《Sensors and Actuators A: Physical》：Temperature sensor based on polymer-coated dual-offset optical fiber Mach-Zehnder interferometer with Vernier effect
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提出基于Vernier效应的双偏移光纤温度传感器，通过光纤融合技术制备长度分别为847μm和533μm、偏移尺寸47μm的MMF1和MMF2，并利用SU-8光刻胶封装MMF2微腔。形成两个平行MZI，利用其相近自由光谱范围产生Vernier包络线。在30-55℃范围内实现3.2586 nm/℃的高灵敏度温度检测，具有结构紧凑、制备简单、成本低优势，适用于智能设备、材料研究及肿瘤治疗领域。
李敏|郑玉新|杨杰|白如冰|杜凌宇|丛爱民|梁玉红|李晓伟
中国赤峰市赤峰大学物理与智能制造工程学院，邮编024000
摘要
本文提出了一种基于Vernier效应的高灵敏度双偏移光纤温度传感器。双偏移光纤（MMF1和MMF2）采用光纤熔接技术制造而成，两者的偏移量均为47 μm，偏移长度分别为847 μm和533 μm。随后，在MMF2的微腔内涂覆SU-8光刻胶，并将其暴露在紫外光下以实现完全封装。入射光被分为两部分：一部分进入MMF1，另一部分泄漏到空气中。进入MMF1的光继续传播并再次分成两束：一束（I1）进入SU-8光刻胶，另一束（I2）在MMF2中传播。同样，泄漏到空气中的光也分成两束，强度分别为I3和I4。I1和I2组成第一个马赫-曾德尔干涉仪（MZI），I3和I4组成第二个MZI，从而形成并联MZI。由于两个MZI的干涉光谱的自由光谱范围较为接近，因此产生了Vernier效应。在30–55 ℃的温度范围内，详细监测了1488 nm附近的Vernier效应包络。该温度传感器的灵敏度达到3.2586 nm/℃。该传感器具有高灵敏度、低成本和简单的制备工艺，在智能设备、材料研究和肿瘤治疗等领域具有广泛的应用前景。
引言
温度在智能设备、材料研究和肿瘤治疗等领域起着至关重要的作用[1]。例如，热疗是一种有效的肿瘤治疗方法，因此精确的温度测量和控制尤为重要。目前，光纤温度传感器具有许多优点，包括高灵敏度、抗电磁干扰和良好的生物相容性，被广泛应用于各个领域[2],[3],[4],[5],[6],[7]。其中，光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）传感器因其简单的制备工艺和低成本而受到广泛关注。例如，通过熔接锥形技术可以制造出锥球[8],[9],[10],[11],[12]、U形[13]、D型[14]和偏移熔接[15],[16],[17]结构来实现马赫-曾德尔干涉。这些MZI的传感单元通常基于硅或空气。由于空气和二氧化硅的热光系数及热膨胀系数较小，这类MZI的温度灵敏度仍然不足[18]。最近，将新型温度敏感材料与MZI结合使用显著提高了温度灵敏度[19],[20]。例如，2024年，Tian等人提出了一种通过六次连续偏移熔接形成三个级联腔体的MZI[21]，然后向腔体内吸附聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，实现了高灵敏度的温度检测。然而，其制备过程涉及多个精细的操作步骤，较为复杂。此外，多个腔体的填充可能导致光谱对比度降低。目前，Vernier效应被广泛用于提高温度灵敏度。2021年，Sigifredo等人利用毛细管空心光纤与多模光纤（MMF）的连接构建了基于Vernier效应的级联MZI干涉仪[22]，但其参考臂需要恒定温度，限制了其应用场景。2023年，李等人开发了一种基于Vernier效应的高灵敏度干涉仪，通过3 dB耦合器将MZI与法布里-珀罗干涉仪（FPI）连接起来[23]，该传感器可以同时测量应变和温度。然而，对耦合器的依赖增加了系统的复杂性并降低了紧凑性。
