铝掺杂氧化锌涂覆的纤芯偏移光纤温度传感器

《Photonics》：Core Offset Optical Fiber Sensor Coated with Aluminum-Doped Zinc Oxide for Temperature Measurement

　　

采用纤芯偏移的马赫–曾德尔（Mach–Zehnder）结构设计温度传感器是一种新方法，该方法利用光纤的独特属性，在温度测量中获得更高的灵敏度和精度。通过溅射法沉积在光纤结构上的铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜可在1540–1555 nm波长范围内实现环境温度测量。这项工作探索了该干涉仪以经济高效的方式测量光纤纤芯偏移区域内有效温度变化的潜力。

光纤传感器凭借结构紧凑、重量轻、成本低等优势，在温度、应变、曲率和扭转等物理量测量中得到广泛应用。温度测量在环境监测、过程控制和生物医学等领域中至关重要。光纤布拉格光栅（FBG，一种利用紫外或飞秒激光在纤芯中写入周期性折射率调制的器件）是温度传感的典型基准方案，但其灵敏度通常在数十pm/°C量级，且需要专门的刻写设备和封装措施。马赫–曾德尔干涉仪（MZI，一种通过两束光干涉来感知相位变化的结构）可通过纤芯偏移、锥区等几何设计实现温度测量，但其条纹可见度和纤芯-包层模式耦合效率受制备工艺影响。高折射率功能薄膜能够增强倏逝场并改善干涉对比度。铝掺杂氧化锌（AZO，一种透明导电氧化物）在近红外波段具有优异的光学性质，可通过磁控溅射大面积沉积。然而，已有研究仍需要验证一种在标准单模光纤上仅用熔接偏移和一步镀膜即可制备、且具有高对比度干涉条纹和可调多参数潜力的传感结构。为此，研究人员开展了本项研究。

研究人员设计并制备了一种基于标准SMF-28e单模光纤的纤芯偏移MZI，在三个熔接点引入30 μm横向偏移，并采用射频磁控溅射在光纤表面沉积约50 nm厚的AZO薄膜。该传感器工作于1540–1555 nm波段，在20–100 °C范围内实现了温度测量。实验显示，位于约1547 nm的主峰随温度线性移动，灵敏度约45 pm/°C，线性决定系数R²>0.99。时域有限差分（FDTD，一种电磁场数值仿真方法）模拟表明，AZO涂层增强了包层模式激发，提高了条纹可见度和光谱对比度。该研究提供了一种简单、低成本、可扩展的光纤温度传感平台。论文发表于《Photonics》。

研究人员采用的主要关键技术方法如下：（1）射频磁控溅射沉积AZO薄膜，靶材为ZnO与Al₂O₃按98:2混合的陶瓷靶，在标准SMF-28e光纤表面形成约50 nm涂层；（2）利用商用熔接机在光纤中制备三个30 μm横向纤芯偏移，构成MZI的耦合与复合节点；（3）以掺铒光纤（EDF，以铒离子为增益介质的光纤）宽带光源和光谱分析仪（OSA，用于测量光谱功率分布的仪器）测量透射谱；（4）采用PID控制的Peltier温控平台实现20–100 °C温度循环，记录波长与功率响应；（5）使用FDTD方法对含/不含AZO的结构进行电磁传播模拟，采用文献拟合的AZO光学常数。这些方法共同支持了传感器制备、实验表征和机理验证。

研究结果如下：

（1）温度响应与灵敏度。实验通过OSA记录不同温度下的透射谱，发现主峰波长随温度升高向长波方向移动，总位移约3.60 nm，灵敏度约45 pm/°C，R²>0.99。该线性响应归因于锗掺杂纤芯的热光系数高于纯硅包层，导致有效折射率差随温度变化。

（2）FDTD模拟与AZO增强机制。模拟对比未涂覆和AZO涂覆结构，结果显示AZO涂层增加了包层模式参与，使径向强度分布向包层扩展，并在1547 nm处产生更强的干涉条纹和更深的凹陷对比度。模拟透射谱在1550 nm附近显示约3.5–3.7 nm的自由光谱范围（FSR，相邻干涉极大值之间的波长间隔）。

（3）稳定性与重复性。1小时连续监测中，波长漂移小于0.1 nm，功率变化小于0.5 dBm；三次20–100 °C加热-冷却循环的波长-温度曲线在95%置信区间内重合，未观察到迟滞，表明传感器短期稳定性和重复性良好。

（4）功率响应。在1547 nm处监测输出功率，发现功率随温度线性变化，斜率为?0.1636 dBm/°C。该功率响应可作为波长解调的辅助手段。

（5）AZO作用的实验与模拟对比。虽然FDTD模拟和条纹可见度测量表明AZO增强了干涉对比度，但研究人员未对几何结构相同但未涂覆的器件进行同等条件下的实验校准，因此不能定量断言AZO提高了温度灵敏度。

讨论部分指出，该纤芯偏移MZI在成本、机械鲁棒性、标准SMF兼容性和涂层可调性方面优于FBG和集成微谐振器。FBG需要刻写和封装，微谐振器需要窄线宽激光和锁定电子器件；而本结构仅用标准光纤和熔接偏移即可制备，且AZO涂层可通过厚度和掺杂调节耦合强度。传感器工作温度范围覆盖环境监测（25–85 °C）、电力电子（20–80 °C）和生化协议（约30–95 °C）等需求。对于腐蚀性化学环境，可沉积20–50 nm的SiO₂或parylene-C保护层。结论部分翻译如下：实验上，AZO涂覆纤芯偏移MZI在20–100 °C范围内温度灵敏度约45 pm/°C（R²>0.99）。由于缺少同等条件下未涂覆器件的校准，不能将灵敏度的定量提升单独归因于AZO层；FDTD对比仅表明AZO改变了包层模式传播并提高了模拟条纹可见度和光谱对比度。本工作中的AZO薄膜厚度约50 nm，特定于实验条件而非优化值。AZO作为透明导电氧化物，增强了包层模式与周围介质的折射率对比度，并加强了倏逝场相互作用，从而改善了条纹可见度和能量重新分布。该传感器线性响应良好，基于OSA标称波长分辨率0.03 nm，保守温度分辨率约为0.67 °C，与FBG相当但无需刻写，且可通过涂层调节条纹对比度；相比高Q微谐振器，以较低灵敏度换取了更简单的解调方式。