蓝宝石衍生光纤是一种Al2O3-SiO2共掺的玻璃光纤，由于其良好的机械强度和耐高温特性，在高温传感和分布式传感领域具有广阔的应用前景。近日，上海大学通信学院特种光纤重点实验室庞拂飞教授基于多芯蓝宝石衍生光纤制备了具有方向灵敏度和高弯曲灵敏度的MZI传感器。该成果以题为“High-Sensitivity Bending Sensor Based on Supermode Interference in Coupled Four-Core Sapphire-Derived Fiber”发表在SCI期刊《Journal of Lightwave Technology》上。上海大学通信与信息工程学院博士研究生王之凤为论文第一作者，通信作者为庞拂飞教授。
本课题组通过电弧放电法将一段耦合四芯蓝宝石衍生光纤(FSDF)拼接于两个单模光纤之间，构成了一个马赫-曾德干涉仪(MZI)。利用FSDF的非对称性与超模对弯曲的敏感性，在Y方向的-10.0 m-1至5.0 m-1的曲率范围内，实现了灵敏度约为-24.526 nm/m-1的弯曲传感。 这种具有方向敏感和高弯曲灵敏度的FSDF-MZI传感器在汽车工业、桥梁和建筑等领域具有应用前景。
图1 FSDF-MZI示意图与FSDF超模的场分布与折射率的弯曲响应
图2 FSDF-MZI传感器的实验系统图与弯曲响应
相对于一些传统的 MZI 传感器，基于超模干涉的FSDF-MZI 传感器在±Y方向均具有高灵敏度的，使其成为可辨别方向弯曲传感器的潜在技术。
论文链接：https://www.osapublishing.org/jlt/abstract.cfm?uri=jlt-39-12-3932.
同时，本课题组基于单芯蓝宝石衍生光纤(SDF)制备了复合法布里-泊罗干涉仪(FPI)，实现了高温压力传感。该文章题为“Compound Fabry–Pérot interferometer for simultaneous high-pressure and high-temperature measurement”发表在SCI期刊《Optics express》上。上海大学通信与信息工程学院博士研究生马章微为论文第一作者，通信作者为庞拂飞教授。
课题组提出了一种利用SDF析晶区域和石英毛细管、结合CO2激光加工系统的复合FPI。FPI由两个干涉腔组成，其中莫来石析晶区域和SDF端面作为干涉腔1用于高温传感，由石英毛细管构成的空气腔作为干涉腔2用于高压传感，从而可实现温度、压力同时传感。所制备的复合压力传感器的温度灵敏度为 0.013 nm/°C，且在 700°C的压力灵敏度为 5.19 nm/MPa。
图3 复合FPI的工作原理、制备与光谱特性
图4 SDF-FPI传感器的高温压力响应
这种SDF-FPI压力传感器可实现集成化、且具有灵敏度高、测量范围广、耐高温等优点，有望成为在极端条件下同时测量高压高温的潜在传感技术。
论文链接：https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-15-24289&id=453348.
下一步，本课题组将针对航空发动机、叶片等设备在运行过程中会产生较大的振动，要求内嵌在高温设备中的光纤传感器具有较高的高温力学性能这一背景，对蓝宝石衍生光纤的结构设计进行进一步研究，以实现高温下具有高机械性能的温度传感器。研究工作得到了国家自然科学基金(Grant 61735009, Grant 61635006, and Grant61875108)资助。
