光纤MZI传感器传感机理与传感应用研究进展

陆杭林,邵来鹏,张 帆,唐 剑,黎远鹏,王咏梅,胡君辉

(1．广西师范大学 物理科学与技术学院，广西 桂林 541004;2.广西核物理与核技术重点实验室(广西师范大学)，广西 桂林 541004； 3．深圳大学 物理与光电工程学院，广东 深圳 518060；4．广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)

光纤传感器以光为信号，具有体积小、对电绝缘、抗电磁干扰能力强、测量精度和可靠性高、可远距离实时监测等优势，因此被认为是传统电传感器较好替代品。光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)传感器传感机理是光纤中的模式干涉，通过监测目标对传感器模式干涉的影响来实现对目标物的传感与测量，是光纤传感器中性能较为优越的一类器件。1891年，奥地利 Mach 和瑞典 Zehnder 分别独立提出了马赫-曾德尔干涉仪[1]。MZI传感器有2个独立光路，分别为传感光路和参考光路。在传感应用中参考光路与外部环境保持隔离，传感光路则需要暴露在待监测环境中。传感光路与参考光路干涉后可以形成干涉谱，而外部环境的变化会导致传感光路光程的变化，传感器的干涉谱发生漂移。因此，通过分析干涉谱的漂移量与干扰信号的变化关系即可实现对外部环境的传感测量[2-3]。传统的MZI结构较大，而光纤型MZI则较好地克服了传统MZI结构上的不足[4-5]。1978年，Butter等[6]提出利用光纤MZI进行应力测试实验，这就是较早的光纤MZI传感器。近年来，随着经济发展和技术的进步，光纤MZI传感器取得快速发展。此外，光纤MZI传感器结构简单、成本低廉、易于研制，因此在传感与监测方面得到广泛应用[7-15]。

本文对光纤MZI传感器的传感机理和研制方法进行简要介绍，并从温度、应变、液位、曲率、压力、折射率、双参量和生化监测等方面对光纤MZI传感技术的应用及发展进行全面分析，展望光纤MZI传感技术在传感应用方面的发展方向。

1 传感原理

光纤MZI传感器结构示意如图1所示，该传感器由单模光纤(SMF)-多模光纤(MMF)-单模光纤(SMF)构成。激光器发出的激光在单模光纤中传输(纤芯模或基模，用红色箭头表示)，激光进入到多模光纤后除了原有的纤芯模外，还会激发出包层模(高阶模，用黄色箭头表示)。多模光纤中纤芯模与包层模的传输速度不同，纤芯模可以作为参考光路，包层模作为传感光路，两光路向前传输，到达输出端的单模光纤后耦合输出(用蓝色箭头表示)，因此构成了光纤MZI,输出光的强度可以表示为[16]

红色箭头表示纤芯模或基模；黄色箭头表示高阶模；蓝色箭头表示耦合输出。图1 光纤MZI传感器结构示意Fig. 1 Schematic diagram of the optical fiber MZI sensor structure

(1)

式中：I1和I2分别为参考光和传感光的光强；I则为2束光干涉后总的强度；φ是2束光耦合调制时的相位差。相位差的变化量可以表示为[17]

(2)

式中：Δneff是参考光路和传感光路的有效折射率差；L是传感光路的长度。传感光路与参考光路形成干涉图样，干涉峰的波长可以表示为[17]

(3)

式中m为干涉条纹的级数。2个相邻干涉峰间是干涉谱的自由谱宽(free spectral range，FSR)，表示为[18]

(4)

如果传感光路受到外界环境的扰动，则会导致传感光路的有效折射率发生改变，干涉条纹发生相应漂移，波长的变化量可以表示为[19]

(5)

式中Δn为外界环境的折射率变化量。因此，通过监测干涉谱谐振峰波长的变化量可以实现对外界环境的监测与传感。

2 制备方法

光纤MZI传感器具有结构简单和应用广泛等优点，因此吸引了国内外许多学者对其制备方法进行研究，成功总结出多种制备方法。在诸多制备方法中，它们各有优势并且通过不同研制方法获得的光纤传感器的特性也不尽相同，以下就常见的制备方法进行简要阐述。

