陸杭林,邵來鵬,張 帆,唐 劍,黎遠(yuǎn)鵬,王詠梅,胡君輝

(1．廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西核物理與核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范大學(xué))，廣西 桂林 541004； 3．深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；4．廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

光纖傳感器以光為信號，具有體積小、對電絕緣、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測量精度和可靠性高、可遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢，因此被認(rèn)為是傳統(tǒng)電傳感器較好替代品。光纖馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer，MZI)傳感器傳感機(jī)理是光纖中的模式干涉，通過監(jiān)測目標(biāo)對傳感器模式干涉的影響來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的傳感與測量，是光纖傳感器中性能較為優(yōu)越的一類器件。1891年，奧地利 Mach 和瑞典 Zehnder 分別獨(dú)立提出了馬赫-曾德爾干涉儀[1]。MZI傳感器有2個(gè)獨(dú)立光路，分別為傳感光路和參考光路。在傳感應(yīng)用中參考光路與外部環(huán)境保持隔離，傳感光路則需要暴露在待監(jiān)測環(huán)境中。傳感光路與參考光路干涉后可以形成干涉譜，而外部環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致傳感光路光程的變化，傳感器的干涉譜發(fā)生漂移。因此，通過分析干涉譜的漂移量與干擾信號的變化關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的傳感測量[2-3]。傳統(tǒng)的MZI結(jié)構(gòu)較大，而光纖型MZI則較好地克服了傳統(tǒng)MZI結(jié)構(gòu)上的不足[4-5]。1978年，Butter等[6]提出利用光纖MZI進(jìn)行應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)，這就是較早的光纖MZI傳感器。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，光纖MZI傳感器取得快速發(fā)展。此外，光纖MZI傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于研制，因此在傳感與監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用[7-15]。

本文對光纖MZI傳感器的傳感機(jī)理和研制方法進(jìn)行簡要介紹，并從溫度、應(yīng)變、液位、曲率、壓力、折射率、雙參量和生化監(jiān)測等方面對光纖MZI傳感技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行全面分析，展望光纖MZI傳感技術(shù)在傳感應(yīng)用方面的發(fā)展方向。

1 傳感原理

光纖MZI傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，該傳感器由單模光纖(SMF)-多模光纖(MMF)-單模光纖(SMF)構(gòu)成。激光器發(fā)出的激光在單模光纖中傳輸(纖芯?；蚧?，用紅色箭頭表示)，激光進(jìn)入到多模光纖后除了原有的纖芯模外，還會(huì)激發(fā)出包層模(高階模，用黃色箭頭表示)。多模光纖中纖芯模與包層模的傳輸速度不同，纖芯?？梢宰鳛閰⒖脊饴罚鼘幽Ｗ鳛閭鞲泄饴?，兩光路向前傳輸，到達(dá)輸出端的單模光纖后耦合輸出(用藍(lán)色箭頭表示)，因此構(gòu)成了光纖MZI,輸出光的強(qiáng)度可以表示為[16]

紅色箭頭表示纖芯?；蚧?；黃色箭頭表示高階模；藍(lán)色箭頭表示耦合輸出。圖1 光纖MZI傳感器結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of the optical fiber MZI sensor structure

(1)

式中：I1和I2分別為參考光和傳感光的光強(qiáng)；I則為2束光干涉后總的強(qiáng)度；φ是2束光耦合調(diào)制時(shí)的相位差。相位差的變化量可以表示為[17]

(2)

式中：Δneff是參考光路和傳感光路的有效折射率差；L是傳感光路的長度。傳感光路與參考光路形成干涉圖樣，干涉峰的波長可以表示為[17]

(3)

式中m為干涉條紋的級數(shù)。2個(gè)相鄰干涉峰間是干涉譜的自由譜寬(free spectral range，F(xiàn)SR)，表示為[18]

(4)

如果傳感光路受到外界環(huán)境的擾動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致傳感光路的有效折射率發(fā)生改變，干涉條紋發(fā)生相應(yīng)漂移，波長的變化量可以表示為[19]

(5)

式中Δn為外界環(huán)境的折射率變化量。因此，通過監(jiān)測干涉譜諧振峰波長的變化量可以實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境的監(jiān)測與傳感。

2 制備方法

光纖MZI傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，因此吸引了國內(nèi)外許多學(xué)者對其制備方法進(jìn)行研究，成功總結(jié)出多種制備方法。在諸多制備方法中，它們各有優(yōu)勢并且通過不同研制方法獲得的光纖傳感器的特性也不盡相同，以下就常見的制備方法進(jìn)行簡要闡述。

