基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖的應用領(lǐng)域，具體涉及光纖傳感器的研宄及其制備，尤其是提供一種基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)是近幾十年來發(fā)展較成熟的新型技術(shù)，主要是利用各種光纖作為光信號載體探測環(huán)境信號。光纖傳感可以基于多種結(jié)構(gòu):干涉儀、諧振腔、激光、光柵，具有小型化、成本低、重量輕，而且對電磁免疫，在光纖網(wǎng)絡中連接方便等優(yōu)點。其中，電流傳感器是一種典型的應用。
[0003]微光纖電流傳感器的原理主要分為兩種，基于法拉第效應和熱效應?；谇罢叩碾娏鱾鞲衅魇芄饫w材料二氧化硅的Verdet常數(shù)小所限，其靈敏度較小；對于后者可以獲得較大靈敏度，但是利用金屬覆蓋光纖需要復雜的工藝技術(shù)。
[0004]石墨烯是一種二維結(jié)構(gòu)材料，碳原子呈六邊形晶格排列，具有高載流子迀移率和大的飽和速度，有利于未來的高速電子應用。且石墨烯具有原子尺寸的厚度，具有較大的表面電阻，流經(jīng)的電流會產(chǎn)生較大的熱量。
[0005]如果將石墨烯與光纖結(jié)構(gòu)結(jié)合，在石墨烯表面制作微光纖結(jié)構(gòu)，例如諧振腔，則利用石墨烯的大表面電阻特性可以實現(xiàn)對于電流的傳感檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，利用石墨烯的大表面電阻產(chǎn)生熱量，促使微光纖的熱光效應和熱膨脹效應，同時利用環(huán)形諧振腔的耦合特性實現(xiàn)對電流的精確測量。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，包括介質(zhì)棒、石墨烯、微光纖和電極，其特征在于，微光纖包括輸入端、均勻腰區(qū)、錐形過渡區(qū)和輸出端；所述石墨烯圍著介質(zhì)棒纏繞一周，然后所述微光纖的均勻腰區(qū)纏繞在石墨烯上，并且形成環(huán)形諧振腔；所述電極鍍在石墨烯的兩端用于導電。
[0009]所述石墨烯的層數(shù)為I到5層，長度為I到3厘米。
[0010]所述微光纖由一根單模光纖利用火焰掃火方法制成，均勻腰區(qū)的長度為5毫米到15毫米，均勻腰區(qū)處的光纖直徑為I微米到6微米。
[0011]所述介質(zhì)棒直徑為200微米到2毫米。
[0012]所述電極的厚度為100納米到500納米。
[0013]所述環(huán)形諧振腔是由均勻腰區(qū)纏繞形成的多環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)與環(huán)之間的間距為O到4微米。
[0014]利用上述基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器的測量方法，其具體步驟包括:
[0015](I)利用電流源產(chǎn)生恒電流，流經(jīng)電極、石墨烯、電極，最后回到電流源；
[0016](2)利用放大的自發(fā)輻射光作為光源，產(chǎn)生的光進入微光纖的輸入端，流經(jīng)均勻腰區(qū)，石墨烯上的環(huán)形諧振腔中的環(huán)與環(huán)之間存在耦合，增加了光程，光由微光纖的輸出端輸出至光譜儀進行探測；
[0017](3)加載電流，改變微光纖環(huán)形諧振腔中的耦合，使得諧振波長移動，從而實現(xiàn)對電流的傳感檢測。
[0018]本發(fā)明的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器傳感原理為:由于石墨烯具有大表面電阻，當有恒電流流經(jīng)石墨烯時，產(chǎn)生熱量，熱量致使微光纖的熱光效應和熱膨脹效應，并且從而改變了微光纖環(huán)形諧振腔的耦合，諧振波長移動。不同的電流大小產(chǎn)生不同的熱量，從而致使諧振腔諧振波長發(fā)生不同的移動。最終，利用觀測光譜儀(OSA)上諧振波長的移動量，來確定加載電流的大小，實現(xiàn)對電流的傳感檢測。
[0019]本發(fā)明首次利用石墨烯結(jié)合微光纖環(huán)形諧振腔制備出高靈敏度的電流傳感器，具有低成本、安全性高、超高靈敏度，便于光纖網(wǎng)絡中的連接等優(yōu)點，是一種新型的電流傳感器。
【附圖說明】
[0020]圖1基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2微光纖環(huán)形諧振腔的顯微鏡照片；
[0022]圖3本發(fā)明傳感器在不加電時的透射光譜圖；
[0023]圖4本發(fā)明傳感器在加載不同電流下的透射光譜圖的移動情況；
[0024]圖5本發(fā)明傳感器在加載不同電流下的諧振波長的移動及其擬合曲線。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施方法對本發(fā)明做了進一步的說明，以清楚展現(xiàn)本發(fā)明的特點。
