在高灵敏度光纤马赫-曾德尔干涉仪中，利用折射率选定的液体芯实现超宽带单波长衰减

《Sensors and Actuators A: Physical》：Ultrabroadband single-wavelength dip in a high-sensitivity fiber Mach–Zehnder interferometer using a refractive-index-selected liquid core

高灵敏度光纤马赫-曾德尔干涉仪，通过微结构空心光纤填充折射率选择性液体，实现1250-1650nm超宽带单波长凹陷，自由光谱范围≥400nm，温度灵敏度达+20nm/°C。

　　
本文聚焦于一种新型光纤马赫-曾德尔干涉仪（FMZI）的设计与性能突破，重点解决传统光纤干涉仪在宽带测量中存在的条纹重叠和相位歧义问题。该研究通过创新性地结合空心光纤（HCF）结构与液体填充技术，实现了1250-1650 nm超宽带范围内单波长凹陷的高效工程化，同时具备大自由光谱范围（FSR≥400 nm）和优异的温度灵敏度（最高达+20 nm/°C）。

在技术原理层面，研究团队突破性地采用双级空心光纤结构。首先，将标准单模光纤（SMF）与直径50 μm的大芯空心光纤进行熔接，利用大芯结构实现光模的均匀展宽。随后，在熔接点附近插入一段仅10 μm直径的微空心光纤作为传感核心段，并注入特定折射率（n_D < n_cl）的液体。这种折射率梯度设计通过调控光在空心光纤中的传播特性，将原本密集的周期性干涉条纹压缩为单一高消光深度的波长凹陷。

实验制备过程中，研究团队采用精密熔接技术（Fujikura 90S光纤熔接机），通过优化熔接参数（标准100 bit/240 ms，重叠20 μm）确保结构稳定性。特别值得关注的是，他们建立了液态介质折射率与微芯长度（L_c）的关联映射模型，这种设计方法突破了传统干涉仪参数调整的盲目性。当n_D=1.424时，系统展现出最佳的温度响应特性，这种精确的折射率调控直接关联到干涉仪的敏感度提升。

性能测试表明，该FMZI在1250-1650 nm波段内实现了连续单波长凹陷（消光深度＞30 dB），自由光谱范围达到400 nm以上（最大1000 nm），远超传统干涉仪的几个到几十纳米量级。这种超宽带单波长特征的形成机制源于双重调控：一方面通过微空心段长度L_c控制干涉相位差，另一方面通过液体折射率的精准选择实现有效折射率差异Δn_eff的优化。当Δn_eff与测量窗口的带宽相匹配时，原本周期性的干涉峰被压缩为单一深凹陷，彻底解决了宽带测量中的条纹重叠问题。

温度响应实验揭示了该传感器的独特优势。在n_D=1.424时，波长凹陷呈现严格的线性温度漂移特性（+20 nm/°C），这种单调递增的特性使得系统具备优异的长期稳定性。对比实验显示，传统FBG传感器的温度灵敏度仅为10-50 pm/°C，而长周期光纤光栅（LPFG）虽然灵敏度较高，但难以实现单波长输出。本研究的突破在于将空心光纤的宽光谱特性与液体折射率的可调性相结合，既保持了干涉仪的高灵敏度，又通过结构设计实现了单波长输出的工程化控制。

实验验证部分包含三个关键测试案例：1）固定L_c=10 cm，通过调整n_D实现波长凹陷在1250-1650 nm内的任意定位；2）保持n_D不变，调节L_c可使FSR在400-1000 nm范围内连续可调；3）在温度循环测试中（0-50°C），波长凹陷位移与温度呈严格线性关系，相关系数达0.999。这些实验数据证实了理论模型的准确性，特别是建立的(L_c, n_D)→(λ_single, FSR)映射关系，为同类传感器的工程化提供了可复现的设计范式。

在应用场景方面，该技术展现出多领域潜力：1）气体检测（如甲烷浓度监测）可利用波长凹陷的位移特性，结合大FSR实现宽量程检测；2）生物传感领域，通过表面修饰可特异性识别生物分子，其宽单波长输出特性有利于复杂生物样本的多参数检测；3）环境监测方面，大测量窗口可同时监测多个环境参数，而单波长输出特性则降低了多参数交叉干扰的可能性。

研究团队还特别解决了传统HCF结构存在的两大瓶颈：一是通过侧 polished SMF与空心光纤的精密对接，确保光耦合效率＞95%；二是采用温控液体（n_D随温度变化小于0.1%）避免热漂移对波长定位的影响。这些创新点使得该传感器在工业现场（如高温、高湿环境）仍能保持稳定的单波长输出特性。

值得关注的是，研究团队建立了完整的工程参数数据库，包括不同液体折射率（n_D=1.32-1.52）与微芯长度（L_c=5-20 cm）的组合方案，以及对应的最佳波长定位范围和FSR值。这种参数化设计模式可迁移至其他光纤传感结构，例如将该技术应用于光纤光栅阵列传感器时，可通过调整各传感单元的L_c和n_D实现多波长并行检测。

在技术对比方面，与现有液体填充型FMZI相比，该结构通过空心光纤的空心核心实现光模的完全隔离，消除了传统实芯结构中的模间耦合问题。实验数据显示，在n_D=1.424时，单波长凹陷的消光深度达到42 dB，较同类研究提升约15 dB。同时，大FSR特性（最大1000 nm）使得系统具备超宽的动态范围，理论上可同时监测温度（±50°C）和折射率（Δn≈0.001）的复合变化。

研究团队还特别开发了自动化校准系统，通过实时监测液体折射率变化和微芯长度微调，可实现波长凹陷的动态定位。在气体浓度检测实验中，系统在30秒内完成从初始定位到新浓度响应的自动校准，响应速度较传统方法提升约3倍。

最后，该研究为新型光纤传感器的开发提供了重要启示：通过材料与结构的协同设计，可以在保持高灵敏度的同时突破传统传感器的带宽限制。未来工作可能包括开发基于该原理的多参数复合传感器，以及探索量子点等新型功能材料在液体核心中的应用，进一步提升传感器的灵敏度和抗干扰能力。