基本信息
- 項目名稱：
- 基于一維光子晶體缺陷模的光纖探測器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器以一維光子晶體作為溫度傳感元件并與光纖結(jié)合，研發(fā)出一種靈敏度高，響應(yīng)速度快的溫度探測器。本探測器首次將光子晶體應(yīng)用于溫度傳感領(lǐng)域，利用光子晶體禁帶隨溫度變化特性實現(xiàn)溫度快速測定與實時監(jiān)測等功能；另探測信號只在光纖中傳輸，不受外部環(huán)境影響。與其他溫度探測器相比，本探測器具有技術(shù)先進、靈敏度高、響應(yīng)速度快概念新穎、成本低、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器由光源、光傳輸單元、溫度探測單元以及光接收單元四個部分組成。光源采用常用通信波段激光器，輸出波長為1.55μm；光傳輸單元為光纖和光纖耦合器；溫度探測單元為一維光子晶體，該一維光子晶體由硅層與二氧化硅層沿光傳輸方向相間疊加排列構(gòu)成，硅層與二氧化硅層的光學(xué)厚度相等，該單元是直接通過真空鍍膜的方式直接鍍附在一傳輸光纖端面上，其中一維光子晶體中存在一層硅薄膜的光學(xué)厚度與其他層不同，并由此在光子晶體中引入缺陷模。另外，一維光子晶體外表面還鍍有二氧化硅保護膜，該保護膜可以有效防止一維光子晶體遭受可能的污染與氧化；光接收單元為半導(dǎo)體光功率探測器。 開啟探測器后，激光器輸出激光耦合進入光纖1傳輸，該光纖另一端連接光纖耦合器，激光從光纖出射后進入光纖耦合器后由其耦合進入另一條光纖2，且該光纖另一端鍍附有溫度傳感器即含缺陷模一維光子晶體；激光由光纖2進入一維光子晶體，經(jīng)經(jīng)一維光子晶體調(diào)制后再經(jīng)該光纖返回進光纖耦合器；光纖耦合器將調(diào)制光信號耦合進入另一條光纖3，然后由該光纖將調(diào)制光輸出至光功率探測器；最后由光功率探測器探測輸出調(diào)制光信號光功率并與原先輸入信號比對確定被測溫度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本項目基于一維光子晶體缺陷模的光纖溫度探測器旨在實現(xiàn)各種環(huán)境下的溫度快速精確測量與實時監(jiān)測。本項目采用目前光纖溫度傳感器普遍采用的光強調(diào)制方式，利用含缺陷模一維光子晶體作為溫度傳感元件，光纖作為探測光傳輸路徑，光功率探測器測量輸出的調(diào)制光信號光強，最后將溫度傳感元件調(diào)制光信號與原輸入光信號對比確定溫度值。 本項目的創(chuàng)新點在于：首次將光子晶體作為溫度探測元件，一維光子晶體由硅和二氧化硅在一維方向相間排列構(gòu)成并且由特定硅層在其中引入缺陷模，該光子晶體對溫度變化非常敏感，能夠探測到被測環(huán)境極其細微的溫度變化且運行穩(wěn)定。另外本探測器中的光信號只在光纖中傳輸，不會受到被測環(huán)境的影響，所以本探測器可以在極端惡劣的測量環(huán)境中使用。 本項目的技術(shù)關(guān)鍵在于含缺陷模的一維光子晶體的制作。該一維光子晶體是通過真空蒸鍍的方式直接鍍附在傳輸光纖一端，光子晶體中除引入缺陷模的缺陷層外所有硅層和二氧化硅層的光學(xué)厚度必須相等且缺陷層厚度固定，對鍍膜精度要求很高。 經(jīng)重復(fù)測試，本探測器達到的性能與技術(shù)指標為： （1） 溫度分辨率達到<±1℃ （2） 測量精確度≤0.5℃ （3） 溫度測量范圍為30℃~130℃
科學(xué)性、先進性
