摘 要：石英毛细管由于在材料方面与光纤具有天然一致性，被广泛应用于各种结构和功能的光纤传感器中.首先给出光纤和毛细管的模式特性和熔接工艺，在此基础上介绍干涉型毛细管光纤传感器的研究进展，包括法布里-珀罗型、多模干涉型、反谐振型3种形式.接着介绍微腔结合的毛细管光纤传感器研究进展，包括多模光纤-微球腔和锥形内壁毛细管微腔.毛细管具有中空结构且其圆柱结构能够支持回音壁模式.最后介绍毛细管光纤传感器的最新研究进展.
关键词：毛细管；光纤传感器；干涉型光纤传感器；微腔；光微流
1966年高锟博士提出光纤用于通信之后，光纤通信与光纤传感技术得到了迅速发展.光纤纤芯由高折射率的掺杂石英构成，包层则是由折射率相对较低的石英构成，与光纤尺度可比拟的石英毛细管作为一种简单的圆柱形导光结构，由中空部分和石英管壁组成，通过与其他不同类型光纤熔接便能获得一系列结构简单、稳定性好、灵敏度高的传感器件.本文首先介绍了毛细管的基本原理及其熔接工艺，并重点介绍了干涉型、微腔结合型、回音壁模式毛细管光纤传感器等形式的最新研究进展.
1 基本原理
1.1 毛细管基本特性
普通光纤主要包括单模光纤和多模光纤，单模光纤在工作波长下只能传输最低阶基模，而多模光纤由于纤芯较大，能够传输较多的模式.常规毛细管结构如图1所示，其中图1(a)为毛细管横截面示意图，其内径为R1、外径为R2；沿着横截面直径方向取切面如图1(b)所示，n1和n2为空气折射率和毛细管壁的折射率；图1(c)给出了内径为5µm的毛细管的折射率分布模型.当光在毛细管中传播时，一般情况下光能量主要在折射率较大的毛细管壁中传播，由于毛细管壁较厚且与空气折射率差较大，因此通常以多模形式存在.另外，在特殊情况（如反谐振条件）下光可以在中间空气层中传播.
图1 毛细管示意图
Figure 1 Schematic diagram of capillary
毛细管中可以存在多个模式，通过数值仿真得到3种内径(inner diameter,ID)情况下的各阶次模式的有效折射率如图2(a)所示.随着模次的增高，对应的有效折射率减小.随着毛细管光纤内径的增大，有效折射率降低的速度加快.内径为5µm的毛细管模式对应的有效折射率变化情况如图2(b)所示，当波长向长波方向偏移时，对应模式有效折射率下降.
1.2 光纤与毛细管熔接工艺
实验选取美国Polymicro Techologies公司生产的TSP系列毛细管，其中TSP005150、TSP015150、TSP025150毛细管内径分别为5µm、15µm、25µm，毛细管外径均为150µm，去除聚合物涂层之后裸纤外径均为125µm，与单模光纤外径是一致的.当单模光纤和毛细管熔接时，如图3所示由于表面张力的影响，毛细管会在熔接点附近发生塌陷，通过改变熔接参数，可以有效控制形成3种基本形式：无塌陷、部分塌陷和完全塌陷.
无塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似平面，因此也可称为“平接法”.微纳熔接加工步骤如下：
图2 毛细管有效折射率仿真
Figure 2 Simulation of the e ff ective refractive index of capillary
步骤1 准备端面平整的单模光纤与毛细管.首先用剥线钳剥去单模光纤表面的涂覆层，用切割刀将端面切割平整备用；由于毛细管光纤表面覆盖的是一种聚合物，无法使用剥线钳进行剥离，因此可以使用燃烧法将毛细管光纤表面的涂覆层去除，再用切割刀将端面切割平整备用.