2.1 光纤错位熔接法

光纤熔接时一般是采用对芯熔接，即纤芯对准纤芯熔接，目的是尽可能降低熔接处造成的损耗。而错位熔接则是有意地把需要熔接的2段光纤的纤芯错开，目的是把原先只在纤芯内传播的光波引导到光纤的包层中。由于包层折射率和纤芯折射率不一致，导致在纤芯和包层中传播的光存在光程差，纤芯和包层中的光波再次耦合在一起时形成干涉，因而可以制备成光纤传感器。采用错位熔接方法制备光纤MZI传感器较为简单，并且对制备仪器要求不高，使用普通光纤熔接机即可完成传感器的制备。2017年，Yan等[20]采用普通光纤熔接机实现了2个光纤芯2～10 μm的偏移熔接，获得了结构简单、紧凑且稳定的温度传感器。2018年，苏达顺等[21]也采用普通光纤熔接机对光纤进行错位熔接，调节熔接机的x轴马达使左右光纤在横向方向形成错位, 2个对称的错位熔接点的偏置距离均为62.5 μm，最后成功研制了大偏置量熔接单端反射式光纤MZI折射率传感器，如图2(a)所示。错位熔接方法研制的光纤MZI传感器结构简单、方便快捷，并且高效低廉，因此在温度、压力、折射率和气体检测方面得到广泛应用[22-26]。基于错位熔接方法研制的光纤MZI传感器的传感结构简单，但是想要在熔接时获得特殊设置或特殊传感结构则较为困难。

图2 用光纤制备的4种传感器Fig. 2 4 kinds of sensors prepared with optical fibers

2.2 纤芯失配法

纤芯失配法是利用2种或多种纤芯直径不同的光纤进行对芯熔接制成光纤传感器，由于纤芯直径失配，在熔接处往往会形成纤芯模和包层模，这些模式耦合到单模光纤时形成MZI干涉仪。2006年，Villatoro等[27]采用普通熔接机在2段多模光纤中对芯熔接一段单模光纤，成功研制了低成本的折射率传感器。2012年，Rong等[28]提出的细芯光纤-单模光纤-细芯光纤(TCF-SMF-TCF)的光纤传感结构，如图2(b)所示，只需要将各段光纤进行对芯熔接便可获得所需要的传感器。总体上，采用纤芯失配法研制的光纤传感器方法更为简单、操作方便，与错位熔接法研制的光纤传感器相似，因此在监测方面也得到广泛应用[29-32]。纤芯失配法制备光纤MZI传感器工艺简单，只需要利用熔接机将光纤进行对芯熔接即可，设计传感器结构的变化主要源于对不同纤芯直径的光纤类型的选择，难以在其上制作一些微结构传感器，因此，一些特殊的传感应用往往需要用到成本较高的特殊光纤，这是该方法的局限性。

2.3 光纤侧边抛磨法

侧边抛磨法采用轮式抛磨机、飞秒激光加工技术或V型槽模块抛磨技术等对光纤进行抛磨，去除光纤一侧的全部或部分包层[33]，形成D型光纤。1980年，Bergh等[34]首次对单模光纤进行侧边抛磨，形成的侧边抛磨区包含过渡区和平坦区2部分，侧边抛磨区形成传输光场的“泄漏窗口”。利用光场与物质相互作用来激发、控制、探测光纤纤芯中的传输光场，从而可以制备各种基于倏逝场的传感器[35]。2019年，Dong等[36]使用轮式抛磨技术对单模光纤进行侧面抛磨，设计制备了抛磨长度约为10 mm、平坦区长度约为6 mm的光纤生物传感器，如图2(c)所示。同样是采用轮式抛磨技术，2021年，Zakaria等[37]通过砂轮对单模光纤进行抛磨，最后制备了抛磨区长度为0.5 cm的折射率传感器。侧边抛磨法制备的光纤MZI传感器由于利用了泄露到侧边抛磨区的光场与测量对象直接相互作用，因此传感器可以获得较高灵敏度，在非力学传感领域得到很多应用[38-45]。但是由于光纤经过抛磨后，其机械强度有所降低，使得传感器的鲁棒性不够强，限制了传感器的进一步应用。

