【正文】 少一些空氣孔,或者改變一些空氣孔的尺寸來(lái)獲得高的雙折射特性。這有利于提高或降低光學(xué)非線性, 可用在低非線性通信用光纖, 高光功率傳輸?shù)确矫?。圖22 PCF 靈活設(shè)計(jì)的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其具有許多奇異的特性,這樣有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。圖21b． 光子帶隙型 PCF導(dǎo)光機(jī)理[5]理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯 PCF的傳導(dǎo)條件 ,即光子帶隙導(dǎo)光理論。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無(wú)可比擬的傳輸特性。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。在周期性勢(shì)場(chǎng)中，電子的波函數(shù)滿足薛定愕方程： (22)式中，為普朗克常數(shù)，為電子的能量，在周期性勢(shì)場(chǎng)中只能取本征值.可以看出，方程(21)與(22)的形式完全相似. 在周期性勢(shì)場(chǎng)中只能取本征值，因此，在周期性介電晶體中，也只能取某些特征值，光波的頻率也因此只能取某些本征頻率，從而出現(xiàn)了頻率禁帶，這種禁帶叫做光子禁帶或者光子帶隙[3]。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。與TIRPCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應(yīng)，它利用這種效應(yīng)把光束控制在芯層內(nèi)。這種被談?wù)撝墓饫w通常稱之為光子晶體光纖（PCF），這種新型光波導(dǎo)可方便地分為兩個(gè)截然不同的群體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的。關(guān)鍵詞：智能PCF壓力傳感器 光子晶體光纖 PCF傳感器解碼系統(tǒng) A/D轉(zhuǎn)換 1 引言 光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。目 錄摘要 1關(guān)鍵詞 11 引言 12 基本概念 2 2 2 3 3文章分析了智能PCF壓力傳感器的基本工作原理，介紹了智能PCF壓力傳感器的系統(tǒng)組成，從理論上應(yīng)用平面波展開法數(shù)值模擬了光子晶體光纖的傳輸特性, 對(duì)PCF傳感器解碼系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析比較了各種A/D轉(zhuǎn)換方案，提出了實(shí)用于PCF傳感器的最佳A/D轉(zhuǎn)換。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結(jié)構(gòu)（它們通常由以二氧化硅為背景材料的空氣孔組成）。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIRPCF） ，實(shí)際上完全不依賴于光子帶隙（ PBG ）效應(yīng)。近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，電場(chǎng)滿足麥克斯韋波動(dòng)方程： (21)式中，為常數(shù)，可以認(rèn)為是介質(zhì)的平均介電常，是擾動(dòng)介電常數(shù)，c為真空中的光速。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能形成能帶結(jié)構(gòu)。光子晶體光纖又名微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纖 (Holeyfiber，HF)，它通過(guò)包層中沿軸向排列的微小空氣孔對(duì)光進(jìn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)光的軸向傳輸。這是因?yàn)榭招?PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。如圖 22所示 ,這種 PCF可傳輸 99%以上的光能 ,而空間光衰減極低 ,光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的 1 /2～1 /4。 似乎不存在截止波長(zhǎng),這就是無(wú)截止單模傳輸特性. PCF 可在從藍(lán)光到2的光波下單模傳輸, 且與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān), 所以通過(guò)改變空氣孔間距來(lái)調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積. 小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生，大模場(chǎng)可防止發(fā)生非線性。在光子能隙導(dǎo)光PCF中, 可以通過(guò)減小光纖的模場(chǎng)面積 (或者減小PCF纖芯空氣孔直徑)來(lái)增強(qiáng)單位有效面積上的光強(qiáng),從而增強(qiáng)非線性效應(yīng), , PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ).。當(dāng)有外部壓力作用時(shí)， PCF 內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生面應(yīng)力， 在面應(yīng)力作用下各點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變， 忽略剪應(yīng)力和角應(yīng)變， 在直角坐標(biāo)系中， 正應(yīng)力可表示為[δx εy　　PCF 的物理參數(shù)取值如下： n0 = 1. 47, = 0. 17,E = 7. 3 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)組成根據(jù)PCF 壓力傳感器的基本原理， 我們提出如圖24所示的系統(tǒng)模型。 （28） 式（28） 表明， 對(duì)傳感器傳播光脈沖相位產(chǎn)生影響的主要因素有激光光源波長(zhǎng)的波動(dòng)、敏感元件PCF 折射率和長(zhǎng)度的波動(dòng)。例如, 可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)只支持一個(gè)模式傳輸。應(yīng)用平面波展開法數(shù)值模擬了光子晶體光纖的傳輸特性, 為光子晶體光纖的制作提供了理論依據(jù)。 —— 頻率。 K ——波矢。光子晶體光纖的色散主要是由于光纖所傳輸?shù)男盘?hào)是由不同的模式成分和不同頻率成分來(lái)攜帶的, 這些不同的模式成分和頻率成分傳輸?shù)乃俣炔幌嗤? 在傳輸?shù)倪^(guò)程中互相散開, 致使脈沖波形通過(guò)光纖后發(fā)生展寬而產(chǎn)生的現(xiàn)象。 ——空氣折射率。 圖31 光子晶體光纖模型 圖32 光子晶體光纖的傳播模式　PCF 參數(shù)對(duì)其傳輸特性的影響輸入頻率對(duì)PCF 傳輸特性的影響, 也可以說(shuō)是輸入波長(zhǎng)對(duì)傳輸特性的影響。圖34 數(shù)值模擬了和光子晶體光纖色散之間的關(guān)系。 光纖傳感器可以探測(cè)的物理量很多，已實(shí)現(xiàn)的光纖傳感物理量測(cè)量達(dá)70余種。 光子晶體光纖傳感器檢測(cè)原理圖41即是光子晶體光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由本文所研制的PCF壓力傳感器構(gòu)成，光信號(hào)調(diào)制器包括光敏探測(cè)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和積分電路，我們通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PCF傳感器受到的壓力，這個(gè)壓力引起PCF傳感器中傳播光性質(zhì)的改變，我們用光敏探測(cè)器探測(cè)PCF傳感器輸出的光強(qiáng)，再把探測(cè)到的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，就可以得出外界壓力變化情況。在光波的干涉測(cè)量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。如果檢測(cè)出干涉光強(qiáng)的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測(cè)物理量的大小。激光器輸出的經(jīng)分束器透射的另外一束光入射到可移動(dòng)反射鏡上，然后反射回分束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測(cè)器上，而另一部分經(jīng)由分束器透射，返回到激光器。如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測(cè)107 級(jí)的位移。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，更接近實(shí)用化。強(qiáng)度調(diào)制的方式很多，反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制。第i個(gè)探測(cè)信道記錄的強(qiáng)度可以用下 （43）在上式中，要求i=1,2,3,4。當(dāng)干涉信號(hào)的強(qiáng)度比平均強(qiáng)度大時(shí)，就產(chǎn)生了更高的強(qiáng)度級(jí)別，在這種方式下探測(cè)通道中記錄的正弦強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。在推出的這種解碼方法中，系統(tǒng)的測(cè)量范圍受到信號(hào)源頻寬的限制。傳感纖維的長(zhǎng)度能容易地控制其精度為3mm。）和由分光鏡引起的偏振變化。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后可根據(jù)電信號(hào)的變化設(shè)置參考電平，對(duì)參考電平進(jìn)行數(shù)值化，可根據(jù)電壓的數(shù)值變化標(biāo)記外界壓力或溫度的變化，因此可用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化處理。為了保證PCF 壓力傳感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)和足夠好的響應(yīng)特性，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號(hào)放大電路有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)、最大電流輸出、能夠快速響應(yīng)和最小可檢測(cè)信號(hào)功率，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和放大電路具有一致性，PCF 壓力傳感器輸出電信號(hào)可以經(jīng)過(guò)雙運(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路和中間放大電路二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行放大。②輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號(hào)中的不穩(wěn)定誤差信號(hào)通過(guò)差值抵消掉，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。⑥基準(zhǔn)電壓或偏置輸入Vr為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)瓤商峁O大的方便。 A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法由A/D轉(zhuǎn)換器的原理可以看出，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就是用一個(gè)數(shù)字信號(hào)所能表示的當(dāng)轉(zhuǎn)換某一個(gè)取樣值時(shí)，只需去尋找最接近這個(gè)取樣值的那個(gè)數(shù)字值，, A/, 數(shù)字信號(hào)所能分辨的模擬信號(hào)的幅度變化就越細(xì), 表示該A/D , 數(shù)字信號(hào)的字長(zhǎng)為N , 即每個(gè)取樣值用N個(gè)碼元(N 個(gè)比特)表示, 則該數(shù)字信號(hào)可以表示個(gè)離散值, 它能夠準(zhǔn)確表示的數(shù)值之間的間隔是:這個(gè)間隔也稱為分層電平, 由于量化所產(chǎn)生的最大的量化誤差是:分析表明, 如果輸人模擬信號(hào)是隨機(jī)信號(hào), 且其幅度大于分層電平, 則由于對(duì)取樣序列進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量化誤差的統(tǒng)計(jì)特性具有白噪聲的性質(zhì), 即在等于取樣頻率一半的頻帶內(nèi), 其功率譜密度是均勻分布的, 如圖52 , , 可以利用它提高A/D 轉(zhuǎn)換器信噪比 0