2.1 光纖錯(cuò)位熔接法

光纖熔接時(shí)一般是采用對芯熔接，即纖芯對準(zhǔn)纖芯熔接，目的是盡可能降低熔接處造成的損耗。而錯(cuò)位熔接則是有意地把需要熔接的2段光纖的纖芯錯(cuò)開，目的是把原先只在纖芯內(nèi)傳播的光波引導(dǎo)到光纖的包層中。由于包層折射率和纖芯折射率不一致，導(dǎo)致在纖芯和包層中傳播的光存在光程差，纖芯和包層中的光波再次耦合在一起時(shí)形成干涉，因而可以制備成光纖傳感器。采用錯(cuò)位熔接方法制備光纖MZI傳感器較為簡單，并且對制備儀器要求不高，使用普通光纖熔接機(jī)即可完成傳感器的制備。2017年，Yan等[20]采用普通光纖熔接機(jī)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)光纖芯2～10 μm的偏移熔接，獲得了結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且穩(wěn)定的溫度傳感器。2018年，蘇達(dá)順等[21]也采用普通光纖熔接機(jī)對光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，調(diào)節(jié)熔接機(jī)的x軸馬達(dá)使左右光纖在橫向方向形成錯(cuò)位, 2個(gè)對稱的錯(cuò)位熔接點(diǎn)的偏置距離均為62.5 μm，最后成功研制了大偏置量熔接單端反射式光纖MZI折射率傳感器，如圖2(a)所示。錯(cuò)位熔接方法研制的光纖MZI傳感器結(jié)構(gòu)簡單、方便快捷，并且高效低廉，因此在溫度、壓力、折射率和氣體檢測方面得到廣泛應(yīng)用[22-26]?；阱e(cuò)位熔接方法研制的光纖MZI傳感器的傳感結(jié)構(gòu)簡單，但是想要在熔接時(shí)獲得特殊設(shè)置或特殊傳感結(jié)構(gòu)則較為困難。

圖2 用光纖制備的4種傳感器Fig. 2 4 kinds of sensors prepared with optical fibers

2.2 纖芯失配法

纖芯失配法是利用2種或多種纖芯直徑不同的光纖進(jìn)行對芯熔接制成光纖傳感器，由于纖芯直徑失配，在熔接處往往會(huì)形成纖芯模和包層模，這些模式耦合到單模光纖時(shí)形成MZI干涉儀。2006年，Villatoro等[27]采用普通熔接機(jī)在2段多模光纖中對芯熔接一段單模光纖，成功研制了低成本的折射率傳感器。2012年，Rong等[28]提出的細(xì)芯光纖-單模光纖-細(xì)芯光纖(TCF-SMF-TCF)的光纖傳感結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，只需要將各段光纖進(jìn)行對芯熔接便可獲得所需要的傳感器?？傮w上，采用纖芯失配法研制的光纖傳感器方法更為簡單、操作方便，與錯(cuò)位熔接法研制的光纖傳感器相似，因此在監(jiān)測方面也得到廣泛應(yīng)用[29-32]。纖芯失配法制備光纖MZI傳感器工藝簡單，只需要利用熔接機(jī)將光纖進(jìn)行對芯熔接即可，設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)的變化主要源于對不同纖芯直徑的光纖類型的選擇，難以在其上制作一些微結(jié)構(gòu)傳感器，因此，一些特殊的傳感應(yīng)用往往需要用到成本較高的特殊光纖，這是該方法的局限性。

2.3 光纖側(cè)邊拋磨法

側(cè)邊拋磨法采用輪式拋磨機(jī)、飛秒激光加工技術(shù)或V型槽模塊拋磨技術(shù)等對光纖進(jìn)行拋磨，去除光纖一側(cè)的全部或部分包層[33]，形成D型光纖。1980年，Bergh等[34]首次對單模光纖進(jìn)行側(cè)邊拋磨，形成的側(cè)邊拋磨區(qū)包含過渡區(qū)和平坦區(qū)2部分，側(cè)邊拋磨區(qū)形成傳輸光場的“泄漏窗口”。利用光場與物質(zhì)相互作用來激發(fā)、控制、探測光纖纖芯中的傳輸光場，從而可以制備各種基于倏逝場的傳感器[35]。2019年，Dong等[36]使用輪式拋磨技術(shù)對單模光纖進(jìn)行側(cè)面拋磨，設(shè)計(jì)制備了拋磨長度約為10 mm、平坦區(qū)長度約為6 mm的光纖生物傳感器，如圖2(c)所示。同樣是采用輪式拋磨技術(shù)，2021年，Zakaria等[37]通過砂輪對單模光纖進(jìn)行拋磨，最后制備了拋磨區(qū)長度為0.5 cm的折射率傳感器。側(cè)邊拋磨法制備的光纖MZI傳感器由于利用了泄露到側(cè)邊拋磨區(qū)的光場與測量對象直接相互作用，因此傳感器可以獲得較高靈敏度，在非力學(xué)傳感領(lǐng)域得到很多應(yīng)用[38-45]。但是由于光纖經(jīng)過拋磨后，其機(jī)械強(qiáng)度有所降低，使得傳感器的魯棒性不夠強(qiáng)，限制了傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.4 光纖拉錐法