步骤2 分别将备好的单模光纤和毛细管固定在熔接机(FITEL-S178熔接机)两边的夹持器上，通过熔接机上的显微系统调节光纤端面到放电电极的位置，再次调节光纤端面位置使其对准；调节过程如图3(a)所示，d0为熔接机夹具推进距离，将单模光纤的尾端调整到超过放电电极60µm位置，毛细管光纤尾端到距离放电电极75µm的位置，光纤尾端之间间隔15µm.
步骤3 表1列出了熔接参数，其中放电强度和放电时间需要特别注意；设置好主要熔接参数之后，调整光纤在熔接机中的相对位置；熔接前光纤的相对位置如图3所示；按下放电按钮，熔接完成，熔接效果如图3(b)所示.
图3 平接法示意图与效果图
Figure 3 Schematic diagram of the fl at welding method and welding result
表1 平接法参数列表
Table 1 Parameter list of the fl at welding method
完全塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似过渡形状，因此也称为“过渡熔接法”，其微纳熔接加工步骤与平接法类似，调节过程如图4(a)所示.单模光纤的尾端距离放电电极35µm，毛细管尾端调节到超过放电电极20µm位置，光纤尾端之间间隔15µm.按照表2参数列表，设置主要熔接参数后按下放电按钮，熔接完成，熔接效果如图4(b)所示.
图4 平接法示意图与效果图
Figure 4 Schematic diagram of the transition welding method and welding result
表2 过渡熔接法参数列表
Table 2 Parameter list of the transition welding method
不同的熔接条件会产生不同的熔接形貌，加工出来的器件也会呈现不同的特性.如果放电位置位于光纤与空芯之间，两端面相距15µm.使用这种方法获得的熔接点一般是部分塌陷的，该情况下光的耦合情况非常复杂，不利于传感特性应用.
2 基于毛细管的干涉型光纤传感器
2.1 法布里-珀罗干涉仪
本文以内径为75µm的毛细管为例，采用“平接法”加工了3个法布里—珀罗干涉仪(FPI)，其干涉仪长度分别为53µm、102µm、186µm，如图5(a)所示；单模光纤的两个平整端面和中间的一段很短的毛细管构成非本征型法珀干涉仪(extrinsic Fabry-Perot interferometer,EFPI)，对应的干涉光谱如图5(b)所示.随着EFPI器件腔长的减小，对应的反射光谱的对比度增强，自由光谱范围(free spectral range,FSR)增大.
进一步研究了EFPI器件的应力传感特性.当毛细管内径为75µm时，长度分别为53µm、102µm、186µm的EFPI器件轴向应力传感灵敏度分别为4.2 pm/µε、2.9 pm/µε和2.3 pm/µε，如6(a)所示.以EFPI器件的轴向应力传感灵敏度为纵轴，器件腔长为横轴作图，如图6(b)所示.当内径一致时，当器件长度相似时，随着器件腔长的增长，轴向应力传感灵敏度是减小的；随着器件内径的增大，器件的应力传感灵敏度也大.
2.2 多模干涉仪
本文提出通过“过渡法”在毛细管两端分别熔接两段单模光纤形成折射率传感器，如图7(a)所示，毛细管两端塌陷区相当于两个模式耦合区.基于Rsoft的Beamprop模块进行仿真，毛细管包层折射率为1.462 8，内径为5µm，基模会耦合到毛细管的本征模LP0m，其中耦合区长度、锥腔长度和器件总长度分别为150µm、200µm、10 mm.如图7(b)所示，在耦合区输入的基模可以被分解并耦合到毛细管的本征模，如图7中的(c)～(f)所示.模场通过耦合区耦合到毛细管向前传输，并且相互间发生干涉，截面能量分布图会随着长度的变化而变化.最终，毛细管中的高阶模又通过另一端塌陷耦合区耦合回单模光纤纤芯.
图5 毛细管EFPI器件与反射谱
Figure 5 Capillary based EFPI devices and re fl ection spectra
图6 毛细管EFPI器件应力传感灵敏度图
Figure 6 Strain sensitivities of capillary based EFPI devices
加工基于毛细管结构的传感器件时，选取5µm、15µm、25µm等3种不同内径的毛细管，理论仿真表明插入损耗随着内径的增大而增大；进一步研究了1 200～1 700 nm的传输谱，毛细管内径分别为5µm、15µm、25µm，传输谱如图8中的(a)～(c)所示，仿真表明内径越大，毛细管包层中能量分布越强，模式干涉更加复杂.
