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1、目 录摘要1关键词11 引言12 基本概念22.1光子晶体22.2光子晶体光纤22.2.1光子晶体光纤的导光原理32.2.2光子晶体光纤的主要特性32.3 PCF 压力传感基本原理42.4 PCF 压力传感器系统组成63 光信号在光子晶体光纤的传输特性73.1 理论和计算方法83.2 数值模拟与结果分析93.2.1PCF 模型及其纤芯传播模式93.2.2PCF 参数对其传输特性的影响94 信号检测、解码及放大系统104.1 信号检测104.1.1 光子晶体光纤传感器检测原理104.1.2 光信号调制104.2 PCF压力传感器输出信号解码方案124.3 信号放大电路与信号处理系统145 A/D
2、转换器的实现方法155.1 A/D转换器的工作原理155.1 A/D转换器的实现方法175.2.1 逐次逼进式, 新转换技术175.2.2 积分式A/D转换技术185.2.3 模数转换技术205.3 各种智能A/D转换器的比较21结论22致谢23参考文献24Abstract：25Keywords：25智能PCF压力传感器系统设计邱银平（三峡学院电子与信息工程学院电子信息工程专业2008级万州404000）摘要：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其应用于各种工业自控环境。近年来，随着光子晶体光纤的快速发展，智能PCF压力传感器已广泛的用于各种压力环境监控中。文章分析了智能PCF压力传感
3、器的基本工作原理，介绍了智能PCF压力传感器的系统组成，从理论上应用平面波展开法数值模拟了光子晶体光纤的传输特性, 对PCF传感器解码系统进行了分析，分析比较了各种A/D转换方案，提出了实用于PCF传感器的最佳A/D转换。关键词：智能PCF压力传感器 光子晶体光纤 PCF传感器解码系统 A/D转换 1 引言 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出
4、现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCF），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），
5、并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的部全反射光子晶体光纤（TIR-PCF） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层。这些光纤（PBG-PCF）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层传播。相比而言，部全反射光子晶体光纤（TIR-PCF）首先是被制造出来的，而真正的光
6、子带隙传导光纤（PBG-PCF）只是在近期才得到实验证明。近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 2 基本概念2.1光子晶体光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间
7、折射率的周期变化.在周期性介质中，电场满足麦克斯韦波动方程： (2-1)式中，为常数，可以认为是介质的平均介电常，是扰动介电常数，c为真空中的光速。在周期性势场中，电子的波函数满足薛定愕方程： (2-2)式中，为普朗克常数，为电子的能量，在周期性势场中只能取本征值.可以看出，方程(2-1)与(2-2)的形式完全相似. 在周期性势场中只能取本征值，因此，在周期性介电晶体中，也只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙3。频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。因此，光子晶体就是折射率呈周期分布的光学介质。与半导体晶格对电子波函
8、数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。能量处在光子带隙的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。2.2光子晶体光纤光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纤 (Holeyfiber，HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规
9、光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。2.2.1光子晶体光纤的导光原理根据纤芯引入缺陷态的不同 , PCF导光机理可以分为两类:全反射型和光子带隙型。a 全反射型 PCF导光原理周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的 PCF导光机理依然是全反射 ,但与常规G.652光纤有所不同 ,由于包层包含空气 ,所以这种机理称为改进的全反射 ,如图 2-1所示。这是因为空芯 PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。图2-1b 光子带隙型 PCF导光机理5理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯 PCF的传导条件 ,即光
