《Optical Materials》：Tapered multi-core fiber optic temperature sensor with ultra-high sensitivity based on etching and PDMS sensitization
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提出基于HF酸蚀刻渐缩七芯光纤（ETMCF）的光纤干涉仪结构，通过化学蚀刻和融合 tapering工艺减小包层直径至100 μm，并控制腰径至7 μm，实验测得灵敏度-44.8 nm/°C，温度测量范围4-50 °C，较传统结构提升75%。适用于生物检测、芯片测试等高灵敏度需求场景。
胡文斌|吴宇|郭东来|梁思宇|程书|周国瑞|杨明红
国家光纤传感技术与网络工程技术研究中心，武汉理工大学，湖北省武汉市430070，中华人民共和国
摘要
光纤温度传感器所展现的超高温灵敏度使其在各个领域具有广泛的应用前景。本文提出了一种基于锥形七芯光纤的灵敏度增强型光纤干涉仪。具体工艺包括使用氢氟酸（HF）蚀刻七芯光纤的包层，随后进行熔融锥化处理。所提出方法的可行性通过COMSOL Multiphysics?和Rsoft?仿真结果得到了验证，这些结果也为后续实验提供了参数参考。此外，利用这两种仿真数据建立了腰径、温度测量范围和灵敏度之间的关系。该传感器结构由锥形七芯光纤组成，其包层经过HF蚀刻处理，两端与单模光纤熔接，并在锥形部分涂覆了聚二甲基硅氧烷（PDMS）。实验结果表明，当七芯光纤的包层直径蚀刻至100 μm并锥化至7 μm、9 μm和11 μm时，最大灵敏度分别为-44.8 nm/°C、-36.73 nm/°C和-18.12 nm/°C。当锥化至7 μm时，温度测量下限可低至4 °C，这与仿真结果相符。所提出的传感器能够在生物学、晶圆测试、航空航天探索和海洋学等领域满足对超高温度灵敏度的要求。
引言
温度是许多领域中的一个基本且重要的物理参数，例如海洋学[1]、晶圆检测[2]、航空航天探索[2]和电池健康监测[3]。与传统电气传感器相比，光纤温度传感器因其结构简单、重量轻、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、成本低、体积小等优点而受到广泛关注[4]、[5]、[6]。
光纤温度传感器通过检测光纤中光波信号的强度或波长变化来实现实时温度监测[7]。常见的光纤温度传感技术包括光纤光栅温度传感[8]、散射分布式温度传感[9]和光纤干涉温度传感。张设计了一种基于光纤背散射自发拉曼散射和光时域反射仪（OTDR）的分布式光纤传感报警系统，该系统在2公里长度范围内实现了0.1 °C的温度分辨率和8米的空间分辨率，温度测量范围为0 °C至100 °C，温度精度为±2 °C。彭提出了一种使用多孔阳极氧化铝薄膜的光纤温度和湿度传感器，在30 -80 °C范围内，温度灵敏度为10.4 pm/°C[10]。聂提出了一种基于游标效应的法布里-珀罗干涉仪，并通过控制腔长实现了30至70 °C范围内628 pm/°C的温度灵敏度[11]。以光纤光栅为代表的光纤温度传感系统受到光纤本身二氧化硅材料特性的限制，灵敏度仅约为10 pm/°C。基于干涉仪的温度传感器虽然具有更高的温度灵敏度，但由于二氧化硅材料的限制，其灵敏度仅能达到几十到几百pm/°C，这限制了其在特定领域的超高灵敏度温度测量中的应用。