当外界的折射率不断增大时，内径为5µm的多模干涉仪传感器的波长漂移量并不是线性变化的；另外分别测量内径分别为15µm和25µm毛细管的多模干涉仪的折射率传感特性.当折射率在1.336 0～1.436 5范围时，3种不同内径的传感器件得到的最大折射率传感灵敏度分别为789 nm/RIU，1 196 nm/RIU和1 684 nm/RIU，因此器件的最大折射率传感灵敏度随着毛细管内径的增大而增大.
图7 毛细管多模干涉仪的仿真(ID=75µm)
Figure 7 Simulation of capillary based multimode interferometer with inner diameter of 75µm
图8 不同内径毛细管传输谱
Figure 8 Transmission spectra of capillary based devices
2.3 反谐振干涉仪
对于毛细管来说，因为空气折射率低于石英管壁折射率，所以光不能像在普通波导内一样发生全反射，也就不能完全限制在中间空气层中.把石英包层看作FP标准具，当入射光波长接近谐振波长时，会发生相长干涉，光束不能被石英包层反射回来，而是主要被束缚在石英包层中振荡，此时光能主要分布在石英包层当中，如图9中的波谷，此时在光谱中会形成一系列的周期性的波谷，其中m为谐振阶次，d为毛细管壁厚，其谐振波长λm为
当光波长不满足谐振条件，即远离谐振波长时会发生相消干涉，这些光被石英包层反射回来后限制在中间空气层中作为导模向前传输，此时光能主要被限制在中间空气层，对应图9中传输能量最高的位置，这种机理被称为反谐振效应.
图9 基于毛细管的反谐振结构示意图及原理图
Figure 9 Schematic of the ARROW structure and its transmission
毛细管导光传输机理可以用反谐振原理解释，光在谐振波长处会透过管壁泄漏到外界，倏逝场的存在使得毛细管传输谱对于外界因素的变化极其敏感，比如液位传感，示意图如图10(a)所示，当传感器垂直浸没于液体时，浸没液体的毛细管部分能量反射率改变，并随着液位深度的增加而导致谐振峰对比度逐渐减小，如图10(b)所示[8].
3 基于毛细管的谐振腔传感器
3.1 毛细管多模光纤-微腔谐振器
图10 液位传感器及结果
Figure 10 Liquid level sensor and results
2014年，密苏里科技大学肖海提出用毛细管耦合结构来激发回音壁模式，如图11所示，将毛细管熔接到一个多模光纤上；调节放电强度和放电时间以便在多模和毛细管的熔接处形成一个锥形，并将一个微球塞入毛细管直至卡紧在锥形区域.这里使用的微球直径在50～75µm范围，将毛细管的出口端用单模光纤封住后进行化学腐蚀，将毛细管壁厚腐蚀至几微米而形成有效耦合.
图11 毛细管耦合微球结构
Figure 11 Capillary coupled microsphere structure
通过反射谱测试系统，得到如图12所示的一组反射光谱随着腐蚀时间增加的变化图.由图12(a)得出，随着时间从0不断增加到25 min，回音壁模式光谱逐渐显示出来，由于腐蚀时间的增加，毛细管壁厚直至被腐蚀到0，器件回音壁模式又被抑制.图12(b)显示了随着腐蚀时间的增加，Q值和峰值强度的变化规律图，插入表格为壁厚随着腐蚀时间的变化.
图12 腐蚀时间与光谱关系
Figure 12 Relationship between etching time and spectrum
通过实验又测试了一组直径为71µm的微球回音壁谐振腔反射光谱，如图13所示.图13(a)是空气中的反射谱，可以计算出FSR为7.25 nm.图13(b)为1 535.114 nm处的谐振峰，其半高全宽为0.134 nm，Q值为1.14×104.