光纖拉錐法是先將光纖表面的涂覆層去除，光纖表面清潔干凈后放置在光纖夾具上，利用火焰加熱光纖至熔融狀態(tài)，然后利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性位移平臺(tái)對光纖進(jìn)行拉伸，拉伸后的光纖具有過渡區(qū)和平坦區(qū)2部分。在過渡區(qū)光纖直徑變細(xì)，光纖的纖芯與包層厚度都減小, 纖芯中的一部分光將繼續(xù)沿纖芯傳播,另一部分光則進(jìn)入光纖的包層傳播，2部分光構(gòu)成一個(gè)光纖MZI[45]。經(jīng)拉錐后的光纖表面具有很強(qiáng)的倏逝場，因此可用于外界微量的傳感與探測。2018年，Yue等[46]在2根單模光纖中夾一段多芯光纖，然后平臺(tái)上將光纖結(jié)構(gòu)絕熱拉錐變細(xì)，錐形的腰長約為18 mm，后期再進(jìn)行退火處理以提高傳感器的穩(wěn)定性，如圖2(d)所示。同樣是采用夾心光纖結(jié)構(gòu)，Li等[47]在2根單模光纖之間拼接一段裸芯光纖，然后再將光纖進(jìn)行拉錐，最后成功制備了無標(biāo)記的DNA生物傳感器。通過光纖拉錐法研制的傳感器具有表面光滑、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于折射率、生物和化學(xué)傳感領(lǐng)域的傳感與監(jiān)測[48-54]。但是光纖拉錐法對制備工藝要求較高，制備參數(shù)完全相同的2個(gè)器件較為困難，重復(fù)性較差。

此外，制備光纖MZI傳感器還有其他方法，比如氫氟酸腐蝕法[55]等，但是本文主要討論以上4種最為常見的方法。以上4種制備光纖MZI傳感器方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 4種制備光纖MZI傳感器方法對比Tab. 1 Comparison of four methods for developing MZI optical fiber sensors

3 傳感應(yīng)用

光纖MZI傳感器通過研究監(jiān)測目標(biāo)與傳感器干涉譜的波長漂移關(guān)系來實(shí)現(xiàn)傳感與監(jiān)測。針對各種環(huán)境要求的光纖MZI傳感器不斷涌現(xiàn)，需要對傳感器的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，其目的都是進(jìn)一步提升傳感器的傳感性能，并確保傳感探測的可靠性以及準(zhǔn)確性。光纖MZI傳感器的研制，除了要求探測性能可以得到進(jìn)一步提升外，同時(shí)還要求避免非探測目標(biāo)對傳感器的影響[56]。以下結(jié)合相關(guān)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，詳細(xì)闡述光纖MZI傳感器的設(shè)計(jì)與傳感應(yīng)用。

3.1 溫度傳感應(yīng)用

溫度傳感是光纖傳感器最主要和最直接的應(yīng)用之一。在光纖MZI傳感器中，溫度傳感的機(jī)理是溫度引起傳感器的熱脹冷縮，導(dǎo)致傳感器的參考光路與傳感光路的有效折射率發(fā)生改變，因此干涉譜波長會(huì)發(fā)生相應(yīng)漂移，通過監(jiān)測干涉譜波長漂移量即可實(shí)現(xiàn)溫度的傳感與監(jiān)測。基于MZI原理的溫度傳感器得到了很多關(guān)注和研究[5,57-58]。2019年，Zhang等[59]提出由七芯光纖與保偏光纖構(gòu)筑的高靈敏度溫度傳感器，如圖3(a)所示。該傳感器通過使用商用熔接機(jī)將七芯光纖與保偏光纖拼接而成，七芯光纖與保偏光纖構(gòu)成光纖MZI傳感器。同時(shí)，保偏光纖的使用提升了傳感器干涉譜的消光比，進(jìn)一步提升了傳感器的探測性能，使得溫度測量在30 ℃至44 ℃時(shí)，靈敏度可以達(dá)到-2.38 nm/℃。同樣是利用保偏光纖研制光纖傳感器，2019年，Shao等[60]在單模光纖中對芯熔接一段保偏光纖，構(gòu)成單模光纖-保偏光纖-單模光纖(SMF-PMF-SMF)高靈敏度溫度傳感器，如圖3(b)所示。研究結(jié)果表明，該傳感器溫度測量在30 ℃到50 ℃時(shí)，靈敏度可以達(dá)到1.73 nm/℃。2020年，Nizamani等[61]使用輪式拋磨技術(shù)研制了D型光纖溫度傳感器，如圖3(c)所示。將普通光纖拋磨成D型光纖，并且在拋磨區(qū)域涂上氧化銦錫以提高傳感器的靈敏度。研究結(jié)果表明，在溫度從30 ℃到110 ℃時(shí)，該傳感器具有高度穩(wěn)定性和線性響應(yīng)，獲得的溫度靈敏度為0.001 3 dBm/℃。2021年，Ma等[53]提出S錐光纖模態(tài)干涉儀溫度傳感器，如圖3(d)所示。S錐形由商業(yè)熔接機(jī)(Fujikura 80S)使用2個(gè)SMF制造，在拼接過程中將光纖向外拉伸形成錐形。研究結(jié)果表明，該傳感器在28 ℃至32 ℃的測量范圍內(nèi)，最大靈敏度為-15.66 nm/℃。

