稀磁半导体量子点掺杂石英磁光光纤研究

Magneto-optic fibers have very important applications in all-fiber electric current sensor systems. They are the key components of the sensor systems. To solve the problem of the small magneto-optic rotation angle and temperature cross sensitivity in silica optical fiber, this project proposes to research a diluted magnetic semiconductor quantum dots doped magneto-optic fiber. One aspect, the diluted magnetic semiconductor quantum dots present "giant Faraday effect" at near absorption band edge. As a result, the magneto-optic rotation of the doped fiber can be enhanced largely. Another aspect, at the special wavelengths longer than the band edge, the magneto-optic rotation presents insensitivity to temperature changes. The research contents of this project are as follows: the magneto-optic rotation theories of the diluted magnetic semiconductor doped fibers, the fabrication technology of the proposed magneto-optic fibers by combining modified chemical vapor deposition and atomic layer deposition techniques, the quantum dots growth technology in silica fiber material. Three key science and technologic issues will be investigated mainly, including the relationship between the doped fiber Verdet constant and temperature changes, the diffusion process of the diluted magnetic semiconductor and the effect of high temperature treatment on the microstructure of the quantum dots. The goal achievement of this research will be expected to solve the problem in the all-fiber current sensor systems. The developed magneto-optic fibers would become the core component for promoting the application of advanced optical fiber electric current sensors in China.

磁光光纤在全光纤电流传感器系统具有重要应用，是系统的核心部分。本项目针对现有石英光纤磁光旋转灵敏度低，且存在温度交叉干扰的难题，提出研究一种稀磁半导体量子点掺杂磁光光纤，一方面，在吸收带边附近，稀磁半导体量子点具有"巨法拉第"效应，可以显著增大光纤的磁光旋转角度；另一方面，在大于吸收带边波长处，稀磁半导体量子点磁光旋转将不随温度变化。本项目拟开展的研究内容包括：稀磁半导体量子点掺杂光纤磁光旋转理论；基于改进化学气相沉积与原子层沉积相结合的稀磁半导体掺杂石英光纤制备技术；石英光纤材料中量子点生长技术等。重点解决稀磁半导体量子点费德尔常数的温度相关性理论模型、稀磁半导体的高温扩散特性、以及高温热处理对稀磁半导体量子点材料微观结构的影响等关键科学问题。预期成果有望从根本上解决当前全光纤电流传感技术难题，成为促进我国高端光纤电流传感器应用推广的核心技术。

本项目面向高灵敏度光纤电流传感、磁场传感、高效率磁光光纤器件的应用需求，将纳米半导体材料掺杂与石英光纤相融合，建立了原子层沉积（ALD）与改进化学气相沉积（MCVD）相结合的特种光纤研制平台，开发了稀磁半导体量子点掺杂石英磁光光纤。理论上，基于密度泛函理论，利用高斯软件仿真平台，建立了PbS纳米掺杂石英光纤的材料微结构模型，解决了PbS在石英基质中掺杂结构机理问题；建立了ALD沉积PbS的工艺过程理论模型，为后续优化ALD掺杂纳米PbS工艺参数提供了理论支撑，此外，也为开发其他类半导体纳米掺杂功能光纤提供了理论指导。技术上，基于ALD与MCVD相结合的纳米半导体掺杂石英光纤研制平台，在石英疏松层中实现了纳米PbS的有效掺杂，研制开发了PbS、PbS:Mn、Eu3+等掺杂磁光光纤，相对于常规单模石英光纤，磁光费德尔常数有显著提升，在1550nm波段，费德尔常数分别增加了1.1倍、1.72倍及1.66倍，为后续开发高灵敏度、高稳定性全光纤电流传感器、磁场传感器，提供了优质的传感光纤选择。同时，基于ALD丰富的掺杂源选择，该研究也为开发其他类型半导体掺杂石英功能光纤提供了技术指导。. 此外，本项目提出并开发了基于ALD工艺的光纤表面纳米涂层技术，基于ALD的“保形”沉积和“原子层”厚度控制精度特点，分别将纳米Al2O3和TiO2薄膜涂敷于熔锥光纤等器件的表面，有效地调控了光纤渐逝波场，从而提升光纤折射率传感灵敏度，对于开发新型的高灵敏度光纤传感器具有重要意义。. 本项目在上述研究过程中，形成的研究成果包括：发表相关学术论文18篇，其中，SCI收录期刊9篇，EI收录期刊1篇，EI收录会议8篇；申请中国发明专利8项；培养博士研究生3名，其中获学位毕业2名，培养硕士研究生8名，其中获学位毕业6名；项目负责人庞拂飞，2015年获得国家自然科学基金“优青”人才项目的资助。