2.4 光纤拉锥法

光纤拉锥法是先将光纤表面的涂覆层去除，光纤表面清洁干净后放置在光纤夹具上，利用火焰加热光纤至熔融状态，然后利用电机驱动线性位移平台对光纤进行拉伸，拉伸后的光纤具有过渡区和平坦区2部分。在过渡区光纤直径变细，光纤的纤芯与包层厚度都减小, 纤芯中的一部分光将继续沿纤芯传播,另一部分光则进入光纤的包层传播，2部分光构成一个光纤MZI[45]。经拉锥后的光纤表面具有很强的倏逝场，因此可用于外界微量的传感与探测。2018年，Yue等[46]在2根单模光纤中夹一段多芯光纤，然后平台上将光纤结构绝热拉锥变细，锥形的腰长约为18 mm，后期再进行退火处理以提高传感器的稳定性，如图2(d)所示。同样是采用夹心光纤结构，Li等[47]在2根单模光纤之间拼接一段裸芯光纤，然后再将光纤进行拉锥，最后成功制备了无标记的DNA生物传感器。通过光纤拉锥法研制的传感器具有表面光滑、灵敏度高、结构简单和稳定性好等诸多优点，因此可广泛应用于折射率、生物和化学传感领域的传感与监测[48-54]。但是光纤拉锥法对制备工艺要求较高，制备参数完全相同的2个器件较为困难，重复性较差。

此外，制备光纤MZI传感器还有其他方法，比如氢氟酸腐蚀法[55]等，但是本文主要讨论以上4种最为常见的方法。以上4种制备光纤MZI传感器方法的优缺点见表1。

表1 4种制备光纤MZI传感器方法对比Tab. 1 Comparison of four methods for developing MZI optical fiber sensors

3 传感应用

光纤MZI传感器通过研究监测目标与传感器干涉谱的波长漂移关系来实现传感与监测。针对各种环境要求的光纤MZI传感器不断涌现，需要对传感器的结构不断优化，其目的都是进一步提升传感器的传感性能，并确保传感探测的可靠性以及准确性。光纤MZI传感器的研制，除了要求探测性能可以得到进一步提升外，同时还要求避免非探测目标对传感器的影响[56]。以下结合相关实际应用环境，详细阐述光纤MZI传感器的设计与传感应用。

3.1 温度传感应用

温度传感是光纤传感器最主要和最直接的应用之一。在光纤MZI传感器中，温度传感的机理是温度引起传感器的热胀冷缩，导致传感器的参考光路与传感光路的有效折射率发生改变，因此干涉谱波长会发生相应漂移，通过监测干涉谱波长漂移量即可实现温度的传感与监测。基于MZI原理的温度传感器得到了很多关注和研究[5,57-58]。2019年，Zhang等[59]提出由七芯光纤与保偏光纤构筑的高灵敏度温度传感器，如图3(a)所示。该传感器通过使用商用熔接机将七芯光纤与保偏光纤拼接而成，七芯光纤与保偏光纤构成光纤MZI传感器。同时，保偏光纤的使用提升了传感器干涉谱的消光比，进一步提升了传感器的探测性能，使得温度测量在30 ℃至44 ℃时，灵敏度可以达到-2.38 nm/℃。同样是利用保偏光纤研制光纤传感器，2019年，Shao等[60]在单模光纤中对芯熔接一段保偏光纤，构成单模光纤-保偏光纤-单模光纤(SMF-PMF-SMF)高灵敏度温度传感器，如图3(b)所示。研究结果表明，该传感器温度测量在30 ℃到50 ℃时，灵敏度可以达到1.73 nm/℃。2020年，Nizamani等[61]使用轮式抛磨技术研制了D型光纤温度传感器，如图3(c)所示。将普通光纤抛磨成D型光纤，并且在抛磨区域涂上氧化铟锡以提高传感器的灵敏度。研究结果表明，在温度从30 ℃到110 ℃时，该传感器具有高度稳定性和线性响应，获得的温度灵敏度为0.001 3 dBm/℃。2021年，Ma等[53]提出S锥光纤模态干涉仪温度传感器，如图3(d)所示。S锥形由商业熔接机(Fujikura 80S)使用2个SMF制造，在拼接过程中将光纤向外拉伸形成锥形。研究结果表明，该传感器在28 ℃至32 ℃的测量范围内，最大灵敏度为-15.66 nm/℃。

