在马赫-曾德尔干涉仪配置中，使用两个串联的长周期光栅进行复用检测

《Optics & Laser Technology》：Multiplexed detection using two serial long period gratings in a Mach-Zehnder interferometer configuration

提出了一种基于双长周期光纤光栅（LPGs）串联的干涉仪结构的多参数检测方法，通过分析光谱特征与温度的数学模型关系，实现两处温度的高精度同步测量（误差≤0.06℃），分辨率达40 pm，适用于生物传感等需要多参数检测的场景。

　　这篇研究提出了一种创新的方法，用于在单根光纤上实现多参数同时检测。该方法基于两个串联的长周期光纤光栅（LPGs）构成类似马赫-曾德尔干涉仪的结构，通过分析这两个LPGs之间的干涉图案，可以同时测量多个参数。研究团队发现，通过追踪干涉条纹中的特定光谱特征，并使用简单的二元多项式模型来描述这些特征随温度的变化趋势，可以准确推断出两个LPGs的温度。这种方法不仅适用于温度测量，还可以扩展到其他LPGs敏感的参数，如折射率和应变等。

在实验设计方面，研究人员在一根掺杂了锗和硼的光纤上写入了两个LPGs，它们的周期分别为281微米和284微米，分别被设计用于耦合至第8个包层模式。这两个LPGs之间的距离为20毫米，中间的光纤被剥离了护套以允许包层模式的传播。实验中，研究人员使用了宽谱光源和光谱分析仪（OSA）来记录光谱数据，并通过温度控制器（TEC）独立地调节两个LPGs的温度。实验数据包括不同温度设置下的光谱记录和温度测量值，通过对比分析验证了该方法的有效性。

数据采集过程中，研究人员记录了多个温度点的光谱数据，并通过等待4分钟达到热平衡后进行多次测量，以确保数据的稳定性。通过使用4次多项式拟合，研究人员从每个光谱中提取了14个光谱特征（SFs），包括7个干涉条纹的波长和透射率。这些特征用于构建二元多项式模型，以描述它们如何随温度变化。研究团队指出，使用这些特征进行分析可以克服之前方法中由于光谱特征高度相关而引起的系统误差问题。

在数据分析部分，研究团队采用了一种基于几何中位数的算法，通过计算多个特征曲线的交点来推断温度。他们发现，使用这种几何方法可以有效地减少系统误差，并提高测量精度。实验结果显示，该方法在温度推断中的误差非常小，与仪器的误差相当，且分辨率与单个LPG传感器相似（约为40 pm）。此外，他们还测试了不同的校准策略，包括使用不同数量的温度点和不同阶数的多项式模型，发现使用二阶多项式模型可以获得最佳的校准效果，而使用低阶模型虽然减少了参数数量，但不会显著影响精度。

研究团队还通过比较单个LPG的温度灵敏度和多参数检测系统的灵敏度，进一步验证了该方法的有效性。他们发现，当温度变化时，单个LPG的波长变化与温度之间存在线性关系，这种关系被用来计算多参数系统的最小可检测波长变化（即分辨率）。实验结果表明，该方法在温度测量中的分辨率达到了43 pm和49 pm，这与单个LPG的分辨率非常接近。此外，研究还指出，这种多参数检测方法的灵敏度和分辨率不仅适用于温度，还可以扩展到其他物理量，如折射率和应变。

研究的结论表明，该方法在光纤传感领域具有广泛的应用前景。它提供了一种新的多路复用策略，使得在同一根光纤上可以同时检测多个参数，这对于需要多参数监测的应用（如生物传感）尤为重要。同时，该方法的数学模型具有通用性，可以用于分析其他类型的干涉仪系统。研究团队认为，未来可以进一步发展这种多参数检测方法，使其适用于更多的LPGs，并扩展到三维或多维参数的检测。这将有助于提高光纤传感器的复杂性和功能性，满足更广泛的应用需求。

总的来说，这项研究不仅验证了多参数检测方法在光纤传感中的可行性，还展示了其在提高测量精度和分辨率方面的潜力。通过利用LPGs的干涉特性，研究人员开发了一种新颖的分析框架，使得在单一光纤上能够同时监测多个参数。这种方法为未来的多路复用传感器系统提供了理论和技术支持，有助于推动光纤传感技术在生物医学、环境监测和其他相关领域的进一步发展。