CN103776384A - 光纤耦合光子晶体平板应变传感器、系统以及制作和使用方法 - Google Patents

光纤耦合光子晶体平板应变传感器、系统以及制作和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤耦合光子晶体平板应变传感器、系统以及制作和使用方法。本发明总体涉及一种应变传感器、系统以及制作和使用方法，其包括光纤、发射光信号通过光纤的光信号发生器、光纤内的由第一光纤段分开的至少两个光子晶体平板、检测从至少两个光子晶体平板反射的光信号的光电检测器以及处理器，处理器基于由光电检测器检测到的反射的光信号，计算第一光纤段上的机械应变。

Description

光纤耦合光子晶体平板应变传感器、系统以及制作和使用方法
技术领域
在此呈现的技术领域涉及光纤传感器，其包括通过一段光纤分开的至少一对光耦合的光子晶体平板（crystal slab）。
背景技术
在多数情况下，光纤布拉格光栅传感器通常是光学传感器的选择。这些传统的传感器的制作需要去除光纤包层并且修改光纤芯，随后替换光纤包层。已研制出较新的方法，即允许在不需要去除包层的情况下修改光纤的折射率，然而，这些构造方法导致制作困难以及额外的成本。其他类型的传感器包括将光纤线粘至材料上，并且试着寻找透射光的变化，然而，这些类型的传感器需要被绑至光纤线的相对侧上的光发射和光接收系统。
其他方法注意到沿玻璃光纤的整个长度已经存在的不连续性，并且将光纤本身用作一种形式的自然布拉格光栅系统。执行这个方法所需的设备显得贵且复杂，并且没有表现出使其本身允许其他传感器对相同光纤进行操作。
与光纤传感器相反，电基传感器和系统被认为极易受到这种环境威胁的影响，并且也未表现出提供至多传感器布局（hookup）的单个连接。光纤解决方案提供了抗EMI、RFI、闪电的益处，并且允许光纤被用在电基传感器未起到最优作用的危险环境中。
另一个概念涉及使用被一片光纤分离的TiO2电介质反射镜形成法布里-珀罗干涉仪。此类型的传感器实质上形成了非常大的镜面对镜面结构，其作用类似于基于微机电系统（MEMS）的法布里珀罗干涉仪。然而，Ti`2电介质反射镜的使用在其用途上被仅限于窄光谱的操作光波长。
需要一种基于光纤的应变计量仪，其等效于光纤布拉格光栅类型设计，但是具有发射光波长选择性、借助或不借助激光源进行操作以及与在同一光纤上的多个应变传感器进行互操作的优势。针对这些考虑和其他考虑，在此提出了本公开。
发明内容
应理解，提供发明内容是为了以简化的形式介绍一组概念，这些概念将在下面的详细说明中得到进一步说明。发明内容无意被用来限制所要求保护的主题的范围。
本文所公开的一个方面包括应变传感器系统，其包括光纤、发射光信号通过光纤的光信号发生器、光纤内的由第一光纤段分开的至少两个光子晶体平板、检测从至少两个光子晶体平板反射的光信号的光电检测器以及处理器，处理器基于由光电检测器检测到的反射的光信号，计算第一光纤段上的机械应变。
本文所公开的另一个方面包括光子晶体应变传感器，其包括具有第一端和第二端的光纤，以及至少一对光子晶体点阵，其被布置在光纤段之间。
本文所公开的另一方面包括一种用于制作光纤光子晶体应变传感器的方法，其包括提供具有第一端的第一熔融石英通信级光纤。第一光子晶体点阵被接合至第一光纤的第一端，第一光子晶体点阵包括直径在0.25μm至1.0μm之间的多个孔。提供具有第一和第二端的第二熔融石英通信级光纤。第二光纤的第一端或者第二端中的一个被接合至第一光子晶体点阵，并且第二光子晶体点阵被接合至第二光纤的另一远端，第二光子晶体点阵包括直径在0.25μm至1.0μm之间的多个孔。这些第一和第二光子晶体点阵在光纤内第二光纤的第一端和第二端之间形成了法布里珀罗（校准器）干涉仪。
