CN107421913A - 基于石墨烯的光纤传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯的光纤传感器及其制作方法，包括基板、石墨烯薄膜、设置在基板上的倏逝场光纤以及设置在基板上并分别位于倏逝场光纤两侧的第一电极和第二电极，石墨烯薄膜至少铺设在倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并分别与第一电极、第二电极接触；第一电极和第二电极分别用于输入待测信号并将待测信号传输给石墨烯薄膜，在待测信号的作用下，石墨烯薄膜的有效折射率发生改变；在石墨烯薄膜的有效折射率发生改变后，倏逝场光纤输出光的光谱将发生变化，根据光谱的变化情况，对待测信号进行测量。通过本发明，可以提高响应速率、扩大测量范围、提高集成度。

Description

基于石墨烯的光纤传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯的光纤传感器及其制作方法。

背景技术

电和光是人类生产生活中不可或缺的两个基本元素，所以光电器件在日常生活中也发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的发展，光电器件的微型化是科学研究和技术创新的发展趋势。电压传感器是能实现对电压测量的器件，探索宽频带、大的动态范围、集成式等是其发展目标和方向。

电在人类生活中起着非常重要的作用，所以对于电压以及高电压的测量和传感有着十分重要的意义。传统测量高压的方法有很多种：静电电压表、电磁式电压互感器、电阻分压器、球隙以及电容分压器等。其中电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器在电力系统中具有广泛应用，它们具有线性范围内准确度高，制造工艺成熟，校验规范等优势。但是随着电压等级的提高和容量的增加，这些方法存在体积大、绝缘难度大、频带窄、响应时间较长等缺点。

发明内容

本发明提供一种基于石墨烯的光纤传感器及其制作方法，以解决目前电压传感器存在的体积大、频带窄、响应时间较长的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于石墨烯的光纤传感器，包括基板、石墨烯薄膜以及设置在所述基板上的倏逝场光纤，所述石墨烯薄膜至少铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处；所述石墨烯薄膜在输入的待测信号的作用下，其有效折射率发生改变；在所述石墨烯薄膜的有效折射率发生改变后，所述倏逝场光纤输出光的光谱将发生变化，根据所述光谱的变化情况，对所述待测信号进行测量。

在一种可选的实现方式中，还包括设置在所述基板上并分别位于所述倏逝场光纤两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极、第二电极分别与所述石墨烯薄膜接触，分别用于将输入所述第一电极、第二电极的待测信号传输给所述石墨烯薄膜。

在另一种可选的实现方式中，所述倏逝场光纤包括在传输光信号时存在溢出光的光纤、光栅或者微型干涉仪。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤为拉锥光纤，所述光栅为包层经腐蚀后的布拉格光栅，所述微型干涉仪包括输入单模光纤、输出单模光纤以及设置在所述输入单模光纤和输出单模光纤之间的微结构光纤，其中所述输入单模光纤在向所述微结构光纤传输光信号时，一部分通过所述微结构光纤传输给所述输出单模光纤输出，另一部分溢出。

在另一种可选的实现方式中，所述输入单模光纤和输出单模光纤对称连接在所述微结构光纤两侧，且与所述微结构光纤错位连接。

在另一种可选的实现方式中，所述微结构光纤为包层表面被制成D型的单模光纤。

在另一种可选的实现方式中，所述待测信号为电压信号。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于石墨烯的光纤传感器的制作方法，包括：

将倏逝场光纤设置在基板上；

将石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并将石墨烯薄膜与第一电极、第二电极连接，以在向第一电极、第二电极输入待测信号后，根据所述倏逝场光纤输出光的光谱变化情况，对所述待测信号进行测量。

在一种可选的实现方式中，所述将倏逝场光纤设置在基板上包括：

在将所述倏逝场光纤在传输光信号存在溢出光的部位朝上后，将倏逝场光纤固定在基板上。

在另一种可选的实现方式中，所述将石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并将石墨烯薄膜与第一电极、第二电极连接包括：

将所述第一电极、第二电极设置在所述倏逝场光纤的两侧后，将所述石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤、第一电极和第二电极上；或者将所述石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤上后，将第一电极、第二电极设置在所述石墨烯薄膜上，并位于所述倏逝场光纤的两侧。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用待测信号改变石墨烯薄膜的费米能级，从而改变石墨烯薄膜的有效折射率，并利用石墨烯薄膜有效折射率的改变对倏逝场光纤溢出光的折射效果进行调节，可以使倏逝场光纤输出光的光谱发生变化，从而根据光谱变化情况对待测信号进行测量；由于石墨烯薄膜具有电学响应时间快、费米能级响应范围较宽的特点，且倏逝场光纤传输的光信号的传输速率也很高，因此本发明可以提高响应速度且扩大测量带宽范围，另外，由于石墨烯薄膜、电极和倏逝场光纤的体积都很小，可以集成到一个基板上，因此本发明体积较小、集成度较高。

