光纖傳感器的今日與發(fā)展

本文報道了光纖傳感器國內外發(fā)展的現狀。主要介紹了兩方面的情況：光纖傳感器原理性研究的發(fā)展現狀和光纖傳感器產(chǎn)品的應用與開(kāi)發(fā)的現狀。前者報道了光纖光柵、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、光纖陀螺及慣性導航系統、工業(yè)工程類(lèi)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和FBG器件的應力傳感器等）。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光纖、液晶光纖等。

一、引言

隨著(zhù)密集波分復用DWDM技術(shù)、摻鉺光纖放大器EDFA技術(shù)和光時(shí)分復用OTDR技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著(zhù)超高速、大容量通信系統的方向發(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、靈敏度等方面獨一無(wú)二的優(yōu)勢，已迅速成長(cháng)為年成交額超過(guò)10億美金，并預計將于2010年擁有超過(guò)50億美金市場(chǎng)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)報道著(zhù)光纖傳感領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對光纖傳感及其相應技術(shù)進(jìn)行有益的研討。

當前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應用開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感器實(shí)用化的開(kāi)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)驗室樣機階段，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重要的位置。由于很多光纖傳感器的開(kāi)發(fā)是以取代當前已相當成熟，可靠性和成本已得到公認，并已經(jīng)被廣泛采用的傳統機電傳感系統為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復用等諸多優(yōu)勢，其市場(chǎng)滲透所面臨的困難和挑戰是可想而知的。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，FBG和其它的光柵類(lèi)傳感器就是一個(gè)最好的例證。當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兩大板塊。

FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過(guò)了原理性研究和實(shí)驗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)也轉向解決高精度應用，完善解調和復用技術(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(lái)的優(yōu)點(diǎn)。

對于光纖傳感技術(shù)的應用研究主要有以下四大類(lèi)：光（纖）層析成像技術(shù)（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纖陀螺與慣導系統（IFOG，IMIU ）和常規工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通信市場(chǎng)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集中于大專(zhuān)院校和科研單位，仍然未完成由實(shí)驗室向產(chǎn)品化的過(guò)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(kāi)發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統，已經(jīng)安裝運行數年；北京航空航天大學(xué)與總裝合作研制的光纖陀螺系統，目前指標為0.2°/hr ； 中國計量學(xué)院研制的分布式光纖傳感系統，已有產(chǎn)品報道；華中理工大學(xué)與廣東某公司聯(lián)合研制的強電壓、大電流傳感系統。此外，在廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無(wú)源器件生產(chǎn)廠(chǎng)家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門(mén)檻，并未象光纖通信產(chǎn)業(yè)那樣成指數型增長(cháng)，許多與我們日常生活密切相關(guān)的傳感器產(chǎn)品（如交通管理、警報裝置等）和大量的測試儀器依然依賴(lài)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(wèn)世[1]，這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫(xiě)入光纖芯內，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見(jiàn)的FBG傳感器通過(guò)測量布拉格波長(cháng)的漂移實(shí)現對被測量的檢測，光柵布拉格波長(cháng)(λB)條件可以由式（1）表示：

式中，∧—光柵周期；
n—折射率。

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

（2）

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

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

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

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

光柵傳感器可拓展的應用領(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，可對大型構件的載荷、應力、溫度和振動(dòng)等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監測；光柵也可以代替其它類(lèi)型結構的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。

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

長(cháng)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(jiǎn)便的優(yōu)勢。圖5是長(cháng)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]，它們也已付諸應用研究[6]。

2、分布式光纖傳感系統

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

拉曼型分布式光纖傳感系統是基于光纖拉曼散射效應的連續型傳感器，其工作原理見(jiàn)圖6。三種類(lèi)型的傳感系統的應用都已見(jiàn)諸于報道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統最為成熟，已成功地裝載于A(yíng)340運輸機上（圖7）。

FBG型分布式傳感系統在應力多點(diǎn)分布式測量中有獨到的優(yōu)點(diǎn)，并可同時(shí)完成溫度和應力的雙參量測量[5]，為FBG應用開(kāi)辟了更為廣闊的前景。圖8介紹了采用WDM/TDM解調的FBG陣列的拓撲結構[4]。

三、光纖傳感器產(chǎn)品的應用與開(kāi)發(fā)

光纖傳感器的應用開(kāi)發(fā)根據當前的應用熱點(diǎn)領(lǐng)域和技術(shù)類(lèi)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）、光纖陀螺與慣導系統、以及常規工業(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(kāi)辟了專(zhuān)題會(huì )場(chǎng)。

1、光層析成像技術(shù)

光纖層析成像分析技術(shù)從興起到應用不過(guò)只有二、三十年的時(shí)間，根據不同的原理和應用場(chǎng)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(guò)程層析成像分析技術(shù)(OPT)。

光層析成像技術(shù)源于X射線(xiàn)層析成像分析（CT），其基本原理如圖9所示。當X射線(xiàn)或光線(xiàn)傳輸經(jīng)過(guò)被測樣品時(shí)，不同的樣品材料對射線(xiàn)的吸收特性有不同，因此對經(jīng)過(guò)樣品的射線(xiàn)或光線(xiàn)進(jìn)行測量、分析，并根據預定的拓撲結構和設計進(jìn)行解算就可以得到所需要的樣品參數。

光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應用于生物、醫學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內視和用于實(shí)現彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測原理，基本系統結構如圖10所示。

OCT為生物細胞和機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(kāi)發(fā)出相應的產(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設備。此外，利用OCT可以實(shí)現深度測量（~1mm）的優(yōu)勢，已有實(shí)例應用于對生長(cháng)中的細胞進(jìn)行觀(guān)察和監測中。

