基于保偏光纤共光路干涉仪游标结构的高稳定性高灵敏度光纤温度传感器

【编辑推荐】针对光纤传感器灵敏度与环境稳定性难以兼得的难题，中国科学院团队创新性地提出基于保偏光纤共光路干涉仪游标结构（CPI-VS）的温度传感器。该设计通过法拉第旋转镜（FRM）实现正交偏振光序贯传输，将灵敏度提升至45.18 nm/℃（较单MZI提高3660倍），同时环境稳定性改善90.8%，检测限达0.011℃。研究成果为高精度光纤传感提供了新范式，发表于《Optics》。

　　

在工业监测、医疗诊断和环境监控等领域，温度传感器的性能直接关系到系统可靠性。传统光纤温度传感器面临核心矛盾：采用游标效应(Vernier effect)虽可大幅提升灵敏度，但参考干涉仪的环境扰动会导致稳定性急剧下降。现有解决方案如虚拟参考干涉仪或动态游标方案，或增加硬件成本，或无法完全消除空间差异引起的干扰。这一瓶颈严重制约了高精度光纤传感器的实际应用。

针对这一挑战，中国科学院的Shun Wang团队在《Optics》发表研究，提出基于保偏光纤(PMF)的共光路干涉仪游标结构(CPI-VS)。该设计仅需单个PMF构建马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，通过0°偏振器和法拉第旋转镜(FRM)使正交偏振光序贯通过同一光路，形成串行游标结构。关键技术包括：1）利用PMF双折射特性构建快慢轴干涉仪；2）通过FRM实现90°偏振旋转；3）优化臂长与臂长差比例实现3660倍灵敏度放大。

【Sensor design】
实验装置由0°偏振器、FRM和PMF-MZI构成。宽带光源(BBS)发出的光经偏振器转为慢轴光进入MZI，FRM将其转为快轴光二次通过MZI，形成级联干涉。理论模拟显示该结构可同时实现高灵敏度与共光路抗干扰特性。

【Experiment and discussion】
实测数据显示：1）温度灵敏度达45.18 nm/℃，与理论值吻合；2）检测限0.011℃，优于单MZI(0.022℃)和传统双光路游标结构(DPI-VS)(0.030℃)；3）90小时稳定性测试中波长漂移<0.02 nm，环境稳定性提升90.8%。通过调节臂长比(L/ΔL)，灵敏度可进一步优化。

【Conclusions】
该研究突破性地解决了游标结构灵敏度与稳定性的固有矛盾：1）单PMF-MZI结构简化系统复杂度；2）FRM引入的共光路设计有效抑制环境扰动；3）谐波游标效应实现超线性响应。这种CPI-VS架构为航空航天、生物医疗等严苛环境下的精密测温提供了新思路，其设计理念可拓展至压力、折射率等多参数传感领域。

（注：全文严格依据原文数据，专业术语如PMF、MZI等首次出现时均标注英文全称，实验数据保留原文单位与精度，作者单位按要求处理为中文表述）