光纖傳感器的今日與發(fā)展

光纖傳感器的今日與發(fā)展

本文報(bào)道了光纖傳感器國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。主要介紹了兩方面的情況：光纖傳感器原理性研究的發(fā)展現(xiàn)狀和光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)的現(xiàn)狀。前者報(bào)道了光纖光柵、分布式光纖傳感技術(shù)以及光纖傳感網(wǎng)的發(fā)展，這些是目前的研究熱點(diǎn)；后者介紹了光層析成像技術(shù)、智能材料、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)工程類傳感器（其中包括電力工業(yè)用高電壓、大電流傳感器，利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器等）。最后介紹了新型光纖材料與器件、氟化物玻璃光纖，碳涂覆光纖、以及正在研究中的蜂窩型波導(dǎo)光纖、液晶光纖等。

一、引言

隨著密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)、摻鉺光纖放大器EDFA技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用OTDR技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖傳感器作為傳感器家族中年輕的一員，以其在抗電磁干擾、輕巧、靈敏度等方面獨(dú)一無二的優(yōu)勢，已迅速成長為年成交額超過10億美金，并預(yù)計(jì)將于2010年擁有超過50億美金市場的產(chǎn)業(yè)。每年由美國光學(xué)工程師學(xué)會(huì)(OSA)主辦的光纖傳感國際會(huì)議（OFS）及時(shí)報(bào)道著光纖傳感領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對光纖傳感及其相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行有益的研討。

當(dāng)前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應(yīng)用開發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感器實(shí)用化的開發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。由于光纖傳感技術(shù)并未如光纖通信技術(shù)那樣迅速地獲得產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，距商業(yè)化有一定的距離，因此光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍處于相當(dāng)重要的位置。由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已相當(dāng)成熟，可靠性和成本已得到公認(rèn)，并已經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用等諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢，F(xiàn)BG和其它的光柵類傳感器就是一個(gè)最好的例證。當(dāng)前的原理性研究熱點(diǎn)集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。

FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過了原理性研究和實(shí)驗(yàn)論證的百家爭鳴階段。目前成熟的FBG制作工藝已可形成小批量生產(chǎn)能力，而研究的焦點(diǎn)也轉(zhuǎn)向解決高精度應(yīng)用，完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，以及降低成本等幾個(gè)方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設(shè)路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點(diǎn)。

對于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要有以下四大類：光（纖）層析成像技術(shù)（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)（IFOG，IMIU ）和常規(guī)工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通信市場需求的帶動(dòng)以及傳感技術(shù)的特殊要求，新型器件和特種光纖的研究成果也層出不窮。

目前，我國的光纖傳感器研究大多數(shù)集中于大專院校和科研單位，仍然未完成由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品化的過渡。其中，比較成熟的技術(shù)包括：清華大學(xué)光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統(tǒng)，已經(jīng)安裝運(yùn)行數(shù)年；北京航空航天大學(xué)與總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，目前指標(biāo)為0.2°/hr ； 中國計(jì)量學(xué)院研制的分布式光纖傳感系統(tǒng)，已有產(chǎn)品報(bào)道；華中理工大學(xué)與廣東某公司聯(lián)合研制的強(qiáng)電壓、大電流傳感系統(tǒng)。此外，在廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門檻，并未象光纖通信產(chǎn)業(yè)那樣成指數(shù)型增長，許多與我們?nèi)粘Ｉ�活密切相關(guān)的傳感器產(chǎn)品（如交通管理、警報(bào)裝置等）和大量的測試儀器依然依賴于進(jìn)口，亟待發(fā)展的空間非常廣闊。

二、光纖傳感器的原理性研究

1、光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵FBG于1978年問世[1]，這種簡單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見的FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實(shí)現(xiàn)對被測量的檢測，光柵布拉格波長(λB)條件可以由式（1）表示：

式中，∧—光柵周期；
n—折射率。

當(dāng)寬譜光源入射到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長lB為中心波長的窄譜分量。在透射譜中，這一部分分量將消失，lB隨應(yīng)力與溫度的漂移為 [2]：

（2）

其中，ε—外加應(yīng)力；
Pi,j—光纖的光彈張量系數(shù)；
ν—泊松比；
α—光纖材料（如石英）的熱膨脹系數(shù)；
△F—溫度變化量。

上式中： 因子典型值為0.22。因此，可以推導(dǎo)出在常溫和常應(yīng)力條件下的FBG應(yīng)力和溫度響應(yīng)條件如式下：

1pm的波長分辨率大致對應(yīng)于1.3mm處0.1℃或1me的溫度和應(yīng)力測量精度。

光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優(yōu)點(diǎn)之外，還擁有自定標(biāo)和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)。圖2是光纖光柵傳感器在一根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量的例子[3]。

光柵傳感器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可對大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測；光柵也可以代替其它類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。

