D型光纤布拉格光栅抛光深度对折射率响应的影响机制研究

本研究通过COMSOL Multiphysics?数值模拟和实验验证，首次系统分析了抛光深度（1-5 μm）跨越包层-纤芯界面时对D型光纤布拉格光栅（FBG）灵敏度与信号衰减的调控规律。研究发现深度增加可使折射率灵敏度提升至138.9 nm/RIU，为高灵敏度生化传感器设计提供了关键参数优化依据。

　　

在光纤传感领域，D型光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）因其独特的平面结构可实现对外界折射率变化的灵敏响应，已成为生化检测的重要工具。然而，传统研究多聚焦于包层范围内的抛光处理，对纤芯区域抛光深度与传感性能的定量关系尚不明确。这种认知空白限制了高灵敏度传感器的优化设计，特别是在需要检测痕量生物分子的场景中。

为解决这一问题，来自巴西的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表了创新性研究。该团队采用COMSOL Multiphysics?建立三维有限元模型，模拟了1-5 μm梯度抛光深度下光场分布与有效折射率变化，并通过氢载光纤相位掩模法制备FBG样品进行实验验证。研究发现：当抛光深度从2.5 μm增至5.2 μm时，折射率灵敏度呈非线性提升（45.3→138.9 nm/RIU），同时伴随核心功率衰减增加。这种"灵敏度-损耗"的权衡关系为传感器性能优化提供了明确指导。

关键技术方法包括：1）基于波光学模块的有限元数值模拟；2）氢压加载（100 kgf/cm²
）单模光纤的FBG刻写；3）扫描电镜（SEM）抛光形貌表征；4）外折射率1.33-1.44梯度测试系统。

数值模拟
通过参数化扫描分析发现，抛光深度突破包层-纤芯界面后，每增加1 μm抛光深度可使倏逝场强度提升约23%，这是灵敏度跃升的物理基础。5 μm深度时，纤芯基模与外界介质形成强耦合，导致布拉格波长偏移量达常规设计的3倍。

实验验证
SEM测量显示FBG F1（7.4±0.2 μm）和FBG F2（7.7±0.2 μm）的抛光面均匀性误差<3%。在1.37 RIU测试点，两者灵敏度分别为89.4 nm/RIU和132.7 nm/RIU，与模拟结果偏差<5%，验证了模型的可靠性。

结论与意义
该研究首次揭示了纤芯区抛光深度与FBG性能的定量关系：深度增加通过增强倏逝场耦合提升灵敏度，但会牺牲信号强度。这一发现为面向不同应用场景的传感器设计提供了明确参数选择依据——检测极限要求高的场景可采用深度抛光（如5.2 μm获得138.9 nm/RIU），而需要长距离监测的场景则需控制抛光深度。研究团队特别指出，该方法可拓展至表面等离子体共振（SPR）传感器优化，为下一代光纤生化传感器开发奠定理论基础。