圖3 4種光纖溫度傳感器Fig. 3 4 kinds of optical fiber temperature sensors

基于光纖MZI溫度傳感器中，采用錯(cuò)位熔接法和纖芯失配法[59]等研制的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，并且方便快捷，但是溫度靈敏度略為偏低。采用側(cè)邊拋磨法[62]和光纖拉錐法[53]等則較容易獲得較高的溫度靈敏度，但采用側(cè)邊拋磨法需要昂貴的拋磨設(shè)備，而光纖拉錐法則需要較高的實(shí)驗(yàn)工藝。

3.2 應(yīng)變傳感應(yīng)用

基于彈性力學(xué)的基本理論和二氧化硅材料的彈光效應(yīng)，給光纖兩端施加軸向應(yīng)力時(shí)，由于光纖彈光效應(yīng)，纖芯基模和包層模有效折射將發(fā)生改變[63]。當(dāng)光纖軸向受到應(yīng)力作用時(shí)，傳感光路與參考光路的有效折射差會(huì)發(fā)生變化。因此，基于光纖MZI傳感器可以用于應(yīng)力的傳感與檢測，目前此類傳感應(yīng)用已經(jīng)取得很多研究成果[64-65]。2018年，Dong等[66]提出一種基于MZI的高靈敏度光子晶體光纖應(yīng)變傳感器，如圖4(a)所示。傳感頭由全光纖對芯熔接的單模光纖(SMF)-多模光纖(MMF)-光子晶體光纖(PCF)-單模光纖(SMS)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。研究結(jié)果表明，該傳感器在0～5 000 με大測量范圍內(nèi)表現(xiàn)出-2.21 μm/ε 的高靈敏度。2020年，Dong等[67]提出一種空心錐度的高靈敏度光纖應(yīng)變傳感器，如圖4(b)所示。該傳感器是通過在2根單模光纖(SMF)之間熔接具有500 μm錐度區(qū)域的錐形空芯光纖(HCF)構(gòu)成。研究結(jié)果表明，在測量范圍為0～2 100 με時(shí)，傳感器的應(yīng)變靈敏度為2.7 μm/ε。2021年，Liu等[68]提出基于錐形薄芯光纖的模態(tài)干涉儀的超靈敏強(qiáng)度調(diào)制應(yīng)變傳感器，該傳感器通過電弧放電熔接和錐形技術(shù)制造而成，如圖4(c)所示。研究結(jié)果表明，當(dāng)錐形薄芯光纖長度等于15 mm時(shí)，在0～250 με的測量范圍內(nèi)，最大靈敏度達(dá)到0.119 dB/με，獲得應(yīng)變檢測分辨率為～0.084 με。2021年，基于改進(jìn)的微纖維輔助開腔MZI的高靈敏度光纖應(yīng)變傳感器[69]，如圖4(d)所示，通過引入2根多模光纖提出一種改進(jìn)的微光纖輔助開腔結(jié)構(gòu)，在軸向應(yīng)變和溫度方面進(jìn)行了綜合測試。研究結(jié)果表明，在0～800 με的測量范圍內(nèi)，傳感器獲得了5.51 μm/ε 的應(yīng)變靈敏度和～0.2 με的檢測分辨率。

圖4 4種光纖應(yīng)變傳感器Fig. 4 4 kinds of fiber-optic strain sensors

光纖應(yīng)變傳感器有廣闊的應(yīng)用前景，而光纖應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣。采用對芯熔接方法制備光纖應(yīng)變傳感器可以獲得較好的機(jī)械強(qiáng)度，但傳感靈敏度略為偏低。采用拉錐或微光纖輔助開腔方法制備的傳感器可以獲得較高的傳感靈敏度，但是光纖局部受到破壞，因此機(jī)械強(qiáng)度的韌性將受到影響。目前，基于光纖MZI的應(yīng)變傳感器已經(jīng)取得很多研究成果，并且該類傳感器具有制作簡單、條紋可見度大和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 液位傳感應(yīng)用