圖3為傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG傳感器測試結(jié)果的比較。美國的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG應(yīng)用系統(tǒng)Si425[9] (見圖4)，可同時(shí)測量多達(dá)4路512個(gè)FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm、測量頻率可達(dá)244Hz。

長周期光柵是指周期大于100mm的光柵，也是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一個(gè)重要分支。由于測量利用包層膜耦合的原理，使其同時(shí)具備靈敏度優(yōu)良和制作簡便的優(yōu)勢。圖5是長周期光柵的透射譜。光纖光柵的其它分支還包括啁啾光柵、斜光柵等[2]，它們也已付諸應(yīng)用研究[6]。

2、分布式光纖傳感系統(tǒng)

在世界范圍內(nèi)，由于對工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對集成的安全檢測系統(tǒng)的需求逐步攀升。具備可連續(xù)、無間斷、長距離測量并與被測量介質(zhì)有極強(qiáng)的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布里淵型和FBG型。

拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見諸于報(bào)道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統(tǒng)最為成熟，已成功地裝載于A340運(yùn)輸機(jī)上（圖7）。

FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分布式測量中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，并可同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的雙參量測量[5]，為FBG應(yīng)用開辟了更為廣闊的前景。圖8介紹了采用WDM/TDM解調(diào)的FBG陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。

三、光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)

光纖傳感器的應(yīng)用開發(fā)根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域和技術(shù)類型可大致分為四個(gè)大的方向：光（纖）層析成像分析技術(shù)OCT、光纖智能材料（SMART MATERIAL）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、以及常規(guī)工業(yè)工程傳感器。2002年是光纖陀螺（I-FOG）誕生的25周年，在第15屆OFS年會(huì)上，特別為光纖陀螺開辟了專題會(huì)場。

1、光層析成像技術(shù)

光纖層析成像分析技術(shù)從興起到應(yīng)用不過只有二、三十年的時(shí)間，根據(jù)不同的原理和應(yīng)用場合，可將光纖層析技術(shù)分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(shù)(OPT)。

光層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析（CT），其基本原理如圖9所示。當(dāng)X射線或光線傳輸經(jīng)過被測樣品時(shí)，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經(jīng)過樣品的射線或光線進(jìn)行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行解算就可以得到所需要的樣品參數(shù)。

光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測原理，基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖11為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測量（~1mm）的優(yōu)勢，已有實(shí)例應(yīng)用于對生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測中。

而OPT則面向工業(yè)工程－油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關(guān)鍵。圖12簡單描繪了傳統(tǒng)OPT的測量原理，由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測量網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)長處，為工業(yè)過程的安全測量提供了一種優(yōu)良的手段。

2、智能材料

智能材料的提出和研究已有相當(dāng)長的一段時(shí)間，為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一，尤其是實(shí)現(xiàn)與紡織材料的自動(dòng)化編織。美國南卡羅來那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費(fèi)城紡織學(xué)院都在此方面進(jìn)行了大量工作。筆者曾參與由美國軍方資助的預(yù)研項(xiàng)目智能型士兵（SMART SOLDIER）和智能型降落傘（SMART PARACHUTE）的研究。圖13展示了一件嵌入光纖和電導(dǎo)線的背心[7]。其中光纖和電導(dǎo)線的嵌入均已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，為智能型服裝的商業(yè)化解決了又一難題。

智能材料作為橋梁、大壩等混凝土大型建筑的監(jiān)測系統(tǒng)已在國外多處工程中通過安裝測試并付諸應(yīng)用。此外，智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應(yīng)力、溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行惡劣環(huán)境條件－高溫、變形的多參量監(jiān)測取得了明顯的效果。圖14勾勒出分布式傳感器在航天領(lǐng)域多參量監(jiān)測中的應(yīng)用方案。

3、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

光纖陀螺（I-FOG）及慣導(dǎo)系統(tǒng)歷經(jīng)25年的發(fā)展，目前已進(jìn)入實(shí)用階段。

從1976年Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證I-FOG原理之后[2]的五年間，世界范圍內(nèi)的主要工作集中于基本結(jié)構(gòu)的研究、結(jié)構(gòu)小型化、開環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[10]。

從1980到1990年的十年中，對系統(tǒng)誤差因子和光纖器件的研究取得了顯著的進(jìn)展，新型的SLD光源、保偏光纖及耦合器的采用，以及特殊的繞制技術(shù)為陀螺的實(shí)用化鋪平了道路。上世紀(jì)90年代，中級的I-FOG由于采用了消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成本降低、體積減小和性能提高目的，并率先在航天及軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，美國Honeywell公司為美國軍方制造的用于直升機(jī)的三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)直徑僅為86mm。國際上有些高性能光纖陀螺的漂移指標(biāo)已達(dá)到0.001°/hr，許多產(chǎn)品已經(jīng)投入民用飛機(jī)和汽車工業(yè)。未來光纖陀螺在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還有更廣闊的天地。

