Light: Science Applications｜从“光电转换”到“全光计算”：光纤传感的一次底层革命

导语近日一项来自上海交通大学的研究团队在《Light: Science Applications》期刊上发表的研究成果(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02265-x)提出了一种全光光纤传感与传感器内计算架构实现了纳秒级延迟、无电子计算资源依赖的全光域信号解调为下一代高速、低功耗、大规模光纤传感网络提供了全新路径。核心内容1.传统架构的瓶颈传统光纤传感系统通常采用“感知传输电子计算”分离的结构。光信号先被转换为电信号再通过FPGA、GPU等电子处理器进行解调。这一过程引入微秒级以上的延迟并且在多传感器、大规模部署场景下计算压力和功耗显著上升。2.AOFs-IC的创新架构研究团队提出的全光光纤传感与传感器内计算架构实现了以下突破全光域信号解调无需光电转换直接在光域完成感知信息的提取。散射介质衍射光学网络利用多模光纤对波长、偏振、模式等敏感的特性将物理量变化编码为散斑图案再通过光学衍射网络线性映射为输出光强。直接读出测量结果最终输出光强与待测物理量如应变、扭转角呈线性关系可由光电探测器直接读取无需任何数字算法。3.实验验证成果研究团队在多个典型光纤传感任务中验证了该架构的有效性FBG应变传感在150με范围内实现2.78με分辨率在2.5mε范围内实现0.0688mε分辨率。扭转角分类在0°-360°范围内实现100%分类准确率步进分辨率达45°。多参量同时感知在一根多模光纤上同时测量应变与扭转角分辨率分别为2.28με和0.74°。机器人关节监测在3自由度机械臂上实现多角度同步解调误差小于1.9°。高速动态信号成功测量10kHz和150kHz动态应变信号延迟低于3纳秒比传统系统快两个数量级以上。研究意义1.彻底摆脱电子计算依赖整个感知过程中无需任何电子处理器FPGA、GPU、MCU所有解调在光域完成。2.实现真正意义上的“光速传感”光学计算延迟仅0.08ns加上光纤传输与编码总延迟3ns可应用于冲击波、超声振动、高速旋转等极端场景。3.天然支持多参量、多位置复用一根光纤可同时感知多个物理量应变扭转或多个位置如机械臂多个关节输出通过空间分离的光斑读出。4.为下一代“光计算光传感”融合铺路该工作证明了在传感器中直接进行光学计算不仅是可行的而且性能卓越。未来结合片上散射介质、无源衍射光学网络有望实现更小、更稳、更低功耗的集成光传感系统。图1具有传感器内计算能力的全光光纤传感架构AOFS-IC图2不同动态范围下的全光应变估计图3离散扭转状态的全光分类图4应变与扭转的同时全光传感图5高速高精度全光应变传感图6基于AOFS-IC的机械臂多自由度关节角度估计【注】小编水平有限若有误请联系修改若侵权请联系删除