具有传感器内计算的纳秒级延迟全光纤传感

以光速感知的光

想象一个世界，桥梁、管道和机器人几乎能在发生微小应变与扭转的瞬间就感知到，而不依赖耗电的电子设备。本研究提出了一种让光在光纤内部既做传感又做“思考”的方法，将响应时间缩短到纳秒量级，同时减少对笨重计算硬件的依赖。

光纤的优势与电子器件的瓶颈

光纤已广泛用于监测温度、振动、应变等物理变化，应用场景从隧道和铁路到油井与飞机。光纤细长、抗电磁干扰，并能延伸数公里。然而现有系统通常将任务拆成两步：光纤以光信号采集信息，然后由电子设备将光转换为电信号并运行复杂的数字算法来解析。这样的转换与处理会引入延迟，通常远高于微秒级，并且需要强力处理器与专用信号分析仪等高能耗设备。

让光在传感器内完成计算

研究团队提出了一种名为 AOFS-IC 的全光纤传感架构，具备传感器内计算功能。系统不再将光信号送入电子器件解码，而是将所有处理保留在光学域内。来自感测光纤的光先通过精心选择的散射介质，如多模光纤。由应变、弯曲或温度引起的波长、偏振或强度的微小变化会被转换成复杂的散斑图样。这些散斑随后穿过由相位调制层构成的衍射光学网络。该网络经过训练，使输出光场中特定位置的亮度以简单、近似线性的方式随被测物理量（例如应变或扭转）变化。然后，基本的光电探测器可直接读取这些位置的光强并报告测量结果，而无需数字解调。

从应变与扭转到同时输出多个信号

为检验方法的有效性，团队首先连接了一个常规的光纤布拉格光栅传感器，该传感器在被拉伸时会改变反射光的波长。研究者并未使用传统的光谱分析仪，而是把反射光送入他们的光学计算模块。结果输出强度随应变呈现明确的线性关系，并能分辨出几皮米的波长变化或几微应变的拉伸，表现可与传统仪器相媲美。随后他们展示了相同方法可以在扭转的多模光纤中对九种不同的离散扭角进行完美分类。通过将输出面划分为网格，每个扭角在不同区域产生一个明亮斑点，起到了以光斑模式代替处理器数值的全光分类器作用。

同时监测多处多种变化

该方法的一大优势在于单一散斑图样可以同时承载关于不同类型变化和光纤沿线不同位置的信息。在一项概念验证实验中，一段多模光纤同时作为两个传感器使用：一处区域被扭转，另一处被拉伸。经过散射介质和衍射网络后，输出光呈现出两个独立的亮区，其强度分别给出扭角和应变，误差仅为各自量程的几个百分点。通过选择合适的探测器，系统既可利用单个光电二极管专注于高速测量，也能用探测阵列并行处理多个测点。使用单个光电二极管时，该配置在窄范围内实现了纳应变级别的分辨率，并跟踪到探测器带宽极限的振动。

将光学传感带入更智能的机器

为说明实际应用，作者将一根多模光纤沿一个有三个关节的机械臂缠绕。当关节转动时，光纤被弯曲，光在其中的传播被改变。AOFS-IC 将这些变化转换为三个独立的光斑，每个光斑对应一个关节角度。系统在同时监测三个关节的情况下，可将每个角度估计到几度的精度。由于解调完全在光学域并借助简单探测器完成，该方法适合嵌入式、低延迟的传感，不会大量占用机器人主处理器的资源。理论上，相同的光纤与光学模块不仅能监测机械臂，还可以参与其反馈控制回路。

对未来传感的意义

这项工作表明，可以将大量光纤传感的信号处理从电子设备迁移到光学域。通过利用散射将微小变化转换为丰富的散斑图样，并用经过训练的衍射光学将这些图样翻译成易读的光强，AOFS-IC 实现了低于 3 纳秒的解调延迟，同时保持与成熟工具竞争的准确性。对非专业读者而言，主要结论是：光纤中的光现在既能感知也能计算，预示着在不依赖繁重数字硬件的情况下，对结构、机器与机器人进行更快速、更节能的监测。

引用: Tao, Y., Wan, Y., Long, Z. et al. Nanosecond-latency all-optical fiber sensing with in-sensor computing. Light Sci Appl 15, 251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02265-x

关键词: 光纤传感, 全光计算, 散斑模式, 应变传感, 机器人臂监测