光纤传感技术评论

2019-11-03 18:21:00

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

李川

昆明理工大学信息工程和自动化学院

　　摘要：本文以时间、技术和应用为三个观察坐标对光纤传感器进行了全面地述评。在时间轴上，给出了激光和光纤组成光纤传感器的两大技术的溯源，以及光纤传感器的技术溯源和展望。在技术轴上，介绍了由传感光纤、光纤器件、光源和探测器组成的光纤传感器件，光纤调制技术和光纤传感技术。在应用轴上，给出了光纤传感器的产业背景和现状。

　　关键词：光纤、光纤传感器、光纤器件、光源、探测器、调制、检测量。

　　1. 背景和评论

　　信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素。然而直到20世纪初，人们才认识到信息是资源，正确地利用它可以极大地提高劳动生产率。信息技术的几个主要方面（获取、传输、存储、显示、处理）在20世纪下半叶获得了巨大的发展，计算机、网络和通信结合以后，信息技术将成为社会运作的核心，因此，很多国家，特别是发达国家，都在制定信息高速公路的发展计划。21世纪将全面进入信息时代，信息资源的争夺将更加激烈，全球信息量以拍字节（PB，即1015PB）计算，因此，信息处理、传输和存储达太位（Tb，即1012bits）的超高容量信息和每秒太位（Tb/s）的超高速信息流以及高频（THz）响应，即进入了太位信息时代——3T时代[1]。

　　20世纪以来，信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展的，但由于电子本身的物理极限[1]，电子信息技术的载体量级为吉位（Gb，即109bits）。由于光子的速度比电子的速度快得多，光子的频率比无线电（如微波）的频率高得多，所以，为提高传输速度和载波密度，信息的载体必然由电子发展到光子[2, 3]。比如，美国把光子技术列为国家关键技术，并认为“光子学在国家安全与经济竞争力方面有着深远的意义和潜力”，“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域。我国国家高技术（863）光电子专家委员会于1989年提出的重大课题就是光计算（Optical Computer）和光通信（Optical Communication）。

　　然而，当集成电路、计算机技术飞速发展时，信息摄取装置——传感器和传感技术却成了限制信息技术的瓶颈[4, 5]。因此，80年代以来，传感器和传感技术成为了国际研究的热点之一，比如：（1）美国国防部将传感器技术视为20项关键技术之一；（2）日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6大核心枝术之一；（3）德国视军用传感器为优先发展技术；（4）英、法等国对传感器的开发投资逐年升级；（5）原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。

　　传感器技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是：（1）微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力。（2）广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，2000年，世界传感器市场总额达700亿美元。光通信是本世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，它以光子为信息载体，为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。因此，光通信的成功，促进了光传感的兴起与发展。“光子学与光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五”优先资助领域的基础上安排的软课题，1997年的形成的报告就指出：在下个世纪的光子产业上，光纤传感将与光纤通信平分市场，并逐步超过后者。

　　2. 技术溯源

　　光通信是以光子作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。正是光纤和激光器这两个科研成果的同时问世，拉开了光纤通信的序幕[6~9]，而光通信的发展又为光传感奠定了技术平台。

2.1 激光进展

　　1905年，A. Einstein提出光量子（light quantum）的概念；1916年，又提出了光子受激吸收和发射的观点——未来激光领域的开山之斧；1921年，Einstein因“发现光电效应的定律”而获Nobel物理学奖[10]。

　　1960年7月，T. H. Mainman发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。

　　美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。

　　为了避免大气气候对光通信的影响，又在管子内进行光传输；为了避免光线发散和诱导光转折，在一定距离的管子内放置聚焦透镜，即透镜广波导。

　　1964年，Townes、Basov和PRokhorov因在激光诞生过程中的重大理论贡献而获Nobel奖[10]。

　　1970年，美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的GaAlAs双异质结注入式激光器。

　　19世纪80年代，适用于长波长的激光器、发光管和光检测器相继开发成功。

2.2 光纤进展

　　1966年，美籍华人高琨（IEE奖，1998年）和George. A. Hockham根据介质波导理论共同提出光纤通信的概念。

　　1970年，美国康宁公司的Mauer等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其在波长为630 nm处的率减系数小于20 dB/km。