图3 4种光纤温度传感器Fig. 3 4 kinds of optical fiber temperature sensors

基于光纤MZI温度传感器中，采用错位熔接法和纤芯失配法[59]等研制的传感器结构简单，并且方便快捷，但是温度灵敏度略为偏低。采用侧边抛磨法[62]和光纤拉锥法[53]等则较容易获得较高的温度灵敏度，但采用侧边抛磨法需要昂贵的抛磨设备，而光纤拉锥法则需要较高的实验工艺。

3.2 应变传感应用

基于弹性力学的基本理论和二氧化硅材料的弹光效应，给光纤两端施加轴向应力时，由于光纤弹光效应，纤芯基模和包层模有效折射将发生改变[63]。当光纤轴向受到应力作用时，传感光路与参考光路的有效折射差会发生变化。因此，基于光纤MZI传感器可以用于应力的传感与检测，目前此类传感应用已经取得很多研究成果[64-65]。2018年，Dong等[66]提出一种基于MZI的高灵敏度光子晶体光纤应变传感器，如图4(a)所示。传感头由全光纤对芯熔接的单模光纤(SMF)-多模光纤(MMF)-光子晶体光纤(PCF)-单模光纤(SMS)结构构成。研究结果表明，该传感器在0～5 000 με大测量范围内表现出-2.21 μm/ε 的高灵敏度。2020年，Dong等[67]提出一种空心锥度的高灵敏度光纤应变传感器，如图4(b)所示。该传感器是通过在2根单模光纤(SMF)之间熔接具有500 μm锥度区域的锥形空芯光纤(HCF)构成。研究结果表明，在测量范围为0～2 100 με时，传感器的应变灵敏度为2.7 μm/ε。2021年，Liu等[68]提出基于锥形薄芯光纤的模态干涉仪的超灵敏强度调制应变传感器，该传感器通过电弧放电熔接和锥形技术制造而成，如图4(c)所示。研究结果表明，当锥形薄芯光纤长度等于15 mm时，在0～250 με的测量范围内，最大灵敏度达到0.119 dB/με，获得应变检测分辨率为～0.084 με。2021年，基于改进的微纤维辅助开腔MZI的高灵敏度光纤应变传感器[69]，如图4(d)所示，通过引入2根多模光纤提出一种改进的微光纤辅助开腔结构，在轴向应变和温度方面进行了综合测试。研究结果表明，在0～800 με的测量范围内，传感器获得了5.51 μm/ε 的应变灵敏度和～0.2 με的检测分辨率。

图4 4种光纤应变传感器Fig. 4 4 kinds of fiber-optic strain sensors

光纤应变传感器有广阔的应用前景，而光纤应变传感器的结构也是多种多样。采用对芯熔接方法制备光纤应变传感器可以获得较好的机械强度，但传感灵敏度略为偏低。采用拉锥或微光纤辅助开腔方法制备的传感器可以获得较高的传感灵敏度，但是光纤局部受到破坏，因此机械强度的韧性将受到影响。目前，基于光纤MZI的应变传感器已经取得很多研究成果，并且该类传感器具有制作简单、条纹可见度大和成本低廉等优点。

