基于蚀刻多芯光纤的温度补偿分布式折射率传感器研究学术报告

第一作者及机构
本研究的通讯作者为Yongkang Dong（哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室），合作者包括Zongda Zhu、Dexin Ba、Lu Liu（哈尔滨工业大学理学院）及Liqiang Qiu。研究成果发表于2021年9月的《Optics Letters》期刊（Vol. 46, No. 17），标题为《Temperature-compensated distributed refractive index sensor based on an etched multi-core fiber in optical frequency domain reflectometry》。

学术背景
折射率（Refractive Index, RI）传感器在化学与生物传感领域应用广泛，但传统光纤RI传感器多为单点测量，且易受温度干扰。分布式RI传感可实时监测溶液扩散等动态过程，但现有技术（如基于单模光纤的OFDR系统）存在结构脆弱、无温度补偿等问题。本研究提出了一种基于蚀刻多芯光纤（Multi-Core Fiber, MCF）的温度补偿分布式RI传感器，通过内外纤芯分离传感机制，实现了高精度RI测量与温度解耦。

研究流程与方法
1. 光纤设计与蚀刻
- 研究对象：商用七芯光纤（含1个中心纤芯与6个外围纤芯），纤芯直径8 μm，包层直径150 μm。
- 蚀刻工艺：使用氢氟酸（HF）蚀刻光纤末端19 cm区域，直至外围纤芯暴露。通过红光耦合监测蚀刻进度，最终剩余包层直径约89 μm（图1c）。蚀刻后，外围纤芯直接接触待测液体，中心纤芯仍被包层包裹，分别用于RI传感与温度补偿。

1. 光学系统构建

   • OFDR系统：基于主-辅干涉仪结构（图1a）。主干涉仪用于传感，辅干涉仪补偿可调谐激光源（TLS）的非线性相位噪声。
     
   • 信号处理：通过光学开关（OS）和扇入扇出模块（FIFO）分离内外纤芯的瑞利背向散射（RBS）信号。采用汉宁窗（40点宽度）提取局部RBS光谱，空间分辨率达5.3 mm。
     

2. 仿真与实验验证

   • 数值模拟：通过COMSOL Multiphysics模拟外围纤芯有效折射率（neff）随RI的变化（图2b），证实neff在RI 1.33–1.44 RIU范围内呈指数增长，而中心纤芯neff不变。
     
   • RI标定实验：使用甘油-水混合溶液（RI 1.33–1.44 RIU）测试传感器响应。结果显示，外围纤芯波长偏移量从0 nm（1.33 RIU）增至1.04 nm（1.44 RIU），灵敏度最高达47 nm/RIU（图4a, 5a）。
     
   • 温度补偿实验：在25–80°C范围内，中心纤芯温度灵敏度为9.8 pm/°C。通过双通道数据插值（图6），消除了温度对RI测量的干扰。
     

3. 应用验证

   • 分布式RI检测：将蚀刻区域分为三段（A/B/C），分别浸入不同RI溶液，实测结果与预设值一致（图7a）。
     
   • 动态扩散监测：成功捕捉甘油在水中的扩散过程（图7b），证实了传感器的实时分布式监测能力。
     

主要结果与逻辑关联
- RI传感性能：外围纤芯的波长偏移量与RI呈非线性关系，高RI区间（>1.40 RIU）灵敏度显著提升（47 nm/RIU），得益于蚀刻后渐逝场与液体的强相互作用（图2c）。
- 温度补偿机制：中心纤芯的RBS信号仅响应温度变化，通过双通道数据融合（图6），实现了RI测量的温度无关性。
- 空间分辨率：5.3 mm的高分辨率与19 cm的传感长度，为化学扩散过程研究提供了新工具。

结论与价值
1. 科学价值：首次将MCF应用于OFDR系统，通过蚀刻工艺与双纤芯分离传感，解决了分布式RI测量中的温度干扰问题。
2. 应用价值：传感器可实时监测溶液扩散、化学反应等动态过程，在生物医学、环境监测等领域潜力显著。

研究亮点
- 创新结构：蚀刻MCF兼具机械强度（直径89 μm）与高灵敏度，克服了传统蚀刻单模光纤易断裂的缺陷。
- 双参数解耦：通过内外纤芯信号分离，实现了RI与温度的独立解算。
- 高性能指标：RI测量范围（1.33–1.44 RIU）、温度灵敏度（9.8 pm/°C）及空间分辨率（5.3 mm）均优于同类技术。

其他价值
- 数据可重复性：作者声明数据可依请求提供，增强了研究的透明度。
- 跨学科意义：为光纤传感、微流控技术的结合提供了新思路。