光纖傳感器的今日與發展

一、引言

　　隨著密集波分復用DWDM技術、摻鉺光纖放大器EDFA技術和光時分復用OTDR技術的發展和成熟，光纖通信技術正向著超高速、大容量通信系統的方向發展，并且逐步向全光網絡演進。在光通信迅猛發展的帶動下，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二的優勢，已迅速成長為年成交額超過10億美金，并預計將于2010年擁有超過50億美金市場的產業。每年由美國光學工程師學會(OSA)主辦的光纖傳感國際會議（OFS）及時報道著光纖傳感領域的最新進展，并對光纖傳感及其相應技術進行有益的研討。

　　當前，世界上光纖傳感領域的發展可分為兩大方向：原理性研究與應用開發。隨著光纖技術的日趨成熟，對光纖傳感器實用化的開發成為整個領域發展的熱點和關鍵。由于光纖傳感技術并未如光纖通信技術那樣迅速地獲得產業化，許多關鍵技術仍然停留在實驗室樣機階段，距商業化有一定的距離，因此光纖傳感技術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發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、易復用等諸多優勢，其市場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勢，FBG和其它的光柵類傳感器就是一個最好的例證。當前的原理性研究熱點集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統兩大板塊。

　　FBG型光纖傳感器自發明之日起，已走過了原理性研究和實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能力，而研究的焦點也轉向解決高精度應用，完善解調和復用技術，以及降低成本等幾個方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質合而為一的特性，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的優點。

　　對于光纖傳感技術的應用研究主要有以下四大類：光（纖）層析成像技術（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纖陀螺與慣導系統（IFOG，IMIU ）和常規工業工程傳感器。另外，由于光纖通信市場需求的帶動以及傳感技術的特殊要求，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院校和科研單位，仍然未完成由實驗室向產品化的過渡。其中，比較成熟的技術包括：清華大學光纖傳感中心與總后合作研制開發的光纖油罐液位與溫度測量系統，已經安裝運行數年；北京航空航天大學與總裝合作研制的光纖陀螺系統，目前指標為0.2°/hr ； 中國計量學院研制的分布式光纖傳感系統，已有產品報道；華中理工大學與廣東某公司聯合研制的強電壓、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源器件生產廠家。由于光纖傳感器未能跨越產品化的門檻，并未象光纖通信產業那樣成指數型增長，許多與我們日常生活密切相關的傳感器產品（如交通管理、警報裝置等）和大量的測試儀器依然依賴于進口，亟待發展的空間非常廣闊。

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，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現對被測量的檢測，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隨應力與溫度的漂移為 [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優點之外，還擁有自定標和易于在同一根光纖內集成多個傳感器復用的特點。圖2是光纖光柵傳感器在一根光纖內實現多點測量的例子[3]。 　　光柵傳感器可拓展的應用領域有許多，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、溫度和振動等參數進行實時安全監測；光柵也可以代替其它類型結構的光纖傳感器，用于化學、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] (見圖4)，可同時測量多達4路512個FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm、測量頻率可達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重要分支。由于測量利用包層膜耦合的原理，使其同時具備靈敏度優良和制作簡便的優勢。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、無間斷、長距離測量并與被測量介質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，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統的應用都已見諸于報道。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A340運輸機上（圖7）。 　　FBG型分布式傳感系統在應力多點分布式測量中有獨到的優點，并可同時完成溫度和應力的雙參量測量[5]，為FBG應用開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、光纖傳感器產品的應用與開發

　　光纖傳感器的應用開發根據當前的應用熱點領域和技術類型可大致分為四個大的方向：光（纖）層析成像分析技術OCT、光纖智能材料（SMART MATERIAL）、光纖陀螺與慣導系統、以及常規工業工程傳感器。2002年是光纖陀螺（I-FOG）誕生的25周年，在第15屆OFS年會上，特別為光纖陀螺開辟了專題會場。