本文所公开的又一个方面包括提供光纤光子晶体应变传感器，包括被布置在光纤内的一对光子晶体晶片，该对光子晶体晶片被光纤段分开。光纤光子晶体应变传感器的第一部分被粘附至表面的第一部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第一部分包括一对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片。光纤光子晶体应变传感器的第二部分被粘附至表面的第二部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第二部分包括一对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片。在对应于该对光子晶体晶片的第一方向上，传输具有第一波长的第一光信号。然后，在与光纤中的第一方向相反的方向上，接收从该对光子晶体晶片反射回来的第一光信号。然后，基于从该对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第一光信号，计算应变测量值。
根据本发明一方面，提供了一种应变传感器系统，其包含光纤、发射光信号通过光纤的光信号发生器、光纤内的由第一光纤段分开的至少两个光子晶体平板、检测从至少两个光子晶体平板反射的光信号的光电检测器以及处理器，处理器基于由光电检测器检测到的反射的光信号，计算第一光纤段上的机械应变。
有利地，光纤和光纤的第一段还包含熔融石英通信级光纤。
有利地，光信号发生器包含激光器。
有利地，光信号发生器包含发光二级管（LED）。
有利地，至少两个光子晶体平板中每一个还包含单片光子晶体点阵，其包括多个孔。
优选地，通过反应离子刻蚀（RIE）形成多个孔中的每一个，每个孔的直径在0.25μm至1.0μm之间，其中单片光子晶体点阵具有400μm至500μm之间的厚度。
有利地，传感器系统还包含光纤内的多个光纤段，多个光纤段中的每一个由光纤内的对应的一对光子晶体平板限定，其中对应的每一对光子晶体平板形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。
优选地，光电检测器检测从光纤内的对应的每一对光子晶体平板反射的光信号，并且处理器基于每个相应的反射的光信号，计算多个光纤段中的每一个上的机械应变。
有利地，光信号发生器产生多个特定波长的光信号，其中每个特定波长的光信号对应于光纤内的预定对应的一对光子晶体平板。
有利地，光纤还包含被包层包围的中心芯，其中至少两个光学晶体平板中的每一个被设置为与光纤的大部分中心芯干涉。
根据本公开的又一个方面，提供了光子晶体应变传感器，其包括具有第一端和第二端的光纤，以及至少一对光子晶体点阵，其被布置在光纤段之间。
有利地，光纤和光纤段还包含熔融石英通信级光纤。
有利地，至少一对光子晶体点阵中的每一个还包含多个孔。
优选地，多个孔中的每一个具有0.25μm至1.0μm之间的直径，其中至少一对光子晶体点阵中的每一个具有400μm至500μm之间的厚度。
有利地，至少一对光子晶点阵形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。
有利地，光纤还包含被包层包围的中心芯，其中至少一对光学晶体点阵被布置为与光纤的大部分中心芯干涉。
有利地，多对光子晶体点阵被布置在对应的光纤段之间。
根据本公开的又一个方面，提供一种用于制作光纤光子晶体应变传感器的方法，其包含：提供具有第一端的第一熔融石英通信级光纤；将包括多个孔的第一光子晶体点阵接合至第一光纤的第一端，孔的直径在0.25μm至1.0μm之间；提供具有第一端和第二端的第二熔融石英通信级光纤；将第二光纤的第一端或第二端中的一个接合至第一光子晶体点阵；以及将包括多个孔的第二光子晶体点阵接合至第二光纤的另一端，孔的直径在0.25μm至1.0μm之间，其中第一和第二光子晶体点阵在光纤内第二光纤的第一端和第二端之间形成了法布里珀罗（校准器）干涉仪。
有利地，制作光纤光子晶体应变传感器的方法还包含在光纤内提供多个法布里珀罗（校准器）干涉仪，每个干涉仪包括由光纤段分开的对应的一对光子晶体点阵。
优选地，制作光纤光子晶体应变传感器还包含：调谐对应的第一对光子晶体点阵，从而对具有第一光波长的第一传输光信号是敏感的；调谐对应的第二对光子晶体点阵，从而对具有第二光波长的第二传输光信号是敏感的；以及将对应的第一对光子晶体点阵和对应的第二对光子晶体点阵接合在相应的光纤段之间，从而分别形成由法布里珀罗（校准器）干涉仪调谐的第一和第二波长。