[0026]圖1是基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括:玻璃毛細管1、金電極2、單層石墨烯3、微光纖4 ;首先將玻璃毛細管進行超聲清洗，干燥；將單層石墨烯3轉(zhuǎn)移到玻璃毛細管I上，覆蓋中間區(qū)域一周。微光纖4由一根單模光纖利用火焰掃火方法制成，包括均勻腰區(qū)、錐形過渡區(qū)、輸入/出端，將拉制好的微光纖4的均勻腰區(qū)利用旋轉(zhuǎn)臺繞在單層石墨烯3表面，并且圈與圈之間盡可能靠近實現(xiàn)較強的耦合，形成微光纖環(huán)形諧振腔5 ;在單層石墨烯3的兩端分別鍍上金電極2，這樣形成基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器。
[0027]圖3展示了本發(fā)明傳感器在不加電時的透射光譜圖。
[0028]測量時，將該傳感器接入光路中，光路中以放大的自發(fā)輻射(ASE)光為光源，通入微光纖的輸入端，光在環(huán)形的微光纖中傳輸，并且環(huán)與環(huán)之間存在耦合，使得光在光纖中的光程增加，之后，光譜儀(OSA)探測光信號輸出。透射光譜圖中顯示的谷即對應于諧振波長。
[0029]圖4是本發(fā)明傳感器在加載不同電流下的透射光譜圖的移動情況。
[0030]測量時，將金電極接入電流通路中，利用電流源加載電流，電流經(jīng)過金電極、單層石墨烯、金電極，回到電流源。
[0031]圖5是本發(fā)明傳感器在加載不同電流下的諧振波長的移動及其擬合曲線。加載的電流范圍是0-3mA，諧振波長的移動范圍是1549.552nm_1550.156nm，諧振波長的移動與電流大小的平方具有很好的線性關(guān)系，經(jīng)過計算得到本發(fā)明傳感器的電流靈敏度達到近似67297nm/A2，并且，具有良好的可重復性。
[0032]本發(fā)明的特色在于:利用單層石墨烯的大表面電阻、微光纖的熱光效應和熱膨脹效應、微光纖諧振腔的諧振特性制作的該電流傳感器，具有超高的電流靈敏度，比之前發(fā)表過的同樣基于熱效應的電流傳感器的靈敏度提升了 2個數(shù)量級(Sensors，14，8423-8429，2014 年)ο
【主權(quán)項】
1.基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，包括介質(zhì)棒、石墨烯、微光纖和電極，其特征在于，微光纖包括輸入端、均勻腰區(qū)、錐形過渡區(qū)和輸出端；所述石墨烯圍著介質(zhì)棒纏繞一周，然后所述微光纖的均勻腰區(qū)纏繞在石墨烯上，并且形成環(huán)形諧振腔；所述電極鍍在石墨烯的兩端用于導電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，其特征在于，所述石墨烯的層數(shù)為I到5層，長度為I到3厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，其特征在于，所述微光纖由一根單模光纖利用火焰掃火方法制成，均勻腰區(qū)的長度為5毫米到15毫米，均勻腰區(qū)處的光纖直徑為I微米到6微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，其特征在于，所述介質(zhì)棒直徑為200微米到2毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，其特征在于，所述電極的厚度為100納米到500納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器，其特征在于，所述環(huán)形諧振腔是由均勻腰區(qū)纏繞形成的多環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)與環(huán)之間的間距為O到4微米。
7.利用如權(quán)利要求1所述的基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器的測量方法，其特征在于，具體步驟包括: (1)利用電流源產(chǎn)生恒電流，流經(jīng)電極、石墨烯、電極，最后回到電流源； (2)利用放大的自發(fā)輻射光作為光源，產(chǎn)生的光進入微光纖的輸入端，流經(jīng)均勻腰區(qū)，石墨烯上的環(huán)形諧振腔中的環(huán)與環(huán)之間存在耦合，增加了光程，光由微光纖的輸出端輸出至光譜儀進行探測； (3)加載電流，改變微光纖環(huán)形諧振腔中的耦合，使得諧振波長移動，從而實現(xiàn)對電流的傳感檢測。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯-微光纖環(huán)形諧振腔的電流傳感器及測量方法。該電流傳感器包括介質(zhì)棒、石墨烯、微光纖和電極，微光纖包括輸入端、均勻腰區(qū)、錐形過渡區(qū)和輸出端；石墨烯圍著介質(zhì)棒纏繞一周，然后微光纖的均勻腰區(qū)纏繞在石墨烯上，并且形成環(huán)形諧振腔；電極鍍在石墨烯的兩端用于導電。通過觀察諧振波長的移動，測得施加電流的大小。本發(fā)明首次利用單層石墨烯的大表面電阻、微光纖的熱光效應和熱膨脹效應、微光纖諧振腔的諧振特性制作的電流傳感器，具有超高的電流靈敏度和良好的可重復性。
【IPC分類】G01R19-00
【公開號】CN104597311
【申請?zhí)枴緾N201510051254
【發(fā)明人】徐飛, 嚴少誠, 鄭必才, 陸延青, 胡偉
【申請人】南京大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月30日