3.2 基于毛细管的Fano谐振器件
文献[7]介绍了一种圆锥形毛细管与微球的耦合谐振腔以激发回音壁模式.如图14(a)所示的谐振腔包含单模光纤与内径为5µm的毛细管，并将毛细管垂直插入到氢氟酸溶液中以形成圆锥形的内壁.由于毛细管端面反射的存在，当将直径为45µm的钛酸钡玻璃微球塞入到毛细管的末端时，从反射光谱中可以观察到明显的Fano谐振.
图13 谐振腔反射谱
Figure 13 Resonance re fl ection spectrum
该器件是由单模光纤、毛细管和微球构成的，如图14(a)所示，输入光从单模光纤耦合进毛细管，这是本器件的第1个耦合；接着让一束光耦合进微球中，激发顺时针的回音壁模式并再次耦合进毛细管，最终这束光作为E6回到起点.这个模型用两个耦合点来表示360◦的3D模型.同时，另一束光穿过微球，在毛细管的端面反射后再次穿过微球并最终作为E12返回到起点.毛细管和微球的耦合是本器件的第2个耦合.E6和E12发生干涉，形成Fano谐振.
图14 锥形内壁毛细管耦合的微球谐振腔的原理图
Figure 14 Schematic diagram of the cone-shaped inwall capillary coupled microsphere resonator
图15为尺寸相近但材质不同的两种微球置入制备好的毛细管中，然后将它们浸入到匹配液中，这个匹配液和毛细管壁的折射率匹配，以消除端面反射.对比图15(a)和图15(b)发现钛酸钡玻璃微球的Q值稍高一些.此外，钛酸钡玻璃微球的谐振峰之间重叠也较少发生，因而整个光谱比较干净.
采用钛酸钡玻璃微球开展研究工作.先将器件置于空气中，因为空气和毛细管的折射率差较大，所以毛细管的前端面发生反射，从而形成Fano谐振，如图16(a)所示.当该器件的前端浸入匹配液时，由于端面反射被消除了，该器件的反射谱就变成回音壁模式，如图16(b)所示.需要注意的是，将毛细管前端浸入匹配液时应该仅将毛细管前端端面浸入匹配液，而不应将微球接触的毛细管部分以及该器件的其他部分浸入匹配液，否则匹配液会对微球谐振波长有所影响.
图15 不同材料微球的器件反射谱
Figure 15 Re fl ective spectra of devices with di ff erent materials
图16 毛细管反射谱
Figure 16 Capillary re fl ection spectrum
在本器件中Fano谐振和回音壁模式有着一一对应的关系且谐振频率也是一致的，同时Fano谐振的Q值非常高，所以Fano谐振和回音壁模式一样，也可以用傅里叶变换法来分析频谱且过程完全一样.把一个Fano谐振依据它的上下两个峰分为两个谐振峰，它们的位置几乎一致.如此，Fano谐振的情况在本质上就和回音壁模式完全一致.图17(a)显示了本器件前端的显微镜图片，从中可以得出微球的实际大小为45µm.图17中的(b)和(c)分别是图17(a)和(b)的傅里叶变换，即Fano谐振和回音壁模式的傅里叶变换，于是我们可以从中得出微球直径的计算结果，即45.3µm和44.6µm，这与实际值是一致的.
4 基于毛细管的回音壁传感器
4.1 气压传感器
近年来，基于回音壁模式的微谐振腔已经被广泛应用于高灵敏度的传感器中，一些基于毛细管光纤的微谐振腔因为其有着天然的微流体通道，所以便于用作气压传感、分子探测以及相关生化传感.一些科研人员制备了超薄壁厚(约500 nm)的硅制微泡腔，用作低气压(mbar)传感，Q值约为107，在气压传感方面有着极高的灵敏度.基于回音壁模式的微泡腔的气压传感实验装置如图18所示[12]，用熔融拉锥的方法制备直径约为1µm的光纤锥，微泡腔由毛细管光纤经激光辐射加热并灌入气体的方法制得.将光纤锥与微泡腔靠近耦合，左端的光源为一个波长范围在1 550 nm或780 nm附近的可调谐激光器，右侧用一个探测器检测输出透射谱并用一个双通道示波器显示输出的谱型.