附图说明

图1是本发明基于石墨烯的光纤传感器的一个实施例结构示意图；

图2是本发明基于石墨烯的光纤传感器制作方法的一个实施例流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于石墨烯的光纤传感器的一个实施例结构示意图。该基于石墨烯的光纤传感器可以包括基板4、石墨烯薄膜2、设置在所述基板上的倏逝场光纤1以及设置在所述基板4上并分别位于所述倏逝场光纤1两侧的第一电极3和第二电极5，所述石墨烯薄膜2铺至少铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并分别与所述第一电极3、第二电极5接触；所述第一电极3和第二电极5分别用于输入待测信号并将所述待测信号传输给所述石墨烯薄膜2，在所述待测信号的作用下，所述石墨烯薄膜2的有效折射率发生改变；在所述石墨烯薄膜2的有效折射率发生改变后，所述倏逝场光纤1输出光的光谱将发生变化，根据所述光谱的变化情况，对所述待测信号进行测量。

本实施例中，倏逝场光纤1可以包括在光传输过程中存在溢出光的光纤、光栅或者微型干涉仪。其中，光纤可以为拉锥光纤，光栅可以为包层经腐蚀后的布拉格光栅，微型干涉仪可以包括输入单模光纤、输出单模光纤以及设置在所述输入单模光纤和输出单模光纤之间的微结构光纤，所述输入单模光纤在向所述微结构光纤传输光信号时，一部分通过所述微结构光纤传输给所述输出单模光纤输出，另一部分溢出。在微型干涉仪中输入单模光纤和输出单模光纤对称连接在所述微结构光纤两侧，且与所述微结构光纤错位连接，所述微结构光纤为包层表面被制成D型的单模光纤，以使微型干涉仪在传输光信号时部分光会溢出。此外，为了保证石墨烯薄膜2的有效折射率发生改变后，倏逝场光纤1输出光的光谱发生改变，石墨烯薄膜2至少铺设在倏逝场光纤1在传输光信号时存在溢出光的部位处。

在对待测信号进行测量时，首先将待测信号输入给第一电极3和第二电极5，并向倏逝场光纤1输入光信号，然后第一电极3和第二电极5将待测信号传输给石墨烯薄膜2，由于石墨烯薄膜2的费米能级可调，因此石墨烯薄膜2在待测信号的作用下其有效折射率可能发生改变，随着石墨烯薄膜2的有效折射率发生改变，倏逝场光纤1溢出光的折射效果也会发生改变，从而使倏逝场光纤1输出光的光谱发生变化，根据该光谱变化情况，可以实现待测信号的测量。在根据光谱变化情况对待测信号进行测量之前，可以首先通过实验确定出输入给第一电极和第二电极的待测信号发生变化时，倏逝场光纤输出光的光谱的变化规律，这样在对待测信号进行测量时，只需要根据光谱变化情况以及预设的规律，即可反推出当前待测信号的大小等特性。

其中，该待测信号可以为电压，石墨烯薄膜在电压的作用下其费米能级会发生改变，从而使其有效折射率发生改变；当该电压为稳定电压时，随着待测电压的增大，石墨烯薄膜有效折射率的变化程度越大，从而使倏逝场光纤1输出光的光谱变化程度越大；当该电压为脉冲电压时，倏逝场光纤1与光电探测器连接，以对倏逝场光纤1输出光光谱变化进行了解。

由上述实施例可见，本发明通过采用待测信号改变石墨烯薄膜的费米能级，从而改变石墨烯薄膜的有效折射率，并利用石墨烯薄膜有效折射率的改变对倏逝场光纤溢出光的折射效果进行调节，可以使倏逝场光纤输出光的光谱发生变化，从而根据光谱变化情况对待测信号进行测量；由于石墨烯薄膜具有电学响应时间快、费米能级响应范围较宽的特点，且倏逝场光纤传输的光信号的传输速率也很高，因此本发明可以提高响应速度且扩大测量带宽范围，另外，由于石墨烯薄膜、电极和倏逝场光纤的体积都很小，可以集成到一个基板上，因此本发明体积较小、集成度较高。