10、子带隙导光理论。在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射出去 ,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时 ,其光子能隙围就能阻止相应光传播 ,光被限制在中心空芯之传输。如图 2-2所示 ,这种 PCF可传输 99%以上的光能 ,而空间光衰减极低 ,光纤衰减只有标准光纤的 1 /21 /4。图2-22.2.2光子晶体光纤的主要特性 PCF 灵活设计的微孔结构导致了其具有许多奇异的特性,这样有效地扩展和增加了光纤的应用领域。a.无截止单模。光子晶体光纤在其空气孔径与孔间距之比小于0.2时, 无论什么波长都能单模传输,
11、 与传统光纤随着纤芯尺寸的增加会出现多模化的特性比; 似乎不存在截止波长,这就是无截止单模传输特性. PCF 可在从蓝光到2的光波下单模传输, 且与光纤的绝对尺寸无关, 所以通过改变空气孔间距来调节模场面积. 小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性。这有利于提高或降低光学非线性, 可用在低非线性通信用光纤, 高光功率传输等方面。b.灵活的色度色散。就光子晶体光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性. 只要改变孔径与孔间距之比, 即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态, 例如零色散波长可以向短波大大推进, 具有优性质的色散平坦等等.c.良好的非线性效应。在
12、光子能隙导光PCF中, 可以通过减小光纤的模场面积 (或者减小PCF纤芯空气孔直径)来增强单位有效面积上的光强,从而增强非线性效应, 使光子晶体光纤同时具备强非线性和快速响应的特性.根据现有的技术水平, 各种典型非线形光纤器件的非线性环形镜等就可以比普通光纤短100倍.这一特性为制造大有效面积 PCF奠定了技术基础.d.高双折射效应。在PCF 中,通过改变其包层结构可制出高双折射效应的PCF, 只要破坏光子晶体光纤剖面的圆对称性, 使其成为二维结构就可以形成很强的双折射. 实际中可通过减少一些空气孔,或者改变一些空气孔的尺寸来获得高的双折射特性。2.3 PCF 压力传感基本原理在PCF 压力传
13、感器系统中，作为敏感元件，采用的是折射率引导型PCF, 其传播的光脉冲限制在纤芯。当有外部压力作用时， PCF 各点产生面应力， 在面应力作用下各点发生应变， 忽略剪应力和角应变， 在直角坐标系中， 正应力可表示为xyz ， 其中x 、y 分别表示x 和y 轴所受的横向应力，z 表示PCF 轴向即z 方向受到的应力； 正应变量可表示为 x yz , 其中x 、y 表示PCF 横向应变，z 表示PCF 轴向应变。设PCF 传感器中敏感元件PCF 所处的外界压力场的压力为f , PCF 纤芯直径为d, 敏感元件PCF的长度为L , 外部压力作用于敏感元件PCF 的示意图如图2-3所示图2-3 外部
14、压力作用于敏感元件PCF 的示意图根据弹性力学理论， 在外界压力作用下， PCF纤芯的3 个方向均会产生应力， 其应力可表示为： （2-3）根据弹光理论， PCF 中某点的应力与产生的应变满足以下关系式： （2-4）式中， Ci, j 是PCF 的弹性系数。根据弹性力学理论可以证明C11 = C22 = C33 , C12 = C13 = C21 = C23 = C31= C32 , 则在外界压力作用下PCF 中产生的应变与静压力在PCF 中形成的应力之间的关系如下： (2-5) 应力作用下PCF 的光学特性会发生改变， 并导致PCF 纤芯有效折射率发生改变， 根据弹光理论， 这个改变量可表示
15、如下： （2-6） 式中， n0 为纤芯未受压力时的折射率； E 为氏模量； 为硅光纤泊松比； p 11、p 12 均为PCF 弹光系数。PCF 的物理参数取值如下： n0 = 1. 47, = 0. 17,E = 7. 3 1010 Pa, p 11 = 0. 113, p 12 = 0. 252, 则可根据式（2-3） 和式（2-6） 计算特定压力作用下PCF 纤芯有效折射率的改变量。在PCF 压力传感器系统中， 敏感元件采用折射率引导型PCF, 根据光波导理论， 光脉冲在PCF 中传播距离L 后的相位延迟量为：， （2-7）式中， L 为PCF 的长度； n为纤芯折射率分布； 为光波在光纤中的传播波长。在外界压力作用下， PCF中会产生应力， 由于应力作用， PCF 的长度、横截面结构及折射率分布将出现波动， 并引起相位延迟的波动， 可以在PCF 传感器输出端采用特
