前言

近年来，基于不同机制的多种光纤传感器被提出并被广泛研究，如光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPFG)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和表面等离子体共振(SPR)。由于其高精度、良好的鲁棒性和较强的耐腐蚀性，光纤传感器被用来测量折射率、应力、温度、湿度和磁场。其中，光纤RI传感器在气体质量监测、生物识别和化学分析领域发挥着重要作用。与其他光纤传感器相比，基于多模干涉的光纤传感器具有制作简单、动态范围大等优点，因此得到了详细的研究。除了传感器的灵敏度之外，光纤传感器的尺寸是实际应用中要考虑的另一个关键因素。因为产生可见干涉条纹需要一定的相干长度，所以基于人机界面的红外传感器的典型长度通常为几厘米或几十毫米。当被测物体的体积很小时，大体积传感器可能会失去可用性。因此，需要在保证灵敏度的前提下，减小传感器的体积。

研究内容

哈尔滨工程大学的研究人员对一种基于MMF微锥SMF-MMF的紧凑型光纤折射率传感器进行了数值和实验研究。这个2.2毫米长的传感器由两个毫米波器件和夹在两个毫米波器件之间的锥形SMF组成。发现锥形SMF的倾斜为激发高阶包层模式提供了一个反射面。因此，干涉条纹在短长度内产生。此外，通过调整MMF的长度获得了具有高可见度的干涉条纹。最大能见度大于30分贝。折射率测量结果表明，当外部折射率为1.437时，该传感器具有1882纳米/RIU的高折射率灵敏度。这种新型传感器几何结构紧凑，灵敏度高，在微液体折射率测量领域具有很大的潜力。

实验方法

锥腰直径为50 μm，锥后MTSM全长约为2.2 mm，比大部分MMI传感器短。这两个MMF起到分光器和耦合器的作用。在中间区域，锥形光纤的倾斜边界角(β)改变光束传播路径以激发高阶包层模式。在输出端，包层模和纤芯模被MMF收集形成干涉条纹。在数值计算中，采用光束传播法计算了MTSM光纤结构的光场分布和传输光谱。MMF和SMF的核心直径分别是60和8微米。两根光纤的包层直径为125 μm。光能的泄漏发生在第一MMF-SMF界面。一部分光仍然沿着纤芯传播，另一部分光传播到包层。

MTSM结构示意图。

1550 nm处透射方向(x-z)和横截面(x-y)的光场分布。

没有变细的样品和几个MTSM样品；具有不同MMF长度的磁隧道显微镜的实验透射光谱。

核磁共振测量设置示意图。

结论

该传感器结构紧凑，在灵敏度上优于大多数的红外传感器。几微米的锥形结构可以带来更优异的灵敏度。然而，这种结构不能提供低插入损耗和足够的机械强度，这可能限制它们在实际应用中的潜力。研究人员提出了一种基于MTSM光纤结构的新型高灵敏度紧凑型磁阻传感器。MTSM结构采用精密切割和熔融拉锥技术制备。锥形区域激发的高阶包层模式有效地将传感器的尺寸减小到2.2mm。MTSM的工作原理是高阶包层模式与基模之间的干涉。通过数值计算和实验研究了这种磁隧道显微镜的透射光谱、耦合模式和折射率传感灵敏度。实验和模拟结果表明，适当增加MMF长度可以提高干涉条纹的可见度。使用300微米长MMF，最大能见度达到40分贝。在折射率测试中，在外部折射率为1.437的情况下，MTSM结构的最大灵敏度为1879.87纳米/RIU，与模拟结果相似。该结构具有体积小、灵敏度高、制作简单等优点，为测量外表面折射率提供了一种新的设计思路。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112360。