参见图2，为本发明基于石墨烯的光纤传感器的制作方法的一个实施例流程图。该基于石墨烯的光纤传感器的制作方法可以包括以下步骤：

步骤S201、将倏逝场光纤设置在基板上。

本实施例中，在倏逝场光纤设置在基板上之前，该制作方法还包括：制作倏逝场光纤，其中该倏逝场光纤可以包括在光传输过程中存在溢出光的光纤、光栅或者微型干涉仪。该光栅可以为包层经腐蚀后的布拉格光栅，其制作过程是：利用氢氟溶液对布拉格光栅的包层腐蚀到预设的直径。该步骤S201可以包括：在将倏逝场光纤在传输光信号存在溢出光的部位朝上后，将倏逝场光纤固定在基板上。

步骤S202、将石墨烯薄膜铺设在倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并将石墨烯薄膜与第一电极、第二电极连接，以在向第一电极、第二电极输入待测信号后，根据所述倏逝场光纤输出光的光谱变化情况，对所述待测信号进行测量。

本实施例中，在步骤S202之前，该制作方法还包括石墨烯薄膜制作步骤：取铜基上生长的石墨烯薄膜，将铜基与石墨烯薄膜分离，从而获得石墨烯薄膜。该步骤S202可以包括：将第一电极、第二电极设置在倏逝场光纤的两侧后，将石墨烯薄膜铺设在倏逝场光纤、第一电极和第二电极上；或者将石墨烯薄膜铺设在倏逝场光纤上后，将第一电极、第二电极设置在所述石墨烯薄膜上，并位于所述倏逝场光纤的两侧。其中第一电极、第二电极可以为线状，两者与倏逝场光纤平行设置。

由上述实施例可见，本发明通过采用待测信号改变石墨烯薄膜的费米能级，从而改变石墨烯薄膜的有效折射率，并利用石墨烯薄膜有效折射率的改变对倏逝场光纤溢出光的折射效果进行调节，可以使倏逝场光纤输出光的光谱发生变化，从而根据光谱变化情况对待测信号进行测量；由于石墨烯薄膜具有电学响应时间快、费米能级响应范围较宽的特点，且倏逝场光纤传输的光信号的传输速率也很高，因此本发明可以提高响应速度且扩大测量带宽范围，另外，由于石墨烯薄膜、电极和倏逝场光纤的体积都很小，可以集成到一个基板上，因此本发明体积较小、集成度较高。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，包括基板、石墨烯薄膜以及设置在所述基板上的倏逝场光纤，所述石墨烯薄膜至少铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处；所述石墨烯薄膜在输入的待测信号的作用下，其有效折射率发生改变；在所述石墨烯薄膜的有效折射率发生改变后，所述倏逝场光纤输出光的光谱将发生变化，根据所述光谱的变化情况，对所述待测信号进行测量。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，还包括设置在所述基板上并分别位于所述倏逝场光纤两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极、第二电极分别与所述石墨烯薄膜接触，分别用于将输入所述第一电极、第二电极的待测信号传输给所述石墨烯薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，所述倏逝场光纤包括在传输光信号时存在溢出光的光纤、光栅或者微型干涉仪。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，所述光纤为拉锥光纤，所述光栅为包层经腐蚀后的布拉格光栅，所述微型干涉仪包括输入单模光纤、输出单模光纤以及设置在所述输入单模光纤和输出单模光纤之间的微结构光纤，其中所述输入单模光纤在向所述微结构光纤传输光信号时，一部分通过所述微结构光纤传输给所述输出单模光纤输出，另一部分溢出。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，所述输入单模光纤和输出单模光纤对称连接在所述微结构光纤两侧，且与所述微结构光纤错位连接。

6.根据权利要求5所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，所述微结构光纤为包层表面被制成D型的单模光纤。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光纤传感器，其特征在于，所述待测信号为电压信号。

8.一种基于石墨烯的光纤传感器的制作方法，其特征在于，包括：

将倏逝场光纤设置在基板上；

将石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并将石墨烯薄膜与第一电极、第二电极连接，以在向第一电极、第二电极输入待测信号后，根据所述倏逝场光纤输出光的光谱变化情况，对所述待测信号进行测量。

9.根据权利要求8所述的基于石墨烯的光纤传感器的制作方法，其特征在于，所述将倏逝场光纤设置在基板上包括：

在将所述倏逝场光纤在传输光信号存在溢出光的部位朝上后，将倏逝场光纤固定在基板上。

10.根据权利要求8或9所述的基于石墨烯的光纤传感器的制作方法，其特征在于，所述将石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤在传输光信号时存在溢出光的部位处，并将石墨烯薄膜与第一电极、第二电极连接包括：

将所述第一电极、第二电极设置在所述倏逝场光纤的两侧后，将所述石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤、第一电极和第二电极上；或者将所述石墨烯薄膜铺设在所述倏逝场光纤上后，将第一电极、第二电极设置在所述石墨烯薄膜上，并位于所述倏逝场光纤的两侧。