3.3 液位传感应用

液位传感与监测在石油储运、化工、水处理和生物制药等领域有重要应用。光纤MZI液位传感器要达到监测液位的效果，需要把原本在纤芯中传播的光耦合进包层甚至泄漏出包层，从而形成传感光路。在监测液体的作用下，传感器传感光路的有效折射率发生变化，继而产生光程差，从而引起传感器干涉谱的漂移。通过定量分析干涉谱的漂移量与液位的关系，即可实现液位的传感与监测。2019年，Xie等[70]提出球形结构级联光纤液位传感器，如图5(a)所示。在制备传感器时，对单模光纤的一端进行2次电弧放电变成球形结构，然后将引出的单模光纤在手动对齐后通过正常拼接方式拼接成球形。研究结果表明，测量范围为0.6～30.0 mm时，传感器纯水液位灵敏度为-0.117 2 μm/m，NaCl溶液液位灵敏度为-0.140 1 μm/m。2020年，Shao等[71]提出一种薄芯光纤的光纤内MZI涉仪液位传感器，如图5(b)所示。该传感器由通过熔接构造的单模-锥形-细芯-锥形-单模光纤结构组成，使用锥形作为耦合器来实现液位的传感与测量。研究结果表明，测量范围为0～15 mm时，此传感器液位传感的最大灵敏度达到1.241 6 μm/m。2021年，Sun等[72]采用串联多模光纤-单模光纤-多模光纤的方法构建了一个液位传感器，如图5(c)所示。光从多模光纤传播到单模光纤时会激发包层模，然后与基模耦合形成MZI。研究结果表明，测量范围为0～15 mm时，该传感器获得了264.6 nm/m的液位传感灵敏度。同年，Lu等[17]将光纤进行侧边抛磨，使纤芯中的光泄漏出来，然后抛磨光纤与保偏光纤进行对芯熔接得到保偏光纤-多模光纤-D型光纤-多模光纤(PM-DM)光纤结构液位传感器，如图5(d)所示。此传感器使用去离子水、乙醇和不同浓度的NaCl溶液进行液位测量特性研究。研究结果表明，该传感器对不同折射率的液体有不同的液位响应，测量范围为2～14 mm时，对折射率为1.356 7的乙醇最高灵敏度可达0.573 μm/m。

图5 4种光纤液位传感器Fig. 5 4 kinds of fiber optic liquid level sensors

采用对芯熔接、错位熔接或侧边抛磨的方法研制光纤液位传感器，可以根据实际需要定制传感器的长度[17,70,72]。光纤拉锥的方法研制液位传感器将受限于拉锥度[73]，同时传感器的机械强度也将受到影响。

3.4 曲率传感应用

物体的弯曲程度对其结构稳定性有着至关重要的作用[74]。利用光纤MZI传感器对物体的弯曲程度进行监测时，传感结构随监测体发生同步形变，存在被拉伸和被挤压的现象[75]。传感器在拉伸和挤压过程中，会导致参考光路和传感光路的有效折射率发生相应改变，因此干涉谱也就随之发生漂移。2018年，Wang等[76]提出多模光纤-七芯光纤-多模光纤结构的曲率传感器，如图6(a)所示。该传感器中多模光纤用于提高输入单模光纤和七芯光纤之间的光耦合效率，七芯光纤作为曲率测量的主要元件。研究结果表明，在曲率为0.094～0.567 m-1时，灵敏度达到41.464 53 nm·m。2019年，陆杭林等[75]利用单模光纤-保偏光纤-单模光纤构成的高灵敏度曲率光纤传感器，如图6(b)所示。该传感器将保偏光纤熔接在2段单模光纤之间，研究了传感器的曲率传感性能以及保偏光纤的长度对传感器曲率灵敏度的影响。研究结果表明，曲率为0.43～1.37 m-1时, 传感器最大灵敏度为59.849 nm·m。2020年，张帆等[77]将七芯光纤和保偏光纤进行对芯熔接，提出了七芯光纤和保偏光纤结构的光纤曲率传感器，如图6(c)所示。该传感器的曲率灵敏度随着七芯光纤长度的增加而增大，在七芯光纤长度为120 mm，曲率为0.876～2.771 m-1时，传感器获得最大的灵敏度,为17.31 nm·m。同样是采用七芯光纤， 2021年，Yang等[78]提出简单的单模光纤和空芯光纤高灵敏度光纤曲率传感器，如图6(d)所示。该传感器在2个单模光纤之间熔合一小段小内径空芯光纤，并在空芯光纤侧壁中直接激发多个导模。研究表明，该传感器在 0.48～1.52 m-1的曲率范围内可以实现19.88 nm·m的高灵敏度。