　　1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高，进而将梯度折射率多模光纤的率减系数降至4 dB/km。

　　1976年，在进一步设法降低玻璃中的OH含量时发现光纤的率减在长波长区有1.31 mm和1.55 mm两个窗口。

　　19世纪80年代，原料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，单模光纤研制成功，从而加快了光纤的传输窗口由0.85 mm移至1.31 mm和1.55 mm的进程。特别是制出了低率减光纤，其在1550nm附近的损耗降低到0.20 dB/km已接近理论值。

　　应运而生的光纤成缆、光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术的日渐成熟，为光纤作为新的通信传输媒介质奠定了良好的基础，从而引发了光纤通信领域的革命。

　　20世纪90年代掺铒光纤放大器与光纤光栅的相继研制成功，进一步推动了光纤通信的迅速发展。

　　目前，随着通信容量的提高，又迫使人们越来越多地面对光纤非线性效应的种种问题，光纤光子学作为一门新的学科分支已经趋于成熟[11, 12]。

2.3 光纤传感器进展

　　19世纪60年代，激光使得利用光的各种属性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收、发光等）的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得了飞速的发展[13]。

　　19世纪70年代，由于光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身就可用来进行信息传递，无需任何中间媒体就能把持测量值与光纤内的光特性变化联系起来。因此，19世纪80年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。但，当时光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性[14~19]。因此，光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题[20~25]。

　　19世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在国际上形成了五大应用领域[17, 26]：（1）医学和生物；（2）电力工业；（3）化学和环境；（4）军事；和（5）智能结构。

3. 光纤传感器件

　　光纤传感器的开发研究和设计应用是一个光纤传感系统问题，光纤传感器件包括传感光纤、光纤器件、光源和探测器。

3.1 传感光纤

　　在远程传输领域，光纤已发展到了一个相当完善的阶段。尽管目前绝大多数的实验和商业化的传感型光纤传感器都采用了这种远程通信光纤，但由于该种光纤对环境十分敏感，使得人们在设计时不得不进行折衷考虑，从而使传感器的性能受到限制，有时甚至会出现难以预料的结果。为此，设计出了传感器用特殊光纤，如表1所示[6, 7, 13, 14, 27, 28]。

　　在光纤传感器中，光纤是主要元件，其作用是“传”或“感”，或者既“传”又“感”，其形式是导线式或芯片式。所谓导线式，通常采用拉制的方法，将光纤预制棒或放入坩埚中的芯皮玻璃料，在拉丝机上拉制成一定长度的光纤。所谓芯片式，通常采用沉积、溅射、离子交换等方法，或者将多根光纤熔压成一体为芯片。

3.2 光纤器件

　　单模光纤器件虽然只有二十来年的历史，但由于远距离通信的需求和光纤传感技术的出现，已经得到了飞速的发展。相当多的光纤功能器件得到了深入的研究[6, 7, 13, 14, 27~31]，如表2所示。这些光纤器件构成了现今各种传感研究的基础。

3.3 光源

　　由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源[6, 14, 32, 33]的体积小，便于和光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以减少在光纤中传输的能量耗损；光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有一定要求；此外，还要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期工作；噪声小和使用方便等，如表3所示。

3.4 光探测器

　　探测器实质上是一个能量探测器。按作用原理，光探测器可分为吸收光子使器件升温而探知入射光能的热电器件和将入射光转化为电流或电压的光电器件两大类。

　　光热器件对入射波长无选择性，能在很宽的波长范围内对光波作均匀的响应。在光纤传感器中，由于要求对所采用的检测器具有波长选择性，因此系统的检测都采用光电器件。光探测器是光探测接收系统的基础，其灵敏度、宽带等特性参数直接影响光纤传感器的总体性能[6, 14, 32, 33]，如表4所示。

