基于Mach-Zehnder干涉的光子晶體光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展

韓博 高朋

沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110034

一、引言

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber, PCF）是近年來發(fā)展起來的一種新型微結(jié)構(gòu)光纖。最早的PCF制作于1996年，在純石英光纖上沿橫向周期性地排列空氣孔，形成周期性的折射率分布。隨著對(duì)PCF的深入研究，按照導(dǎo)光機(jī)制可將PCF分為折射率導(dǎo)光型PCF和光子帶隙型PCF。

PCF作為傳感器光子晶體光纖的敏感元件所具備的優(yōu)勢(shì)是普通光纖無法比擬的。普通光纖由于摻雜物質(zhì)對(duì)溫度較為敏感，在測(cè)量其他物理量時(shí)，存在著嚴(yán)重的交叉敏感問題，必須采用溫度補(bǔ)償設(shè)備才可以避免。PCF一般是由單一的石英材料制造，其纖芯區(qū)域可以是石英或空氣，包層區(qū)域是空氣孔和純石英組成，石英具有低的熱光系數(shù)，因此，PCF傳感器具有常規(guī)光纖所不能比擬的溫度穩(wěn)定性，可以降低環(huán)境溫度的不利影響，提高測(cè)量精度，無需額外的溫度補(bǔ)償設(shè)備。另外，PCF內(nèi)沿著光纖軸向方向分布的空氣孔，其大小和排列方式的改變將會(huì)影響光的輸出特性，因此可按需設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，極大地提高了傳感器的設(shè)計(jì)靈活性，滿足各種技術(shù)需求。空氣孔內(nèi)還可填充材料，豐富了傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。因此利用PCF的巨大優(yōu)勢(shì)與普通光纖相結(jié)合來做成光纖傳感器更加受到研究者的青睞。

Mach-Zehnder干涉（Mach-Zehnder Interference,MZI）是指由光源發(fā)出的兩個(gè)頻率相同、偏振方向一致、相位差恒定的光波，在相遇的空間區(qū)域會(huì)發(fā)生光強(qiáng)重新分配的現(xiàn)象，即雙光束干涉現(xiàn)象。MZI結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括制造工藝容易，采取熔接、拉錐方式即可實(shí)現(xiàn)，更容易形成穩(wěn)定的干涉，受外界干擾小，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于制作、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在光纖傳感技術(shù)中得到青睞。

MZI與PCF的完美結(jié)合，即基于MZI的PCF（MZI-PCF）傳感設(shè)備，通過熔接、塌陷等技術(shù)可激發(fā)纖芯模式與包層模式的耦合產(chǎn)生干涉，實(shí)現(xiàn)折射率、溫度、曲率等物理量的傳感，具有制備簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)MZI-PCF結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，應(yīng)用前景看好，如可用于生物制藥中制藥成分折射率的檢測(cè)，作為分析檢測(cè)儀器；在鋼鐵、造紙、石化、食品、電力等領(lǐng)域中，相關(guān)到熱加工生產(chǎn)或者高溫作業(yè)等方面進(jìn)行溫度檢測(cè)，預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生；用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的曲率和形變檢測(cè)；在環(huán)境安全監(jiān)測(cè)中氣體濃度監(jiān)測(cè)等。

本文對(duì)當(dāng)前MZI-PCF傳感技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要分類整理并進(jìn)行分析，主要介紹了基于MZI-PCF結(jié)構(gòu)對(duì)于折射率傳感、溫度傳感、應(yīng)變及曲率傳感、濃度傳感等方面的研究現(xiàn)狀。

二、基于MZI-PCF的折射率傳感技術(shù)研究

折射率（Refractive Index, RI）的精確測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、生物制藥中制藥成分檢測(cè)、生化樣本分析等許多應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要意義，其重要性不言而喻。基于MZI-PCF測(cè)量折射率的主要思路是將MZI-PCF置于待測(cè)外界介質(zhì)中，當(dāng)外界介質(zhì)折射率發(fā)生變化時(shí)，干涉譜也會(huì)隨之改變，此時(shí)再研究介質(zhì)折射率變化與干涉譜漂移之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)折射率傳感。基于MZI-PCF的RI傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