本文提出了一种基于聚合物涂层双偏移光纤的高灵敏度、超紧凑型光纤MZI温度传感器。首先使用光纤熔接技术制造两个平行偏移结构，分别记为MMF1和MMF2，它们的偏移尺寸均为47 μm，长度分别为847 μm和533 μm。随后，在MMF2的微腔内涂覆SU-8光刻胶，完全封装其偏移微腔，并通过紫外光照射固化。当光束通过输入光纤MMF并到达第一个偏移界面M1时，它被分成两部分：一部分进入偏移光纤MMF1，另一部分泄漏到空气中。进入MMF1的光继续传播并在不对齐的界面M2（MMF1和MMF2之间）再次分裂。一束子光（I1）进入SU-8光刻胶，另一束（I2）在MMF2中传播。这两束光随后传播到输出光纤MMF的界面M3并耦合到输出光纤MMF中。同样，泄漏到空气中的光也分成两束子光（I3和I4），强度不同。一束子光进入SU-8光刻胶，另一束在MMF2中传播，最终都耦合到输出光纤MMF中。在输出光纤MMF中，这四束光（I1、I2、I3、I4）发生干涉并叠加。具体来说，I1和I2构成第一个MZI的干涉光谱，I3和I4构成第二个MZI的干涉光谱。由于两个MZI的光谱自由光谱范围（FSRs）接近但不完全相同，因此产生了Vernier效应。SU-8光刻胶具有较高的热光系数和热膨胀系数，其热光系数为负，而硅的热光系数为正。当温度变化时，有效折射率的差异显著变化。此外，SU-8光刻胶的高热膨胀系数使得所提出的MZI的有效干涉长度随温度升高而增加。因此，无需过长的传感区域即可显著提高双偏移MZI的灵敏度。在30 ℃至55 ℃的温度范围内，通过监测Vernier效应包络的移动，所提出的双偏移MZI的温度灵敏度达到3.2586 nm/℃。因此，所提出的传感结构紧凑、灵敏度高且成本低，在智能设备、材料研究和肿瘤治疗等领域具有广泛的应用前景。
制造过程和理论分析
第一步：进行第一次偏移熔接。首先准备两段长度为30 cm、芯径为105 μm、包层径为125 μm的多模光纤（MMF）。使用Miller钳子剥离每段光纤一端的涂层，用浸有75%酒精的镜头清洁纸擦拭残留物，并用光纤切割器将两端切平。然后将两段切平的光纤分别固定在光纤熔接机（型号：KL-300T）两端的压板上。
温度特性研究
为了详细测试光纤偏移结构的温度传感特性，采用了如图4所示的监测系统。该系统主要由几个关键组件组成：宽带光源（型号：SC-5-FC），提供波长范围为600 nm至1700 nm的入射光；光谱仪（制造商：YOKOGAWA，型号：AQ6370D），分辨率为0.02 nm；以及用于精确控制温度的温度控制箱。
结论
本文提出的双偏移光纤MZI温度传感器具有高灵敏度和超紧凑性。该传感器由两个并联连接的MZI组成，整个制备过程仅涉及光纤熔接技术和UV固化技术。两个MZI的长度分别为847 μm和533 μm，每个MZI的偏移量约为47 μm。两个MZI的自由光谱范围（FSRs）彼此接近，因此产生了Vernier效应包络光谱。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：丛爱民持有待授权的赤峰大学专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金（2024QN01018）、内蒙古自治区本科教育教学改革研究项目（JGYB2026117）、2025年内蒙古自治区青年教师科研创新能力支持计划、“聚合物改性光纤痕量气体传感器在区域应用中的开发”（2024年Yulong人才专项项目202407）以及相关建设项目的支持。
李敏是赤峰大学的教授，作为其研究小组的负责人，她的研究兴趣包括飞秒激光微加工和光纤传感器。
