新型磁调谐光子晶体光纤光栅功能器件及传感技术研究

Due to the flexibility for design, photonic crystal fiber(PCF) has a series of fantastic optical characteristics, resulting in some novel photonic devices which are based on those PCFs. Photonic crystal fiber Bragg grating(PCFBG) is one of the novel optical devices which can make up for the shortage of normal FBGs. By the flexible structure design, the transmission characteristic and the resonant wavelength of the PCFBG could be controled and tuned, which make it possible for the high accuracy, large tunable range, multi-parameter and distributed sensing. A novel functional optical tunable device based on the magnetic controlling was proposed in this project. The nano-composite material of magnetic fluid is filled in the air hole of the PCF cladding. The refractive index of the magnetic fluid is tuned by changing the intensity of the applied magnetic field, resulting in the change in the transmission characteristic and reflected spectrum of the PCFBG. Based on the proposed device, a novel principle and measurement method for magnetic field are presented. Researches will also be carried on the key problems about the sensor networks technology. A novel kind of tunable fiber Sagnac filter was proposed, and based on it, wavelength demodulation method for the FBG sensor networks is developed. The contents proposed in this project are novel and innovative which have a great prospect and practical vaule.

光子晶体光纤由于结构及参数设计的灵活性，而具有一系列"奇异"的光学特性，因此可用来制作各种前所未有的、功能新奇的光子器件。光子晶体光纤光栅可弥补传统光纤光栅的不足，通过灵活的结构设计而使传输特性可控及反射谐振波长个数可调，进而实现高精度、大的波长调谐范围以及多参数、分布式传感。本项目提出一种新型的磁控可调谐光子晶体光纤光栅功能器件，将纳米功能材料磁流体填充入光子晶体光纤的空气孔中，通过外加磁场的改变来调节磁流体的折射率，从而改变光子晶体光纤光栅的传输特性和光谱反射特性。利用这种新型的功能器件，提出一种磁场检测的新原理和新方法，并对其准分布网络化传感的关键技术问题进行研究；提出一种新型的可调谐光纤Sagnac滤波器的理论，并对其用于FBG传感网络的波长信号解调方法进行研究。项目的研究内容属于信息检测与传感技术领域的前沿性研究内容，具有明显的创新性、多学科交叉性和实际应用前景。

光子晶体光纤又称为微结构光纤，与普通光纤不同，这种光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，通常包含周期性排列的空气孔结构，通过光子禁带效应将光限制在纤芯中传播。当光子晶体光纤空气孔中的填充不同折射率材料时，光纤传光特性将发生改变。磁流体材料的折射率随外界磁场规律变化。因此，本项目将磁流体材料与光子晶体光纤相结合，提出一种新型的光纤磁场传感技术，以适应日益增长的磁场测量需求，通过灵活的结构设计而使传输特性可控及反射谐振波长个数可调，进而实现高精度、大的波长调谐范围以及多参数、分布式传感。此类型传感器具有体积小，灵敏度高、可实现远程测量等优点。本项目主要完成了以下工作：（1）分别从理论上和实验上研究了磁流体微观结构随外加磁场的变化，再实现对磁流体光学特性的研究，得到材料的磁控特性，为实现基于磁流体填充的光子晶体光纤光栅温度和磁场检测提供了理论基础；（2）建立磁流体填充光子晶体光纤光栅的传感模型，基于磁流体的磁控特性和温控特性分析传感结构的磁场和温度传感特性曲线，并解决温度对磁场检测的交叉敏感问题；3）研究实验过程中的几大重大工艺难题：磁流体选择性填充光子晶体光纤的填充工艺、单模光纤和光子晶体光纤的熔接工艺以及使用普通光纤熔接机的拉锥工艺；4）建立基于磁流体填充光子晶体光纤的新型磁控可调谐光纤Sagnac滤波器理论模型，并进行实验探究。5）设计一种基于磁流体包覆光子晶体光纤锥的的M-Z磁场传感器，并搭建实验系统实现对磁场的检测。本课题内容为光电子学及信息科技领域的前沿课题，具有多学科交叉性和实际应用的前景。未来希望能在磁流体这种新型敏感材料本身的特性出发，提高材料传感性能，从根本上进一步改善此类传感器的性能。