Page 27 - 网络电信2023年12月刊

光 通 信

著提高了温度测量灵敏度。同时，SPR传感单元由无芯光纤侧面 里-珀罗干涉仪的反射光谱强度函数可以表示为：
镀银膜构建，并利用无芯光纤增强光 的耦合效果和倏逝波的激
发，提高传感器的折射率灵敏度。传感器采用FPI和SPR效应分 （2）
离传感波段，有效消除了响应光谱间的串扰。此外，FPI被密
封在毛细硅管中与外界隔离，仅对温度敏感。并通过FPI实现 式中，I 2 ，I 3 分别表示经干涉腔L2反射的光束强度，n是谐
对SPR传感单元的温度补偿，消除了SPR受温度和折射率交叉敏 振腔内介质的折射率，L是谐振腔的长度， 是入射光的初始
感的影响。该传感器具有良好的温度和折射率响应特性，且体 相位，λ为波长。其干涉光谱的自由光谱范围（FSR）为：
积小、灵敏度高，可实现高精确度和微体积的液体热光系数测
量。 （3）

二、传感器结构与原理分析 式中：λ 为干涉峰波长，n 是传感腔内介质的折射率，L
2.1 传感器原理分析 的传感腔的腔长。
基于FPI-SPR的混合型级联结构的传感器示意图如图1所 当在NCF中传播的光以大于全反射角的角度入射到包层与金
示。该结构由两根端面固化了PDMS的单模光纤和无芯光纤在毛 属层界面时，其中一部分能量会以倏逝波的形式进入金属层。
细硅管中构建反射式FPI，并在无芯光纤的侧面磁控溅射一层 当金属表面等离子体波（SPW）的传播常数等于倏逝波的传播
银纳米膜。利用PDMS与空气界面之间的高反射率构成PDMS-Air- 常数时，倏逝波与表面等离子体波发生共振，从而激发SPR 效
PDMS结构的FPI 温度传感单元。透射过FPI的光进入无芯光纤， 应。倏逝波中满足共振条件的光能量转化为等离子体波振荡能
发散后泄露到包层表面产生倏逝波。倏逝波与银纳米膜表面等 量，使全反射光减少，最终在透射光谱上出现共振吸收峰。当
离子体波发生共振，形成SPR折射率传感单元。其中，温度传感 分析物的RI 发生变化时，共振条件发生改变，导致SPR 共振峰
波段为1510nm~1590nm，折射率传感波段范围为400nm~900nm。 偏移，利用SPR共振峰的偏移量实现对RI变化的测量。由于温度
的变化会导致金属介电常数改变影响SPR效应，因此，SPR进行
图1 传感器结构示意图 RI测量时，SPR的光谱偏移量 包括两部分：一部分是由RI的
变化引起的共振峰偏移 RI ，一部分是由温度变化引起的共振
光谱偏移 T ，可以表示为

（4）

根据热光系数的定义:在工作波长处液体折射率变化量
相对于温度变化量 的变化率[20]，可知其表达式为：
由图1 的传感器结构示意图可知，光纤和PDMS间的两个界
面与空气和PDMS间的两个界面充当干涉仪的四个反射面分别构 （5）
成L1、L2、L3三个FP干涉腔。输入光被四个反射面反射，四个
反射光束（I 1 、I 2 、I 3 、I 4 ）返回到SMF并且互相干涉，此结构为 为了消除SPR受温度交叉敏感的影响，提高液体热光系数的
四光束光纤法布里-珀罗干涉仪。传感器FPI结构中SMF、PDMS、 测量精确度，对折射率传感单元进行温度补偿。采用水浴加热
Air、NCF 折射率分别为1.46、1.405、1.0、1.43。不同折射率 的方式对SPR通道的温度灵敏度进行测量，考虑水的热光性质对
的物质在交界面处具有不同的反射率R，由菲涅尔反射公式（式 测量的影响，SPR传感通道的温度灵敏度可表示为
1）可求得从左往右四个界面处的反射率R1、R2、R3 和R4分别 （6）
为0.012%、2.85%、2.85%和0.0078%。由于PDMS、SMF和NCF的折
射率相近，R1、R4相对于R2、R3非常小，可近似为0，因此反射 其中， 为SPR共振光谱的偏移量， 为温度变化量，
光的强度I 1 、I 4 非常微弱，可以忽略不计。基于此，FPI可以看 TOC water 为水的热光系数。传感器
作是PDMSAir-PDMS结构的低精细度双光束光纤法布里-珀罗干涉 温度补偿后热光系数计算方法可表示为。
仪。
（7）
（1）
其中， 是SPR传感通道的折射率灵敏度， 是SPR传感通
式中，n0、n1表示两种介质的折射率。 道对温度的灵敏度， 是FPI传感通道的温度灵敏度， 是
FPI的两个高反面均由PDMS 和空气界面构成。由于PDMS具 温度通道的波长偏移。
有高热膨胀系数，随着待测液体温度的升高，PDMS 发生膨胀， 2.2 传感器结构的制作
从而导致干涉仪的腔长L减小，光谱干涉峰发生偏移，因此，可 传感结构的制备流程图如图2所示。首先准备两段多模光纤
以通过检测干涉峰的偏移实现温度的测量。此双光束光纤法布 和单模光纤，利用光纤熔接机将一段多模光纤与15mm的无芯光

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