人們通常聽到“光纖”這個詞時，首先浮現在腦海的可能是這樣一幅畫面：細如發絲、扭曲成充滿藝術感漂亮形狀的發光物，或者從燈座中噴涌而出的光之泉。這些能夠傳導光的二氧化硅光纖，其用途可遠遠不止于裝飾。光纖于上世紀五十年代被成功開發，目前已廣泛應用于電力傳輸、通信、成像和傳感等領域。

具體來說，光纖具有優良的介電屬性和廣泛的適用性，因而可以在其他傳感技術可能失效的環境中使用，例如真空室和海底等極端環境。

從光纖傳感器到壓力傳感器

標準光纖是專為電信設備而設計，通常無法用于傳感領域。為了使光纖對所需參數足夠敏感，人們必須對其進行加工處理，例如對光纖光柵進行刻印，或者采用特制的微結構光纖。在高靈敏度壓力傳感器方面，微結構光纖展現出了良好的應用前景。高靈敏度壓力傳感器可用于石油勘探等領域，技術人員和工程師可以使用它來檢測流體壓力。圖 1 展示了文獻報道的三種可用作壓力傳感器的光纖。

圖 1. 壓力傳感測量裝置中的微結構光纖。（a）光子晶體光纖1；（b）帶三角形格子孔的微結構光纖2；（c）側孔光子晶體光纖3。

壓力傳感器中的微結構光纖通常具有特殊的構造，外部施加的載荷會導致光纖內產生不對稱的應力分布，進而使光纖的雙折射特性（一種使光束的折射率呈各向異性的材料屬性）發生改變，于是便可以通過測量雙折射特性的變化來實現傳感檢測。

位于巴西的坎皮納斯大學（Unicamp）的研究人員 Jonas Osório 表示：“光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾等優點，并能適用于惡劣環境。同時它們體積小、重量輕，較同類傳感器而言有著更加廣闊的適用范圍。”

然而現有文獻資料中報道的光纖，其微觀結構都相當復雜，并且需要進行多次拉制，然后由手工完成精密的結構組裝。坎皮納斯大學和空軍研究所（IEAv）正在合作開發一種名為“嵌入芯式毛細管光纖”的特殊類型光纖，它可以被用于制造高靈敏度的壓力傳感器。研發人員需要對這類光纖的制造工藝進行簡化，其中包括預成型制備法和直接拉絲法。

細致分析幾何特征

嵌入芯式毛細管光纖本質上是一根二氧化硅毛細管，管壁內區域（即纖芯）摻雜有鍺（圖 2 顯示了光纖的結構和橫截面圖）。與圖 1 中典型的壓力傳感器的微結構光纖相比，嵌入芯式光纖的結構要簡單得多。

圖 2. (a）嵌入芯式毛細管光纖的概念圖，它顯示了嵌有纖芯的毛細管在靜水壓力下的橫截面。（b）嵌入芯式光纖的橫截面。

空軍研究所的研究人員 Marcos Franco 和 Valdir Serr?o 與坎皮納斯大學的 Jonas Osório 和 Cristiano Cordeiro 合作，對微結構光纖中由壓力引起的雙折射現象進行了研究，據此提出了一種新的設計概念，并對其進行了驗證。他們的目標是設計出能感知靜水壓力的光纖，靜水壓力指的是由靜止液體產生的壓力，例如傳感器周圍的靜水。他們在設計過程中使用毛細管光纖（極細的空心管）替代了包含氣孔陣列的實心光纖，以此來產生不對稱的應力分布。

他們的目標是最大限度地增強由壓力變化引起的雙折射率變化，由此提升光纖的傳感能力。他們首先利用解析模型對壓力引起的毛細管壁內的位移和機械應力進行了研究（圖 3）。

圖 3. 研究受壓的無內嵌芯毛細管光纖。在初始的位移曲線研究中，內半徑 rin =40 μm，外半徑 rout = 80 μm，內壓 Pin 為 1 bar，外壓 Pout 為 50 bar。

解析模型表明，由于毛細管結構本身的特性，外加壓力在毛細管內壁上產生了不對稱的應力分布。在光彈性效應的作用下，應力會引起材料折射率沿水平和垂直方向發生變化，從而獲得所需的雙折射特性。

最大限度地提升對壓力變化的敏感性

借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 向數學模型中添加了橢圓纖芯，也就是石英毛細管壁中摻雜了鍺的區域。通過運行仿真，他們獲得了模式雙折射的變化方式，以及外加壓力和毛細管壁內纖芯的位置之間的關系（圖 4）。模式雙折射描述了可以穿過纖芯的光學模式的雙折射效應。

圖 4. 模式雙折射的變化與毛細管壁內纖芯的位置之間的函數關系。當纖芯非常接近光纖的內半徑（頂部中間圖）時，由壓力變化引起的雙折射變化最大。

仿真模型可以計算基本模態在不同壓力條件下的有效折射率。當入射的電磁波沿纖芯傳播時，便會出現這種模式。研究表明，若想最大限度地提升雙折射現象對壓力的敏感性，即增強傳感器的靈敏度，必須使纖芯完全嵌入毛細管結構，并且靠近內壁。他們分析了不同幾何結構中應力分布的變化，最終得出結論：光纖管壁越薄，纖芯位置越接近毛細管的內半徑，由壓力引起的雙折射率的變化就會越大。

全新的微結構光纖傳感器

在完成了有關雙折射對壓力的依賴性的研究后，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 提出了一種可以簡化微結構光纖制造工藝的新方法。經過驗證的新型壓力傳感器設計可以正常工作。他們將概念設計的靈敏度與現有的復雜光纖結構進行了比較，確認新的設計方案可以產生相近的效果，但是能夠減少復雜的組裝工作。嵌入芯光纖為高靈敏度光纖壓力傳感器提供了一個全新的發展方向，相信在不遠的將來，石油勘探者可以更加方便地對采集的石油進行實時評估。