不同的研究人员提出了使用功能材料、锥形光纤[13]、金属沉积、抛光和蚀刻等方法来提高光纤温度传感器的灵敏度[14]。例如，通过热光系数材料将温度变化转换为折射率变化，并通过高折射率灵敏度的干涉仪间接实现高温度灵敏度。李提出了一种基于单模光纤（SMF）的弧偏移结构（ASMS）MZI传感器，并在传感器表面涂覆了一层UV粘合剂，在20至50 °C范围内最大温度灵敏度为-0.953 nm/°C[15]。高提出了一种基于侧抛光光子晶体光纤（PCF）的高灵敏度等离子体温度传感器，在侧抛光PCF的外表面沉积了热液和金层。仿真结果显示，该传感器的灵敏度在0至60 °C范围内达到了7.82 nm/°C[16]。傅提出了一种单侧抛光PCF，在抛光表面沉积金膜，并在光纤外表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），实验结果表明在60 -100 °C范围内的最大温度灵敏度达到了38 nm/°C[17]。童实现了一种基于增强游标效应原理的温度传感器，该传感器由法布里-珀罗干涉仪和具有轻微失谐自由光谱范围（FSRs）的光纤萨格纳克干涉仪组成。研究结论表明，在30.4至34 °C的检测区间内，该检测装置的超高灵敏度为61.11 nm/°C，同时具有高线性响应和长期稳定性[2]。
本文基于程提出的锥形多芯光纤（TMCF）结构[18]，该结构通过熔融锥化七芯光纤后涂覆PDMS制成。在TMCF结构的基础上，我们引入了一种化学蚀刻工艺来制备蚀刻锥形多芯光纤（ETMCF）结构。该结构使用氢氟酸（HF）选择性地蚀刻光纤包层，从而减小外芯与包层边界之间的径向距离，从而增强衰减场强度。此外，稍大的芯间距和芯直径有助于保持模式的相干相位状态，减少干涉衰减的发生，从而提高传感器灵敏度并改善低温极限（LTL）。通过仿真实验验证了这一想法的可行性，并指导了腐蚀参数的选择。最终实验结果还表明，当HF蚀刻包层直径至100 μm且腰径为7 μm时，干涉仪的温度灵敏度可达44.8 nm/°C，温度测量范围扩大至4 -50 °C，比TMCF结构高出75%。高灵敏度温度测量范围的下限也从10 °C降低到了4 °C。该传感器具有超高灵敏度的特点，更适合海洋环境、晶圆检测等高灵敏度温度测量领域。
原理
本文提出的ETMCF结构由经过HF蚀刻后的七芯光纤段组成，该段与单模光纤相连，锥形区域涂覆了PDMS。
在七芯光纤的锥化过程中，当六个外芯与中心芯之间的间距减小到一定范围时，每个芯传输的基本模式场会极化周围的光纤介质并激发导引模式。
仿真
为了探讨ETMCF/PDMS结构的几何参数与其光学行为及传感性能之间的关系，进行了一系列初步实验和横截面及纵向仿真。通过改变蚀刻时间的初步蚀刻实验获得了几何参数。横截面仿真基于COMSOL Multiphysics?进行，以获得横截面场分布和有效折射率。
干涉仪的制造
所提出的ETMCF/PDMS结构的制造分为三个步骤。第一步是使用受控的HF酸化学蚀刻工艺制备蚀刻MCF。如图10所示，蚀刻后的MCF仍保持圆形，直径为D_e = 100 μm。第二步，将蚀刻后的MCF用光纤夹具夹紧并施加预张力，然后通过氧氢火焰（氢气流量：120 sccm；火焰距离光纤5 mm）对其蚀刻部分进行加热软化。结果分析
图14显示了TMCF/PDMS和ETMCF/PDMS结构在1400 nm至1600 nm波长范围内的光谱响应。可以看出，额外的蚀刻并未破坏ETMCF/PDMS干涉谱的规律性，其振幅是TMCF/PDMS的两倍。这是因为经过光学设计优化后，芯间距和芯直径较大，耦合系数也随之增加。
结论
本文提出了一种基于ETMCF/PDMS结构的超高灵敏度温度传感器，并通过仿真和实验进行了验证。通过初步实验和横截面及纵向仿真获得了一系列几何参数。通过不同的HF蚀刻时间建立了MCF的几何参数数据库。横截面仿真用于获得横截面场分布和有效折射率。
作者贡献声明
杨明红：项目管理工作。吴宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论。胡文斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。梁思宇：撰写 – 原稿撰写。郭东来：项目管理工作。周国瑞：资金获取。程书：方法论
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A20374和12174355）的支持。