4．光调制技术

　　在光纤传感器中，光电探测器只能探测光的强度。因此，光的其他性能改变必须经过变换，以产生可探测形式的调制。按照调制方式分类，光调制可分为[13, 26, 32, 34]：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制、时分调制、光栅调制和非线性光纤光学调制等，如表5所示。

5．光纤传感技术

　　传感技术依赖于载波信号（输入）到调制载波（输出）的转换，其中调制载波携带了激励的被测量信息。每个传感进程中都有以下三个特征[18, 35]：

（1）光调制过程都可以归结为是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一任务的器件叫做调制器；

（2）调制器能使载波光波参数随外加信号变化而改变，这些参数包括光波的强度、相位、偏振、频率、波长、时分和非线性光纤光学性能等；

（3）这种承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器解调，然后检测出所需要的信息。

按照Middlehock的观点[18, 35]，输入、输出和被测量均可分为六个信号域：

（1）电磁信号，覆盖了整个电磁谱。

（2）机械信号，例如：力、位置、物理尺度、速度、声波和超声波。

（3）热信号，例如：温度。

（4）电信号，例如：电压、电流和电场。

（5）磁场信号，例如：磁场。

（6）生化信号，例如：生化指标。

　　这样，输入、输出和被测量就组成了Middlehock的传感器立方[18, 35]，光纤传感器就是被测量（包括六个信号域）对光纤中输入和输出的光波（属于电磁信号中的近红外波段）进行调制。目前，典型的光纤传感器如表6所示[13, 14~18, 26~28, 32~34]。

6．现状与展望

　　传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。

　　但是，我国目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求。而与此同时，世界光纤产能过剩已成定局，并将持续一段时间。可以预见，世界光纤业的竞争将加剧。在情况好转之前，最坏的结果如何已成为光纤业界都在思考的一个问题。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，包括：

（1）在光纤通信中可调谐滤波器的基础上，研制出可调制通用的传感元件（如：光纤光栅、光纤干涉仪等）为基础的光纤传感技术，研制响应各种参量的传感器；

（2）光复用技术在光纤传感领域的应用研究；

（3）全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发；

（4）开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如：（1）医学和生物；（2）电力工业；（3）化学和环境；（4）军事；和（5）智能结构。

　　国家2010年远景规划和十五计划己将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的，其中光纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战，在不久的将来，我国光纤传感器领域将呈现前所未有的灿烂和辉煌。

参考文献

[1] D. Stanzione, 硅技术的极限，纪念晶体管发明五十周年报告会文集，1997，1。

[2] 王占国，硅微电子技术“极限”对策，中国科学院第九次院士大会学术报告汇编，1998，9~23。

[3] 干福熹，光子学的发展对当代信息技术的影响，中国科学院院刊，1998（4）：268~271。

[4] 高桥清，庄庆德，展望21世纪新技术革命中的传感器，传感器技术，2001，20(1)：1~3。

[5] 徐开先，李妍君，敏感元件及传感器的国内外动态及对策，仪表技术与传感器，2002，(5)：1~4。

[6] 赵梓森，光纤通信工程，北京：人民邮电出版社，1994年5月第二版。

[7] 胡先志，邹林森，刘有信，光缆及工程应用，北京：人民邮电出版社，1998年11月第一版。

[8] Zhang Yi-mo, Optical Fiber connection Network in Parallel Multi-Processor System (Invited), CIC, IEEJ, ICICEJ, IEEE, Proc. of The OFSET'95，1995.

[9] 李之棠，光互联与并行处理，电子工业出版社，北京：2001年12月版。

[10] 郭奕玲，沈慧君，诺贝尔物理学奖，高等教育出版社和施普林格出版社1999年9月版。

[11] P. A. Govid, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 2001.

