体应用于温度传感领域，利用光子晶体禁带随温度变化特性实现温度快速测定与实时监测等功能；另探测信号只在光纤中传输，不受外部环境影响。与其他温度探测器相比，本探测器具有技术先进、灵敏度高、响应速度快概念新颖、成本低、操作简单、使用寿命长等优点。
- 详细介绍：
- 基于一维光子晶体缺陷模的光纤温度探测器由光源、光传输单元、温度探测单元以及光接收单元四个部分组成。光源采用常用通信波段激光器，输出波长为1.55μm；光传输单元为光纤和光纤耦合器；温度探测单元为一维光子晶体，该一维光子晶体由硅层与二氧化硅层沿光传输方向相间叠加排列构成，硅层与二氧化硅层的光学厚度相等，该单元是直接通过真空镀膜的方式直接镀附在一传输光纤端面上，其中一维光子晶体中存在一层硅薄膜的光学厚度与其他层不同，并由此在光子晶体中引入缺陷模。另外，一维光子晶体外表面还镀有二氧化硅保护膜，该保护膜可以有效防止一维光子晶体遭受可能的污染与氧化；光接收单元为半导体光功率探测器。 开启探测器后，激光器输出激光耦合进入光纤1传输，该光纤另一端连接光纤耦合器，激光从光纤出射后进入光纤耦合器后由其耦合进入另一条光纤2，且该光纤另一端镀附有温度传感器即含缺陷模一维光子晶体；激光由光纤2进入一维光子晶体，经经一维光子晶体调制后再经该光纤返回进光纤耦合器；光纤耦合器将调制光信号耦合进入另一条光纤3，然后由该光纤将调制光输出至光功率探测器；最后由光功率探测器探测输出调制光信号光功率并与原先输入信号比对确定被测温度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目基于一维光子晶体缺陷模的光纤温度探测器旨在实现各种环境下的温度快速精确测量与实时监测。本项目采用目前光纤温度传感器普遍采用的光强调制方式，利用含缺陷模一维光子晶体作为温度传感元件，光纤作为探测光传输路径，光功率探测器测量输出的调制光信号光强，最后将温度传感元件调制光信号与原输入光信号对比确定温度值。 本项目的创新点在于：首次将光子晶体作为温度探测元件，一维光子晶体由硅和二氧化硅在一维方向相间排列构成并且由特定硅层在其中引入缺陷模，该光子晶体对温度变化非常敏感，能够探测到被测环境极其细微的温度变化且运行稳定。另外本探测器中的光信号只在光纤中传输，不会受到被测环境的影响，所以本探测器可以在极端恶劣的测量环境中使用。 本项目的技术关键在于含缺陷模的一维光子晶体的制作。该一维光子晶体是通过真空蒸镀的方式直接镀附在传输光纤一端，光子晶体中除引入缺陷模的缺陷层外所有硅层和二氧化硅层的光学厚度必须相等且缺陷层厚度固定，对镀膜精度要求很高。 经重复测试，本探测器达到的性能与技术指标为： （1） 温度分辨率达到<±1℃ （2） 测量精确度≤0.5℃ （3） 温度测量范围为30℃~130℃
科学性、先进性
- 本项目中首次提出将一维光子晶体作为温度传感元件并将其与光纤结合，研制出了一种灵敏度高，响应速度快的温度探测器。光子晶体是当前纳米光子学研究的热门，其中有关一维光子晶体应用得到了大量的理论研究，为其走向实用化奠定了理论基础。 本项目的先进性主要体现在以下几个方面：1、材料先进，造价低廉。本项目是国内首次将光子晶体投入实用，本项目中将一维光子晶体作为温度传感元件使用，且一维光子晶体体积小巧，制作相对简单，适合集成化大规模生产使用。2、灵敏度高。本项目中一维光子晶体由硅和二氧化硅在一维方向上交替排列构成，其中在光子晶体中引入缺陷的是硅层。将一维光子晶体作为温度传感元件，探测效果比传统光纤温度探测器更加准确。3、抗干扰性强。一维光子晶体对光子具有良好的控制能力，不受外界电磁环境影响。另外光子晶体外层镀有二氧化硅保护膜，该保护膜可以有效防止一维光子晶体遭受可能的污染与氧化。4、操作简单。探测器探测过程中不需要花费精力去调整复杂的光路或是人为操作、调整任何部件，具有操作简单的优势。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中产阶段
技术转让方式
- 专利实施许可
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目将光子晶体和光纤的优点充分利用，将一维光子晶体缺陷模对温度的高灵敏性和光纤对环境的高抗干扰性相结合，研发出的温度传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰性强、适用多种恶劣环境等特点。 本项目适用于多种环境：存在高压、电磁或射频的环境；安装环境狭小，对传感器尺寸有特殊要求的场合；易燃易爆、腐蚀的环境有特殊要求的场合。本项目的应用范围包括：百万伏高压变电柜、开关柜；地下电缆、高压架空电缆的在线温度检测及过热报警系统；发电厂各种管网的温度检测及过热报警系统，大中型变压器的整体温度检测及过热报警系统；变电站的环境温度检测及火灾报警系统；发电机组的温度检测、故障诊断及过热报警系统；煤矿、隧道的火灾防治与温度报警等等。 近年来传感器市场不断扩大，尤其光纤传感器市场飞速扩张，需求量大大增加，光纤温度传感器具有长远的发展前景，而且具有非常好的经济效益。我们已与某公司合作，正将产品应用于市场，另外我们有充足的实验设备可以做进一步实验研究，不断完善产品。
同类课题研究水平概述
- 自从上世纪70年代光纤面世以来，光纤传感技术便获得了高速的发展，也涌现了出了许多的光纤温度传感器。 目前针对光纤温度传感器的研究主要集中在以下几个方向： 1.基于F-P干涉仪的光纤温度传感器。2008年，Hae Young Choi 等人利用一个混合结构F-P干涉仪制作了一个光纤高温传感器，该传感器最高能测量1000℃的高温；2010年，Jiajun Wang等人也利用F-P干涉仪制作了光纤高温传感器，他们的传感器测量分辨率最小可以达到0.3℃左右，同时最高能测量高于1000℃的高温。 2.光纤光栅温度传感器。2009年，Seongmin Ju等人报道了利用光纤布拉格光栅制作的高灵敏度的光纤温度传感器，分辨率可以达到0.0176nm/℃；李阔等人也报道了一种光纤光栅温度传感器的制作方法。 3.光子晶体光纤温度传感器。2010年，V. Finazzi等人利用光子晶体光纤制作了高温传感器，最高测量温度可以达到1000℃；Bryan Park等人也报道了利用硅光子晶体光纤制作温度传感器。 4.光纤荧光光纤温度传感器。2009年，浙江大学叶林华等人利用蓝宝石光纤制作了荧光温度传感器，测温范围0℃～450℃且响应速度仅为0.2ms；河北师范大学武金玲也对荧光光纤温度传感做了信号处理方面的研究。 当今的光纤温度传感所采用技术越来越多，也有很多研究人员将多种技术混合起来使用，比如将光纤光栅和F-P干涉仪结合。本项目运用光子晶体概念，设计和制作了新型光纤温度传感器，该器件具备简单、实用和成本低的优点，并已经申请两项国家专利。
