光纤传感器的最新发展
世界上光纤传感领域的发展可分为两大方
向：
原理性研究与应用开发。
随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器
实用化的开发成为整个领域发展的热点和
关键 。
由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那
样
迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停
留在实验室样机阶段，距商业化有一定的
距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍
处于相当重要的位置。
由于很多光纤传感器的开发是以取代当前
已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，
并已经被广泛采用的传统机电传感系统为
目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电
磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，
其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而
知的。而那些具有前所未有全新功能的光
纤传感器则在竞争中占有明显优势,FBG
和其它的光栅类传感器就是一个最好的例
证。当前的原理性研究热点集中于光纤光
栅（ FBG和 LPG）型传感器和分布式光纤
传感系统两大板块。
对于光纤传感技术的应用研究主
要有以下四大类：
光（纤）层析成像技术（ OCT，
OPT） ;
智能材料（ SMART
MATERIALS） ;
光纤陀螺与惯导系统（ IFOG，
IMIU ）和常规工业工程传感器。另
外，由于光纤通信市场需求的带动以
及传感技术的特殊要求，新型器件和
特种光纤的研究成果也层出不穷 。
二、光纤传感器的原理性研究
1、光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅 FBG于 1978年问世 [1]，这种简
单的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光
敏性写入光纤芯内，图 1描述了光纤光栅的基
本原理。常见的 FBG传感器通过测量布拉格波
长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格
波长 (λB)条件可以表示：
式中,∧ — 光栅周期；
n— 折射率。
光栅传感器可拓展的应用领域有许多，
如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料
中形成智能材料，可对大型构件的载
荷、应力、温度和振动等参数进行实
时安全监测；光栅也可以代替其它类
型结构的光纤传感器，用于化学、压
力和加速度传感中。
图 3为传统阻抗计与 FBG传感器测试结果的比较
2、分布式光纤传感系统
在世界范围内，由于对工民建和工业设施
安全
性和效益要求的不断提高，对集成的安全
检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、
无间断、长距离测量并与被测量介质有极
强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正
是为此而量身定做的。分布式光纤传感系
统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和
FBG型。
拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤
拉曼散射效应的连续型传感器，其工作
原理见图 6。
三种类型的传感系统的应用都已见诸于
报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统
最为成熟，已成功地装载于 A340运输
机上（图 7）。
FBG型分布式传感系统在应力多点分布
式测量中有独到的优点，并可同时完成
温度和应力的双参量测量，为 FBG应用
开辟了更为广阔的前景。
图 8介绍了采用 WDM/TDM解调的
FBG阵列的拓扑结构。
三、光纤传感器产品的应用与
开发
光纤传感器的应用开发根据当前的
应用热点领域和技术类型可大致分为四
个大的方向：光（纤）层析成像分析技
术 OCT、光纤智能材料（ SMART
MATERIAL）、光纤陀螺与惯导系统、
以及常规工业工程传感器。
1、光层析成像技术
光纤层析技术分为
光相干层析成像分析 (OCT)和光过程层
析成像分析技术 (OPT)。
光层析成像技术源于 X射线层析成像分
析（ CT），其基本原理如图 9所示。当
X射线或光线传输经过被测样品时，不
同的样品材料对射线的吸收特性有不同，
因此对经过样品的射线或光线进行测量、
分析，并根据预定的拓扑结构和设计进
行解算就可以得到所需要的样品参数。
光纤相干层析成像技术（ OCT）主要应
用于生物、医学、化学分析等领域，如
视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色
多普勒 (CDOCT)血流成像等。其工作原
理基于光的相干检测原理，基本系统结
构如图 10所示。
OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种
有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应
的产品。图 11为视网膜的 CT扫描图像。德国
的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的
OCT设备。此外，利用 OCT可以实现深度测
量（ ~1mm）的优势，已有实例应用于对生长
中的细胞进行观察和监测中。
而 OPT则面向工业工程－油井、管线等场所，
高精度地解决流体的过程测量问题。由于 OPT
所关心的是光线路径上的积分过程，因此相关
的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割
与信号处理都是关键。图 12简单描绘了传统
OPT的测量原理，由于 OPT具有适用于狭小的
或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电
磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工
业过程的安全测量提供了一种优良的手段。
2、智能材料
智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，
为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌
入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常
规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时
监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结
