光纤技术在物联网中的应用

　　进入二十世纪90年代后，由于光纤放大器及光纤波分复用技术的迅速发展，使光纤通信的通信距离和通信容量的拓展发挥到极致。G.653光纤迅速被G.655，G.656光纤赶出历史舞台。目前，单一波长的传输容量已从2.5Gbit/s，10 Gbit/s发展到40 Gbit/s.，并已开始160 Gbit/s的研究。DWDM的波长间隔已从1.6nm，0.8nm减小到0.4nm(50GHz)。全波光纤的技术突破，使1385nm波长的水峰损耗消失，遂令第五波段（1360nm-1530nm）"天堑变通途"，使单模光纤的有效使用波段扩展为从1280nm-1625nm的石英光纤低损耗区的全部波段。可以想见，在一根光纤上同时传送千万路电话已不再是人类的梦想的了。

　　光纤传感技术是与光纤通信技术相伴而生的光纤技术发展的又一方向。它已由零星研究走向集中开发、由军用催生民用、由单点监测技术发展到分布式网络监测技术，其应用领域之广、其市场潜力之大、其发展势头之猛已令万众瞩目。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。光波在光纤中传播时，在外界因素，如温度、压力、位移、电场、磁场、转动等的作用下，通过光的反射、折射和吸收效应，光学多普勒效应、声光、电光、磁光、弹光效应，Sagnac效应和光声效应等原理，使表征光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长等，直接或间接地发生变化，因而可将光纤用作敏感元件来探测各种物理量，此即光纤传感器的基本原理。此外，光纤还有各种衍生的传感功能，例如，光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过倏逝场影响光栅的布拉格波长，利用这种特性，通过对光纤光栅进行特殊处理，可制成探测各种化学物质的光纤光栅化学和生物化学传感器。与普通光纤光栅相比，长周期光栅对光纤包层外材料的折射率变化更敏感，因为长周期光栅将正向导模耦合到几个正向包层模，围绕包层的材料折射率的任何变化都会改变透射光波的性质。将光纤光栅涂上特殊的活性涂覆层，可测量低浓度（10-9级）的目标分子。此类光纤传感器可用于航天器的氢气漏泄检测，油气管道的碳氢化合物的漏泄检测，煤矿中的瓦斯检测等等。

　　而光纤本身又是光波的传输媒质，这种"传"、"感"合一的特征所带来的优势，堪称无可匹敌。基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射原理的OTDR， BOTDR及ROTDR一类的分布式光纤传感器以及基于双光束干涉的光纤传感干涉仪，如马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪、迈克尔孙（Michelson）干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪等， 其光纤传感臂上的每一点既是敏感点又是传输介质。即使对于基于多光束干涉的准分布式光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）传感器， 以及近年来发展最为迅速的光纤光栅传感器而言， 前者的工作原理是通过两个光纤端面作为反射面之间的距离变化来测量被测量的变化， 后者则是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化，从而在光纤纤芯内形成空间相位光栅所构成， 因此光纤光栅是在光纤纤芯中形成。两者均是光纤本身的一个集成部份。与光纤的可熔接形成低插入损耗的联接，此类光纤传感器的在线（in line）特征，使其与光纤传输有天然的兼容性，可以替代传统的分立和薄膜型光无源器件，从而为全光通信系统和光纤传感网络提供巨大的设计灵活性。

　　以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给人们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与人们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。光纤的这种神奇的、在线的传感、传输特性以及与以光纤为高速信道的互联网的结合，正迎合时代的需求，可以构成全新的物感网络技术，笔者敢于断言：在不久的将来，这种三纤合一的、新的光纤传感网络将给人们的生活方式带来革命性的变化，从而使光纤技术的发展再一次迈向新的高峰。

　　(三) 从互联网时代到"物联网"时代

　　传统的物联网（The Internet of things）的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是"物物相连的互联网"。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。