[发明专利]基于石墨烯‑微光纤环形谐振腔的电流传感器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤的应用领域，具体涉及光纤传感器的研究及其制备，尤其是提供一种基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器。

背景技术

光纤传感技术是近几十年来发展较成熟的新型技术，主要是利用各种光纤作为光信号载体探测环境信号。光纤传感可以基于多种结构：干涉仪、谐振腔、激光、光栅，具有小型化、成本低、重量轻，而且对电磁免疫，在光纤网络中连接方便等优点。其中，电流传感器是一种典型的应用。

微光纤电流传感器的原理主要分为两种，基于法拉第效应和热效应。基于前者的电流传感器受光纤材料二氧化硅的Verdet常数小所限，其灵敏度较小；对于后者可以获得较大灵敏度，但是利用金属覆盖光纤需要复杂的工艺技术。

石墨烯是一种二维结构材料，碳原子呈六边形晶格排列，具有高载流子迁移率和大的饱和速度，有利于未来的高速电子应用。且石墨烯具有原子尺寸的厚度，具有较大的表面电阻，流经的电流会产生较大的热量。

如果将石墨烯与光纤结构结合，在石墨烯表面制作微光纤结构，例如谐振腔，则利用石墨烯的大表面电阻特性可以实现对于电流的传感检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器，利用石墨烯的大表面电阻产生热量，促使微光纤的热光效应和热膨胀效应，同时利用环形谐振腔的耦合特性实现对电流的精确测量。

本发明采用的技术方案是：

基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器，包括介质棒、石墨烯、微光纤和电极，其特征在于，微光纤包括输入端、均匀腰区、锥形过渡区和输出端；所述石墨烯围着介质棒缠绕一周，然后所述微光纤的均匀腰区缠绕在石墨烯上，并且形成环形谐振腔；所述电极镀在石墨烯的两端用于导电。

所述石墨烯的层数为1到5层，长度为1到3厘米。

所述微光纤由一根单模光纤利用火焰扫火方法制成，均匀腰区的长度为5毫米到15毫米，均匀腰区处的光纤直径为1微米到6微米。

所述介质棒直径为200微米到2毫米。

所述电极的厚度为100纳米到500纳米。

所述环形谐振腔是由均匀腰区缠绕形成的多环结构，环与环之间的间距为0到4微米。

利用上述基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器的测量方法，其具体步骤包括：

(1)利用电流源产生恒电流，流经电极、石墨烯、电极，最后回到电流源；

(2)利用放大的自发辐射光作为光源，产生的光进入微光纤的输入端，流经均匀腰区，石墨烯上的环形谐振腔中的环与环之间存在耦合，增加了光程，光由微光纤的输出端输出至光谱仪进行探测；

(3)加载电流，改变微光纤环形谐振腔中的耦合，使得谐振波长移动，从而实现对电流的传感检测。

本发明的基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器传感原理为：由于石墨烯具有大表面电阻，当有恒电流流经石墨烯时，产生热量，热量致使微光纤的热光效应和热膨胀效应，并且从而改变了微光纤环形谐振腔的耦合，谐振波长移动。不同的电流大小产生不同的热量，从而致使谐振腔谐振波长发生不同的移动。最终，利用观测光谱仪(OSA)上谐振波长的移动量，来确定加载电流的大小，实现对电流的传感检测。

本发明首次利用石墨烯结合微光纤环形谐振腔制备出高灵敏度的电流传感器，具有低成本、安全性高、超高灵敏度，便于光纤网络中的连接等优点，是一种新型的电流传感器。

附图说明

图1基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器的结构示意图；

图2微光纤环形谐振腔的显微镜照片；

图3本发明传感器在不加电时的透射光谱图；

图4本发明传感器在加载不同电流下的透射光谱图的移动情况；

图5本发明传感器在加载不同电流下的谐振波长的移动及其拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做了进一步的说明，以清楚展现本发明的特点。

图1是基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器的结构示意图，包括：玻璃毛细管1、金电极2、单层石墨烯3、微光纤4；首先将玻璃毛细管进行超声清洗，干燥；将单层石墨烯3转移到玻璃毛细管1上，覆盖中间区域一周。微光纤4由一根单模光纤利用火焰扫火方法制成，包括均匀腰区、锥形过渡区、输入/出端，将拉制好的微光纤4的均匀腰区利用旋转台绕在单层石墨烯3表面，并且圈与圈之间尽可能靠近实现较强的耦合，形成微光纤环形谐振腔5；在单层石墨烯3的两端分别镀上金电极2，这样形成基于石墨烯-微光纤环形谐振腔的电流传感器。