根据本公开的再一个方面，提供一种使用光纤光子晶体应变传感器测量应变的方法，其包含：提供光纤光子晶体应变传感器，其包括被布置在光纤内的至少一对光子晶体晶片，该至少一对光子晶体晶片被光纤段分开；将光纤光子晶体应变传感器的至少第一部分粘附至表面的第一部分，光纤光子晶体应变传感器的第一部分包括该至少一对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片；将光纤光子晶体应变传感器的至少第二部分粘附至表面的第二部分，光纤光子晶体应变传感器的第二部分包括该至少一对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片；在对应于该至少一对光子晶体晶片的第一方向上，传输具有第一波长的第一光信号；在与光纤中的第一方向相反的方向上，接收从该至少一对光子晶体晶片反射回的第一光信号；以及基于从该至少一对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第一光信号，计算应变测量值。
优选地，使用光纤光子晶体应变传感器测量应变的方法还包含：提供光纤光子晶体应变传感器，其包括被布置在光纤内的第二对光子晶体晶片，第二对光子晶体晶片由另一光纤段分开；将光纤光子晶体应变传感器的第三部分粘附至表面的第三部分，光纤光子晶体应变传感器的第三部分包括第二对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片；将光纤光子晶体应变传感器的至少第四部分粘附至表面的第四部分，光纤光子晶体应变传感器的第四部分包括第二对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片；在对应于第二对光子晶体晶片的第一方向上，传输具有第二波长的第二光信号；在与光纤中的第一方向相反的方向上，接收从第二对光子晶体晶片反射回的第二光信号；以及基于从第二对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第二光信号，计算第二应变测量值。
已经讨论的特征、功能以及优势可以在本公开的各种实施例中单独实现，或者可以在其他实施例中组合，参考下列描述和附图，可以看出进一步细节。
附图说明
根据详细描述和附图将更加全面地理解本文提出的实施例，其中：
图1示出光纤应变传感器系统的示意图；
图2示出根据图1的光纤应变传感器系统的透视分解图；
图3示出图2的光纤应变传感器的透视组装图；
图4示出光子晶体平板的透视前视图和光子晶体平板的透视部分后视图；
图5示出用于制作根据图1-4的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图；
图6示出使用根据图1-4的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图；以及
图7示出使用根据图1-4和图6的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上是示例性的，无意限制本公开或本公开的实施例的应用和用途。对具体装置、技术以及应用的描述仅作为示例提供。对本文所述的示例的修改对本领域技术人员是显而易见的，并且在不背离本公开的精神和范围的情况下，本文所定义的一般原则可以被应用至其他示例和应用。此外，无意受之前的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中呈现的任何表达的或者暗示的理论束缚。本公开应被给予与权利要求一致的范围，并且不限于本文所描述和示出的示例。
在此呈现的传感器是基于以生成法布里珀罗干涉仪的方式构成的光子晶体（PC）的使用。该配置中的PC材料的组合允许传感器使用不同波长的光在相同的光纤上进行互操作，相对于更昂贵的基于激光的光源，能够使用“喷散（sloppy）”光源（例如LED），并且相对于光纤长度，能够在非常具体的点进行感测。
