基于动态腔长调制的超高灵敏度光纤温度传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Ultra-high-sensitivity optical fiber temperature sensor based on dynamic cavity length modulation

提出基于动态空腔长度调制的超高灵敏度法布里-珀罗干涉仪温度传感器，通过密封空心光纤中的空气和液态石蜡柱体结构，利用空气高热膨胀系数和液态石蜡低粘度特性实现高灵敏度温度监测，灵敏度达11.42nm/°C。

　　

李文雪|李金健|曲健|方国强|张毅|曲世亮

桂林电子科技学院光电工程学院，中国桂林541004

摘要

在微流控系统、生物医学设备和实验室仪器中，精确的温度监测至关重要。本文提出了一种基于动态腔长调制的超高灵敏度Fabry-Perot干涉仪（FPI）温度传感器。该传感器通过在空心光纤（HCF）内部密封空气并填充一段液状石蜡来实现。该传感器利用空气的高热膨胀系数（TEC）以及液状石蜡与HCF内表面之间的低粘度系数，实现了超高灵敏度的温度检测。FPI内部空气的热膨胀会导致光程差（OPD）发生显著变化，从而引起干涉光谱波长的偏移。由于液状石蜡的粘度系数随温度升高而降低，因此该传感器在高温区域的灵敏度更高。在27°C至29°C范围内，该传感器的温度灵敏度为2.16 nm/°C；在30°C至31°C范围内，其超高灵敏度可达11.42 nm/°C。此外，研究发现较短的石蜡柱长度能够进一步提高温度灵敏度。这种传感器在高精度温度监测应用中具有巨大潜力。

引言

光纤Fabry-Perot干涉仪（FPI）传感器的光谱受光程差（OPD）的影响，而光程差由有效折射率和干涉腔的长度决定[1]、[2]、[3]。然而，由于大多数材料的热光系数（TOC）相对较小，折射率引起的光谱偏移对整体传感信号的影响不如腔长调制显著，从而导致温度传感器的灵敏度较低。因此，增强腔长调制对于实现超高灵敏度至关重要。

为了提高温度传感器的灵敏度，研究人员提出了多种增强灵敏度的技术，包括将光纤与具有高TOC和热膨胀系数（TEC）的温度敏感材料结合使用[4]、[5]、[6]，例如异丙醇[7]、[8]、石墨烯[9]、硅油[10]、[11]和聚二甲基硅氧烷（PDMS）[13]、[14]、[15]。例如，Pei等人开发了一种基于非对称结构微光纤模态干涉仪的光纤传感器，其温度灵敏度为0.079 nm/°C[16]。Wang等人开发了一种基于气球形马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的紧凑型光纤传感器，无需特殊光纤或涂层敏化材料，但其温度灵敏度仅达到0.1786 nm/°C[17]。Li等人结合了两种类型的光纤干涉仪（C型光纤FP干涉仪和单模光纤（SMF）FP干涉仪）制备了传感器，但所得灵敏度仍低于-0.196 nm/°C[18]。Li等人还提出了一种基于SMF的弧形错位结构干涉仪，在该结构上涂覆了一层复合材料，其温度灵敏度可达到-0.953 nm/°C[19]。这些传感器主要通过调节由折射率变化引起的干涉信号偏移来实现温度检测。尽管折射率变化对传感信号的影响通常有限，但在某些高灵敏度应用中仍面临挑战。此外，固体填充传感器受到材料弹性模量的机械限制。

在本文中，我们提出了一种基于动态腔长调制的超高灵敏度FP温度传感器。该传感器由SMF、HCF和液状石蜡柱组成。利用空气的高热膨胀系数以及液状石蜡与HCF内表面之间的低粘度系数实现了超高灵敏度的温度检测。与传统填充PDMS的传感器不同，我们的传感器采用动态腔长调制机制。随着温度升高，液状石蜡的粘度系数降低，使其在空心光纤（HCF）内壁的移动更加顺畅。空气的热膨胀导致OPD发生显著变化，进而引起干涉光谱波长的偏移，使传感器的温度灵敏度达到11.42 nm/°C。研究还发现，较短石蜡柱长度的传感器具有更高的温度灵敏度。当石蜡柱长度分别为17.04 μm和32.29 μm时，相应灵敏度分别降至9.14 nm/°C和5.62 nm/°C。这种超高灵敏度的温度传感器为精确监测温度波动提供了紧凑且可靠的解决方案。

原理与制备

该光纤传感器由SMF、HCF和液状石蜡柱组成。制备过程如图1(a)所示。首先，使用适当的放电时间和功率将HCF（芯径/包层直径为105/125 μm）与SMF熔接在一起。然后将熔接后的HCF（长度为200 μm）在显微镜下精确切割。通过熔接机的高精度步进电机控制，使用锥形石英毛细管注入一定量的

结果与讨论

为了研究所提出传感器的温度检测性能，构建了如图3(a)所示的实验测试系统。宽带光源（BBS，1400–1600 nm）的光线穿过温度传感器，反射光谱由光谱分析仪（OSA，AE8600E）进行测量。图3(b)展示了温度传感器的显微图像。温度传感器通过精密温控加热平台进行加热以获得

结论

综上所述，我们提出了一种基于动态腔长调制的超高灵敏度FPI温度传感器。该传感器利用空气的高热膨胀系数以及液状石蜡与HCF内表面之间的低粘度系数实现了超高灵敏度的温度检测。由于液状石蜡的粘度系数随温度升高而降低，因此在高温区域的灵敏度更高。

作者贡献声明

方国强：软件设计、方法论。曲健：软件设计、数据分析。曲世亮：项目指导、数据分析。张毅：初稿撰写、软件实现。李文雪：初稿撰写、审稿与编辑、软件实现。李金健：方法论设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国广西壮族自治区自然科学基金（项目编号2025GXNSFDA069045、2025GXNSFAA069819）和中国国家自然科学基金（项目编号62375058、12504452、62405069）以及中国博士后科学基金（项目编号2024MD753925）的支持。

李文雪于2022年获得湖北民族大学光电信息科学与工程学士学位，目前就读于中国桂林电子科技学院光电工程学院，主要从事光纤传感器的研究。