学术研究报告：高灵敏度U型方形腔光子晶体光纤温度传感器
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究的主要作者包括广西师范大学物理科学与技术学院的张秋南、廖翔宇、王永梅、刘洋涛、邵伟佳、胡俊辉，以及中国电子科技集团公司第三十四研究所的童章玮。张秋南与童章玮对本文贡献相同。通讯作者为王永梅教授。该研究成果以题为《U-shaped PCF-SPR temperature sensor with high sensitivity》的论文形式，发表于学术期刊 Sensing and Imaging 的2025年第26卷第157期。文章于2025年9月23日投稿，历经修订后于2025年11月10日被接受，并于2025年11月27日在线发表。
二、 学术背景与研究目标
本研究的科学领域属于光纤传感技术，具体结合了光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）与表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）两种先进技术，致力于开发高性能的温度传感器。温度作为表征物质状态与环境条件的基本物理量，在工业生产、生物医学研究、环境监测等领域至关重要。特别是在极端环境、微尺度应用或需要实时监控的场景下，对温度传感器提出了高灵敏度、宽检测范围、快速响应及易于集成等严苛要求。传统的电阻温度检测器（RTD）、热电偶和热敏电阻等传感器，在强电磁场环境或生物兼容性要求严格的场景中，其测量精度和可靠性受到限制。光纤传感技术因其抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等独特优势而迅速发展。
表面等离子体共振（SPR）是一种无需标记、高灵敏度的光学传感技术，通过实时监测金属-电介质界面折射率变化来探测分子相互作用。虽然传统SPR传感器技术成熟，但存在体积庞大、不便携、对测量精度要求苛刻等局限。将光子晶体光纤（PCF）与SPR技术结合，有效解决了上述问题。PCF具有灵活的结构设计，可通过调整空气孔排列和尺寸来精确控制光传播。近年来，研究人员设计了多种创新的PCF-SPR传感器结构以提升性能。然而，当前的PCF-SPR温度传感器仍普遍存在检测范围有限、灵敏度不足以及光纤结构复杂等问题。
基于此背景，本研究旨在提出一种新型的U型方形腔PCF-SPR温度传感器设计，目标是在实现宽范围、高灵敏度温度检测的同时，降低制备工艺的复杂性。具体研究目标包括：通过全矢量有限元法（Full-Vector Finite Element Method, FEM）对传感器结构进行系统性优化与数值模拟；评估传感器在0–100 °C温度范围内的传感性能，包括波长灵敏度、品质因数（Figure of Merit, FOM）和温度分辨率；并通过与近年来的类似研究工作对比，验证所提出设计的综合性能优势。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要采用数值模拟与理论分析相结合的方法，整体工作流程可分为传感器原理与建模、参数系统性优化、性能结果分析以及对比验证几个主要阶段。研究未涉及实体样本实验，而是通过计算机仿真完成全部性能评估。
第一阶段：工作原理与传感器建模 首先，研究阐述了传感器工作的物理基础。当光纤中传输的光波照射到金属表面时，会激发金属中大量自由电子的集体振荡，在金属-电介质界面形成表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPP）。当倏逝波的频率与SPP的频率匹配时发生共振，光能量从光纤纤芯转移到SPP，导致反射光强急剧下降，在光谱中形成损耗峰。研究通过公式定义了纤芯能量限制损耗的计算方法，该损耗用于表征SPP的激发强度。同时，研究明确了评价传感器性能的三个关键参数的计算公式：波长灵敏度（S_t，单位 nm/°C）、品质因数（FOM_t，单位 °C⁻¹）和温度分辨率（R_t，单位 °C）。