图1示出光纤应变传感器系统的示意图，其中需要测量应变值的表面10具有与其机械附连的光纤20。一系列的各对光子晶体平板30A-30E被图示性地示为布置在光纤20内，并且由相应的光纤段22A-22D分开。每对光子平板30A-30E由长度为“L”的光纤分开，即：光子平板30A和30B由具有长度L1的光纤段22A分开；光子平板30B和30C由具有长度L2的光纤段22B分开；光子平板30C和30D由具有长度L3的光纤段22C分开；以及，光子平板30D和30E由具有长度L4的光纤段22D分开。光子平板30E可以被布置在光纤的一端，或者可以具有与其接合的额外的光纤段。光子平板30A-30E可以物理附连至任何物体的在至少两个光子平板之间需要进行应变测量的表面10。
光纤20被配置为将光运送至光子晶体30A-30E或者从光子晶体30A-30E运送光。光纤20具有光纤芯24，光纤芯24通过光纤涂层或者包层26保护，免于受潮、变形等（参看图2）。至少一个光信号发生器40（例如相干光源）通过光传输互连42耦合至光纤20的第一端，从而将相干光束发送通过光纤20至光子晶体30A-30E。光信号发生器40不限于相干光源，并且可以包含例如但不限于半相干光源、非相干光源等。光信号发生器40可以包括激光器或者可以被确定为具有较少精调（refined）的光波长输出的其他光源，例如发光二级管（LED）。
光电检测器50耦合至光纤20的第一端，以接收从光子晶体平板30A-30E反射的光信号，该光信号沿与光信号发生器40传输的光信号相反的方向传输。光通过内部反射被保持在光纤20的光纤芯24内，从而使光纤20用作波导。另外，处理器60接收来自光电检测器50的输出信号，并且被配置为计算分别沿光纤20的长度L1-L4的各对光子晶体平板30A-30E之间的机械应变。此外，光信号发生器40和光电检测器50可以包含发送和接收光信号的单个单元。
图2示出根据图1的光纤应变传感器的透视分解图，其中具有光纤芯24和光纤涂层或者包层26的光纤20包括一对光学晶体平板30A、30B，其通过光纤段22A间隔开长度L1。另外，另一光纤段22B连接至光子晶体平板30B的外面。
图3示出图2的光纤应变传感器的透视组装图，其中来自光信号发生器40的发送光信号44沿光纤20传输离开光信号发生器40，并且朝向一对光子晶体平板30A、30B。反射的光信号可以从任何光子晶体平板反射回来，并且穿过中间的光子晶体平板，朝向光电检测器50和光信号发生器40。例如，反射的光信号46可以从光子晶体平板30A反射回来，朝向光信号发生器40和光电检测器50。同样地，反射的光信号46’可以从光子晶体平板30B反射回来，穿过光子晶体平板30A，朝向光信号发生器40和光电检测器50。
图4示出代表性的光子晶体平板30A的透视前视图和同一光子晶体平板30A的透视部分后视图34。光子晶体平板30A-30E由例如但不限于硅晶基衬底形成（未示出），并且包括孔32作为周期性的光学纳米结构，这些光学纳米结构被设计为以类似于半导体晶体的周期性如何影响电子移动的方式影响光子的移动。以这种方式，光子晶体平板30A-30E的周期性的光学纳米结构可以包含，例如但不限于，光学孔点阵、光学珠点阵等。
一系列均匀间隔的光学通孔32通过反应离子刻蚀工艺（RIE）穿过光子晶体平板30A。另外，当在孔32的底部处进行的相当大量的刻蚀去除了形成光子晶体30A的基衬底时，RIE工艺额外地使各光子晶体平板与基衬底分离，由此允许光子晶体30A与硅晶体基衬底分离，从而使光子晶体结构在本质上是单片的。
与硅晶基衬底分离的孔32的点阵（lattice）结构在光子晶体平板30A的至少一个表面上产生周期性的电介质或者金属电介质纳米结构。孔32的间距和尺寸生成特定几何结构的光子晶体点阵30A，其中孔32的直径可以是例如，但不限制于约0.25μm至约1.0μm。
周期性的电介质或者金属电介质纳米结构孔32影响穿过其传输的电磁波的传播。影响电磁波的传播的方式类似于半导体晶体内的周期性电势通过定义允许的和禁止的电子能带影响电子运动的方式。光子晶体可以包含高介电常数和低介电常数的周期性结构的规则重复的内部区域。光子晶体的这些周期性结构可以被用于提供光学特性，包含例如但不限于，自发射的抑制、高反射率全向反射镜、低损耗波导等。以这种方式，光子晶体平板30A反射相应频率下的光信号。
尽管图4示出了光子晶体平板30A的一侧是相对平坦的，并且相反侧具有位于每个孔32的通孔周围的凹入部分，但是光子晶体平板30A可以具有如下任一配置，即平坦侧-平坦侧、平坦侧-凹入侧或者凹入侧-凹入侧的配置。
