2026年8月18日，华中科技大学武汉光电国家研究中心舒学文教授团队在期刊《Optica》发表最新研究进展，题为《Bayesian neural network-optimized single-mode sapphire ring Bragg grating for extreme high-temperature sensing》。

蓝宝石光纤具有熔点高、化学稳定性好和耐辐射等优点，是极端高温光纤传感的重要材料平台。然而，与具有纤芯-包层结构的传统石英单模光纤不同，商用蓝宝石光纤通常缺乏明确的纤芯和包层结构，在通信波段具有明显的多模传输特性。不同模式具有不同的有效折射率，容易在蓝宝石光纤光栅的反射光谱中形成多个共振峰，并对入射条件和外界扰动十分敏感。这种复杂的多峰光谱严重制约了蓝宝石光纤光栅在极端环境下的稳定解调和实际应用。

图1. (a) 飞秒激光刻写单模蓝宝石环形布拉格光栅（SRBG）的实验装置示意图。(b) 光谱信号识别与数据标签提取算法流程图。(c)-(f) 典型实验样品的反射光谱及有效反射峰识别结果。

针对这一问题，本研究利用飞秒激光在蓝宝石光纤内部构建连续的闭合圆环折射率调制结构，通过圆环结构对模式场的空间选择作用抑制高阶模式。同时，为解决飞秒激光加工过程中激光能量、刻写速度、圆环直径和光栅长度等多维参数之间复杂的非线性耦合问题，研究团队将正交实验设计与贝叶斯神经网络相结合，构建加工参数与反射峰数量之间的预测模型，并引入“回归-取整”策略，使模型在有限实验样本条件下实现了高精度预测，完整数据集上的相关系数达到R = 0.996。

在此基础上，研究团队利用训练后的BNN开展虚拟参数扰动和灵敏度分析，揭示了不同加工参数对蓝宝石光纤光栅模式特性的非线性影响，并实现多参数加工窗口的逆向优化。研究结果表明，环形直径在模式选择过程中发挥关键作用，而激光能量表现出明显的非单调响应特性。与传统依赖反复试错的参数优化方式相比，该方法能够在实际加工之前预测不同参数组合对应的光谱特性，从而实现由经验试错向数据驱动、可预测加工的转变。

通过BNN逆向优化，研究最终确定了适用于单模运行的加工参数组合，并制备出单模SRBG。三维光束传播法（BPM）模拟表明，优化后的环形结构能够有效约束基模并抑制高阶模式，其输出模式场与标准单模光纤具有良好的匹配特性。实验测得的SRBG反射光谱呈现清晰的单一布拉格共振峰，输出模式呈对称的高斯分布，实验结果与数值模拟具有良好的一致性，从光谱和空间模式两个方面验证了器件的单模运行特性。

图2. (a) 优化后SRBG的纵向光场分布仿真结果。(b) 优化后SRBG的输出端面模场分布仿真结果。(c) SRBG横截面显微图。(d) SRBG俯视显微图。(e) 典型的单模布拉格反射光谱，右上角插图为实验测得的输出模式轮廓。

为进一步验证器件在极端环境下的传感性能，研究团队开展了最高温度达1200 ℃的高温实验。在整个升温和降温过程中，SRBG始终保持清晰、可追踪的单一主共振峰，实现了稳定的单峰解调。其温度响应表现出由蓝宝石热光效应主导的非线性特征，瞬时温度灵敏度由100 ℃时的20.9 pm/℃提高至600 ℃时的25.7 pm/℃，并在1200 ℃时达到32.8 pm/℃。三次升降温循环中，布拉格波长偏差均控制在±50 pm以内。

研究团队还对传感器进行了1200 ℃下持续20 h的长期稳定性测试。实验中布拉格波长的one σ标准差仅为11.7 pm，对应温度波动低于0.36 ℃；20 h后反射峰强度仅出现约0.5 dB的轻微衰减，不影响传感解调，表明该器件具有良好的极端高温稳定性。

图3. (a) 单模SRBG高温传感测试系统。(b) 升温和降温过程中不同温度下的反射光谱演化。(c) 100-1200 ℃温度循环过程中布拉格波长随温度的变化。(d) 三次温度循环中不同温度下的布拉格波长偏差。(e) 1200 ℃下20 h长期高温稳定性测试结果。

该研究不仅实现了一种适用于极端高温环境的单模蓝宝石光纤光栅传感器，更重要的是建立了从正交实验设计、BNN建模、参数敏感性分析、逆向优化到器件实验验证的完整智能制造框架。与传统经验式参数扫描相比，该方法能够定量揭示多维加工参数与器件性能之间的复杂非线性关系，并在保持高温传感性能的同时实现稳定的单模、单峰光谱输出。该研究为航空航天、能源、冶金、核电等极端环境中的高温监测提供了新的技术方案，同时也为具有复杂多维加工参数的其他光子器件实现智能化、可预测和高精度制造提供了新的研究思路。

华中科技大学博士生贺超为论文第一作者，舒学文教授为论文通讯作者，华中科技大学武汉光电国家研究中心为论文第一单位。论文工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及国家留学基金委等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.603291