2013年，P. Dhara和 V. K. Singh用MZI-PCF傳感器測(cè)量RI，傳感頭采用單模光纖（Single Mode Fiber,SMF）-多模光纖（Multimode Fiber, MMF）-PCF-SMF結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔接，得出SMF末端的輸出強(qiáng)度隨纖芯和包層模式的相對(duì)相位差呈正弦變化[1]；

2014年，Yong Zhao, Di Wu等人提出了一種SMF-錐形PCF-SMF結(jié)構(gòu)的MZI的RI傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得良好的干涉譜，實(shí)現(xiàn)了51.902μm/RIU的高靈敏度[2]；

2015年，Y. C. Tan等人介紹了一種基于光纖的RI傳感器的示范性實(shí)驗(yàn)，傳感元件是通過將SMF熔接到PCF的每一端，然后使用噴槍將石墨烯沉積到裸露的PCF上，高RI的石墨烯覆蓋層改良了MZI RI傳感器的傳感能力，傳感器對(duì)于1.33～1.38和1.38～1.43范圍內(nèi)的RI靈敏度分別達(dá)到了9.4dB/RIU和17.5dB/RIU[3]；

2016年，Jitendra Narayan Dash報(bào)告一種以PCF為基礎(chǔ)的Mach-Zehnder干涉儀，將此結(jié)構(gòu)涂覆氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）監(jiān)測(cè)分析物（蔗糖）的RI，最后得到傳感器的強(qiáng)度和波長(zhǎng)靈敏度分別為130dB/RIU和212nm/RIU，此結(jié)構(gòu)可用作高精度檢測(cè)生化分析物的尖端傳感器[4]；

2017年，Yong Zhao等人提出了MZI-PCF的RI傳感器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該傳感器在兩個(gè)SMF之間級(jí)聯(lián)一段有半錐形塌陷區(qū)域（HTCR）的PCF，通過增強(qiáng)MZI-PCF的消逝場(chǎng)，提供消逝場(chǎng)與周圍介質(zhì)RI（SRI）之間更充分的相互作用，增強(qiáng)RI測(cè)量的靈敏度，傳感器實(shí)驗(yàn)中采用三種長(zhǎng)度相同但塌陷區(qū)域長(zhǎng)度和最大錐徑依次增大的MZI-PCF的RI傳感器，實(shí)驗(yàn)測(cè)得RI靈敏度也逐漸增大[5]。

在基于MZI-PCF結(jié)構(gòu)對(duì)于RI測(cè)量的傳感器研究過程中，人們正在嘗試著通過對(duì)PCF進(jìn)行拉錐熔接、錯(cuò)位熔接、過熔塌陷、涂覆氧化石墨烯等各種方法提高M(jìn)ZI-PCF結(jié)構(gòu)的靈敏度和傳感能力，通過對(duì)傳感系統(tǒng)整體光路的分析，找出外界影響因素，查找分析傳感器結(jié)構(gòu)本身不完善造成的影響。提高M(jìn)ZI-PCF結(jié)構(gòu)傳感能力不但是研究重點(diǎn)，同時(shí)也是研究難點(diǎn)，這需要研究者在實(shí)驗(yàn)過程中不斷探索，找到提升測(cè)量靈敏度和減小噪聲的關(guān)鍵方法。

三、基于MZI-PCF的溫度和多參數(shù)傳感技術(shù)研究

鋼鐵、造紙、石化、食品、電力等領(lǐng)域中，相關(guān)到熱加工生產(chǎn)或者高溫作業(yè)等方面均需要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生?；贛ZI-PCF結(jié)構(gòu)的溫度傳感主要思路是將PCF空氣孔內(nèi)填充液體，并且該液體的熱敏系數(shù)一般較高，對(duì)溫度變化敏感。當(dāng)外界溫度變化時(shí)，液體受到影響，通過該MZI-PCF結(jié)構(gòu)的干涉譜會(huì)發(fā)生漂移，此時(shí)我們?cè)傺芯客饨鐪囟茸兓c干涉譜漂移之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)溫度傳感?；贛ZI-PCF的溫度傳感具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

2014年，Youfu Geng等人提出了一種選擇性充液PCF的MZI超靈敏溫度傳感器，傳感器由完全滲入液體的PCF和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SMF錯(cuò)位熔接組成，實(shí)現(xiàn)了-1.83nm/℃的高溫靈敏度[6]；

