基于单模光纤和中空光纤桥接的双凸锥结构的马赫-曾德尔干涉仪光纤温度传感器的性能比较研究

《Micro and Nanostructures》：Comparative Performance Study on Mach-Zehnder Interferometer Fiber Temperature Sensors Based on Double Convex-cones Bridged by Single-mode Fiber and Hollow-core Fiber

温度光纤传感器设计：通过在双凸透镜结构间插入SMF或HCF实现干涉仪分束与耦合，实验测得SMF结构稳定性更好（-0.072 nm/°C），HCF结构灵敏度更高（0.162 nm/°C）。未来可通过优化HCF端面接合工艺及填充敏感材料提升性能，该方案无需特殊光纤和复杂微加工，适用于高电磁干扰、高湿及空间受限环境。

　　在现代工业和科学研究中，温度监测和控制是一个至关重要的环节。无论是高温环境下的设备运行，还是在复杂环境中对温度变化的精准感知，都需要高效的温度传感技术。随着光学技术的不断进步，光纤温度传感器因其独特的优点，逐渐成为替代传统电子温度传感器的首选方案。光纤温度传感器不仅具备体积小、重量轻、高灵敏度等优势，还能够有效抵抗电磁干扰、化学腐蚀和环境湿度变化，这些特性使其在工业安全、生物化学反应、医疗健康监测以及农业生产等领域展现出广泛的应用前景。同时，光纤温度传感器还支持多点、分布式和远程监测，为工程实践中的环境温度管理提供了新的解决方案。

目前，光纤温度传感器的种类繁多，其中基于干涉原理的传感器因其较高的灵敏度而备受关注。传统的光纤布拉格光栅（FBG）虽然在温度监测中应用广泛，但其灵敏度通常受到一定限制。相比之下，基于干涉仪结构的光纤温度传感器能够实现更高的灵敏度。例如，通过设计和优化光纤结构或引入温度敏感材料，可以显著提升传感器的性能。近年来，微腔结构的引入为光纤温度传感器的发展带来了新的突破，其中通过微纤维和聚合物薄膜的结合，能够增强光信号与外部环境变化之间的交互效率。此外，利用多微腔结构产生的维内尔效应（Vernier effect），还能进一步提高温度敏感度，例如通过封装液晶材料在微腔中，实现高达42.18 nm/°C的温度灵敏度。然而，温度敏感材料的使用虽然提升了灵敏度，但也带来了更多的不确定性和稳定性问题，限制了其在某些应用场景中的可靠性。

为了在保持高灵敏度的同时提高传感器的稳定性和可靠性，研究人员开始探索使用更简单、低成本的材料和工艺来构建温度传感器。其中，基于单模光纤（SMF）和空芯光纤（HCF）的双凸锥结构成为一种备受关注的新方案。这种结构通过在两个凸锥之间插入一段SMF或HCF，形成一个类似于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的传感单元。凸锥结构能够将光信号分成核心模式和包层模式，进而产生干涉现象。这种设计不仅简化了传感器的结构，还降低了制造成本，同时具备良好的可安装性和集成性，适合应用于复杂和受限的空间环境。

在实验研究中，基于SMF和HCF的双凸锥结构分别展现出不同的温度响应特性。SMF基的双凸锥结构在干涉光谱中表现出更好的稳定性，而HCF基的结构则显示出更高的温度灵敏度。这一结果表明，虽然HCF结构在灵敏度方面具有明显优势，但在实际应用中，其制造工艺和结构优化仍需进一步改进。例如，HCF与凸锥结构之间的连接质量对传感器性能有着直接影响，空气管的变形和连接损耗可能会降低整体的灵敏度和稳定性。因此，优化HCF与凸锥结构之间的接合工艺，是提升此类温度传感器性能的关键。此外，将敏感材料填充至HCF的空气芯中，也是一种有效提高灵敏度的方法，但需要确保材料的稳定性和兼容性，以避免对传感器的长期运行造成不良影响。

在实际应用中，基于凸锥结构的MZI光纤温度传感器具有显著的优势。首先，其结构简单，制造成本较低，不需要昂贵的特殊光纤或复杂的微加工工艺。其次，该传感器易于安装和集成，能够适配各种设备和系统，特别适合用于高电磁干扰、高湿度以及空间受限的环境。例如，在工业设备中，高温和潮湿的环境对传统电子传感器提出了严峻的挑战，而光纤传感器则能够在这种环境下稳定运行。此外，该传感器还支持远程监测，能够通过光信号传输实现对温度变化的实时跟踪，这对于远程监控和自动化控制具有重要意义。

在制造过程中，凸锥结构的形成依赖于光纤熔接技术。通过使用常见的光纤熔接机，如Furukawa S179C，研究人员可以控制熔接参数，包括弧功率、放电时间和横向位移距离，从而调节凸锥的直径和形态。不同的熔接参数会直接影响凸锥的结构特性，进而影响温度传感的性能。例如，当弧功率、放电时间和频率保持不变时，通过增加横向位移距离，可以制造出直径更大、结构更稳定的凸锥。这表明，在设计和制造过程中，合理选择参数对于实现最佳的温度响应至关重要。同时，熔接质量的优化也是提升传感器性能的重要因素，特别是在HCF基结构中，由于其独特的空芯设计，对熔接工艺的要求更为严格。

在实验测试中，研究人员使用了一套完整的温度传感评估系统，包括放大自发辐射（ASE）光源、恒温加热器和光谱分析仪（OSA）。通过这套系统，他们能够精确地测量温度变化对光信号的影响，并分析干涉光谱的变化情况。实验结果表明，基于SMF和HCF的双凸锥结构在不同温度范围内均表现出良好的传感能力，其中HCF基结构的温度灵敏度显著高于SMF基结构。然而，由于HCF基结构的制造工艺较为复杂，其稳定性相对较低，因此在实际应用中需要进一步优化接合工艺和结构设计，以确保其长期可靠性和稳定性。

此外，研究还指出，虽然目前基于SMF和HCF的双凸锥结构在温度灵敏度上仍有提升空间，但其结构简单、制造成本低、安装便捷等优点，使其在实际工程中具有较高的应用价值。特别是在高温、高湿或电磁干扰严重的环境中，这类传感器能够发挥其独特的优势，成为传统电子传感器的理想替代方案。未来的研究方向可能包括进一步优化HCF基结构的制造工艺，提高其稳定性和灵敏度，同时探索更多温度敏感材料的填充方式，以实现更精确的温度监测。此外，结合其他干涉原理，如法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer）或维内尔效应，也可能为光纤温度传感器的发展提供新的思路。

总之，基于凸锥结构的MZI光纤温度传感器是一种具有广阔应用前景的新技术。它不仅在结构设计和制造工艺上具备优势，还能够在多种复杂环境中实现高精度的温度监测。随着研究的深入和技术的进步，这类传感器有望在更多领域得到应用，为工业安全、生物医学、环境监测和智能系统等领域提供更加可靠和高效的解决方案。同时，进一步优化制造工艺和结构设计，将有助于提升其性能，使其在实际应用中更加稳定和高效。