合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自
动化编织。美国南卡罗来那州立大学、佛吉尼亚
理工大学和费城纺织学院都在此方面进行了大量
工作。
图 13展示了一件嵌入光纤和电导线的背心。
智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型
建筑的监测系统已在国外多处工程中通
过安装测试并付诸应用。此外，智能材
料在航空航天领域的应用也日趋广泛，
尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、
温度测量系统进行恶劣环境条件－高温、
变形的多参量监测取得了明显的效果。
图 14勾勒出分布式传感器在航天领域
多参量监测中的应用方案。
3、光纤陀螺及惯性导航系统
光纤陀螺（ I-FOG）及惯导系统历经 25年的发展，
目前已进入实用阶段。
从 1976年 Vali和 Shorthill首次提出并实验验证
I-FOG原理之后 [2]的五年间，世界范围内的主要
工作集中于基本结构的研究、结构小型化、开环
和闭环结构的讨论等。图 15显示出光纤陀螺的标
准结构。
图 16是日本 Mitsubishi Precision公司和
空间及宇航所为日本 M-V火箭系统设计制造
的惯导系统。
4、工业工程类传感器
传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电
光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、
电流传感器。图 17为加拿大 BC水电站所安装
NXVCT的照片。
利用光纤的弹光效应和 FBG器件的应力传感器
已被广泛应用于应力监测中。图 18中为法国
Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.领导
研制的一种安装了 FBG的智能型新型复合材料
的转向架。
四、新型光纤材料与器件
以 SiO2材料为主的光纤，工作在 0.8μm ～ 1.6μm 的近
红外波段，目前所能达到的最低理论损耗在
1550nm波长处为 0.16dB／ km，已接近石英光纤理论上的
最低损耗极限，成为满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信需
要新型基体材料的光纤。
氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤，其最
低损耗在 2.5μm 附近为 1× 10-3dB／ km，无中继距离可达到
1× 105km以上。硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域
（ 1.2μm ~12μm ），有利于多信道复用，其温度对损耗的影
响较小，其损耗水平在 6μm 波长处为 0.2dB／ km，是非常有
前途的光纤。。
而且，硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数，用它
制作的非线性器件，可以有效地提高光开关的速率，
使开关速率达到数百 Gb／ s以上。重金属氧化物玻璃
光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能，若把卤
化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来，制造
成性能优良的卤 -重金属氧化物玻璃光纤，将具有重要
意义,
特殊的应用环境对光纤有特殊的要求，石英光纤的纤芯
和包层材料具有很好的耐热性，耐热温度达到 400℃ ～ 500℃,所
以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合
物（ LSP）涂层的热固化温度达 400℃ 以上,600℃ 时的光传输性
能和机械性能仍然很好。采用冷的有机体在热的光纤表面进行非均
匀成核热化学反应（ HNTD），然后在光纤表面进行裂解生成碳黑，
即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的表面致密性好，具有极低的扩散系数，
而且可以消除光纤表面的微裂纹，解决了光纤的“疲劳”问题。
另一方面，光纤的结构决定了光纤的传输性能，
合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，
并增加光能量的传输。随着光纤通信系统
的迅速发展，出现了 DFF（色散平坦光纤）。
为了 DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进
行波分复用，各个公司都致力于消除 OH-吸收峰，
已开发出的“无水峰光纤”，可实现 1350nm～
1450nm第五窗口的实际应用。美国 Lucent公司
开发出的 All Wave光纤，克服了 OH-的谐波吸收，
从而实现了 1280nm～ 1625nm范围内完整波段
的利用。为了适应相干通信系统的要求，已经研制
出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高
双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏
振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、
液晶光纤（见图 20）等等，这些都将为光纤传感
器的发展提供更加广泛的选择。
随着光电子技术近年来突飞猛进的发展，
光纤传感技术经过二十余年的发展也已获得
长足的进步，
其主要体现在：
1、进入实用化阶段，逐步形成传感
领域的一个新的分支
不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更
新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水
听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应
用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式
光纤测温系统，以光纤光栅为主的光纤智能
结构；改造了传统的测试系统，如以光纤构
成的新型光谱仪；利用电 /光转换和光 /电转
换技术以及光纤传输技术，把传统的电子式
测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表
等等。
2、新的传感原理不断出现，促进了科
学技术的发展
光纤传感网络的出现，促进了智能材料和智能
结构的发展；波长调制型光纤光栅多参量测试
系统的出现，促进了多参量传感系统的发展；
光子晶体光纤（多孔光纤 Photonic Crystal
fiber）用于传感的可能性促进了光子晶体的
发展等等。
① 传感器的实用化研究。提高传感系统，尤其是传感器的性价比；
②传感器的应用研究。在现有的科研成果基础上，大力开展应用研
究和应用成果宣传；
③新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器；
④传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纤、
荧光光纤、电极化光纤的研究等。