液位傳感與監(jiān)測在石油儲(chǔ)運(yùn)、化工、水處理和生物制藥等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。光纖MZI液位傳感器要達(dá)到監(jiān)測液位的效果，需要把原本在纖芯中傳播的光耦合進(jìn)包層甚至泄漏出包層，從而形成傳感光路。在監(jiān)測液體的作用下，傳感器傳感光路的有效折射率發(fā)生變化，繼而產(chǎn)生光程差，從而引起傳感器干涉譜的漂移。通過定量分析干涉譜的漂移量與液位的關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)液位的傳感與監(jiān)測。2019年，Xie等[70]提出球形結(jié)構(gòu)級聯(lián)光纖液位傳感器，如圖5(a)所示。在制備傳感器時(shí)，對單模光纖的一端進(jìn)行2次電弧放電變成球形結(jié)構(gòu)，然后將引出的單模光纖在手動(dòng)對齊后通過正常拼接方式拼接成球形。研究結(jié)果表明，測量范圍為0.6～30.0 mm時(shí)，傳感器純水液位靈敏度為-0.117 2 μm/m，NaCl溶液液位靈敏度為-0.140 1 μm/m。2020年，Shao等[71]提出一種薄芯光纖的光纖內(nèi)MZI涉儀液位傳感器，如圖5(b)所示。該傳感器由通過熔接構(gòu)造的單模-錐形-細(xì)芯-錐形-單模光纖結(jié)構(gòu)組成，使用錐形作為耦合器來實(shí)現(xiàn)液位的傳感與測量。研究結(jié)果表明，測量范圍為0～15 mm時(shí)，此傳感器液位傳感的最大靈敏度達(dá)到1.241 6 μm/m。2021年，Sun等[72]采用串聯(lián)多模光纖-單模光纖-多模光纖的方法構(gòu)建了一個(gè)液位傳感器，如圖5(c)所示。光從多模光纖傳播到單模光纖時(shí)會(huì)激發(fā)包層模，然后與基模耦合形成MZI。研究結(jié)果表明，測量范圍為0～15 mm時(shí)，該傳感器獲得了264.6 nm/m的液位傳感靈敏度。同年，Lu等[17]將光纖進(jìn)行側(cè)邊拋磨，使纖芯中的光泄漏出來，然后拋磨光纖與保偏光纖進(jìn)行對芯熔接得到保偏光纖-多模光纖-D型光纖-多模光纖(PM-DM)光纖結(jié)構(gòu)液位傳感器，如圖5(d)所示。此傳感器使用去離子水、乙醇和不同濃度的NaCl溶液進(jìn)行液位測量特性研究。研究結(jié)果表明，該傳感器對不同折射率的液體有不同的液位響應(yīng)，測量范圍為2～14 mm時(shí)，對折射率為1.356 7的乙醇最高靈敏度可達(dá)0.573 μm/m。

圖5 4種光纖液位傳感器Fig. 5 4 kinds of fiber optic liquid level sensors

采用對芯熔接、錯(cuò)位熔接或側(cè)邊拋磨的方法研制光纖液位傳感器，可以根據(jù)實(shí)際需要定制傳感器的長度[17,70,72]。光纖拉錐的方法研制液位傳感器將受限于拉錐度[73]，同時(shí)傳感器的機(jī)械強(qiáng)度也將受到影響。

3.4 曲率傳感應(yīng)用

物體的彎曲程度對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用[74]。利用光纖MZI傳感器對物體的彎曲程度進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，傳感結(jié)構(gòu)隨監(jiān)測體發(fā)生同步形變，存在被拉伸和被擠壓的現(xiàn)象[75]。傳感器在拉伸和擠壓過程中，會(huì)導(dǎo)致參考光路和傳感光路的有效折射率發(fā)生相應(yīng)改變，因此干涉譜也就隨之發(fā)生漂移。2018年，Wang等[76]提出多模光纖-七芯光纖-多模光纖結(jié)構(gòu)的曲率傳感器，如圖6(a)所示。該傳感器中多模光纖用于提高輸入單模光纖和七芯光纖之間的光耦合效率，七芯光纖作為曲率測量的主要元件。研究結(jié)果表明，在曲率為0.094～0.567 m-1時(shí)，靈敏度達(dá)到41.464 53 nm·m。2019年，陸杭林等[75]利用單模光纖-保偏光纖-單模光纖構(gòu)成的高靈敏度曲率光纖傳感器，如圖6(b)所示。該傳感器將保偏光纖熔接在2段單模光纖之間，研究了傳感器的曲率傳感性能以及保偏光纖的長度對傳感器曲率靈敏度的影響。研究結(jié)果表明，曲率為0.43～1.37 m-1時(shí), 傳感器最大靈敏度為59.849 nm·m。2020年，張帆等[77]將七芯光纖和保偏光纖進(jìn)行對芯熔接，提出了七芯光纖和保偏光纖結(jié)構(gòu)的光纖曲率傳感器，如圖6(c)所示。該傳感器的曲率靈敏度隨著七芯光纖長度的增加而增大，在七芯光纖長度為120 mm，曲率為0.876～2.771 m-1時(shí)，傳感器獲得最大的靈敏度,為17.31 nm·m。同樣是采用七芯光纖， 2021年，Yang等[78]提出簡單的單模光纖和空芯光纖高靈敏度光纖曲率傳感器，如圖6(d)所示。該傳感器在2個(gè)單模光纖之間熔合一小段小內(nèi)徑空芯光纖，并在空芯光纖側(cè)壁中直接激發(fā)多個(gè)導(dǎo)模。研究表明，該傳感器在 0.48～1.52 m-1的曲率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)19.88 nm·m的高靈敏度。