表现为波的光子依据其波长，可以传播通过光子晶体平板30A-30E的周期性结构。允许在光子晶体平板30A-30E内行进的光波长被称为允许模式，多组允许模式被称为谱带，不允许的波长谱带被称为光子带隙。为了提供上述光学特性，光子晶体平板30A-30E的周期性结构的周期性应该大致具有与电磁波的波长的一半相同的长度比例（length-scale）。特别地，周期性结构的高介电常数和低介电常数的重复区域应该大致具有电磁波的波长的一半的量级。例如，周期性结构的高介电常数和低介电常数的重复区域应该是约200nm（蓝色）至约350nm（红色），以便光子晶体操作在电磁波光谱的可视部分下。
由每对相邻且大体上平行的光子晶体平板30A-30E在结构上形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。每个光子晶体平板30A-30E的厚度可以是例如但不限于约400μm至约500μm。由于各对光子晶体平板30A-30E被光纤段22A-22D分离，因此任一对光子晶体30A-30E之间的长度的非常微小的变化可以生成光学干涉图案，该光学干涉图案可以通过光电检测器50感测并且通过处理器60计算，从而为由一对光子晶体定义的每个长度L1-L4的光纤计算机械应变。光反射量取决于分离距离L1-L4。因此，各对相邻的光子晶体30A-30E形成法布里珀罗（标准器）干涉仪。此外，单个光子晶体可以为两个相邻的法布里珀罗（校准器）干涉仪提供必要的反射表面，例如光子晶体30B是由被光纤段22A分离距离L1的光子晶体30A和30B所定义的法布里珀罗（校准器）干涉仪的一部分，并且是由被光纤段22B分离距离L2的光子晶体30B和30C所定义的法布里珀罗（校准器）干涉仪的一部分。
干涉仪一般使用光或者另一种形式的电磁波来进行干涉测量。干涉测量是一种用于通过测量由两个或更多波的叠加所生成的干涉图案来确定两个或更多波的特性的技术。干涉测量使用叠加原理将单独的波组合在一起，从而使组合结果具有可以用于测量两个或更多波的原始状态的特性。当具有基本上相等频率的两个波组合时，可以通过两个波之间的相位差确定所得到的干涉图案（即，同相波相长干涉，而异相波相消干涉）。两个相干波束之间的干涉条纹可以被用于确定光子晶体30A-30E相对于彼此的移动或相对位移，由此测量由表面10（在图1中示出）的变形所引起的应变。
在光学中，法布里珀罗干涉仪或者校准器通常由带有一对反射表面的透明板构成，例如光子晶体30A和30B，或者由两个高度平行的反射镜构成。前者是校准器，而后者是干涉仪，但是术语可以互换使用。作为波长函数的传输光谱表现出对应于校准器的共振的较大传输峰值。
光在两个反射表面（例如光子晶体30A和30B）之间的多次反射之间的干涉造成校准器的不同的传输函数。如果传输的波束是同相，则出现相长干涉，这对应于校准器的高传输峰值。如果传输的波束是异相，则出现相消干涉，这对应于传输最小。来自光信号发生器40的相干光的单个入射光束可以通过光栅或者部分反射镜被分离成两个光束。到达光电检测器50之前，两个光束中的每一个在不同路线（路径）上行进，直到重新组合。每个光束行进的距离的路径差可以生成两个光束间的相位差。相位差生成两个光束波之间的干涉图案。如果单个光束已经沿两个路径分离，则相位差可以被用于测量沿两个路径改变相位的任何参数。例如但不限于，路径长度的物理变化、沿两个路径中的一个或更多的折射率变化等。这些变化提供了用于测量变形值从而计算表面10的应变值的手段。
与光纤布拉格光栅中非常长的光纤长度相反，通过将一对光子晶体应变传感器布置在应变被测量的真实位置（即光纤段处于光子晶体之间，或者法布里珀罗共振腔），实现了感测在各对光子晶体平板/晶片之间的非常具体的点处的应变的能力。经比较，基于光纤布拉格光栅的传感器需要明显较长长度的光纤，因为沿着光纤长度的多个光栅在光纤中生成反射特定波长的周期性。