- 本項目中首次提出將一維光子晶體作為溫度傳感元件并將其與光纖結(jié)合，研制出了一種靈敏度高，響應(yīng)速度快的溫度探測器。光子晶體是當(dāng)前納米光子學(xué)研究的熱門，其中有關(guān)一維光子晶體應(yīng)用得到了大量的理論研究，為其走向?qū)嵱没於死碚摶A(chǔ)。 本項目的先進性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、材料先進，造價低廉。本項目是國內(nèi)首次將光子晶體投入實用，本項目中將一維光子晶體作為溫度傳感元件使用，且一維光子晶體體積小巧，制作相對簡單，適合集成化大規(guī)模生產(chǎn)使用。2、靈敏度高。本項目中一維光子晶體由硅和二氧化硅在一維方向上交替排列構(gòu)成，其中在光子晶體中引入缺陷的是硅層。將一維光子晶體作為溫度傳感元件，探測效果比傳統(tǒng)光纖溫度探測器更加準確。3、抗干擾性強。一維光子晶體對光子具有良好的控制能力，不受外界電磁環(huán)境影響。另外光子晶體外層鍍有二氧化硅保護膜，該保護膜可以有效防止一維光子晶體遭受可能的污染與氧化。4、操作簡單。探測器探測過程中不需要花費精力去調(diào)整復(fù)雜的光路或是人為操作、調(diào)整任何部件，具有操作簡單的優(yōu)勢。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利實施許可
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本項目將光子晶體和光纖的優(yōu)點充分利用，將一維光子晶體缺陷模對溫度的高靈敏性和光纖對環(huán)境的高抗干擾性相結(jié)合，研發(fā)出的溫度傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強、適用多種惡劣環(huán)境等特點。 本項目適用于多種環(huán)境：存在高壓、電磁或射頻的環(huán)境；安裝環(huán)境狹小，對傳感器尺寸有特殊要求的場合；易燃易爆、腐蝕的環(huán)境有特殊要求的場合。本項目的應(yīng)用范圍包括：百萬伏高壓變電柜、開關(guān)柜；地下電纜、高壓架空電纜的在線溫度檢測及過熱報警系統(tǒng)；發(fā)電廠各種管網(wǎng)的溫度檢測及過熱報警系統(tǒng)，大中型變壓器的整體溫度檢測及過熱報警系統(tǒng)；變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報警系統(tǒng)；發(fā)電機組的溫度檢測、故障診斷及過熱報警系統(tǒng)；煤礦、隧道的火災(zāi)防治與溫度報警等等。 近年來傳感器市場不斷擴大，尤其光纖傳感器市場飛速擴張，需求量大大增加，光纖溫度傳感器具有長遠的發(fā)展前景，而且具有非常好的經(jīng)濟效益。我們已與某公司合作，正將產(chǎn)品應(yīng)用于市場，另外我們有充足的實驗設(shè)備可以做進一步實驗研究，不斷完善產(chǎn)品。
同類課題研究水平概述
- 自從上世紀70年代光纖面世以來，光纖傳感技術(shù)便獲得了高速的發(fā)展，也涌現(xiàn)了出了許多的光纖溫度傳感器。 目前針對光纖溫度傳感器的研究主要集中在以下幾個方向： 1.基于F-P干涉儀的光纖溫度傳感器。2008年，Hae Young Choi 等人利用一個混合結(jié)構(gòu)F-P干涉儀制作了一個光纖高溫傳感器，該傳感器最高能測量1000℃的高溫；2010年，Jiajun Wang等人也利用F-P干涉儀制作了光纖高溫傳感器，他們的傳感器測量分辨率最小可以達到0.3℃左右，同時最高能測量高于1000℃的高溫。 2.光纖光柵溫度傳感器。2009年，Seongmin Ju等人報道了利用光纖布拉格光柵制作的高靈敏度的光纖溫度傳感器，分辨率可以達到0.0176nm/℃；李闊等人也報道了一種光纖光柵溫度傳感器的制作方法。 3.光子晶體光纖溫度傳感器。2010年，V. Finazzi等人利用光子晶體光纖制作了高溫傳感器，最高測量溫度可以達到1000℃；Bryan Park等人也報道了利用硅光子晶體光纖制作溫度傳感器。 4.光纖熒光光纖溫度傳感器。2009年，浙江大學(xué)葉林華等人利用藍寶石光纖制作了熒光溫度傳感器，測溫范圍0℃～450℃且響應(yīng)速度僅為0.2ms；河北師范大學(xué)武金玲也對熒光光纖溫度傳感做了信號處理方面的研究。 當(dāng)今的光纖溫度傳感所采用技術(shù)越來越多，也有很多研究人員將多種技術(shù)混合起來使用，比如將光纖光柵和F-P干涉儀結(jié)合。本項目運用光子晶體概念，設(shè)計和制作了新型光纖溫度傳感器，該器件具備簡單、實用和成本低的優(yōu)點，并已經(jīng)申請兩項國家專利。