Marlen A. Gonzalez-Reyna等人在2015年介紹了一種基于MZI的環(huán)形光纖激光器的溫度傳感器，傳感器使用光纖布拉格光柵作為傳感頭，MZI是通過在兩段SMF之間熔接一塊PCF來實(shí)現(xiàn)，在1550nm處實(shí)現(xiàn)了18.8μm/℃的溫度靈敏度[7]；

Xue-Gang Li等人在2016年設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于復(fù)合干涉結(jié)構(gòu)的新型雙參數(shù)傳感器，它可看作是SMF-MMF-PCF-SMF結(jié)構(gòu)的一個(gè)級(jí)聯(lián)，同時(shí)形成一個(gè)反射法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer,FPI）和一個(gè)傳輸型MZI，傳感器可通過分別監(jiān)測(cè)反射光譜和透射光譜的漂移來測(cè)量RI和溫度，實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度和RI的靈敏度可分別達(dá)到27.5pm/℃和108nm/RIU[8]；

2017年Jitendra Narayan Dash等人報(bào)告了一種高靈敏度的多參數(shù)傳感器，如圖2所示。此傳感器基于與高雙折射光子晶體光纖（HiBi PCF）串聯(lián)的錐形光纖，其中錐形光纖用于測(cè)量曲率和溫度，而用SMF拼接的HiBi PCF用于監(jiān)測(cè)分析物RI的變化，此實(shí)驗(yàn)提出的MZI的曲率靈敏度為14.77nm/m-1，分辨率為6.77×10-4m-1，RI靈敏度為257nm/RIU，分辨率為3×10-5RIU，溫度靈敏度為311pm/℃[9]。

基于MZI-PCF的溫度和多參數(shù)傳感技術(shù)研究具有重要意義，溫度監(jiān)測(cè)并預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生關(guān)系到了工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的安全問題?；贛ZI-PCF構(gòu)成的溫度傳感器具有成本低、耐腐蝕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上形成的分布式光纖溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是MZI-PCF結(jié)構(gòu)溫度傳感器正處于初步探索階段，距離真正將此類結(jié)構(gòu)傳感器用于實(shí)際應(yīng)用工程還為時(shí)尚早，還需要研究者對(duì)MZI-PCF結(jié)構(gòu)類型更為深入的研究。該結(jié)構(gòu)的溫度傳感器將成為未來主要發(fā)展趨勢(shì)之一，在實(shí)際工程的領(lǐng)域監(jiān)測(cè)中將發(fā)揮重要作用。

四、基于MZI-PCF的其他傳感技術(shù)研究

除了檢測(cè)折射率及溫度外，在工業(yè)生產(chǎn)、工藝產(chǎn)品加工等多項(xiàng)領(lǐng)域，對(duì)于應(yīng)變、曲率等物理量的測(cè)量也有很高的要求，在環(huán)境安全監(jiān)測(cè)中氣體濃度監(jiān)測(cè)等也具有重要意義。

1、應(yīng)變測(cè)量

應(yīng)變是反映物體形變的參數(shù)，是衡量一個(gè)物體的使用壽命和安全性能的重要標(biāo)準(zhǔn)?；贛ZI-PCF測(cè)量應(yīng)變的傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)于一般光纖傳感器具有更強(qiáng)的抗電磁干擾性、穩(wěn)定性，適用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)。

2012年，Jihee Han等人制作了非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖（Asymmetric Two-core Photonic Crystal Fiber,AS-TC-PCF），并在此基礎(chǔ)上監(jiān)測(cè)了Mach-Zehnder干涉儀的應(yīng)變響應(yīng)，AS-TC-PCF的應(yīng)變敏感性是通過用干涉條紋移動(dòng)來測(cè)量，隨著應(yīng)變的增加，干涉條紋向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，應(yīng)變靈敏度為-0.53pm/με，-0.23pm/με[10]。

2015年，Shun Wang和Ping Lu等人提出并演示了一種基于雙通道Mach-Zehnder干涉儀（dual-pass Mach-Zehnder interferometer, DP-MZI）和 Sagnac 干涉儀（Sagnac interferometer, SI）的級(jí)聯(lián)干涉儀結(jié)構(gòu)，用于同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和橫向應(yīng)力，研究表明這種級(jí)聯(lián)干涉儀的反射光譜由兩部分組成：由SI引起的大頻譜包絡(luò)和由DP-MZI引起的干涉條紋，SI分別達(dá)到了1.28nm/kPa和0.78pm/με的橫向應(yīng)力和應(yīng)變的靈敏度，DPMZI分別達(dá)到了 -0.009nm/kPa和 5.65pm/με，證明了雙參數(shù)測(cè)量的高精度[11]。