世界上光纤传感领域的发展可分为两大方
向：
原理性研究与应用开发。
随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器
实用化的开发成为整个领域发展的热点和
关键 。
由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那
样
迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停
留在实验室样机阶段，距商业化有一定的
距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍
处于相当重要的位置。
由于很多光纤传感器的开发是以取代当前
已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，
并已经被广泛采用的传统机电传感系统为
目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电
磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，
其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而
知的。而那些具有前所未有全新功能的光
纤传感器则在竞争中占有明显优势,FBG
和其它的光栅类传感器就是一个最好的例
证。当前的原理性研究热点集中于光纤光
栅（ FBG和 LPG）型传感器和分布式光纤
传感系统两大板块。
对于光纤传感技术的应用研究主
要有以下四大类：
光（纤）层析成像技术（ OCT，
OPT） ;
智能材料（ SMART
MATERIALS） ;
光纤陀螺与惯导系统（ IFOG，
IMIU ）和常规工业工程传感器。另
外，由于光纤通信市场需求的带动以
及传感技术的特殊要求，新型器件和
特种光纤的研究成果也层出不穷 。
二、光纤传感器的原理性研究
1、光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅 FBG于 1978年问世 [1]，这种简
单的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光
敏性写入光纤芯内，图 1描述了光纤光栅的基
本原理。常见的 FBG传感器通过测量布拉格波
长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格
波长 (λB)条件可以表示：
式中,∧ — 光栅周期；
n— 折射率。
光栅传感器可拓展的应用领域有许多，
如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料
中形成智能材料，可对大型构件的载
荷、应力、温度和振动等参数进行实
时安全监测；光栅也可以代替其它类
型结构的光纤传感器，用于化学、压
力和加速度传感中。
图 3为传统阻抗计与 FBG传感器测试结果的比较
2、分布式光纤传感系统
在世界范围内，由于对工民建和工业设施
安全
性和效益要求的不断提高，对集成的安全
检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、
无间断、长距离测量并与被测量介质有极
强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正
是为此而量身定做的。分布式光纤传感系
统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和
FBG型。
拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤
拉曼散射效应的连续型传感器，其工作
原理见图 6。
三种类型的传感系统的应用都已见诸于
报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统
最为成熟，已成功地装载于 A340运输
机上（图 7）。
FBG型分布式传感系统在应力多点分布
式测量中有独到的优点，并可同时完成
温度和应力的双参量测量，为 FBG应用
开辟了更为广阔的前景。
图 8介绍了采用 WDM/TDM解调的
FBG阵列的拓扑结构。
三、光纤传感器产品的应用与
开发
光纤传感器的应用开发根据当前的
应用热点领域和技术类型可大致分为四
个大的方向：光（纤）层析成像分析技
术 OCT、光纤智能材料（ SMART
MATERIAL）、光纤陀螺与惯导系统、
以及常规工业工程传感器。
1、光层析成像技术
光纤层析技术分为
光相干层析成像分析 (OCT)和光过程层
析成像分析技术 (OPT)。
光层析成像技术源于 X射线层析成像分
析（ CT），其基本原理如图 9所示。当
X射线或光线传输经过被测样品时，不
同的样品材料对射线的吸收特性有不同，
因此对经过样品的射线或光线进行测量、
分析，并根据预定的拓扑结构和设计进
行解算就可以得到所需要的样品参数。
光纤相干层析成像技术（ OCT）主要应
用于生物、医学、化学分析等领域，如
视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色
多普勒 (CDOCT)血流成像等。其工作原
理基于光的相干检测原理，基本系统结
构如图 10所示。
OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种
有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应
的产品。图 11为视网膜的 CT扫描图像。德国
的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的
OCT设备。此外，利用 OCT可以实现深度测
量（ ~1mm）的优势，已有实例应用于对生长
中的细胞进行观察和监测中。
而 OPT则面向工业工程－油井、管线等场所，
高精度地解决流体的过程测量问题。由于 OPT
所关心的是光线路径上的积分过程，因此相关
的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割
与信号处理都是关键。图 12简单描绘了传统
OPT的测量原理，由于 OPT具有适用于狭小的
或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电
磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工
业过程的安全测量提供了一种优良的手段。
2、智能材料
智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，
为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌
入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常
规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时
监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结
