第一作者：于洋
通訊作者：羅堅義、肖廷輝
背景介紹及內容概述
光纖傳感器具有成本低、電磁免疫和遠距離實時監測等特點，是現代傳感技術不可缺少的組成部分。其中，基于單一諧振器或干涉儀的光纖傳感器，如光纖布拉格光柵、法布里-珀羅諧振器、馬赫-曾德爾干涉儀和微光纖結諧振器，因其占地面積小、易于制造和定量傳感能力而引起極大的興趣。然而，它們的靈敏度都有一定的提升空間。光學游標效應起源于兩個干涉儀的光學干涉，可以極大的提高光纖傳感器的靈敏度。它已應用于不同的干涉結構，包括法布里-珀羅干涉儀，馬赫-曾德爾干涉儀和塞格納克干涉儀。然而，由于實現光學游標效應需要兩個干涉儀的光學跳動，因此它通常需要一個龐大而復雜的級聯干涉儀配置。這就犧牲了基于上述中提到的單個諧振器或干涉儀的光纖傳感器的優點。
鑒于此，五邑大學于洋副教授、羅堅義教授團隊聯合東京大學肖廷輝教授（國家海外高層次青年人才-鄭州大學）、德國馬普所Hao-Chen Yan博士等人提出并制備了一種僅使用單個微納光纖諧振器實現Vernier效應的超緊湊型（～2mm*～2mm）傳感器。在這個過程中，SLED光源的本征性ripple被有效的用于實現Vernier效用。研究人員通過精細化控制光纖拉錐過程，實現了接近臨界耦合的微納光纖環形諧振腔，以獲得較大的消光比。通過傅里葉變換分析，進一步確認了Vernier效應。最終，在定量溫度監測應用中實現了～20倍傳感靈敏度增強。該傳感器實現了基于單個光纖諧振微環的Vernier效應，克服之前此類器件的復雜構造的缺點。本文以“Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator”為題已發表在Optics Express期刊上。
圖1 利用單微納光纖結諧振器的游標效應傳感器進行定量溫度監測。調整微纖維直徑為d、環直徑為D的微納光纖諧振器，使其空間頻率與SLED固有光譜波紋的空間頻率相匹配，以實現光學游標效應。插圖顯示了所制作的微納光纖諧振器的顯微鏡圖像。熱板用于為定量溫度監測的應用提供一個可控的溫度環境，而光譜分析儀用于觀察游標效應傳感器的透射光譜。
論文具體內容：
圖2 通過改變耦合條件來實現調整微納光纖諧振器的消光比。微納光纖諧振器相應的顯微鏡圖像分別顯示在(a) - (c)中。(d) 微納光纖諧振器分別在欠耦合（黑線）、過耦合（洋紅色線）和臨界耦合（紅線）條件下的透射光譜
圖3 光學Vernier效應 (a) SLED的發射光譜。自由光譜范圍為0.308 nm。(b) 微納光纖諧振器的透射譜。自由光譜范圍為0.324 nm。(c) 游標效應傳感器的傳輸頻譜。游標包絡線的自由光譜范圍為6.81 nm。它們對應的空間頻譜分別用(d)-(f)表示。其中，在支持文件中我們參考利用一種新的傅里葉轉換方法極大的提高空間分辨。
圖4 通過改變光源光譜紋波和諧振器的空間頻率之間的失諧來實現光學游標效應的實驗調諧。(a) - (e) 不同直徑的微納光纖諧振器的顯微鏡圖像和(f) - (j) 透射光譜。(k) - (o) 相應的游標效應傳感器的透射光譜顯示了游標包絡的可調諧自由光譜范圍。
圖5 傳感器增強溫度監測。(a) 對無光學游標效應的傳感器的透射光譜進行定量溫度監測。(b) 具有光學游標效應的傳感器的用于溫度的定量監測的透射光譜。(c) 有和無光學游標效應的測量靈敏度的比較。靈敏度從8.81pm/°C提高到155.67pm/°C，增強因子為～20。(d)傳感器可重復性實驗結果。每個溫度點測量3-5次，顯示誤差值極小。
總結與展望
總之，我們提出并通過實驗證明了一個超緊湊型的光纖傳感器，即通過單個光纖諧振器實現了基于Vernier效應的傳感器。這是通過操縱微納光纖諧振器的空間頻率和SLED的固有光譜紋波之間的失諧來實現的。通過光學游標效應的實現，我們展示了～20倍靈敏度的溫度監測。這為生化傳感和環境監測等應用提供了一種簡單、可靠、低成本、高靈敏度的策略。
作者及團隊介紹
第一作者：于洋，男，五邑大學應用物理學院副教授，碩士生導師，主持國家自然科學基金青年項目1項，主要研究方向為：微納光學及光纖傳感。
通訊作者：羅堅義，男，工學博士，教授，博士生導師，現任五邑大學應用物理與材料學院院長，五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心主任（創始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國家重點研發計劃智能傳感重點專項會評專家，南粵優秀教師, 江門市首屆 “僑鄉青年榜樣”，江門市優秀科技工作者，江門市十佳教師。主要研究領域包括：柔性傳感材料與器件應用（柔性觸覺傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調光變色材料與器件。
通訊作者：肖廷輝，鄭州大學物理學院教授，博士生導師，國家海外高層次青年人才項目獲得者。主持國家自然科學基金、日本學術振興會科研費、日本村田科學基金等項目，在Nature Communications， Advanced Photonics等光學期刊發表SCI論文三十余篇。曾獲得多項科研獎勵，主要包括：日本文部省博士獎學金、國家優秀自費留學生獎學金、歐洲物理快報杰出審稿人、NF基金會研究開發獎勵賞、日本光學會光學論文賞、日本量子生命科學會青年科學家獎等。擔任國際光學與電磁學研究論壇（PIERS）分會場主席、Photonics期刊客座編輯、日本學術振興會（JSPS）基金等項目函評專家、Nature Communications等期刊審稿人。主要研究領域包括：硅基光子學、振動光譜、超快成像。
附文獻及DOI號：
Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator.
DOI：10.1364/OE.481253