[12] P. A. Govid, applications of nonlinear fiber optics, Academic Press, 2001.

[13] 金国藩，李景镇，激光测量学，北京：科学出版社，1998年8月第一版。

[14] J. Dakin, and B. Culshaw, eds. Optical fiber sensors: principles and components volume 1, Artech House, MA, USA, 1988: 1~8.

[15] B. Culshaw, and J. Dakin, eds. Optical fiber sensors: systems and applications, volume 2, Artech House, MA, USA, 1989: 767~787.

[16] B. Culshaw, and J. Dakin, eds. Optical fiber sensors: components and subsystems volume 3, Artech House, MA, USA, 1996: 1~8.

[17] J. Dakin, and B. Culshaw, eds. Optical fiber sensors: applications, analysis, and future trends volume 4, Artech House, MA, USA, 1997: 437~449.

[18] B. Culshaw, Smart structures and materials, Artech House, MA, USA, 1996: 31~98.

[19] 李川，吴晟，邹金彗，黄才文，李俊，光纤传感器的复用与数据融合，信息技术，2003年，第11~12期（已录用）。

[20] Chuan Li, Yi-Mo Zhang, Tie-Gen Liu, Xin Li, and Xi-min Cheng, Distributed Optical Fiber Bi-directional Strain Sensor for Gas Trunk Pipelines, Optics and Lasers in Engineering, 2001, 36: 41~47.

[21] S. Otani, H. Hiraishi, M. Midorikawa, M. Teshigawara, H. Fujitani, and T. Saito, Development of smart systems for building structures, SPIE, 2000, 3988: 2-9.

[22] P. Bonaldi, Developments in automated dam monitoring in Italy, International Journal on Hydropower & Dams, 1997, 4(2): 60-63.

[23] W. L. Schulz, J. Seim, E. Udd, M. Morrell, H. M. Laylor, G. McGill, and R. Edgar, Traffic monitoring/control and road condition monitoring using fiber optic based systems, SPIE, 1999, 3671: 109-117.

[24] P. M. Nellen, A. Frank, R. Bronnimann, and U. Sennhauser, Optical fiber Bragg gratings for tunnel surveillance, SPIE, 2000, 3986: 263-270.

[25] Chuan Li, Yi-Mo Zhang, Tie-Gen Liu, Xin Li, and Xi-min Cheng, Distributed Optical Fiber Bi-directional Strain Sensor for Gas Trunk Pipelines, Optics and Lasers in Engineering, 2001, 36: 41~47.

[26] 李川，张以谟，丁永奎，光纤智能结构的传感研究，飞通光电子技术，2001，1（4）：193~197。

[27] 刘德明，向清，黄德修，光纤光学，北京：国防工业出版社，1995年5月第一版。

[28] 廖延彪，光纤光学，北京：清华大学出版社，2000年3月第一版。

[29] 林学煌，光无源器件，北京：人民邮电出版社，1998年4月第一版。

[30] 李玉权，崔敏，光波导理论与技术，北京：人民邮电出版社，2002年12月第一版。

[31] 余守宪，导波光学物理基础，北京：北京交通大学出版社，2002年8月第一版。

[32] 张国顺，何家祥，肖桂香，光纤传感技术，北京：水利电力出版社，1988年10月第一版。

[33] R. M. Measures, Structural monitoring with fiber optic technology, Academic press, USA, 2001.

[34] 王化祥，张淑英，传感器原理及应用，天津：天津大学出版社，1999：220-223。

[35] S. Middlehock, and A. C. Hoogerwerf, Classifying solid state sensors: the sensor effect cube, Sensors and Actuators- State of the art of sensor research and development, Lausanne: Elsevier Sequois, 1987.

摘自　光纤新闻网

上一篇：CWDM在城域网中的主要应用

下一篇：城域网中光纤光缆的探讨