圖6 4種光纖曲率傳感器Fig. 6 4 kinds of fiber curvature sensors

光纖曲率傳感器在監(jiān)測過程中容易被拉伸、擠壓，因此傳感器需要有較高的機(jī)械強(qiáng)度。采用對芯熔接方法研制的光纖曲率傳感器容易獲得較好的機(jī)械強(qiáng)度[75,77]，光纖側(cè)邊拋磨或拉錐的方法使光纖受損，因此存在著機(jī)械強(qiáng)度偏弱的不足[79-80]。

3.5 壓力傳感應(yīng)用

光纖徑向或軸向受到壓力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且由于彈光效應(yīng)引起的雙折射可能使光纖的原始光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)的偏振模式的傳播常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。1980年，F(xiàn)ields等[81]報(bào)道了光纖壓力傳感器。光纖MZI傳感器感在壓力作用下，常體現(xiàn)為干涉譜的漂移。2019年, Lin等[82]提出級聯(lián)光纖MZI高靈敏度氣壓傳感器，如圖7(a)所示。傳感器由級聯(lián)2個(gè)單模光纖-多模光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)組成MZI，在每個(gè)多模光纖中有微加工空氣腔，空氣腔充當(dāng)氣壓傳感元件。研究結(jié)果表明，在壓力為0～0.7 MPa時(shí)，傳感器對氣體壓力的靈敏度為-82.131 fm/Pa。2019年，Zhao等[83]提出具有游標(biāo)效應(yīng)的級聯(lián)MZI氣壓傳感器，如圖7(b)所示。傳感器中每個(gè)MZI由夾在2根短多模光纖 (MMF) 之間的空芯光纖(HCF)組成，其中一個(gè)MZI中的 HCF被打開，使氣孔與外部環(huán)境相連，充當(dāng)傳感元件。研究結(jié)果表明，壓力范圍為0～0.8 MPa時(shí)，傳感器的靈敏度為-73.32 fm/Pa。2021年，Lu等[84]提出單模光纖-保偏光纖-單模光纖(SPS)結(jié)構(gòu)的高靈敏度壓力傳感器，如圖7(c)所示。該傳感器僅由在2根單模光纖之間簡單拼接一段保偏光纖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。研究結(jié)果表明，所提出的傳感器在壓力為1～10 kPa時(shí)，獲得的壓力靈敏度為7.896 pm/Pa。2022年，Zhao等[85]提出錐形光纖涂有PDMS薄膜的超靈敏氣壓傳感器，如圖7(d)所示。該傳感器先將單模光纖做成錐形光纖，然后在錐形光纖表面涂上聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，PDMS薄膜的多孔特性使干涉儀具有超高的氣壓靈敏度。研究結(jié)果表明，在氣壓為1 kPa至100 kPa時(shí)，該傳感器的氣體壓力靈敏度可高達(dá)-159.80 fm/Pa。

圖7 4種光纖氣壓傳感器Fig. 7 4 kinds of fiber pressure sensors

在壓力傳感器方面，微腔形的MZI壓力傳感器容易獲得較高的靈敏度[82-83]，但是加工微腔需要用到特殊的工具，如飛秒激光器等，因此增加了傳感器的研發(fā)成本。對于對芯熔接或拉錐等方法研制的壓力傳感器，研制方法相對簡單，但需要添加輔助材料才能實(shí)現(xiàn)壓力[85]。