其次，研究构建了具体的传感器几何模型。该模型是一个U型方形腔结构的PCF-SPR温度传感器，主要由五个部分组成：二氧化硅基底、空气孔、银金属薄膜、温度敏感材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及完美匹配层（PML）。空气孔以点O为中心呈U型方形腔排列。在抛光面上沉积银层，并选择PDMS作为热敏介质填充于传感区域。PML用于截断计算域并吸收辐射能量。研究还给出了构成传感器各关键材料的介电常数或折射率随波长或温度变化的数学模型：二氧化硅的折射率采用Sellmeier方程计算；银的介电常数采用Drude模型描述；PDMS的折射率则用一个与温度成线性关系的公式表示，其热光系数为 -4.5 × 10⁻⁴ /°C。
第二阶段：结构参数的系统性优化 本研究采用全矢量有限元法（FEM）进行数值仿真，并通过损耗谱分析处理数据。优化的核心目标是在宽温度范围内最大化波长灵敏度和FOM。优化过程是顺序且迭代的，每次优化一个参数时，其他参数暂定为初始值或已优化值。优化涉及的参数包括：大空气孔直径d1、小空气孔直径d2、空气孔间距p、银膜厚度Ag以及光纤抛光深度h。
优化空气孔直径d1：在d2=1.0 µm, p=4.0 µm, Ag=50 nm, h=3.0 µm的条件下，将d1从2.3 µm以0.1 µm步长增加至2.7 µm，分别在10°C和20°C下计算损耗曲线。结果显示，随着d1增大，共振波长发生红移。通过分析波长灵敏度和FOM随d1的变化趋势，发现灵敏度绝对值呈上升趋势，但FOM绝对值在d1增大时因共振峰半高全宽（FWHM）增加而下降。综合权衡后，选择d1=2.5 µm作为最优值。
优化空气孔直径d2：在确定d1=2.5 µm后，保持p=4.0 µm, Ag=50 nm, h=3.0 µm不变，将d2从0.3 µm以0.1 µm步长增加至0.7 µm。分析发现，增大d2对20°C下的损耗曲线几乎无影响，但会使10°C下的共振波长蓝移，且共振强度先增后稳。波长灵敏度和FOM均随d2增大而下降。但d2过小会导致光能从纤芯边缘向外辐射，降低耦合效率。平衡灵敏度、损耗峰值强度和FOM后，选择d2=0.5 µm。
优化空气孔间距p：基于已优化的d1和d2，保持Ag=50 nm, h=3.0 µm，将p从3.9 µm以0.1 µm步长增加至4.3 µm。结果显示，p增大会引起共振波长蓝移，且波长灵敏度和FOM均先升后降。分析认为，适中的间距能增强纤芯模能量向金属-介质界面的转移，但过大会导致能量通过空气孔泄漏。当p=4.1 µm时，各项性能指标达到最优。
优化银膜厚度Ag：基于d1=2.5 µm, d2=0.5 µm, p=4.1 µm, h=3.0 µm，将Ag层厚度以5 nm步长从40 nm增加至60 nm。随着Ag膜增厚，共振波长红移。波长灵敏度绝对值呈现先降后升的趋势。银膜太薄会导致SPP激发效率不足，太厚则会限制倏逝场穿透深度，削弱能量耦合效率。最终选择Ag=50 nm为最佳厚度。
优化抛光深度h：最后优化抛光深度h，步长0.1 µm，范围2.8 µm至3.2 µm。变化h对共振波长和共振强度影响不大。波长灵敏度绝对值随h增加呈现先升后降的趋势。抛光深度不足会残留过厚包层阻碍耦合，过深则会破坏波导结构导致信噪比恶化。在h=3.0 µm时，灵敏度和FOM达到最优。
通过上述系统性优化，最终确定了传感器的最佳结构参数组合，总结为：d1=2.5 µm, d2=0.5 µm, p=4.1 µm, Ag=50 nm, h=3.0 µm。
第三阶段：性能分析与对比验证 在获得最优结构参数后，研究在0°C至100°C的完整温度范围内进行了性能仿真。绘制了该温度区间的损耗曲线，并计算了相应的波长灵敏度、FOM和温度分辨率。结果表明，在10°C至20°C的温度区间内，传感器表现出最佳性能，其最大波长灵敏度达到-21.6 nm/°C，最大FOM为-0.30 °C⁻¹，最高温度分辨率高达4.63 × 10⁻³ °C。研究还绘制了共振波长随温度变化的拟合曲线，其调整后的R平方值为0.99455，显示出良好的线性关系。
为客观评估本传感器的性能，研究将其与2019年至2025年间发表的7项类似研究工作进行了详细对比（以表格形式呈现）。对比指标包括检测范围、最大灵敏度、最大FOM和最大分辨率。对比分析清晰地显示，本研究提出的传感器在检测范围（0–100°C）上具有明显优势，同时其波长灵敏度（-21.6 nm/°C）和FOM（-0.30 °C⁻¹）的绝对值均远高于表中列出的其他传感器，分辨率（4.63×10⁻³ °C）也处于领先水平，展现了全面的性能优势。