图6 4种光纤曲率传感器Fig. 6 4 kinds of fiber curvature sensors

光纤曲率传感器在监测过程中容易被拉伸、挤压，因此传感器需要有较高的机械强度。采用对芯熔接方法研制的光纤曲率传感器容易获得较好的机械强度[75,77]，光纤侧边抛磨或拉锥的方法使光纤受损，因此存在着机械强度偏弱的不足[79-80]。

3.5 压力传感应用

光纤径向或轴向受到压力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且由于弹光效应引起的双折射可能使光纤的原始光轴发生旋转，对应的偏振模式的传播常数也会发生变化。1980年，Fields等[81]报道了光纤压力传感器。光纤MZI传感器感在压力作用下，常体现为干涉谱的漂移。2019年, Lin等[82]提出级联光纤MZI高灵敏度气压传感器，如图7(a)所示。传感器由级联2个单模光纤-多模光纤-单模光纤结构组成MZI，在每个多模光纤中有微加工空气腔，空气腔充当气压传感元件。研究结果表明，在压力为0～0.7 MPa时，传感器对气体压力的灵敏度为-82.131 fm/Pa。2019年，Zhao等[83]提出具有游标效应的级联MZI气压传感器，如图7(b)所示。传感器中每个MZI由夹在2根短多模光纤 (MMF) 之间的空芯光纤(HCF)组成，其中一个MZI中的 HCF被打开，使气孔与外部环境相连，充当传感元件。研究结果表明，压力范围为0～0.8 MPa时，传感器的灵敏度为-73.32 fm/Pa。2021年，Lu等[84]提出单模光纤-保偏光纤-单模光纤(SPS)结构的高灵敏度压力传感器，如图7(c)所示。该传感器仅由在2根单模光纤之间简单拼接一段保偏光纤构成，结构简单。研究结果表明，所提出的传感器在压力为1～10 kPa时，获得的压力灵敏度为7.896 pm/Pa。2022年，Zhao等[85]提出锥形光纤涂有PDMS薄膜的超灵敏气压传感器，如图7(d)所示。该传感器先将单模光纤做成锥形光纤，然后在锥形光纤表面涂上聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，PDMS薄膜的多孔特性使干涉仪具有超高的气压灵敏度。研究结果表明，在气压为1 kPa至100 kPa时，该传感器的气体压力灵敏度可高达-159.80 fm/Pa。

图7 4种光纤气压传感器Fig. 7 4 kinds of fiber pressure sensors

在压力传感器方面，微腔形的MZI压力传感器容易获得较高的灵敏度[82-83]，但是加工微腔需要用到特殊的工具，如飞秒激光器等，因此增加了传感器的研发成本。对于对芯熔接或拉锥等方法研制的压力传感器，研制方法相对简单，但需要添加辅助材料才能实现压力[85]。

