据中国激光杂志社网，于2024年01月02日报道，近日，暨南大学微波光子课题组使用奇异点（EP）将光纤传感器的灵敏度提高了数倍。这项技术有望使光纤传感技术的精度和准确度获得显著提升。研究人员利用弯曲传感器展示了EP点的这一特性，但 EP 增强灵敏度的真正威力远不止于此，它还有可能应用于现有的各种光纤传感器。该成果以“Exceptional-point-enhanced sensing in an all-fiber bending sensor”为题发表在Opto-Electronic Advances （OEA, 光电进展）2023年第12期。
这项创新的基础是一个精心设计的光纤弯曲传感器，利用 EP 概念实现了灵敏度的提升。该传感器由两个特殊的法布里-珀罗（FP）谐振腔组成，其中每个谐振腔由两个刻写在一段铒镱共掺光纤（EYDF）中的光纤布拉格光栅（FBG）形成。通过控制泵浦功率，可以精确调整这些谐振器的增益和损耗，使传感器在接近其EP点工作，从而提高灵敏度。一旦对传感器施加弯曲力，传感器的运行就会偏离EP点，从而产生独特的分频现象。这种独特的频率响应使传感器能够高灵敏度、高精度地检测到最轻微的弯曲和曲线。
为确保充分发挥 EP 增强灵敏度的潜力，研究人员设计了一个双通带微波光子滤波器，将传感器的光学频谱响应转换到微波域，这巧妙地利用微波光子技术实现了高速和高分辨率EP点频谱解调。该工作设计了一种EP增强的弯曲传感器。曲率测量范围为 0.28 至 2.74 m-1，精度达到 7.56 × 10-4 m-1，灵敏度达到 1.32 GHz/m-1。这些实验结果充分验证了 EP具有显著增强传感器灵敏度的功能。
EP 增强灵敏度为高精度光纤传感解调技术开辟了新路径。除了弯曲传感器应用之外，这种强大的技术还可以轻松地应用于许多现有的光纤传感器，以提高精度。
文章亮点
暨南大学微波光子课题组在全光纤结构中引入了一种特殊点增强型弯曲传感器，利用光纤中 EP 的独特特性，实现了对特定点附近弯曲力的高灵敏度检测。当施加外部弯曲力时，传感器在 EP 处的光学模式会发生分裂，产生频率分裂现象，从而实现曲率的精确测量。
与传统的线性传感器相比，EP 增强型传感器在 EP工作点附近表现出非线性响应，即传感器的响应随着外界参量的变化将产生更剧烈的反应，从而提高传感灵敏度。此外，为了实现高速、高分辨率的传感器测量，研究还采用了微波光子技术，通过将传感器的光谱响应转换到微波域，使用微波网络分析仪进行频谱测量，其分辨率相对光学方法提高3个数量级以上，从而解决了EP点附近高精度频谱分析的难题。光纤传感技术的这一新方向提供了一种高效的解调方法，提高了传统光纤传感器的灵敏度。该技术的多功能性使其可以应用于各种现有的 FBG 传感器，从而更容易在需要高灵敏度的场合中得到应用。
EP 点增强型弯曲传感器优势在于其微小信号的检测能力，例如安全事故初期的微弱信号，有望为保护隧道、桥梁和核电站等重要基础设施提供解决方案。EP 灵敏度增强技术作为一种新型解调方案，与目前多种光纤传感技术兼容，有望在未来光纤传感系统中得到广泛应用。
研究团队简介
暨南大学微波光子课题组处于该跨学科领域的前沿，致力于探索微波与光信号之间的相互作用机理，研究领域包括通信、雷达、传感和仪器仪表等应用。随着信息技术对速度、带宽和动态范围的要求越来越高，微波光子技术利用光子系统实现宽带微波信号的处理，具有处理超宽带、高频信号的独特能力，有望成为传统数字电子技术的替代方案。
微波光子学小组的研究课题涵盖一系列前沿课题，包括光信号处理、集成光子学、光纤布拉格光栅和微波光子传感器。该研究小组在微波信号生成、非厄密光子学和传感技术方面开展了多项开创性工作，例如首次在光纤光栅平台上实现了非厄密光子现象，首次提出微波光子系统中的光子合成维度，以及实现了超过 TSa/s 的可编程任意波形发生器。
