第一作者：于洋

通讯作者：罗坚义、肖廷辉

背景介绍及内容概述

 光纤传感器具有成本低、电磁免疫和远距离实时监测等特点，是现代传感技术不可缺少的组成部分。其中，基于单一谐振器或干涉仪的光纤传感器，如光纤布拉格光栅、法布里-珀罗谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和微光纤结谐振器，因其占地面积小、易于制造和定量传感能力而引起极大的兴趣。然而，它们的灵敏度都有一定的提升空间。光学游标效应起源于两个干涉仪的光学干涉，可以极大的提高光纤传感器的灵敏度。它已应用于不同的干涉结构，包括法布里-珀罗干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪和塞格纳克干涉仪。然而，由于实现光学游标效应需要两个干涉仪的光学跳动，因此它通常需要一个庞大而复杂的级联干涉仪配置。这就牺牲了基于上述中提到的单个谐振器或干涉仪的光纤传感器的优点。

    鉴于此，五邑大学于洋副教授、罗坚义教授团队联合东京大学肖廷辉教授（国家海外高层次青年人才-郑州大学）、德国马普所Hao-Chen Yan博士等人提出并制备了一种仅使用单个微纳光纤谐振器实现Vernier效应的超紧凑型（∼2mm*∼2mm）传感器。在这个过程中，SLED光源的本征性ripple被有效的用于实现Vernier效用。研究人员通过精细化控制光纤拉锥过程，实现了接近临界耦合的微纳光纤环形谐振腔，以获得较大的消光比。通过傅里叶变换分析，进一步确认了Vernier效应。最终，在定量温度监测应用中实现了∼20倍传感灵敏度增强。该传感器实现了基于单个光纤谐振微环的Vernier效应，克服之前此类器件的复杂构造的缺点。本文以“Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator”为题已发表在Optics Express期刊上。

图1 利用单微纳光纤结谐振器的游标效应传感器进行定量温度监测。调整微纤维直径为d、环直径为D的微纳光纤谐振器，使其空间频率与SLED固有光谱波纹的空间频率相匹配，以实现光学游标效应。插图显示了所制作的微纳光纤谐振器的显微镜图像。热板用于为定量温度监测的应用提供一个可控的温度环境，而光谱分析仪用于观察游标效应传感器的透射光谱。

论文具体内容：

图2 通过改变耦合条件来实现调整微纳光纤谐振器的消光比。微纳光纤谐振器相应的显微镜图像分别显示在(a) - (c)中。(d) 微纳光纤谐振器分别在欠耦合（黑线）、过耦合（洋红色线）和临界耦合（红线）条件下的透射光谱

图3  光学Vernier效应 (a) SLED的发射光谱。自由光谱范围为0.308 nm。(b) 微纳光纤谐振器的透射谱。自由光谱范围为0.324 nm。(c) 游标效应传感器的传输频谱。游标包络线的自由光谱范围为6.81 nm。它们对应的空间频谱分别用(d)-(f)表示。其中，在支持文件中我们参考利用一种新的傅里叶转换方法极大的提高空间分辨。

图4  通过改变光源光谱纹波和谐振器的空间频率之间的失谐来实现光学游标效应的实验调谐。(a) - (e) 不同直径的微纳光纤谐振器的显微镜图像和(f) - (j) 透射光谱。(k) - (o) 相应的游标效应传感器的透射光谱显示了游标包络的可调谐自由光谱范围。

图5  传感器增强温度监测。(a) 对无光学游标效应的传感器的透射光谱进行定量温度监测。(b) 具有光学游标效应的传感器的用于温度的定量监测的透射光谱。(c) 有和无光学游标效应的测量灵敏度的比较。灵敏度从8.81pm/°C提高到155.67pm/°C，增强因子为∼20。(d)传感器可重复性实验结果。每个温度点测量3-5次，显示误差值极小。

总结与展望

 总之，我们提出并通过实验证明了一个超紧凑型的光纤传感器，即通过单个光纤谐振器实现了基于Vernier效应的传感器。这是通过操纵微纳光纤谐振器的空间频率和SLED的固有光谱纹波之间的失谐来实现的。通过光学游标效应的实现，我们展示了∼20倍灵敏度的温度监测。这为生化传感和环境监测等应用提供了一种简单、可靠、低成本、高灵敏度的策略。

作者及团队介绍

第一作者：于洋，男，五邑大学应用物理学院副教授，硕士生导师，主持国家自然科学基金青年项目1项，主要研究方向为：微纳光学及光纤传感。

通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师, 江门市首届 “侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市十佳教师。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

通讯作者：肖廷辉，郑州大学物理学院教授，博士生导师，国家海外高层次青年人才项目获得者。主持国家自然科学基金、日本学术振兴会科研费、日本村田科学基金等项目，在Nature Communications， Advanced Photonics等光学期刊发表SCI论文三十余篇。曾获得多项科研奖励，主要包括：日本文部省博士奖学金、国家优秀自费留学生奖学金、欧洲物理快报杰出审稿人、NF基金会研究开发奖励赏、日本光学会光学论文赏、日本量子生命科学会青年科学家奖等。担任国际光学与电磁学研究论坛（PIERS）分会场主席、Photonics期刊客座编辑、日本学术振兴会（JSPS）基金等项目函评专家、Nature Communications等期刊审稿人。主要研究领域包括：硅基光子学、振动光谱、超快成像。

附文献及DOI号：

Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator.

DOI：10.1364/OE.481253