3.6 液體折射率傳感應(yīng)用

液體折射率的測量在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測和食品檢測等領(lǐng)域具有重要作用[86-90]。光纖MZI傳感器應(yīng)用于液體折射率的測量，是基于液體折射率的改變導(dǎo)致傳感光路光程的改變，因此傳感器的干涉譜發(fā)生漂移。2019年，Yu等[91]提出級聯(lián)2個(gè)花生形結(jié)構(gòu)的MZI折射率傳感器，如圖8(a)所示。該傳感器通過使用商用熔接機(jī)在單模光纖中級聯(lián)2個(gè)花生形光纖結(jié)構(gòu)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。研究表明，該傳感器在折射率為1.33～1.37時(shí)實(shí)現(xiàn)了-67.355 nm/RIU的折射率靈敏度。2021年，Zhou等[92]在光纖MZI的基礎(chǔ)上提出等離子體超高靈敏度光纖折射率傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示，通過在無芯光纖上沉積金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的折射率傳感能力。研究結(jié)果表明，當(dāng)折射率為1.333 3～1.333 7時(shí)，此傳感器靈敏度高達(dá)20 141.7 nm/RIU。2021年，Zhao等[93]在級聯(lián)光纖的結(jié)構(gòu)中對光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行錐化，形成錐形無芯光纖折射率傳感器，如圖8(c)所示。該傳感器的多模干涉和錐形結(jié)構(gòu)容易激發(fā)高階模式，因此對折射率更加敏感，實(shí)驗(yàn)中傳感器在折射率為1.380～1.420時(shí)獲得906.0 nm/RIU的折射率靈敏度。2022年，Zeng等[94]將光子晶體光纖與多模光纖進(jìn)行級聯(lián)，構(gòu)成單模光纖-多模光纖-光子晶體光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)的光纖MZI傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖8(d)所示，該傳感器在1.333 0～1.377 5折射率時(shí)傳感器的靈敏度高達(dá)342.78 nm/RIU。

圖8 4種折射率傳感器Fig. 8 4 kinds of fiber-optic refractive index sensors

基于光纖MZI折射率傳感器研制方法較為簡單，因此在國內(nèi)外得到很多的關(guān)注和研究[4,23,95-101]。纖芯失配法或錯(cuò)位熔接法研制的光纖MZI折射率傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，但靈敏度普遍低[91]。在光纖MZI傳感器的基礎(chǔ)上做成等離子共振，則可以大幅度提升傳感器的靈敏度[92]，但是鍍膜濺射儀價(jià)格昂貴，增加了傳感器研發(fā)成本。光纖拉錐法研制的光纖MZI折射率傳感器，方法簡單，成本低廉，但制備工藝要求高，重復(fù)性較差。

3.7 雙參量傳感應(yīng)用

實(shí)際傳感應(yīng)用中，測量對象往往同時(shí)受到外界2個(gè)或者多個(gè)參數(shù)的擾動(dòng)，例如測量監(jiān)測對象的應(yīng)變時(shí)，往往監(jiān)測對象所處環(huán)境的溫度也會(huì)發(fā)生變化，因此需要雙參量甚至多個(gè)參量的同時(shí)測量。雙參量同時(shí)檢測與傳感，要避免參量間相互串?dāng)_問題。光纖MZI傳感器的雙參量同時(shí)測量的傳感機(jī)理，是基于干涉譜不同的干涉峰對需要監(jiān)測的目標(biāo)量有著不同的光譜響應(yīng)，因此可以構(gòu)建矩陣方程實(shí)現(xiàn)雙參量的同時(shí)測量。2018年，Lu等[102]提出基于保偏光纖-側(cè)邊拋磨光纖的溫度和液體折射率同時(shí)測量的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖9 (a)所示。研究結(jié)果表明，在溫度為10～30 ℃、折射率為1.337 6～1.361 8時(shí)，該傳感器實(shí)現(xiàn)溫度和折射率的同時(shí)測量，獲得的靈敏度分別為-1.804 nm/℃和-131.49 nm/RIU。2021年，Zhang等[103]提出一種多模光纖-多芯光纖用于同時(shí)測量溫度和定向扭轉(zhuǎn)的光纖傳感器，如圖9(b)所示。該傳感器是在2段多模光纖(MMF)之間熔接一段多芯光纖(MCF)構(gòu)成，通過監(jiān)測干涉峰的波長偏移和強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)溫度和扭轉(zhuǎn)同時(shí)測量。研究結(jié)果表明，在溫度為55～80 ℃、扭轉(zhuǎn)為0～3.5 rad/m時(shí)，獲得的靈敏度分別為70 pm/℃和13.8 pm·m/rad。同樣是采用多芯光纖，2021年，Li等[104]將一段多芯光纖與2段短多模光纖拼接研制了可以同時(shí)測量橫向載荷和溫度的光纖傳感器，如圖9(c)所示。實(shí)驗(yàn)研究了該傳感器的橫向載荷和溫度特性，研究結(jié)果表明橫向壓力為4～10 N、溫度為35～80 ℃時(shí)，獲得的靈敏度分別為-165 pm/N 和45 pm/℃。進(jìn)行多參量探測時(shí)，為了方便進(jìn)行操作，可以把傳感器研制成單頭反射式。2022年，Li等[105]提出錐形少模光纖溫度和液位的反射式光纖傳感器，如圖9(d)所示。該傳感器由錐形少模光纖和鍍銀的毛細(xì)管組成，紫外膠將錐形少模光纖密封在鍍銀毛細(xì)管中以形成傳感元件，此傳感器可以實(shí)現(xiàn)液位和溫度同時(shí)測量，在溫度為29～58 ℃、液位為5～30 mm時(shí)，獲得的靈敏度分別為35 pm/℃和106 dB/m。

