全光纤蔗糖浓度传感器，采用异芯马赫-曾德尔干涉仪（hetero-core MZI）作为光谱滤波器，内置在EDFL（ erbium-doped fiber laser，掺铒光纤激光器）腔体内

《Optik》：All-fiber sucrose concentration sensor incorporating a hetero-core MZI as a spectral filter in an EDFL cavity

异质芯光纤结构被用于蔗糖浓度检测，通过马赫-曾德尔干涉仪原理测量折射率变化。比较了传统宽带光源和铒掺杂光纤激光器两种检测方法，发现EDFL方案灵敏度达-0.173 nm/%，折射率灵敏度-90.52 nm/RIU，分辨率0.115%，检测限4.85%，均优于BBS方法。验证了低 cost异质芯光纤在化学传感中的高灵敏度应用潜力。

　　

Wijdan Mhmood Khudhair|Abdulhadi Al-Janabi|Sarah Kadhim Al-Hayali

伊拉克巴格达大学，激光研究生研究所

摘要

食品和饮料行业依赖于实时测量蔗糖浓度以进行质量控制和生化监测，而主动激光传感器在高精度化学传感领域取得了显著进展。在本研究中，开发并测试了一种利用异芯光纤结构来测量水中不同蔗糖浓度引起的折射率变化的蔗糖传感器。该异芯光纤结构由一根薄芯光纤（TCF）与两段无芯光纤（NCF）拼接而成，形成NCF-TCF-NCF组合，再与单模光纤（SMF）拼接。这种结构充当马赫-曾德尔干涉仪，允许多模干涉。使用不同的蔗糖溶液对异芯结构进行了测试。通过将不同量的蔗糖粉末溶解在去离子水中，制备了0%至50%范围内的蔗糖溶液。本研究采用了两种光学技术来检测传感器的性能：传统的宽带光源（BBS）和掺铒光纤激光器（EDFL）。通过这两种方法进行比较分析，评估了传感器的灵敏度、分辨率（R）、检测限（LOD）和光谱响应。传统方法的蔗糖浓度灵敏度为-0.117 nm/%，折射率灵敏度为-66.21 nm/RIU，分辨率为0.17%，检测限为5.89%。基于腔内传感的EDFL方法实现了-0.173 nm/%的蔗糖浓度灵敏度，折射率灵敏度为-90.52 nm/RIU，分辨率为0.115%，检测限为4.85%。结果表明，基于EDFL的方法比传统方法具有更高的灵敏度、更好的分辨率和更低的检测限，使其成为高性能蔗糖传感的理想选择。本文探讨了光源选择对具有相同传感结构的光纤传感器性能的影响，揭示了低成本异芯光纤结构可以作为高灵敏度的化学浓度传感器。

引言

健康的饮食有助于减少肥胖，并预防糖尿病、心脏病、中风、骨质疏松症和癌症等疾病[1]、[2]、[3]。世界卫生组织建议每天从糖分中摄取总能量的5%[1]。过量摄入糖分，加上缺乏运动或遗传因素，可能导致低血糖、糖尿病和心血管疾病[3]、[4]、[5]。在食品加工、医药和生物技术等行业中，测量蔗糖浓度至关重要[6]。

适当的监测对于确保产品质量和工艺效率至关重要。由于其高灵敏度、电磁免疫性、紧凑的尺寸和远程传感能力，光纤传感器正成为一种可行的选择。这些传感器包括表面等离子体共振（SPR）[7]、基于光纤布拉格光栅的传感器[8]和基于光纤干涉仪的传感器[9]。然而，单模干涉仪的灵敏度相对较低，结构复杂且成本较高，因此不太适用于某些应用。最近的发展包括多模干涉仪（MMI）[10]、光纤萨格纳克干涉仪（Fiber Sagnac Interferometers）[11]和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[12]，它们在折射率（RI）传感方面显示出巨大潜力[13]、[14]、[15]、[16]。已经展示了数十种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤方案[17]、[18]、[19]、[20]。然而，这些设计大多存在脆弱性和结构复杂的问题。锥形/偏移式传感器由于结构复杂（直径减小）以及需要非传统的精密加工工艺，容易损坏。而全直径的MZI基于标准光纤组件和成熟的熔接技术，具有出色的可制造性、耐用性、低成本和长期可靠性。相比之下，FBG传感器依赖于手动且繁琐的紫外刻写工艺来制造。为了克服这些挑战，使用标准单模光纤（SMF）和特殊光纤（如无芯光纤NCF和薄芯光纤TCF）的异芯结构提供了一种机械上更为坚固的替代方案，同时不牺牲灵敏度且成本低[21]。所设计的全光纤结构不仅灵敏度高，而且非常紧凑（仅几毫米），坚固且易于制造，无需处理脆弱的组件。NCF-TCF-NCF MZI设计不仅灵敏度高，而且非常紧凑、坚固且简单。

