基于Mach-Zehnder干涉的光子晶體光纖傳感技術研究進展

韓博 高朋

沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧沈陽 110034

一、引言

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber, PCF）是近年來發展起來的一種新型微結構光纖。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PCF的深入研究，按照導光機制可將PCF分為折射率導光型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勢是普通光纖無法比擬的。普通光纖由于摻雜物質對溫度較為敏感，在測量其他物理量時，存在著嚴重的交叉敏感問題，必須采用溫度補償設備才可以避免。PCF一般是由單一的石英材料制造，其纖芯區域可以是石英或空氣，包層區域是空氣孔和純石英組成，石英具有低的熱光系數，因此，PCF傳感器具有常規光纖所不能比擬的溫度穩定性，可以降低環境溫度的不利影響，提高測量精度，無需額外的溫度補償設備。另外，PCF內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影響光的輸出特性，因此可按需設計結構，極大地提高了傳感器的設計靈活性，滿足各種技術需求。空氣孔內還可填充材料，豐富了傳感器的應用場合。因此利用PCF的巨大優勢與普通光纖相結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）是指由光源發出的兩個頻率相同、偏振方向一致、相位差恒定的光波，在相遇的空間區域會發生光強重新分配的現象，即雙光束干涉現象。MZI結構的優勢包括制造工藝容易，采取熔接、拉錐方式即可實現，更容易形成穩定的干涉，受外界干擾小，穩定性強，具有結構緊湊、易于制作、成本低廉等優點，在光纖傳感技術中得到青睞。

MZI與PCF的完美結合，即基于MZI的PCF（MZI-PCF）傳感設備，通過熔接、塌陷等技術可激發纖芯模式與包層模式的耦合產生干涉，實現折射率、溫度、曲率等物理量的傳感，具有制備簡單和結構緊湊的優勢。

對MZI-PCF結構的研究具有重要意義，其應用領域非常廣闊，應用前景看好，如可用于生物制藥中制藥成分折射率的檢測，作為分析檢測儀器；在鋼鐵、造紙、石化、食品、電力等領域中，相關到熱加工生產或者高溫作業等方面進行溫度檢測，預防火災事故發生；用于工業生產等領域的曲率和形變檢測；在環境安全監測中氣體濃度監測等。

本文對當前MZI-PCF傳感技術研究進展進行了簡要分類整理并進行分析，主要介紹了基于MZI-PCF結構對于折射率傳感、溫度傳感、應變及曲率傳感、濃度傳感等方面的研究現狀。

二、基于MZI-PCF的折射率傳感技術研究

折射率（Refractive Index, RI）的精確測量在工業生產、生物制藥中制藥成分檢測、生化樣本分析等許多應用領域中具有重要意義，其重要性不言而喻。基于MZI-PCF測量折射率的主要思路是將MZI-PCF置于待測外界介質中，當外界介質折射率發生變化時，干涉譜也會隨之改變，此時再研究介質折射率變化與干涉譜漂移之間的關系，實現折射率傳感。基于MZI-PCF的RI傳感器具有結構簡單、成本低廉、靈敏度高等優點。

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

2014年，Yong Zhao, Di Wu等人提出了一種SMF-錐形PCF-SMF結構的MZI的RI傳感器，實驗獲得良好的干涉譜，實現了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傳感器的示范性實驗，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，傳感器對于1.33～1.38和1.38～1.43范圍內的RI靈敏度分別達到了9.4dB/RIU和17.5dB/RIU[3]；

2016年，Jitendra Narayan Dash報告一種以PCF為基礎的Mach-Zehnder干涉儀，將此結構涂覆氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）監測分析物（蔗糖）的RI，最后得到傳感器的強度和波長靈敏度分別為130dB/RIU和212nm/RIU，此結構可用作高精度檢測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傳感器結構，如圖1所示，該傳感器在兩個SMF之間級聯一段有半錐形塌陷區域（HTCR）的PCF，通過增強MZI-PCF的消逝場，提供消逝場與周圍介質RI（SRI）之間更充分的相互作用，增強RI測量的靈敏度，傳感器實驗中采用三種長度相同但塌陷區域長度和最大錐徑依次增大的MZI-PCF的RI傳感器，實驗測得RI靈敏度也逐漸增大[5]。

在基于MZI-PCF結構對于RI測量的傳感器研究過程中，人們正在嘗試著通過對PCF進行拉錐熔接、錯位熔接、過熔塌陷、涂覆氧化石墨烯等各種方法提高MZI-PCF結構的靈敏度和傳感能力，通過對傳感系統整體光路的分析，找出外界影響因素，查找分析傳感器結構本身不完善造成的影響。提高MZI-PCF結構傳感能力不但是研究重點，同時也是研究難點，這需要研究者在實驗過程中不斷探索，找到提升測量靈敏度和減小噪聲的關鍵方法。

三、基于MZI-PCF的溫度和多參數傳感技術研究

鋼鐵、造紙、石化、食品、電力等領域中，相關到熱加工生產或者高溫作業等方面均需要進行溫度監測，預防火災事故發生。基于MZI-PCF結構的溫度傳感主要思路是將PCF空氣孔內填充液體，并且該液體的熱敏系數一般較高，對溫度變化敏感。當外界溫度變化時，液體受到影響，通過該MZI-PCF結構的干涉譜會發生漂移，此時我們再研究外界溫度變化與干涉譜漂移之間的關系，實現溫度傳感。基于MZI-PCF的溫度傳感具有結構簡單，成本低廉，靈敏度高等優點。

