基于光纤布拉格光栅的千米级光力学传感器网络实现高灵敏度磁场探测

《Nature Communications》：Optomechanical sensor network with fiber Bragg gratings

本文报道了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的千米级光力学传感器网络，解决了现有光力学传感器在光纤集成和偏振依赖性方面的技术瓶颈。研究人员通过将多个光纤光力学传感器级联到标准单模光纤中，实现了对磁场空间变化的实时监测，在无磁屏蔽环境下达到8.73 pm/Gs的直流磁场灵敏度和537 fT/Hz1/2的交流磁场灵敏度。该工作为光力学技术在超灵敏传感网络中的实际应用开辟了新途径。

　　

在物联网、智能城市和资源勘探等领域，传感器网络发挥着越来越重要的作用。然而，传统传感器网络在灵敏度、抗干扰能力和传输距离等方面面临诸多挑战。近年来，腔光力学（cavity optomechanics）技术的发展为超高灵敏度传感带来了新机遇，通过光学和机械共振的增强效应，可以实现对微小扰动的高度敏感检测。但现有光力学传感器存在光纤集成困难、偏振依赖性等问题，制约了其在实际传感网络中的应用。

近日发表于《Nature Communications》的研究突破性地构建了千米级光力学传感器网络，成功将多个光纤光力学传感器集成到标准单模光纤中。该网络利用商用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）实现了稳健、低损耗、低噪声且偏振不敏感的光源耦合，在无磁屏蔽环境下实现了对磁场空间变化的高精度监测。

关键技术方法包括：基于相移光纤布拉格光栅（Phase-Shifted Fiber Bragg Grating， PFBG）和机械谐振器（Mechanical Resonator， MR）的光力学传感器设计；通过变形传递比（Deformation Transfer Ratio， D_TR）优化灵敏度；波长分复用（Wavelength Division Multiplexing， WDM）技术实现多传感器信号解调；在无磁屏蔽环境下使用Terfenol-D材料实现矢量磁场探测。

响应直流磁场

研究人员首先研究了系统对直流磁场的响应。通过监测PFBG反射谱的位移，发现共振波长偏移与施加的直流磁场强度成正比。当D_TR=13.5时，灵敏度达到8.73 pm/Gs，优于现有光力学磁强计的最佳值（7.57 pm/Gs）。实验还证实该传感器具有方向敏感性，对平行于Terfenol-D棒轴向的磁场响应灵敏度是垂直方向的千倍以上，实现了真正的一维矢量磁场测量。

响应交流磁场

在交流磁场测量方面，研究人员通过色散耦合机制监测光纤机械谐振器的变形。实验结果显示，在11.188 kHz处出现明显响应峰，机械品质因子为180，连续3-dB带宽为62 Hz。通过分析各类经典噪声（探测器电子噪声、激光强度和频率噪声、散粒噪声）以及计算机械振荡器的热噪声，发现系统总噪声主要受激光频率噪声主导。

可调共振响应

研究团队还创新性地采用偏置磁场调节Terfenol-D机械谐振器的共振频率。当偏置磁场从0 Gs增加到200 Gs时，Terfenol-D机械谐振器的共振频率降低约1.3 kHz，而光纤机械谐振器的基频弯曲模式共振频率增加5.63 kHz。这种可调性为宽带超灵敏测量提供了新思路。

光力学传感器网络

最终构建的千米级光力学传感器网络包含9个传感器，分为三个单元：FOMMA（传感器1-3）为标量磁强计，FOMMB（传感器4-6）和FOMMC（传感器7-9）为矢量磁强计。当产生6.4μT交流磁场的线圈在传感器网络附近移动时，系统成功解析了磁场的空间变化，展示了实时监测磁性物体运动的能力。

该研究通过融合光力学超灵敏传感机制与先进光纤传感技术的优势，实现了稳健、低损耗的光学耦合，推动了腔光力学在实际应用中的部署。光纤布拉格光栅对偏振波动不敏感且与成熟的光纤复用技术兼容，为长距离传感网络提供了理想解决方案。这种传感方案通过选择适当的支撑材料，还可用于测量应变、振动和声波，在石油天然气工业、海底断层和海洋动力学以及地震和火山动态检测等领域具有广阔应用前景。

研究表明，通过优化磁致伸缩机械谐振器、减小PFBG的半高全宽（FWHM）和提高机械品质因子Q_m，可进一步提升传感器性能。该工作为下一代超灵敏传感器网络的发展奠定了坚实基础，展示了光力学技术在实用化传感网络中的巨大潜力。