1、光層析成像技術

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

　　光層析成像技術源于X射線層析成像分析（CT），其基本原理如圖9所示。當X射線或光線傳輸經過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經過樣品的射線或光線進行測量、分析，并根據預定的拓撲結構和設計進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（OCT）主要應用于生物、醫學、化學分析等領域，如視網膜掃描、胃腸內視和用于實現彩色多普勒(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發出相應的產品。圖11為視網膜的CT掃描圖像。德國的科學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可以實現深度測量（~1mm）的優勢，已有實例應用于對生長中的細胞進行觀察和監測中。 　　而OPT則面向工業工程－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所關心的是光線路徑上的積分過程，因此相關的系統集成設計、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關鍵。圖12簡單描繪了傳統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絡的多項長處，為工業過程的安全測量提供了一種優良的手段。 2、智能材料

　　智能材料的提出和研究已有相當長的一段時間，為業內人士所熟悉。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實現對其安全運轉、故障等的實時監控。其中，光纖和電導線與多種材料的有效結合是關鍵問題之一，尤其是實現與紡織材料的自動化編織。美國南卡羅來那州立大學、佛吉尼亞理工大學和費城紡織學院都在此方面進行了大量工作。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的背心[7]。其中光纖和電導線的嵌入均已實現了自動化，為智能型服裝的商業化解決了又一難題。 　　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安裝測試并付諸應用。此外，智能材料在航空航天領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、溫度測量系統進行惡劣環境條件－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25年的發展，目前已進入實用階段。

　　從1976年Vali和Shorthill首次提出并實驗驗證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、開環和閉環結構的討論等。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的進展，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為陀螺的實用化鋪平了道路。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，實現了成本降低、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，許多產品已經投入民用飛機和汽車工業。未來光纖陀螺在工業領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、工業工程類傳感器

　　傳統的工業工程類傳感器包括應用光纖的電光和磁光效應進行測量的電力工業用大電壓、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] 。 　　在許多特殊場合－核工業、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和生活之中。更多的應用和研究成果可參考OFS年會論文集[10]，以及SPIE的相關專題會議論文。 　　光纖通信的迅猛發展帶動新型光纖器件和材料的不斷涌現，為光纖傳感系統的開發提供了必要的基礎。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，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關的速率，使開關速率達到數百Gb／s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優良的化學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點結合起來，制造成性能優良的鹵-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行非均勻成核熱化學反應（HNTD），然后在光纖表面進行裂解生成碳黑，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生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統的迅速發展，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行波分復用，各個公司都致力于消除OH-吸收峰，已開發出的“無水峰光纖”，可實現1350nm～1450nm第五窗口的實際應用。美國Lucent公司開發出的All Wave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實現了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（見圖20）等等，這些都將為光纖傳感器的發展提供更加廣泛的選擇。 五、結束語

　　隨著光電子技術近年來突飛猛進的發展，光纖傳感技術經過二十余年的發展也已獲得長足的進步，其主要體現在：

1、進入實用化階段，逐步形成傳感領域的一個新的分支

　　不少光纖傳感器以其特有的優點，替代或更新了傳統的測試系統，如光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流電壓傳感器等；出現一些應用光纖傳感技術的新型測試系統，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/電轉換技術以及光纖傳輸技術，把傳統的電子式測量儀表改造成安全可靠的先進光纖式儀表等等。

2、新的傳感原理不斷出現，促進了科學技術的發展

　　例如，光纖傳感網絡的出現，促進了智能材料和智能結構的發展；波長調制型光纖光柵多參量測試系統的出現，促進了多參量傳感系統的發展；光子晶體光纖（多孔光纖Photonic Crystal fiber）用于傳感的可能性促進了光子晶體的發展等等。

　　雖然如此，光纖傳感技術的現狀仍然遠遠不能滿足實際需要，還有許多有待研究的課題：

①傳感器的實用化研究。提高傳感系統，尤其是傳感器的性價比；
②傳感器的應用研究。在現有的科研成果基礎上，大力開展應用研究和應用成果宣傳；
③新傳感機理的研究，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。

　　這一切都需要科研人員不斷的努力。