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和兩個標準SMF錯位熔接組成，實現了-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來實現，在1550nm處實現了18.8μm/℃的溫度靈敏度[7]；

Xue-Gang Li等人在2016年設計并實現了一種基于復合干涉結構的新型雙參數傳感器，它可看作是SMF-MMF-PCF-SMF結構的一個級聯，同時形成一個反射法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer,FPI）和一個傳輸型MZI，傳感器可通過分別監測反射光譜和透射光譜的漂移來測量RI和溫度，實驗測得溫度和RI的靈敏度可分別達到27.5pm/℃和108nm/RIU[8]；

2017年Jitendra Narayan Dash等人報告了一種高靈敏度的多參數傳感器，如圖2所示。此傳感器基于與高雙折射光子晶體光纖（HiBi PCF）串聯的錐形光纖，其中錐形光纖用于測量曲率和溫度，而用SMF拼接的HiBi PCF用于監測分析物RI的變化，此實驗提出的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的溫度和多參數傳感技術研究具有重要意義，溫度監測并預防火災的發生關系到了工業生產等領域的安全問題。基于MZI-PCF構成的溫度傳感器具有成本低、耐腐蝕、穩定性高等優點，在此基礎上形成的分布式光纖溫度傳感器能夠實現多點分布的實時監測。但是MZI-PCF結構溫度傳感器正處于初步探索階段，距離真正將此類結構傳感器用于實際應用工程還為時尚早，還需要研究者對MZI-PCF結構類型更為深入的研究。該結構的溫度傳感器將成為未來主要發展趨勢之一，在實際工程的領域監測中將發揮重要作用。

四、基于MZI-PCF的其他傳感技術研究

除了檢測折射率及溫度外，在工業生產、工藝產品加工等多項領域，對于應變、曲率等物理量的測量也有很高的要求，在環境安全監測中氣體濃度監測等也具有重要意義。

1、應變測量

應變是反映物體形變的參數，是衡量一個物體的使用壽命和安全性能的重要標準。基于MZI-PCF測量應變的傳感器結構相對于一般光纖傳感器具有更強的抗電磁干擾性、穩定性，適用范圍廣等眾多優點。

2012年，Jihee Han等人制作了非對稱雙芯光子晶體光纖（Asymmetric Two-core Photonic Crystal Fiber,AS-TC-PCF），并在此基礎上監測了Mach-Zehnder干涉儀的應變響應，AS-TC-PCF的應變敏感性是通過用干涉條紋移動來測量，隨著應變的增加，干涉條紋向短波長方向移動，應變靈敏度為-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）的級聯干涉儀結構，用于同時測量應變和橫向應力，研究表明這種級聯干涉儀的反射光譜由兩部分組成：由SI引起的大頻譜包絡和由DP-MZI引起的干涉條紋，SI分別達到了1.28nm/kPa和0.78pm/με的橫向應力和應變的靈敏度，DPMZI分別達到了 -0.009nm/kPa和 5.65pm/με，證明了雙參數測量的高精度[11]。

2、曲率測量

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

Bing Sun等人在2015年展示了一種基于PCFMZI實現的高靈敏度曲率傳感器，干涉儀由一個花生狀的部分和一個使用優化的電弧放電技術實現的突變錐體組成，此獨特的結構在0m-1～2.8m-1的范圍內表現出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結構，隨著傳感器曲率的增加，傳輸光譜出現藍移，在0m-1～1.16m-1的曲率范圍內，其曲率靈敏度為-5.39297nm/m-1，具有良好的線性度[13]。

3、氣體濃度測量

氣體濃度檢測在工業過程控制、環境保護、安全生產、國防等領域具有重要作用。基于MZI-PCF的氣體傳感器利用外界氣體對傳感探頭的影響，通過建立氣體傳感系統來探測氣體濃度。

2016年，Chuanyi Tao等人報道了一種PCF同軸Mach-Zehnder干涉儀，用作對爆炸性三硝基甲苯（TNT）的高靈敏度氣體傳感器探測裝置，傳感頭是通過在標準SMF之間嵌入一段大模面積的柚子型PCF熔接耦合形成的，實驗通過測量了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，干涉響應可用于量化0ppbv～9.15ppbv范圍內的TNT蒸汽，檢測限為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SMF之間熔接一個較短的錐形PCF而形成的，PCF在熔接區域的氣孔完全塌陷，實驗通過浸涂和燒結工藝將GTPCF-MZI涂覆一層石墨烯，結果表明，隨著硫化氫濃度的增加，透過光譜的傾角波長呈現藍移，在0ppm～45ppm的測量范圍內，獲得了0.03143nm/ppm的高靈敏度和良好的線性關系[15]。

五、結論

綜上所述，PCF傳感器技術以及基于MZI的PCF傳感器裝置在生活各個領域內的應用前景非常廣泛。本文介紹了國內外基于Mach-Zehnder干涉的PCF傳感技術的研究進展，介紹了折射率傳感、溫度和多參數傳感、應變與曲率等其他傳感結構，可見MZI-PCF結構已經引起了學術界的足夠重視。但是，此結構在應用領域上的突破有待進一步拓展，希望接下來MZIPCF的研究能夠促進傳感器技術的進一步發展與完善，期待其能夠在日常生活中發揮更為巨大的應用價值。