总之，光子晶体应变传感器包括具有第一端和第二端的光纤，以及被布置在光纤段之间的至少一对光子晶体点阵。光纤和光纤段还可以包含熔融石英的通信级光纤。至少一对光子晶体点阵中的每一个还可以包括多个孔，可以孔可以具有0.25μm至1.0μm之间的直径，以及400μm至500μm之间的厚度。每一对光子晶体点阵形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。光纤还包含由包层包围的中心芯，其中至少一对光学晶体点阵被布置为与光纤的大部分中心芯干涉。此外，多对光子晶体点阵可以被布置在对应的光纤段之间。
应变传感器系统包括光纤、发射光信号通过光纤的光信号发生器、在光纤内由第一光纤段分开的至少两个光子晶体平板、检测从至少两个光子晶体平板反射的光信号的光电检测器以及处理器，处理器基于光电检测器检测到的反射光信号来计算第一光纤段上的机械应变。光信号发生器可以包括激光器或者发光二级管（LED）。光电检测器可以检测从光纤内的对应的每一对光子晶体平板反射的光信号，并且处理器可以基于每个相应的反射光信号来计算多个光纤段中的每一个上的机械应变。光信号发生器产生多个特定波长的光信号，其中每个特定波长的光信号可以对应于光纤内预定对应的一对光子晶体平板。
图5示出用于制作根据图1-4的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图，其中在步骤100，提供具有第一端的第一熔融石英通信级光纤。在步骤102，包括直径在0.25μm至1.0μm之间的多个孔的第一光子晶体点阵被接合至第一光纤的第一端。在步骤104，提供具有第一端和第二端的第二熔融石英通信级光纤。在步骤106，第二光纤的第一端或者第二端中的一个被接合至第一光子晶体点阵，并且在步骤108，包括直径在0.25μm至1.0μm的多个孔的第二光子晶体点阵被接合至第二光纤的另一远端，其中在步骤110，第一和第二光子晶体点阵在光纤内第二光纤的第一端和第二端之间形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。
另外，在步骤112，可以在光纤内提供多个法布里珀罗（校准器）干涉仪，其中每个干涉仪包括通过光纤段分开的对应的一对光子晶体点阵。
对应的第一对光子晶体点阵被调谐为对具有第一光波长的第一传输光信号敏感，对应的第二对光子晶体点阵被调谐为对具有第二光波长的第二传输光信号敏感。对应的第一和第二对光子晶体点阵被接合在相应的光纤段之间，从而分别形成调谐第一和第二波长的法布里珀罗（校准器）干涉仪。
图6示出使用上述图1-4所示的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图。本方法在步骤200提供光纤光子晶体应变传感器，其包括被布置在光纤内的一对光子晶体晶片，这一对光子晶体晶片被光纤段分开。在步骤202，光纤光子晶体应变传感器的第一部分被粘附至表面的第一部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第一部分包括这一对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片。在步骤204，光纤光子晶体应变传感器的第二部分被粘附至表面的第二部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第二部分包括这一对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片。
在步骤206，在对应于这一对光子晶体晶片的第一方向传输具有第一波长的第一光信号。然后，在步骤208，接收从这一对光子晶体晶片反射回来的、在与光纤中的第一方向相反的方向上的第一光信号。然后，在步骤210，基于从这一对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第一光信号来计算应变测量值。