圖9 4種雙參量光纖傳感器Fig. 9 4 kinds of double parameters optical fiber sensors

基于光纖MZI雙參量光纖傳感器研制時(shí)要考慮不同干涉峰對不同參量的響應(yīng)，因此此類傳感存在相互牽制問題。錯(cuò)位熔接法或纖芯失配法研制的光纖傳感器多用于溫度和力的作用等問題的雙參量測量[103-104]。側(cè)邊拋磨法和拉錐法研制的光纖傳感器表面有很強(qiáng)的倏逝場，因此多用于溫度、折射率或液位等雙參量測量[102,106-107]。

3.8 生化傳感應(yīng)用

光纖MZI傳感器可以應(yīng)用于生化領(lǐng)域的檢測，如DNA檢測、抗原抗體檢測和小分子檢測等[108]，傳感機(jī)理與折射率傳感相似，即傳感器所處環(huán)境的液體折射率或傳感光纖的表面折射率發(fā)生改變，促進(jìn)傳感器中光程差的改變，因此傳感器的干涉譜發(fā)生漂移。光纖MZI傳感器進(jìn)行生化傳感時(shí)，一般需要對光纖表面進(jìn)行修飾，通過分子力結(jié)合、化學(xué)鍵結(jié)合或非特異性吸附的方法將生化探針修飾到傳感光纖的表面，然后通過生化探針的特異性識別機(jī)制，將目標(biāo)分子捆綁到傳感光纖的表面，實(shí)現(xiàn)生化傳感[109]。2019年，Kaushik等[110]提出光纖表面等離子共振生物傳感器，如圖10(a)所示。該傳感器用二硫化鉬納米片和金屬薄膜的協(xié)同作用放大表面等離子共振信號，并成功用于牛血清白蛋白的檢測，其在牛血清白蛋白的濃度為10～50 mg/L時(shí)獲得了0.29 mg/L的檢測限。2020年，Duan等[111]提出基于疏水蛋白的抗原-抗體檢測的光纖生物傳感器，如圖10(b)所示。該傳感器以疏水蛋白涂層作為連接媒介，用于實(shí)時(shí)無標(biāo)記檢測山羊抗兔(IgG)抗體和兔抗血凝素(IgG)之間的反應(yīng)。研究結(jié)果表明，該傳感器對抗原(來自兔的 IgG)的檢測限小于1 mg/L。2021年，Deng等[112]提出光纖MZI 3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APES)傳感器，如圖10(c)所示。該傳感器采用纖芯偏置融合單模光纖構(gòu)成，可以監(jiān)測光纖表面不同數(shù)量和濃度的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷。研究結(jié)果表明，光纖生物傳感器的1% APES的最佳用量為3.0 mL，而2% APES的最佳用量為1.5 mL。2021年，Lu等[113]提出金納米粒子(gold nanoparticles，Au-NPs)信號增強(qiáng)超靈敏微光纖生物傳感器，如圖10(d)所示。傳感器采用“三明治”檢測策略，捕獲探針固定在微光纖表面，報(bào)告探針固定在Au-NPs表面， 捕獲探針和報(bào)告探針與靶探針以夾心排列方式雜交。研究結(jié)果表明，在靶探針濃度為1.0×10-15～1.0×10-8mol/L時(shí)，該傳感器的檢測限為1.32×10-15mol/L。

圖10 4種光纖生物傳感器Fig. 10 4 kinds of fiber optic biosensors

拉錐法研制的光纖傳感器，由于其表面具有很強(qiáng)的倏逝場，對周轉(zhuǎn)環(huán)境的折射率變化非常敏感，所以較適合應(yīng)用于生化傳感。而常規(guī)方法研制的光纖傳感器折射率靈敏度偏低，因此在生化傳感應(yīng)用方面存在很大的局限性。此外，通過在錐形生化傳感器表面涂敷的二維材料，可以進(jìn)一步拓寬傳感器的應(yīng)用范圍、提高傳感器的探測性能[114-116]。

4 展望

光纖MZI傳感器在很多領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用且有廣泛應(yīng)用前景。本文對光纖MZI傳感器的傳感機(jī)理、研制方法進(jìn)行闡述，并詳細(xì)闡述了光纖MZI傳感器的傳感應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖傳感器目前已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用，作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的各類光纖傳感器的需求不斷加大；而技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)促進(jìn)各種高性能光纖傳感器不斷涌現(xiàn)。作為較有潛力和競爭力的光纖器件，光纖MZI傳感器以后將會(huì)沿著更加輕量化和微結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，同時(shí)在后續(xù)發(fā)展中將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，如面向可穿戴的柔性生物傳感、生化傳感和海洋光學(xué)傳感等。