基于保偏光纤的温度传感器研究
摘要
光纤温度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高和抗电磁干扰等独特优势，在航天
航空、海洋环境探测和生物医学等需要获取温度信息的领域中有着广泛的应用。本文对
保偏光纤的双折射特性进行充分的理论分析和仿真研究，在此基础上利用熊猫型保偏光
纤的结构特点，分别基于长周期光纤光栅和马赫曾德尔干涉仪制备出了两种温度传感器。
利用CO2激光器周期性刻蚀保偏光纤应力柱，制备出了具有抵抗折射率、应变和弯
曲干扰能力的保偏光纤长周期光纤光栅温度传感器。本文从理论上分析了该传感器的形
成原理，并通过实验测量了其温度、折射率、应变和弯曲的灵敏度。实验结果表明其温
度灵敏度达到了83.1pm/℃，而折射率和应变的灵敏度仅分别为-19.06nm/RIU和0.32
pm/με，各方向上的最高弯曲灵敏度只有3.33nm/m-1。实验结果表明该传感器在对温度变
化敏感的同时，对折射率、应变和弯曲变化均不敏感。此外，该传感结构的长度仅为1
cm，因此提出的传感器在复杂环境的温度监测中具有很好的应用前景。
通过在两段多模光纤之间插入一段保偏光纤，制备出了一种可以利用游标效应进行
温度测量的保偏光纤干涉仪。由于保偏光纤的双折射，保偏光纤中具有两种不同传输特
性的正交偏振模式。在保偏光纤干涉仪中，包层模式分别与偏振方向平行于保偏光纤慢
轴和快轴的两个正交偏振模式发生干涉，从而形成两个正交马赫曾德尔干涉仪。通过对
这两个正交马赫曾德尔干涉仪产生的游标包络进行解调，该传感器的温度灵敏度达到-
757.27pm/℃，接近于理论计算出的温度灵敏度（-657.44pm/℃）。此外，该传感器的长
度仅为15.4mm，比大多数基于游标效应的光纤传感器要小得多。因此，提出的传感器
在小空间内的温度监测方面具有很大的潜力。
本文基于保偏光纤设计了两种性能优异且各具特点的温度传感器，可以用于不同要
求的温度测量中，在实际应用中具有很好的发展前景。其中保偏光纤长周期光纤光栅能
够避免折射率、应变和弯曲等物理量的干扰，其温度灵敏度和测量范围也具有一定的优
势，可以用于复杂环境的温度测量中；保偏光纤干涉仪则利用两个正交的马赫曾德尔干
涉仪形成游标包络来进行温度测量，在提高灵敏度的同时仍然具有较为紧凑的传感结构，
因此在温度测量领域具有潜在的应用价值。
关键词：光纤温度传感器；保偏光纤；长周期光纤光栅；马赫曾德尔干涉仪
基于保偏光纤的温度传感器研究
ABSTRACT
Opticalfibertemperaturesensorhasuniqueadvantagessuchassmallsize,lightweight,
highsensitivity,andanti-electromagneticinterference.Ithasawiderangeofapplicationsin
aerospace,marineenvironmentdetection,andbiomedicine,whichneedtoobtaintemperature
information.Inthispaper,thebirefringencecharacteristicsofpolarization-maintainingfiberare
simulatedtheoretically.Onthisbasis,usingthestructuralcharacteristicsofPandapolarization-
maintainingfiber,twokindsoftemperaturesensorsbasedonLongPeriodFiberGrating(LPFG)
andMach-ZehnderInterferometer(MZI)areprepared,respectively.
ByusingaCO2lasertoperiodicallyet