综述：基于直接光场-介质相互作用的高灵敏度光纤马赫-曾德尔干涉仪综述

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Review of High-Sensitivity Optical Fiber Mach-Zehnder interferometers Based on Direct Optical Field-Medium Interaction

　　

林子婷|高然|王毅|赵勇

中国沈阳东北大学信息科学与工程学院，邮编110819

摘要

光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）在光学传感中起着关键作用，但传统设计由于弱衰减场相互作用而存在灵敏度限制。本文综述了具有直接光场-介质相互作用的高灵敏度光纤MZI，这些干涉仪通过改变光穿透、泄漏或耦合到介质中的结构，重塑了传感方法。传感机制分为透射模式和泄漏模式。透射式MZI利用充满介质的微腔或空心光纤，通过折射率或几何形状的变化来调制光路径，实现高达10^4-10^5 rad/RIU的相位灵敏度。泄漏模式MZI（包括D形光纤和大偏移熔接）通过将光泄漏到介质中来改变芯部的有效折射率，达到10^3-10^4 rad/RIU的相位灵敏度。文章分析了优化集成长度和折射率对比度等关键增强策略。这些MZI在环境监测、工业应用和生化传感方面表现出色。然而，仍存在复杂制造和交叉灵敏度等挑战。未来研究方向包括智能材料集成和量子传感探索，以提高检测极限并扩展应用范围，为光纤传感技术的发展提供重要见解。

引言

近几十年来，光纤传感器作为一种革命性技术，在传感领域崭露头角，这得益于其固有的优势，如抗电磁干扰、高灵敏度和微型化能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。它们受到了许多研究人员的广泛关注，并被广泛应用于生化测试、环境监测和医疗诊断等领域。因此，基于各种传感原理的光纤传感器不断涌现，例如光纤光栅（FBG）传感器[6]、[7]、[8]、MZI[9]、[10]、[11]、[12]、法布里-珀罗干涉仪（FPI）[13]、[14]、表面等离子体共振（SPR）干涉仪[15]、[16]、[17]、光学微光纤耦合器（OMC）[18]等。其中，光纤光栅传感器是最成熟的光纤传感器，但其灵敏度通常较低，限制了其应用范围。同样，FPI也存在灵敏度问题。SPR干涉仪的稳定性往往取决于金属薄膜，且寿命相对较短，因此不能长时间稳定使用。OMC通常体积较大且难以封装。总体而言，在各种光纤传感架构中，MZI因其简单的结构和在高灵敏度检测物理、化学和生物参数方面的能力而受到广泛关注。传统的基于MZI的传感器主要依赖于衰减场相互作用或间接的环境耦合，这常常限制了光场与被测介质之间的灵敏度和相互作用效率。

然而，基于直接光场-介质相互作用的新一代光纤MZI作为一种有前景的解决方案应运而生，克服了这些限制。这种创新的传感机制允许光场直接穿透、泄漏到或与被测介质相互作用，而不仅仅是依赖弱衰减场。通过集成充满被测物质的微腔、具有暴露芯部的D形光纤或大偏移熔接等结构，这些传感器可以显著增强光场与介质之间的相互作用长度和强度，从而实现超高灵敏度。

直接光场-介质相互作用在光纤MZI中的重要性是多方面的。从基础角度来看，它打破了传统的传感范式，使得介质中的物理或化学变化能够更直接、更高效地转换为光相位变化。实际上，这项技术在许多领域具有广泛的应用前景。在环境监测方面，它可以用于监测海水温度、盐度等参数，有助于保护海洋环境和控制污染。在工业应用中，它可以实时监测压力、湿度和应力，确保工业系统的安全和稳定运行。在生化传感方面，它可以高灵敏度地检测微量生物分子，如单分子蛋白质或核酸，为疾病的早期诊断提供有力工具。

本文旨在全面总结基于直接光场-介质相互作用的高灵敏度光纤MZI的最新研究进展。它将涵盖这些传感器的基本原理、多样的结构设计、关键增强技术及代表性应用。此外，还将讨论当前面临的挑战和未来的研究方向，为从事光纤传感研究的研究人员和工程师提供宝贵见解。

章节摘录

MZ干涉仪的基本原理

马赫-曾德尔（MZ）干涉仪是一种基于振幅分割的相位调制干涉传感结构。MZ干涉仪的核心原理是通过测量两条不同路径上传输的相干光束的相位差来获取外部参数。典型结构由两个串联的3dB光纤耦合器组成，包括一个参考臂和一个传感臂：光源发出的光通过第一个耦合器分成两束光

直接作用光场的光纤MZI结构

基于上述透射和泄漏光场-介质相互作用机制的理论模型，高灵敏度的实现最终取决于将物理机制映射到特定传感器结构中的工程设计。主要分为透射型和泄漏型两种类型。本章将系统地回顾这两种机制下的结构实现方案。

传感应用

MZI结构的传感光束与被测材料直接接触，可以实现高灵敏度测量。同时，有多种MZI结构可以实现各种参数的高灵敏度测量。

前景

尽管基于直接光场-介质相互作用的高灵敏度光纤MZI取得了显著进展，但仍存在一些挑战，同时也为未来的探索带来了许多机会。这些方向不仅有望克服现有限制，还将开启光纤传感技术的新领域。

结论

本文系统地探讨了基于直接光场-介质相互作用的高灵敏度光纤MZI，这种变革性方法重新定义了光纤传感的边界。通过深入研究这些MZI的基本原理、多样的结构设计和广泛应用，得出了几个关键见解。

首先，光场与被测介质之间的直接相互作用，通过透射模式和泄漏模式体现出来

CRediT作者贡献声明

赵勇：方法论、资金获取。王毅：研究。高然：撰写——初稿。林子婷：监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河北省高等教育科学研究项目（项目编号JZX 2023009）、基础研究业务经费N2523032以及国家自然科学基金（NSFC）青年科学基金项目N62503099的支持。

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

林子婷分别于2018年和2024年在中国的沈阳东北大学信息科学与工程学院获得学士和博士学位。她在中国秦皇岛的东北大学工作。她的研究兴趣包括利用光纤传感技术测量海洋环境参数和监测海洋腐蚀，以及特殊微结构光纤及其传感应用。