3.6 液体折射率传感应用

液体折射率的测量在生命科学、医疗检测、药物筛选、环境监测和食品检测等领域具有重要作用[86-90]。光纤MZI传感器应用于液体折射率的测量，是基于液体折射率的改变导致传感光路光程的改变，因此传感器的干涉谱发生漂移。2019年，Yu等[91]提出级联2个花生形结构的MZI折射率传感器，如图8(a)所示。该传感器通过使用商用熔接机在单模光纤中级联2个花生形光纤结构构成，结构简单。研究表明，该传感器在折射率为1.33～1.37时实现了-67.355 nm/RIU的折射率灵敏度。2021年，Zhou等[92]在光纤MZI的基础上提出等离子体超高灵敏度光纤折射率传感器，传感器结构如图8(b)所示，通过在无芯光纤上沉积金属-绝缘体-金属结构，实现动态的折射率传感能力。研究结果表明，当折射率为1.333 3～1.333 7时，此传感器灵敏度高达20 141.7 nm/RIU。2021年，Zhao等[93]在级联光纤的结构中对光纤结构进行锥化，形成锥形无芯光纤折射率传感器，如图8(c)所示。该传感器的多模干涉和锥形结构容易激发高阶模式，因此对折射率更加敏感，实验中传感器在折射率为1.380～1.420时获得906.0 nm/RIU的折射率灵敏度。2022年，Zeng等[94]将光子晶体光纤与多模光纤进行级联，构成单模光纤-多模光纤-光子晶体光纤-单模光纤结构的光纤MZI传感器，其结构如图8(d)所示，该传感器在1.333 0～1.377 5折射率时传感器的灵敏度高达342.78 nm/RIU。

图8 4种折射率传感器Fig. 8 4 kinds of fiber-optic refractive index sensors

基于光纤MZI折射率传感器研制方法较为简单，因此在国内外得到很多的关注和研究[4,23,95-101]。纤芯失配法或错位熔接法研制的光纤MZI折射率传感器，结构简单，但灵敏度普遍低[91]。在光纤MZI传感器的基础上做成等离子共振，则可以大幅度提升传感器的灵敏度[92]，但是镀膜溅射仪价格昂贵，增加了传感器研发成本。光纤拉锥法研制的光纤MZI折射率传感器，方法简单，成本低廉，但制备工艺要求高，重复性较差。

3.7 双参量传感应用

实际传感应用中，测量对象往往同时受到外界2个或者多个参数的扰动，例如测量监测对象的应变时，往往监测对象所处环境的温度也会发生变化，因此需要双参量甚至多个参量的同时测量。双参量同时检测与传感，要避免参量间相互串扰问题。光纤MZI传感器的双参量同时测量的传感机理，是基于干涉谱不同的干涉峰对需要监测的目标量有着不同的光谱响应，因此可以构建矩阵方程实现双参量的同时测量。2018年，Lu等[102]提出基于保偏光纤-侧边抛磨光纤的温度和液体折射率同时测量的传感器，其结构如图9 (a)所示。研究结果表明，在温度为10～30 ℃、折射率为1.337 6～1.361 8时，该传感器实现温度和折射率的同时测量，获得的灵敏度分别为-1.804 nm/℃和-131.49 nm/RIU。2021年，Zhang等[103]提出一种多模光纤-多芯光纤用于同时测量温度和定向扭转的光纤传感器，如图9(b)所示。该传感器是在2段多模光纤(MMF)之间熔接一段多芯光纤(MCF)构成，通过监测干涉峰的波长偏移和强度变化实现温度和扭转同时测量。研究结果表明，在温度为55～80 ℃、扭转为0～3.5 rad/m时，获得的灵敏度分别为70 pm/℃和13.8 pm·m/rad。同样是采用多芯光纤，2021年，Li等[104]将一段多芯光纤与2段短多模光纤拼接研制了可以同时测量横向载荷和温度的光纤传感器，如图9(c)所示。实验研究了该传感器的横向载荷和温度特性，研究结果表明横向压力为4～10 N、温度为35～80 ℃时，获得的灵敏度分别为-165 pm/N 和45 pm/℃。进行多参量探测时，为了方便进行操作，可以把传感器研制成单头反射式。2022年，Li等[105]提出锥形少模光纤温度和液位的反射式光纤传感器，如图9(d)所示。该传感器由锥形少模光纤和镀银的毛细管组成，紫外胶将锥形少模光纤密封在镀银毛细管中以形成传感元件，此传感器可以实现液位和温度同时测量，在温度为29～58 ℃、液位为5～30 mm时，获得的灵敏度分别为35 pm/℃和106 dB/m。

