Page 29 - 网络电信2023年12月刊
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光 通 信
在进行传感器温度特性测试时，将传感器放入图5所示实验 3.2 热光系数测量实验
装置的水浴加热台中，采用SM125输出并接收反射的干涉光谱。 传感器进行温度和折射率测试确定传感器的性能参数后，
将水浴加热台的温度从20℃逐步上升到80℃，步进为10 ℃。 对无水乙醇的热光系数进行测量与验证。将传感器放入无水乙
由于PDMS具有高热膨胀系数，随着温度的升高，两侧PDMS 发 醇中，由于乙醇的沸点较低，控制加热台温度从25℃增加到55
生膨胀，导致FP谐振腔（空气腔）的腔长变小，进而光谱干 ℃，步长为5℃。随着乙醇温度的变化，FP干涉谷从1516.42nm
涉峰发生漂移。实验结果表明，当温度从20提高到80时，光谱 移动到1533.41nm，漂移16.99nm，如图8（a）所示。同时，乙
干涉谷从1511.35m移动到1547.03m，漂移了35.68nm，如图7 醇的折射率与温度呈负相关，随着温度的升高乙醇折射率下
（a）所示。干涉谷随温度的偏移呈线性关系，温度灵敏度为 降，SPR 共振峰发生蓝移，透射光谱中SPR 共振峰由578.61nm
597pm/℃，线性度为99.76%。由于采用SPR效应进行折射率测量 移动到546.17nm，位移32.44nm，如图8（c）所示。此外，温度
时，共振波长会受到温度的影响，因此，需要检测折射率传感 和RI 的测量数据都呈现良好的线性度。
单元对温度的响应特性并进行温度补偿。实验结果显示，在传
图8 不同温度下传感器检测乙醇结果。（a）干涉光谱图；（b）干涉
感器温度逐渐从20℃增加到80℃的过程中，共振峰发生了14.49
谱漂移拟合图；（c）透射光谱图；（d）透射谱漂移拟合图
nm的蓝移，如图7（c）所示。由于采用水浴加热，需要考虑水
的光热性质对测量结果的影响。已知去离子水的热光系数TOC=
-8.0×10-5 RIU/℃[18]，折射率随温度增加而减小。将测量结
果代入式（6）中，并去除去离子水对共振波长偏移的影响，
计算得到折射率传感单元随着温度变化的波长偏移特性，如图
7（d）所示。由结果可知，折射率传感单元对温度变化呈负相
关，灵敏度为-0.013 nm/℃。
图7 传感器温度响应特性。（a）干涉光谱图；（b）干涉谱线性拟合
图；（c）透射光谱图；（d）实际光谱偏移和温度漂移线性拟合图
将传感器参数代入式（7）中，可知无水乙醇的热光系数
计算式为
（10）
代入测量数据得到25℃~55℃时无水乙醇TOC的平均
-4
值为-3.868×10 RIU/℃，无水乙醇的热光系数理论值
-4
为-3.9×10 RIU/℃ [19] 。实验结果表明，传感器的传感区域长
20mm，保证了温度和RI测量的空间和时间一致性，且对乙醇的
上述实验表明，温度通道波长偏移量 仅受温度影响，
测量误差仅为0.82%，具有很高的精确度。
RI通道波长偏移量 受温度和折射率影响。因此，环境折射
率 和温度 的变化对两通道波长的影响可描述为 3.3 分析与比较
本文所提出的FPI-SPR传感器结构，FPI两侧均由温敏材料
PDMS构成且使用NCF增强倏逝波的激发，因此传感器的温度和折
（8）
射率响应特性有更高的灵敏度。将基于光纤干涉和SPR效应相结
合的温度和折射率双参数传感器进行汇总比较（见表1）。本传
将实验结果代入式（8），得到温度补偿后的传感器灵敏度
感器与文献 [18-19] 所述SPR-FPI和SPR-MMI传感器相比具有更高的
矩阵，可以表示为
折射率灵敏度，且温度灵敏度比用PDMS填充FP谐振腔结构提升
51.5%。FPI-SPR传感器相比文献 [21-22] 所述SPR-MZI传感器折射率
（9）
灵敏更高，同时，FPI20~80℃的温度测量范围远宽于MZI 的测
量范围。
其中， 是RI 通道的折射率灵敏度， 是RI通道的温度
表2给出所设计的传感器与其它类型光纤热光系数传感器针
灵敏度， 是温度传感通道的温度灵敏度。通过灵敏度矩阵
对乙醇的测量结果对比。表中数据表明，光纤传感器能够将测
和波长偏移计算折射率和温度的变化，从而温度补偿RI传感单
元，有效消除SPR 温度交叉敏感的影响。 量误差控制在10-5 RIU/℃量级，具有较高的测量精确度。所提
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