2、曲率測(cè)量

彎曲測(cè)量問題是生產(chǎn)生活中的一個(gè)重要問題，如道路的路基沉降問題、橋梁或者鐵軌的彎曲形變、一些重要建筑物結(jié)構(gòu)的彎曲形變問題等。測(cè)量彎曲問題的傳統(tǒng)方法又存在很大的局限性，如不便于分布式測(cè)量、測(cè)量穩(wěn)定性差、容易受到外界電磁干擾等，但是基于MZI-PCF測(cè)量曲率的傳感器能在較穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高測(cè)量靈敏度，避免交叉敏感問題，擁有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

Bing Sun等人在2015年展示了一種基于PCFMZI實(shí)現(xiàn)的高靈敏度曲率傳感器，干涉儀由一個(gè)花生狀的部分和一個(gè)使用優(yōu)化的電弧放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的突變錐體組成，此獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在0m-1～2.8m-1的范圍內(nèi)表現(xiàn)出50.5nm/m-1的高曲率靈敏度[12]；

同樣在2015年，付興虎等人提出了SMF-TPCF（Tapered PCF）-SMF結(jié)構(gòu)，隨著傳感器曲率的增加，傳輸光譜出現(xiàn)藍(lán)移，在0m-1～1.16m-1的曲率范圍內(nèi)，其曲率靈敏度為-5.39297nm/m-1，具有良好的線性度[13]。

3、氣體濃度測(cè)量

氣體濃度檢測(cè)在工業(yè)過程控制、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)、國(guó)防等領(lǐng)域具有重要作用。基于MZI-PCF的氣體傳感器利用外界氣體對(duì)傳感探頭的影響，通過建立氣體傳感系統(tǒng)來探測(cè)氣體濃度。

2016年，Chuanyi Tao等人報(bào)道了一種PCF同軸Mach-Zehnder干涉儀，用作對(duì)爆炸性三硝基甲苯（TNT）的高靈敏度氣體傳感器探測(cè)裝置，傳感頭是通過在標(biāo)準(zhǔn)SMF之間嵌入一段大模面積的柚子型PCF熔接耦合形成的，實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量了TNT引起的干涉條紋的變化后又論證了所提出的傳感器的傳感能力，干涉響應(yīng)可用于量化0ppbv～9.15ppbv范圍內(nèi)的TNT蒸汽，檢測(cè)限為0.2ppbv[14]；

Xu Feng等人在2017年提出了一種基于石墨烯涂層錐形光子晶體光纖（Graphene-Coated Tapered Photonic Crystal Fiber, GTPCF）的MZI硫化氫氣體傳感器，GTPCF-MZI是通過在兩個(gè)SMF之間熔接一個(gè)較短的錐形PCF而形成的，PCF在熔接區(qū)域的氣孔完全塌陷，實(shí)驗(yàn)通過浸涂和燒結(jié)工藝將GTPCF-MZI涂覆一層石墨烯，結(jié)果表明，隨著硫化氫濃度的增加，透過光譜的傾角波長(zhǎng)呈現(xiàn)藍(lán)移，在0ppm～45ppm的測(cè)量范圍內(nèi)，獲得了0.03143nm/ppm的高靈敏度和良好的線性關(guān)系[15]。

五、結(jié)論

綜上所述，PCF傳感器技術(shù)以及基于MZI的PCF傳感器裝置在生活各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景非常廣泛。本文介紹了國(guó)內(nèi)外基于Mach-Zehnder干涉的PCF傳感技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了折射率傳感、溫度和多參數(shù)傳感、應(yīng)變與曲率等其他傳感結(jié)構(gòu)，可見MZI-PCF結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的足夠重視。但是，此結(jié)構(gòu)在應(yīng)用領(lǐng)域上的突破有待進(jìn)一步拓展，希望接下來MZIPCF的研究能夠促進(jìn)傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，期待其能夠在日常生活中發(fā)揮更為巨大的應(yīng)用價(jià)值。