合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自
动化编织。美国南卡罗来那州立大学、佛吉尼亚
理工大学和费城纺织学院都在此方面进行了大量
工作。
图 13展示了一件嵌入光纤和电导线的背心。
智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型
建筑的监测系统已在国外多处工程中通
过安装测试并付诸应用。此外，智能材
料在航空航天领域的应用也日趋广泛，
尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、
温度测量系统进行恶劣环境条件－高温、
变形的多参量监测取得了明显的效果。
图 14勾勒出分布式传感器在航天领域
多参量监测中的应用方案。
3、光纤陀螺及惯性导航系统
光纤陀螺（ I-FOG）及惯导系统历经 25年的发展，
目前已进入实用阶段。
从 1976年 Vali和 Shorthill首次提出并实验验证
I-FOG原理之后 [2]的五年间，世界范围内的主要
工作集中于基本结构的研究、结构小型化、开环
和闭环结构的讨论等。图 15显示出光纤陀螺的标
准结构。
图 16是日本 Mitsubishi Precision公司和
空间及宇航所为日本 M-V火箭系统设计制造
的惯导系统。
4、工业工程类传感器
传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电
光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、
电流传感器。图 17为加拿大 BC水电站所安装
NXVCT的照片。
利用光纤的弹光效应和 FBG器件的应力传感器
已被广泛应用于应力监测中。图 18中为法国
Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.领导
研制的一种安装了 FBG的智能型新型复合材料
的转向架。
四、新型光纤材料与器件
以 SiO2材料为主的光纤，工作在 0.8μm ～ 1.6μm 的近
红外波段，目前所能达到的最低理论损耗在
1550nm波长处为 0.16dB／ km，已接近石英光纤理论上的
最低损耗极限，成为满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信需
要新型基体材料的光纤。
氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤，其最
低损耗在 2.5μm 附近为 1× 10-3dB／ km，无中继距离可达到
1× 105km以上。硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域
（ 1.2μm ~12μm ），有利于多信道复用，其温度对损耗的影
响较小，其损耗水平在 6μm 波长处为 0.2dB／ km，是非常有
前途的光纤。。
而且，硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数，用它
制作的非线性器件，可以有效地提高光开关的速率，
使开关速率达到数百 Gb／ s以上。重金属氧化物玻璃
光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能，若把卤
化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来，制造
成性能优良的卤 -重金属氧化物玻璃光纤，将具有重要
意义,
特殊的应用环境对光纤有特殊的要求，石英光纤的纤芯
和包层材料具有很好的耐热性，耐热温度达到 400℃ ～ 500℃,所
以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合
物（ LSP）涂层的热固化温度达 400℃ 以上,600℃ 时的光传输性
能和机械性能仍然很好。采用冷的有机体在热的光纤表面进行非均
匀成核热化学反应（ HNTD），然后在光纤表面进行裂解生成碳黑，
即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的表面致密性好，具有极低的扩散系数，
而且可以消除光纤表面的微裂纹，解决了光纤的“疲劳”问题。
另一方面，光纤的结构决定了光纤的传输性能，
合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，
并增加光能量的传输。随着光纤通信系统
的迅速发展，出现了 DFF（色散平坦光纤）。
为了 DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进
行波分复用，各个公司都致力于消除 OH-吸收峰，
已开发出的“无水峰光纤”，可实现 1350nm～
1450nm第五窗口的实际应用。美国 Lucent公司
开发出的 All Wave光纤，克服了 OH-的谐波吸收，
从而实现了 1280nm～ 1625nm范围内完整波段
的利用。为了适应相干通信系统的要求，已经研制
出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高
双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏
振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、
液晶光纤（见图 20）等等，这些都将为光纤传感
器的发展提供更加广泛的选择。
随着光电子技术近年来突飞猛进的发展，
光纤传感技术经过二十余年的发展也已获得
长足的进步，
其主要体现在：
1、进入实用化阶段，逐步形成传感
领域的一个新的分支
不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更
新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水
听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应
用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式
光纤测温系统，以光纤光栅为主的光纤智能
结构；改造了传统的测试系统，如以光纤构
成的新型光谱仪；利用电 /光转换和光 /电转
换技术以及光纤传输技术，把传统的电子式
测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表
等等。
2、新的传感原理不断出现，促进了科
学技术的发展
光纤传感网络的出现，促进了智能材料和智能
结构的发展；波长调制型光纤光栅多参量测试
系统的出现，促进了多参量传感系统的发展；
光子晶体光纤（多孔光纤 Photonic Crystal
fiber）用于传感的可能性促进了光子晶体的
发展等等。
① 传感器的实用化研究。提高传感系统，尤其是传感器的性价比；
②传感器的应用研究。在现有的科研成果基础上，大力开展应用研
究和应用成果宣传；
③新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器；
④传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纤、
荧光光纤、电极化光纤的研究等。
