有效的海洋保护和资源利用本质上依赖于可靠的海洋数据监测。在各种指标中，海水的温度和盐度是基础物理指标，因为它们的动态变化对全球气候变化和海上作业有着深远影响。因此，实现这两个参数的同时高精度测量仍然是一个关键任务[1]、[2]、[3]。广泛使用的电导率、温度和深度（CTD）系统可以同时收集重要的海洋数据。具体来说，它可以捕获现场的温度和深度信息，以及用于后续确定海水盐度的电导率测量[4]、[5]、[6]。该系统已在海洋勘探领域得到广泛应用。然而，由于这种测量系统基于电路电阻随海水参数变化而变化的原理工作，这类电子设备经常受到外部电磁噪声的影响，并且在盐水中容易发生化学腐蚀[7]。相比之下，光纤传感器具有相关优势，如不受电磁干扰和在腐蚀性环境中的耐用性[8]、[9]。此外，由于制造成本低且体积小，这些光学设备可以方便地在整个海洋中构建大规模的空间传感器阵列。因此，光纤传感器的应用前景非常广阔[10]、[11]。
随着双参数光纤传感技术的快速发展，已经提出了许多利用不同光学机制的传感架构来检测温度和盐度。光纤布拉格光栅（FBGs）作为传感器，具有成本效益和良好的稳定性等优点[12]。然而，由于它们对外部折射率（RI）变化的灵敏度不足，不适合直接检测海水盐度。为了解决这个问题，郭等人提出了一种创新方法，将刻蚀包层FBG与常规FBG结合，以实现海水盐度和温度的同时测量。这种传感装置对盐度的响应为0.9039 pm/‰，对温度的响应为10.1562 pm/°C，同时具有可靠的结构稳定性和较低的制造成本[13]。然而，由于刻蚀过程导致的机械强度不足和相对较低的灵敏度仍然是限制FBG传感器在海水测量中应用的关键因素。基于微/纳米光纤的耦合器也因其高灵敏度和低成本而在海水参数检测中得到广泛应用。2020年，曹等人引入了一种新型CTD架构，将光纤环与微光纤耦合器结合使用。他们的实验验证显示，温度的响应为−248.2 pm/°C，盐度的响应为501.4 pm/‰，深度的响应为122.6 pm/MPa[14]。然而，该系统的物理尺寸超过了30 cm，给实际设备封装带来了显著挑战。作为另一类重要的光学仪器，光纤法布里-珀罗干涉仪（FPIs）也被积极用于海洋参数监测。为了解决提高检测灵敏度的需求，赵等人于2022年引入了一种级联FPI架构。通过使用飞秒激光微加工，在空心光纤（HCF）上刻出了一个开放的U形微槽，使周围的海水直接作为法布里-珀罗腔体。这种设计使盐度灵敏度达到了0.244 nm/‰，相比传统的基于FBG的探针有了显著提升[15]。然而，这些基于FPI的设备的广泛应用受到昂贵和复杂制造技术的限制，特别是飞秒激光烧蚀技术。为了减轻性能限制，研究人员将光学维尼尔效应引入光纤FPI中，这种策略可以将测量灵敏度提高一个数量级以上。然而，实施维尼尔效应通常需要引入额外的FP腔体，这可能会进一步复杂化制造过程。因此，开发高灵敏度的FPI通常涉及复杂的制造程序和昂贵的设备。
经过多年的发展，光纤表面等离子体共振（SPR）传感器不仅具有高灵敏度和快速响应，还显著提高了集成度，并具备海洋调查所需的远程遥测能力[16]、[17]。为此，研究人员开发了多种双通道光纤SPR传感器来监测海水温度和盐度[18]、[19]。根据其工作原理，这些传感器主要分为两类：一类使用双SPR通道，另一类与其他传感机制结合[20]、[21]。其中，与马赫-曾德尔干涉（MZI）结合的SPR传感器已成为该领域的研究热点，因为它们的简单结构和高灵敏度为涉及RI和温度的盐度测量提供了新的解决方案。最近，研究人员探索了结合SPR和MZI机制来构建混合探针。例如，赵等人在2023年提出的一种基于HCF的SPR-MZI架构成功在单个光谱窗口内激发了双重共振凹陷，盐度的灵敏度为429.72 pm/‰，温度的灵敏度为−316.72 pm/°C[22]。尽管这种配置体积小巧，但它仍然容易受到外部环境干扰的影响。随后，王等人在2024年使用四芯光纤（FCF）制造了一种夹层结构的混合传感器[23]。尽管该设备表现出良好的稳定性和超过2000 nm/RIU的高折射率响应，但其温度灵敏度仅限于0.0398 nm/°C。此外，由于SPR和MZI信号占据不同的波长带，需要额外的询问设备。总体而言，现有SPR-MZI配置的主要直通几何形状严重限制了它们在现实世界海洋测试中的应用。因此，开发一种结合高灵敏度和成本效益的光纤SPR-MZI混合传感探针变得尤为重要。
因此，为了解决上述交叉敏感性、灵敏度不足和结构复杂性的问题，本文提出了一种新型锥形单光纤传感器，该传感器集成了SPR和MZI机制。通过锥化一段无芯光纤（NCF）并依次沉积银（Ag）和氟化镁（MgF₂）薄膜来激发SPR效应。我们的传感器仅使用单根锥形NCF即可实现双模传感。锥形NCF自然激发MZI干涉效应，而Ag/MgF₂涂层则实现SPR效应。这种集成设计显著提高了机械稳健性和制造重复性。由于宽的SPR包络和密集的MZI干涉条纹在同一波长窗口内物理叠加，传统的峰值跟踪方法不适用。所提出的方法在空间频率域中主动分离这两种信号，使得使用单光路实现盐度和温度的确定性和完全解耦检测成为可能。该设计使用单根光纤在统一的波长范围内实现盐度和温度检测，大大简化了探针结构和相关光学系统。所提出的传感器旨在为便携式和海洋监测应用提供高灵敏度、低串扰的实用解决方案。