掺铒光纤激光器（EDFL）以其窄线宽、较高的信噪比和能够检测多种波长而著称[22]、[23]。基于异芯光纤的传感器可以使用多种光源进行分析，例如EDFL和传统的宽带光源（BBS）[21]、[24]、[25]。这些传感器具有灵敏度高、稳定性好和成本效益高的优点。每种方法的主要优点和缺点包括：(i) EDFL由于线宽窄和光功率高，提高了信噪比（SNR）和检测限[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]；(ii) 基于传统BBS的探测系统因其用户友好性、成本效益和宽光谱范围而受到青睐[35]、[36]、[37]、[38]，但与基于激光的系统相比，其SNR可能较低。蔗糖浓度测量方法包括使用传统BBS和EDFL的光学传感器，其中BBS的SNR较低，可能在某些情况下限制其分辨率，但具有更宽的光谱覆盖范围。基于光纤的传感器如萨格纳克干涉仪[39]、MZI[40]和EDFL[41]已被用于蔗糖监测[42]，但由于制造损耗，其灵敏度通常较低。这些关于基于BBS和EDFL的蔗糖测量研究分别达到了2.97 nm/M、-19.3 nm/RIU和0.1835 nm/%的灵敏度。

本研究介绍了一种利用异芯光纤结构来测量水中蔗糖浓度变化引起的折射率变化的蔗糖传感器的制造和测试方法。异芯光纤配置包括一段NCF1-TCF-NCF2，该结构由两段标准SMF拼接而成。该光纤结构作为马赫-曾德尔干涉仪（MZI）工作，多模干涉发生在NCF和TCF段内部。使用不同的蔗糖溶液评估了SMF1-NCF1-TCF-NCF2-SMF2光纤配置的性能。通过将不同量的蔗糖溶解在去离子水中，制备了0%至50%范围内的蔗糖溶液。为了评估传感器的性能，采用了两种探测方法：(i) 环形EDFL腔配置；(ii) 基于传统宽带光源（BBS）的方法。使用BBS设置，蔗糖浓度测量范围为0%至50%，获得了-0.117 nm/%的浓度灵敏度、-66.21 nm/RIU的折射率灵敏度、0.17%的分辨率和5.89%的检测限。而基于腔内传感的EDFL方法实现了-0.173 nm/%的蔗糖浓度灵敏度、-90.52 nm/RIU的折射率灵敏度、0.115%的分辨率和4.85%的检测限。基于EDFL的方法比传统方法具有更高的灵敏度、更好的分辨率和更低的检测限，使其成为高性能蔗糖传感的理想选择。该研究还探讨了光源选择对光纤传感器性能的影响，表明低成本异芯光纤结构可以作为高灵敏度的化学浓度传感器。

异芯光纤传感器的制造和工作原理

传感器的制造采用了如图1所示的异芯结构。该过程包括将一段TCF（Thorlabs-980HP）与两段NCF（FG125LA-Thorlabs）拼接，形成NCF1-TCF-NCF2，作为传感臂。然后将NCF1-TCF-NCF2与两段标准SMF（Corning SMF28）拼接，作为模式耦合器。拼接过程简单，只需使用商用熔接机（Fujikura FSM-90S）进行切割和熔接即可。

材料与方法

使用Sigma-Aldrich提供的分析级蔗糖（纯度≥99.5%）进行实验。所有溶液在分析前均用纯化系统的去离子水过滤，以去除可能散射或干扰异芯MZI传感器光场的微粒。蔗糖浓度以重量百分比（%w/v）表示。在制备每个浓度水平时，准确称量所需的蔗糖质量（例如：10克）。

传统光纤传感方法

当宽带光源的光进入异芯光纤接头时，光会分成芯模和包层模。周围液体折射率的变化会导致这些包层模进入中心传感区域（TCF）。由于包层模的有效折射率会随着外部液体蔗糖折射率的变化而变化，因此会产生干涉图案。

基于传统宽带光源（BBS）的传感器响应

当基于传统BBS的异芯光纤传感器浸入蔗糖溶液样品中时，其波长会出现显著变化，浓度范围从0%到50%。如图7(a)所示，在室温下，波长从1550.68 nm向1545.67 nm蓝移，调谐范围为5.01 nm。模式传播条件和折射率都受到蔗糖浓度增加的影响。

结论

开发出了一种低成本、简单且坚固的异芯光纤结构，用作蔗糖浓度传感的光子器件。该异芯结构由NCF1-TCF-NCF2拼接而成，中间夹有两段SMF，作为马赫-曾德尔干涉仪（MZI）工作，允许多模干涉。使用0%至50%范围内的不同蔗糖溶液对这种光纤排列进行了测试。本研究采用了两种光学技术来分析传感器性能：传统的宽带光源（BBS）和掺铒光纤激光器（EDFL）。

作者贡献声明

Wijdan Mhmood Khudhair：研究、方法论、写作、审稿与编辑。Abdulhadi Al-Janabi：写作、审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。Sarah Kadhim Al-Hayali：写作、审稿与编辑、验证、数据分析。

利益冲突声明

不存在利益冲突，作者声明没有可能影响本研究客观性或论文撰写的财务利益、商业关联或其他潜在利益冲突。

致谢

本研究得到了伊拉克高等教育与科学研究部（MOHESR）和巴格达大学（UoB）的支持。