磁光光子晶体慢光干涉型光纤磁场/电流传感器研究

法拉第型光纤磁场/电流传感器因具有结构简单、安全可靠等优点而受到广泛关注，但是传统材料的磁光系数较小，传感器的灵敏度不高。最近的研究提出，利用波导非正常色散引入的慢光效应，可进一步提高光干涉仪的灵敏度。本项目拟对磁光光子晶体中的慢光现象进行研究，并利用慢光干涉的方法来提高光纤磁场/电流传感器的灵敏度。磁光光子晶体，是一种包含磁光介质的周期性人工材料，它具有和光子晶体类似的能带结构和慢光现象，还具有一些独特的光学和磁光特性，是一种极具前景的新型磁光材料。目前对磁光光子晶体中慢光现象的理论和应用研究报告很少，我们拟通过理论分析和数值模拟，对磁光光子晶体的能带结构、本征模式的传输规律等与波导结构、外加磁场分布、光传输方向等的关系进行研究，探索利用外加磁场控制磁光光子晶体能带结构的方法，探索磁光光子晶体中慢光的特性、利用方法和应用前景，并设计出灵敏度高、集成度好的慢光干涉型光纤磁场/电流传感器。

法拉第型光纤磁场/电流传感器具有结构简单，安全可靠等优点而受到广泛关注，但传统材料的磁光系数较小，传感器灵敏度不高。本项目对两种一维磁光光子晶体的慢光现象进行了研究，研究表明磁光光子晶体和光子晶体一样具有能带结构和慢光现象，但和一般光子晶体不同，其能带结构受到外加磁场的影响，且和光的本征偏振态，光传输的方向有关。在此基础上，我们设计了基于一维磁光光子晶体的慢光萨格奈克干涉型光纤磁场/电流传感器，理论研究表明，慢光效应能有效的提高传感器的灵敏度。我们设计的晶体型慢光磁场传感器的灵敏度为相同厚度的块状晶体的50倍；而光纤光栅型的灵敏度与光栅的结构参数有关，当光纤光栅的折射率调制深度达到0.001时，群折射率为250，此时2cm的光纤光栅灵敏度相当于3m的光纤。. 在磁场慢光传感器的实验方面，还未取得理想的结果。主要是由于光纤的磁光系数及光纤光栅的调制深度等原因，磁场对光纤光栅传输谱的作用并不太明显，实验对光谱仪的分辨率和数据处理手段有很高的要求；同时入射光的偏振态和光纤中的偏振态控制对传感器灵敏度也有着非常重要的影响。这个问题的解决需要两方面的改善，一是传感元件，包括光纤光栅及光路其他元件中传输的偏振态必须得到严格控制，这方面我们已经取得了一定的实验成果，（1）研制了一种仅能传输某一圆偏振态的光纤，称为圆二色性光纤，实验结果表明其两本征圆偏振态的圆度分别为0.95和0.91，损耗差为10.74dB/m；（2）研制了基于圆二色性光纤的特种光纤器件，包括光纤耦合器，光纤光栅和光纤移相器，目前光纤移相器有少量成品，光纤耦合器有初步的实验结果，各端口输出光的圆度都达到了0.9以上，光纤光栅的刻写工作还在进一步联系中。（3）搭建了基于圆二色性光纤的光纤传感应用系统，初步实验结果说明这种新型光纤在光纤传感领域有一定的应用前景。另一方面需要改善的检测系统性能和数据处理技术的提高，由于时间和预算的问题，目前我们无法解决。. 光纤中的偏振态控制无论是对于传统干涉型光纤磁场/电流传感器，还是慢光干涉型传感器都是无法回避的问题，是个非常根本的问题，因此在课题的执行过程中放弃了原计划中对波导具体结构的理论优化研究，花了大量的时间和精力在圆二色性光纤的理论和工艺研究中。概括的讲，本课题在圆二色性光纤领域取得的成果是国内领先的，国际上在该领域也没有系统性的工作，相关的工作会在今后整理成论文