四、 主要研究结果及其逻辑关系
本研究通过严谨的数值仿真和参数优化流程，获得了一系列明确且相互支撑的结果。
在参数优化阶段，每个参数的变化都通过损耗曲线的移动（波长红移或蓝移）以及计算的灵敏度、FOM数值直观反映。例如，优化d1时观察到的共振波长红移，被归因于d1尺寸改变影响了纤芯模有效折射率的实部，从而改变了其与SPP模的相位匹配点。这一物理机制的阐释，将结构参数的几何变化与核心的光学性能指标（共振波长）联系起来。优化d2和p时对灵敏度与FOM影响趋势的分析，则进一步揭示了结构参数如何通过调控模场能量分布和耦合效率来最终决定传感器性能。特别有价值的一个发现是，当空气孔尺寸d1、d2和间距p在其最优值附近波动时，灵敏度和FOM仅有微小变化。这一结果直接支持了后续关于该传感器“制备工艺要求低、容错率高”的结论，因为这意味着实际加工中不需要极其苛刻的尺寸精度。
在性能分析阶段，基于最优参数得到的0–100°C宽温区损耗曲线是核心结果。图中显示的共振峰随温度升高向短波长方向移动（蓝移），直接对应负的波长灵敏度值。通过公式(2)对这些波长移动量进行计算，得到了灵敏度随温度变化的曲线（图9b），并从中提取出-21.6 nm/°C的最大值。同时，利用共振峰的半高全宽（FWHM）通过公式(3)计算出FOM，得到-0.30 °C⁻¹的最大值。利用公式(4)进一步计算出高达4.63×10⁻³ °C的温度分辨率。这些具体的数据是评估传感器性能的直接证据。此外，损耗峰强度在0–100°C范围内并非单调变化，研究将其归因于PDMS的热光效应和热膨胀效应在不同温区内交替主导产生的非线性耦合，这体现了仿真模型对复杂物理效应考虑的全面性。
最终的对比表格结果，将本研究的各项性能数据置于学术界现有进展的坐标系中。这些对比数据强有力地证明，本研究不仅实现了更宽的检测范围，而且在灵敏度、FOM等关键指标上取得了显著提升。该对比结果是从“优化得到高性能参数”到得出“传感器设计具有综合优势”这一最终结论的关键逻辑桥梁。
五、 研究结论及其意义与价值
本研究成功提出并验证了一种基于U型方形腔PCF-SPR结构的高灵敏度温度传感器。通过全矢量有限元法的系统性数值模拟与优化，该传感器在0–100°C的宽温度范围内展现出卓越的综合性能：最大波长灵敏度-21.6 nm/°C，最大品质因数（FOM）-0.30 °C⁻¹，以及高达4.63×10⁻³ °C的温度分辨率。
本研究的科学价值在于：第一，提出了一种新颖的U型方形腔PCF结构，该设计在实现高性能的同时，通过参数优化发现其对加工误差不敏感，降低了理论设计向实际制备转化的难度。第二，详细演示并验证了基于FEM的PCF-SPR传感器多参数系统优化流程，为同类传感器的设计提供了方法论参考。第三，深入分析了各结构参数（如空气孔尺寸、间距、金属膜厚、抛光深度）变化对SPR耦合机理及最终传感性能的影响规律，加深了对PCF-SPR温度传感物理过程的理解。
其应用价值更为显著：该传感器凭借高灵敏度、宽检测范围、高分辨率以及抗电磁干扰等固有优点，在工业制造（如精密加工过程监控）、医疗诊断（如体腔内或微创手术温度监测）、环境监测以及电力设备温度监控等领域展现出良好的应用前景。论文还简要概述了该传感器的制备流程（包括预制棒堆叠、拉丝、侧边抛光和金属膜沉积）和可能的测试系统搭建方案，为其未来走向实际应用提供了路线图。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
论文在引言部分对PCF-SPR技术在生物分子检测、食品安全、环境检测以及温度传感等多个领域的最新研究进展（截至2025年）进行了简要但全面的综述，为读者提供了该技术快速发展的背景脉络。此外，在讨论银作为等离子体材料时，客观指出了其化学稳定性较差（易氧化）的缺点，并提到可通过适当的封装工艺来缓解此问题，体现了研究的客观性和对实际应用挑战的考虑。最后，论文给出了具体的基金资助信息，表明了该研究受到多项国家级、省市级以及高校创新项目的支持，体现了其研究价值获得的认可。