而OPT則面向工業(yè)工程－油井、管線(xiàn)等場(chǎng)所，高精度地解決流體的過(guò)程測量問(wèn)題。由于OPT所關(guān)心的是光線(xiàn)路徑上的積分過(guò)程，因此相關(guān)的系統集成設計、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(jiǎn)單描繪了傳統OPT的測量原理，由于OPT具有適用于狹小的或不規則的空間、安全性高、測量區域不受電磁干擾以及可組成測量網(wǎng)絡(luò )的多項長(cháng)處，為工業(yè)過(guò)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長(cháng)的一段時(shí)間，為業(yè)內人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時(shí)實(shí)現對其安全運轉、故障等的實(shí)時(shí)監控。其中，光纖和電導線(xiàn)與多種材料的有效結合是關(guān)鍵問(wèn)題之一，尤其是實(shí)現與紡織材料的自動(dòng)化編織。美國南卡羅來(lái)那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費城紡織學(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研項目智能型士兵（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線(xiàn)的背心[7]。其中光纖和電導線(xiàn)的嵌入均已實(shí)現了自動(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測系統已在國外多處工程中通過(guò)安裝測試并付諸應用。此外，智能材料在航空航天領(lǐng)域的應用也日趨廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應力、溫度測量系統進(jìn)行惡劣環(huán)境條件－高溫、變形的多參量監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)域多參量監測中的應用方案。

3、光纖陀螺及慣性導航系統

光纖陀螺（I-FOG）及慣導系統歷經(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)驗驗證I-FOG原理之后[2]的五年間，世界范圍內的主要工作集中于基本結構的研究、結構小型化、開(kāi)環(huán)和閉環(huán)結構的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的標準結構[10]。

從1980到1990年的十年中，對系統誤差因子和光纖器件的研究取得了顯著(zhù)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90年代，中級的I-FOG由于采用了消偏結構、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，實(shí)現了成本降低、體積減小和性能提高目的，并率先在航天及軍事領(lǐng)域獲得應用。例如，美國Honeywell公司為美國軍方制造的用于直升機的三軸慣導系統直徑僅為86mm。國際上有些高性能光纖陀螺的漂移指標已達到0.001°/hr，許多產(chǎn)品已經(jīng)投入民用飛機和汽車(chē)工業(yè)。未來(lái)光纖陀螺在工業(yè)領(lǐng)域應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火箭系統設計制造的慣導系統。

4、工業(yè)工程類(lèi)傳感器

傳統的工業(yè)工程類(lèi)傳感器包括應用光纖的電光和磁光效應進(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和FBG器件的應力傳感器已被廣泛應用于應力監測中。圖18中為法國Alstom 公司的鐵路部 Transport S.A.領(lǐng)導研制的一種安裝了FBG的智能型新型復合材料的轉向架[10] 。

在許多特殊場(chǎng)合－核工業(yè)、化工和石油鉆探中都應用了監測傳感系統。圖19是安裝了嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機定子。光纖傳感器系統正日益走向成熟，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(zhuān)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，為光纖傳感系統的開(kāi)發(fā)提供了必要的基礎。新型材料光纖和新型結構光纖前景看好。

以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8μm～1.6μm的近紅外波段，目前所能達到的最低理論損耗在1550nm波長(cháng)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(mǎn)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前研究最多的超低損耗遠紅外光纖，其最低損耗在2.5μm附近為1×10-3dB／km，無(wú)中繼距離可達到1×105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區域（1.2μm ~12μm），有利于多信道復用，其溫度對損耗的影響較小，其損耗水平在6μm波長(cháng)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(xiàn)性系數，用它制作的非線(xiàn)性器件，可以有效地提高光開(kāi)關(guān)的速率，使開(kāi)關(guān)速率達到數百Gb／s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩定性和機械物理性能，若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，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400℃以上，600℃時(shí)的光傳輸性能和機械性能仍然很好。采用冷的有機體在熱的光纖表面進(jìn)行非均勻成核熱化學(xué)反應（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，具有極低的擴散系數，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問(wèn)題。

另一方面，光纖的結構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(zhù)光纖通信系統的迅速發(fā)展，出現了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統能夠在盡可能寬的可用波段上進(jìn)行波分復用，各個(gè)公司都致力于消除OH-吸收峰，已開(kāi)發(fā)出的“無(wú)水峰光纖”，可實(shí)現1350nm～1450nm第五窗口的實(shí)際應用。美國Lucent公司開(kāi)發(fā)出的All Wave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現了1280nm～1625nm范圍內完整波段的利用。為了適應相干通信系統的要求，已經(jīng)研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結”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光纖[9]、液晶光纖（見(jiàn)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、結束語(yǔ)

隨著(zhù)光電子技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展也已獲得長(cháng)足的進(jìn)步，其主要體現在：

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)，替代或更新了傳統的測試系統，如光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器、光纖電流電壓傳感器等；出現一些應用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統，如分布式光纖測溫系統，以光纖光柵為主的光纖智能結構；改造了傳統的測試系統，如以光纖構成的新型光譜儀；利用電/光轉換和光/電轉換技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統的電子式測量?jì)x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，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，促進(jìn)了智能材料和智能結構的發(fā)展；波長(cháng)調制型光纖光柵多參量測試系統的出現，促進(jìn)了多參量傳感系統的發(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)的現狀仍然遠遠不能滿(mǎn)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，尤其是傳感器的性?xún)r(jià)比；
②傳感器的應用研究。在現有的科研成果基礎上，大力開(kāi)展應用研究和應用成果宣傳；
③新傳感機理的研究，開(kāi)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。