图9 4种双参量光纤传感器Fig. 9 4 kinds of double parameters optical fiber sensors

基于光纤MZI双参量光纤传感器研制时要考虑不同干涉峰对不同参量的响应，因此此类传感存在相互牵制问题。错位熔接法或纤芯失配法研制的光纤传感器多用于温度和力的作用等问题的双参量测量[103-104]。侧边抛磨法和拉锥法研制的光纤传感器表面有很强的倏逝场，因此多用于温度、折射率或液位等双参量测量[102,106-107]。

3.8 生化传感应用

光纤MZI传感器可以应用于生化领域的检测，如DNA检测、抗原抗体检测和小分子检测等[108]，传感机理与折射率传感相似，即传感器所处环境的液体折射率或传感光纤的表面折射率发生改变，促进传感器中光程差的改变，因此传感器的干涉谱发生漂移。光纤MZI传感器进行生化传感时，一般需要对光纤表面进行修饰，通过分子力结合、化学键结合或非特异性吸附的方法将生化探针修饰到传感光纤的表面，然后通过生化探针的特异性识别机制，将目标分子捆绑到传感光纤的表面，实现生化传感[109]。2019年，Kaushik等[110]提出光纤表面等离子共振生物传感器，如图10(a)所示。该传感器用二硫化钼纳米片和金属薄膜的协同作用放大表面等离子共振信号，并成功用于牛血清白蛋白的检测，其在牛血清白蛋白的浓度为10～50 mg/L时获得了0.29 mg/L的检测限。2020年，Duan等[111]提出基于疏水蛋白的抗原-抗体检测的光纤生物传感器，如图10(b)所示。该传感器以疏水蛋白涂层作为连接媒介，用于实时无标记检测山羊抗兔(IgG)抗体和兔抗血凝素(IgG)之间的反应。研究结果表明，该传感器对抗原(来自兔的 IgG)的检测限小于1 mg/L。2021年，Deng等[112]提出光纤MZI 3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APES)传感器，如图10(c)所示。该传感器采用纤芯偏置融合单模光纤构成，可以监测光纤表面不同数量和浓度的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷。研究结果表明，光纤生物传感器的1% APES的最佳用量为3.0 mL，而2% APES的最佳用量为1.5 mL。2021年，Lu等[113]提出金纳米粒子(gold nanoparticles，Au-NPs)信号增强超灵敏微光纤生物传感器，如图10(d)所示。传感器采用“三明治”检测策略，捕获探针固定在微光纤表面，报告探针固定在Au-NPs表面， 捕获探针和报告探针与靶探针以夹心排列方式杂交。研究结果表明，在靶探针浓度为1.0×10-15～1.0×10-8mol/L时，该传感器的检测限为1.32×10-15mol/L。

图10 4种光纤生物传感器Fig. 10 4 kinds of fiber optic biosensors

拉锥法研制的光纤传感器，由于其表面具有很强的倏逝场，对周转环境的折射率变化非常敏感，所以较适合应用于生化传感。而常规方法研制的光纤传感器折射率灵敏度偏低，因此在生化传感应用方面存在很大的局限性。此外，通过在锥形生化传感器表面涂敷的二维材料，可以进一步拓宽传感器的应用范围、提高传感器的探测性能[114-116]。

4 展望

光纤MZI传感器在很多领域发挥了巨大作用且有广泛应用前景。本文对光纤MZI传感器的传感机理、研制方法进行阐述，并详细阐述了光纤MZI传感器的传感应用。经过几十年的发展，光纤传感器目前已经取得了丰硕的研究成果。但是随着物联网技术快速发展和应用，作为物联网关键技术的各类光纤传感器的需求不断加大；而技术的进步，将会促进各种高性能光纤传感器不断涌现。作为较有潜力和竞争力的光纤器件，光纤MZI传感器以后将会沿着更加轻量化和微结构的方向发展，同时在后续发展中将会得到进一步的推广应用，如面向可穿戴的柔性生物传感、生化传感和海洋光学传感等。