基于单模-多模-无芯光纤结构的高灵敏度无涂层MMI湿度传感器研究

本研究针对传统光纤湿度传感器需敏感涂层且存在温度交叉敏感的问题，提出了一种基于增强型多模干涉（MMI）效应的无芯石英光纤（CSF）传感器SMCS结构。通过单模-多模-无芯光纤（SMF-MMF-CSF）串联设计，利用多模光纤（MMF）激发高阶模增强湿度响应，实现了50%-100%相对湿度（RH）范围内5 dB的高灵敏度检测，温度漂移仅0.107 dB（40-100°C）。该无涂层、全光纤结构为医疗、工业等领域提供了低成本、高鲁棒性的湿度监测方案。

　　

湿度监测在农业、食品储存、生物医药等领域至关重要，但传统电学传感器易受电磁干扰，而现有光纤传感器依赖敏感涂层且存在温度交叉敏感。为此，马来西亚理工大学的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表论文，提出了一种基于单模-多模-无芯光纤（SMCS）结构的高灵敏度无涂层湿度传感器。

研究采用多模干涉（MMI）原理，通过短多模光纤（MMF）作为模式耦合器激发无芯石英光纤（CSF）中的高阶模，利用水分子吸附导致的光场变化实现湿度检测。关键技术包括：1）SMCS结构熔接（SMF-MMF-CSF-SMF）；2）BeamPROP软件模拟横向模场分布；3）温湿度控制实验系统验证性能。

原理
自成像效应使CSF中光场周期性重现，MMF耦合器增强高阶模与环境的相互作用。仿真显示，较大MMF芯径（105 μm）可提升湿度敏感度。

制备与实验
通过熔接技术构建SMCS传感器，CSF直径125 μm、长58 mm，MMF长5 mm。实验在50%-100% RH和40-100°C范围内测试，结果显示湿度灵敏度达5 dB功率损耗，温度漂移仅0.107 dB。

结果与讨论
CSF表面水分子吸附改变倏逝场分布，导致干涉谱偏移。无涂层设计避免了温度敏感材料干扰，单材料CSF确保温度稳定性。

结论
该SMCS传感器实现了高灵敏度（5 dB）、低温度交叉敏感（0.107 dB）的湿度检测，适用于医疗、航空航天等复杂环境。研究为无涂层光纤传感提供了新思路，Athi Shankhara Velusamy等作者的工作获马来西亚高教部FRGS基金支持。

（注：解读严格依据原文，术语如multimode interference（MMI）、coreless silica fiber（CSF）等首次出现均标注英文，保留₂、^°C等格式，未引用文献标识。）