摘要
近年来，光纤传感器由于其高灵敏度，抗腐蚀性，抗电磁干扰等特性而受到广泛的关注。马赫-曾德尔干涉仪（MZI）传感器由于其高灵敏度和简单的结构而应用于各个传感领域。越来越多的新型结构如偏芯，弯曲，涂敷，腐蚀，打锥等的MZI传感器被用来测量温度、湿度、折射率、液位、应变等不同参量。无芯光纤（NCF）是一种没有纤芯的特种光纤，在传感实验中以自身包层为纤芯，外界环境作为包层而进行传感过程以此来获得较高灵敏度。本文利用了模间干涉原理，使用NCF制作了三种干涉型光纤传感器，分别对折射率，温度和葡萄糖浓度特性进行了研究。 本文主要研究内容如下： 1.设计了一种基于NCF单锥结构的MZI传感器，介绍了传感结构及其制作方法。使用Rsoft光波导仿真软件中的BeamPROP模块进行了该结构的能量光谱和透射谱的仿真，给出了单锥和无锥结构的透射谱对比。由于单模光纤（SMF）-NCF-SMF结构的多模干涉（MMI）和锥形结构所激发的高阶模式，该传感器对折射率更加敏感。折射率灵敏度在1.340-1.380时为130.5nm/RIU，1.380-1.420时为330.0nm/RIU，1.420到1.440时为906.0nm/RIU。从30-90℃的温度灵敏度为0.0595nm/℃，同时还对该传感器的折射率灵敏度进行了稳定性实验分析。该传感器结构简单，成本低，可广泛用于生物传感。 2.设计了一种基于NCF双锥结构的MZI传感器,介绍了传感结构及其制作方法。使用Rsoft光波导仿真软件中的BeamPROP模块进行了该结构的能量光谱和透射谱的仿真，给出了双锥，单锥和无锥结构的透射谱对比。双锥结构的多模耦合效应使NCF对折射率更加敏感。在1.34-1.38、1.38-1.42和1.42-1.44的范围内，该结构的折射率灵敏度分别为159.56nm/RIU、369.64nm/RIU和1013.56nm/RIU。在30-90℃的范围内，所提出的结构的温度灵敏度为0.0404nm/℃，同时还对该传感器的折射率灵敏度进行了稳定性实验分析。所提出的传感结构易于制造，具有较高的折射率灵敏度，在生物和医学领域具有广阔的前景。 3.设计了一种基于NCF和氧化石墨烯-葡萄糖氧化酶复合膜（GO-GOD）的MZI生物传感器，用于测量葡萄糖浓度和温度，介绍了传感结构及其制作方法，并简述了GO和GOD的作用。使用Rsoft光波导仿真软件中的BeamPROP模块进行了该结构的能量光谱和透射谱的仿真，给出了涂敷前后的透射谱对比。由于SMF-NCF-SMF结构的多模干涉和复合膜的催化作用，该传感器对葡萄糖浓度更加敏感。所提出的传感器在10-70g/L的葡萄糖浓度敏感度分别为0.0321nm/(g/L)和0.0401nm/(g/L)，在10-70℃的温度敏感度分别为0.0513nm/℃和0.0326nm/℃，同时还对该传感器的葡萄糖浓度灵敏度和温度灵敏度进行了稳定性实验分析。该传感器具有结构简单、成本低的特点，可广泛用于生物传感。
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