圖16是日本Mitsubishi Precision公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的慣導(dǎo)系統(tǒng)。

4、工業(yè)工程類傳感器

傳統(tǒng)的工業(yè)工程類傳感器包括應(yīng)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進(jìn)行測量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。圖17為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。

利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測中。圖18中為法國Alstom 公司的鐵路部 Transport S.A.領(lǐng)導(dǎo)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架[10] 。

在許多特殊場合－核工業(yè)、化工和石油鉆探中都應(yīng)用了監(jiān)測傳感系統(tǒng)。圖19是安裝了嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子。光纖傳感器系統(tǒng)正日益走向成熟，并逐步融入日常的生產(chǎn)和生活之中。更多的應(yīng)用和研究成果可參考OFS年會(huì)論文集[10]，以及SPIE的相關(guān)專題會(huì)議論文。

光纖通信的迅猛發(fā)展帶動(dòng)新型光纖器件和材料的不斷涌現(xiàn)，為光纖傳感系統(tǒng)的開發(fā)提供了必要的基礎(chǔ)。新型材料光纖和新型結(jié)構(gòu)光纖前景看好。

以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8μm～1.6μm的近紅外波段，目前所能達(dá)到的最低理論損耗在1550nm波長處為0.16dB／km，已接近石英光纖理論上的最低損耗極限，成為滿足超寬帶寬、超低損耗、高碼速通信需要新型基體材料的光纖。

氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗遠(yuǎn)紅外光纖，其最低損耗在2.5μm附近為1×10-3dB／km，無中繼距離可達(dá)到1×105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域（1.2μm ~12μm），有利于多信道復(fù)用，其溫度對損耗的影響較小，其損耗水平在6μm波長處為0.2dB／km，是非常有前途的光纖。而且，硫化物玻璃光纖具有很大的非線性系數(shù)，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關(guān)的速率，使開關(guān)速率達(dá)到數(shù)百Gb／s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制造成性能優(yōu)良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖，將具有重要意義。

特殊的應(yīng)用環(huán)境對光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層材料具有很好的耐熱性，耐熱溫度達(dá)到400℃～500℃，所以光纖的使用溫度取決于光纖的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合物（LSP）涂層的熱固化溫度達(dá)400℃以上，600℃時(shí)的光傳輸性能和機(jī)械性能仍然很好。采用冷的有機(jī)體在熱的光纖表面進(jìn)行非均勻成核熱化學(xué)反應(yīng)（HNTD），然后在光纖表面進(jìn)行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纖。碳涂覆光纖的表面致密性好，具有極低的擴(kuò)散系數(shù)，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問題。

另一方面，光纖的結(jié)構(gòu)決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統(tǒng)能夠在盡可能寬的可用波段上進(jìn)行波分復(fù)用，各個(gè)公司都致力于消除OH-吸收峰，已開發(fā)出的“無水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm～1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國Lucent公司開發(fā)出的All Wave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現(xiàn)了1280nm～1625nm范圍內(nèi)完整波段的利用。為了適應(yīng)相干通信系統(tǒng)的要求，已經(jīng)研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結(jié)”型和“扁平”型的高雙折射保偏光纖，另外具有“邊坑”型的單模單偏振保偏光纖，以及正在研究中的蜂窩型波導(dǎo)光纖[9]、液晶光纖（見圖20）等等，這些都將為光纖傳感器的發(fā)展提供更加廣泛的選擇。

五、結(jié)束語

隨著光電子技術(shù)近年來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過二十余年的發(fā)展也已獲得長足的進(jìn)步，其主要體現(xiàn)在：

1、進(jìn)入實(shí)用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個(gè)新的分支

不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流電壓傳感器等；出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式光纖測溫系統(tǒng)，以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu)；改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如以光纖構(gòu)成的新型光譜儀；利用電/光轉(zhuǎn)換和光/電轉(zhuǎn)換技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統(tǒng)的電子式測量儀表改造成安全可靠的先進(jìn)光纖式儀表等等。

2、新的傳感原理不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

例如，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；波長調(diào)制型光纖光柵多參量測試系統(tǒng)的出現(xiàn)，促進(jìn)了多參量傳感系統(tǒng)的發(fā)展；光子晶體光纖（多孔光纖Photonic Crystal fiber）用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等等。

雖然如此，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，還有許多有待研究的課題：

①傳感器的實(shí)用化研究。提高傳感系統(tǒng)，尤其是傳感器的性價(jià)比；
②傳感器的應(yīng)用研究。在現(xiàn)有的科研成果基礎(chǔ)上，大力開展應(yīng)用研究和應(yīng)用成果宣傳；
③新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器；
④傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。