图7示出使用上述图1-4和图6所示的光纤光子晶体应变传感器的方法的逻辑流程图，其中通过在步骤300提供包括被布置在光纤内的第二对光子晶体晶片的光纤光子晶体应变传感器（第二对光子晶体晶片通过另一个光纤段分开），可以由相同的光学光子晶体应变传感器得到第二应变测量值。在步骤302，光纤光子晶体应变传感器的第三部分被粘附至表面的第三部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第三部分包括第二对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片。在步骤304，光纤光子晶体应变传感器的第四部分被粘附至表面的第四部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第四部分包括第二对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片。
在步骤306，在对应于第二对光子晶体晶片的第一方向上传输具有第二波长的第二光信号。然后，在步骤308，接收从第二对光子晶体晶片反射回来的、在与光纤中的第一方向相反的方向上的第二光信号。然后，在步骤310，基于从第二对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第二光信号来计算第二应变测量值。
上述公开允许生成基于光纤的应变计量仪，其等效于光纤布拉格光栅类型设计，但是具有通过使用光子晶体反射器而提供的以下优势：波长选择性，借助或不借助激光源进行操作，以及与同一光纤上的其他光子晶体传感器进行互操作。更具体地，按照生成法布里珀罗干涉仪的方式构成的光子晶体的使用使得在同一光纤上的多个传感器使用不同的光波长进行互操作，相对于更昂贵的基于激光的光源，能够使用“喷散”光源（例如LED），并且相对于光纤长度，能够在非常具体的点处进行感测。该系统使得互联的传感器能够覆盖具有多个应用的较大区域，并且减少开发此类系统的复杂性，同时提供许多与更复杂设计相同的益处。
提供上述主题仅为了进行说明，不应视为限制。可以对本文所述主题进行各种修改和变化，而无需遵循所示的和所述的示例性实施例，并且不背离权利要求中所陈述的本公开的真实精神和范围。

Claims (15)

1.一种应变传感器系统，其包含：
光纤（20）；
光信号发生器（40），其发射光信号通过所述光纤（20）；
在所述光纤（20）内的至少两个光子晶体平板（30A、30B），所述至少两个光子晶体平板通过所述光纤（20）的第一段（22A）分开；
光电检测器（50），其检测从所述至少两个光子晶体平板（30A、30B）反射的光信号；以及
处理器（60），其基于由所述光电检测器（50）检测到的反射的光信号来计算所述光纤（20）的第一段（22A）上的机械应变。
2.根据权利要求1所述的应变传感器系统，其中所述光纤（20）和光纤（20）的第一段（22A）还包含熔融石英通信级光纤。
3.根据权利要求1或2所述的应变传感器系统，其中所述光信号发生器（40）包含激光器。
4.根据权利要求1、2或3所述的应变传感器系统，其中所述光信号发生器（40）包含发光二级管（LED）。
5.根据权利要求1-4所述的应变传感器系统，其中所述至少两个光子晶体平板（30A、30B）中的每一个还包含单片光子晶体点阵，所述单片光子晶体点阵包括多个孔（32）。
6.根据权利要求5所述的应变传感器系统，其中通过反应离子刻蚀（RIE）形成所述多个孔（32）中的每一个，每个孔的直径在0.25μm至1.0μm之间，以及
其中所述单片光子晶体点阵具有400μm至500μm之间的厚度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的应变传感器系统，还包含光纤（20）内的多个光纤段（22A、22B、22C、22D），所述多个光纤段（22A、22B、22C、22D）中的每一个由所述光纤（20）内的对应的一对光子晶体平板（30A、30B、30C、30D、30E）限定，
其中对应的各对光子晶体平板（30A、30B、30C、30D、30E）中的每一对形成法布里珀罗（校准器）干涉仪。
8.根据权利要求7所述的应变传感器系统，其中所述光电检测器（50）检测从所述光纤（20）内的对应的每一对光子晶体平板（30A、30B、30C、30D）反射的光信号，以及
所述处理器（60）基于每个相应的反射的光信号，计算所述多个光纤段（22A、22B、22C、22D）中的每一个上的机械应变。
9.根据权利要求7所述的应变传感器系统，其中所述光信号发生器（40）产生多个特定波长的光信号，