图17 毛细管微球耦合器件显微镜图与反射谱的傅里叶变换
Figure 17 Microscopic images of the cone-shaped inwall capillary coupled microsphere resonator and the fast Fourier transform of re fl ection spectrum
图18 气压传感的实验装置图
Figure 18 Schematic diagram of pressure sensor
由图19[12]的透射谱型可知，锥与微泡腔耦合后得到的回音壁模式在1 550 nm附近的谐振峰向长波长方向漂移，且谐振强度逐渐减小，插图为谐振峰漂移量及漂移方向，气压传感灵敏度为18.9 GHz/bar.在780 nm左右的光源条件下，回音壁模式也向着长波长方向漂移，所得气压传感灵敏度为38 GHz/bar.然后由仿真及相关理论可得此微泡腔可检测出0.17 mbar的气压变化在780 nm附近，这在以后的超低压传感中可得到广泛的应用.
4.2 生化传感器
光学微腔在生化传感领域得到了广泛的应用.由于光学微腔的谐振特性，光场共振增强，光场与待测物质的相互作用时间变长，且波长分辨率高.光学微腔的这些特性有利于光学微腔生化传感器获得比传统的光学生化传感器更高的灵敏度和更低的探测极限.生物分子浓度的检测在生物医学上有着重要的意义，例如艾滋病就是通过检测艾滋病病毒抗原的浓度进行早期诊断的，2011年Zhang利用金属光子晶体生物传感器探测HIV-1p24抗原，其探测极限为ng/mL量级，科研人员为进一步提高分子探测精度，提出用基于回音壁模式的光学微腔传感器.光微流微瓶谐振腔由于采用微流技术，在操控pL～µL量级的流体方面有独特的优势，结构示意图及整体实验装置图如图20所示[15]，白线是椭球面的拟合曲线.
图19 气压传感光谱
Figure 19 Pressure sensing spectrum
图20 微瓶腔显微镜图与实验装置图
Figure 20 Microscopic image of microbottle and schematic diagram of the experimental device
实验中采用三角波电压信号驱动可调谐激光器，使其在60 pm范围内连续扫描；激光经三环偏振控制器调节偏振态，通过融锥光纤与光微流微腔耦合，将其固定在一个五维调整架上，在CCD的监测下调整耦合间距.最后用光电探测器探测激光光强，并将电信号输入到数据采集卡或示波器中来实时检测微瓶谐振腔的透过率与波长的关系.用恒流泵以1µl/min的流速在微瓶中通过待测样品.整套耦合系统用盒子盖住，以防止外界空气流动对系统产生扰动.将融锥光纤与光微流微瓶谐振腔靠近耦合，得到了如图21所示[15]的透射谱，插图为3种模式的光场能量分布图.确定此瓶腔的直径、壁厚及曲率可标定如图中的各个模式数，并且计算得到模式3个方向的场分布图.通过计算不同壁厚下的模式波长，可以得到模式H的表面灵敏度为42.39 pm/nm（即壁厚每变化1 nm，波长移动42.39 pm）.
图21 流微瓶谐振腔的透射光谱
Figure 21 Transmission spectra of tapered fi ber coupled microbottle
5 结语
随着加工工艺的进步，毛细管在传感领域的应用越来越广泛，通过与普通单模光纤的熔接可以形成各种微腔进行传感应用研究，并且由于其中空结构的特殊性，在很多传感领域有独有的优势.毛细管同时可以作为回音壁模式的微腔，拥有天然的微流体通道以及超高Q值与极小的模式体积，故在高灵敏的物理和生化传感领域有很大的优势.最后，通过毛细管与增益材料相结合，有望实现回音壁模毛细管激光器，这将是未来重要的研究方向.