其中每个特定波长的光信号对应于所述光纤（20）内的预定对应的一对光子晶体平板（30A、30B、30C、30D、30E）。
10.根据前述权利要求中任一项所述的应变传感器系统，其中所述光纤（20）还包含被包层（26）包围的中心芯（24），
其中所述至少两个光学晶体平板（30A、30B、30C、30D、30E）中的每一个被设置为与所述光纤（20）的大部分中心芯（24）干涉。
11.一种制作光纤光子晶体应变传感器的方法，其包含：
提供具有第一端的第一熔融石英通信级光纤（20）；
将包括多个孔（32）的第一光子晶体点阵接合至所述第一光纤的第一端，所述孔的直径在0.25μm至1.0μm之间（100）；
提供具有第一端和第二端的第二熔融石英通信级光纤（104）；
将所述第二光纤的第一端或第二端中的一个接合至所述第一光子晶体点阵（106）；以及
将包括多个孔的第二光子晶体点阵接合至所述第二光纤的另一端，所述孔的直径在0.25μm至1.0μm之间（108），
其中所述第一和第二光子晶体点阵在所述光纤内所述第二光纤的第一端和第二端之间形成了法布里珀罗（校准器）干涉仪（110）。
12.根据权利要求11所述的用于制作光纤光子晶体应变传感器的方法，还包含：
在所述光纤内提供多个法布里珀罗（校准器）干涉仪，每个干涉仪包括由光纤段分开的对应的一对光子晶体点阵（112）。
13.根据权利要求12所述的用于制作光纤光子晶体应变传感器的方法，还包含：
调谐对应的第一对光子晶体点阵，从而对具有第一光波长的第一传输光信号是敏感的；
调谐对应的第二对光子晶体点阵，从而对具有第二光波长的第二传输光信号是敏感的；以及
将所述对应的第一对光子晶体点阵和所述对应的第二对光子晶体点阵接合在相应的光纤（20）段之间，从而分别形成由法布里珀罗（校准器）干涉仪调谐的第一和第二波长。
14.一种使用光纤光子晶体应变传感器测量应变的方法，其包含：
提供所述光纤光子晶体应变传感器，所述光纤光子晶体应变传感器包括被布置在光纤（20）内的至少一对光子晶体晶片，所述至少一对光子晶体晶片被光纤段分开（200）；
将光纤光子晶体应变传感器的至少第一部分粘附至表面的第一部分，其中所述光纤光子晶体应变传感器的第一部分包括所述至少一对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片（202）；
将光纤光子晶体应变传感器的至少第二部分粘附至所述表面的第二部分，其中所述光纤光子晶体应变传感器的第二部分包括所述至少一对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片（204）；
在对应于所述至少一对光子晶体晶片的第一方向上，传输具有第一波长的第一光信号（206）；
在与所述光纤中的所述第一方向相反的方向上，接收从所述至少一对光子晶体晶片反射回来的所述第一光信号（208）；以及
基于从所述至少一对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第一光信号，计算应变测量值（210）。
15.根据权利要求14所述的使用光纤光子晶体应变传感器测量应变的方法，还包含：
提供所述光纤光子晶体应变传感器，所述光纤光子晶体应变传感器包括被布置在所述光纤内的第二对光子晶体晶片，所述第二对光子晶体晶片被另一光纤段分开（300）；
将光纤光子晶体应变传感器的第三部分粘附至所述表面的第三部分，其中所述光纤光子晶体应变传感器的第三部分包括所述第二对光子晶体晶片的第一光子晶体晶片（302）；
将光纤光子晶体应变传感器的至少第四部分粘附至所述表面的第四部分，其中光纤光子晶体应变传感器的第四部分包括第二对光子晶体晶片的第二光子晶体晶片（304）；
在对应于所述第二对光子晶体晶片的第一方向上，传输具有第二波长的第二光信号（306）；
在与所述光纤中的所述第一方向相反的方向上，接收从所述第二对光子晶体晶片反射回来的所述第二光信号（308）；以及
基于从所述第二对光子晶体晶片中的每一个光子晶体晶片反射的第二光信号，计算第二应变测量值（310）。
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