大咖50谈 | 信通院吴冰冰：光纤传感是实现通感算一体化光网络的基础与关键

第24届中国国际光电博览会（CIOE）如期召开，在同期举办的“光电子芯片设计及制造、封装技术论坛”上，中国信息通信研究院主任工程师吴冰冰解读了《面向通感算一体化的光传感技术及关键器件白皮书》。

吴冰冰介绍，5G/5G-A催生新应用不断涌现，未来6G将提供更加丰富的业务体验，仅具备通信属性的承载网络无法满足应用需求，通信、感知与计算等多系统的深度融合成为技术发展新趋势。

光纤同时具备信息传输与传感功能，光通信网络也是算力基础设施承载底座，可形成大带宽低时延通信、实时状态感知、按需调度算力的通感算一体化高效协同、互惠增强的光网络架构体系。其中，光纤传感作为感知层核心技术，是实现通感算一体化光网络的基础与关键，逐步成为业界关注的焦点。

光纤传感技术方案根据基本原理可分为基于光纤散射、偏振态监控、光学干涉、光纤阵列光栅等类型。基于不同原理的光纤传感技术方案，以及各种光学参量（如相位、强度、偏振、透/反射谱等）对特定物理和环境参量进行传感，并呈现出特异性的技术特点和适用范围。

目前典型应用场景为分布式感知，匹配通感算一体化光网络架构体系，可实现对各种物理和环境参数的高分辨率、高灵敏度实时感知监测。可应用于包括光缆运营管理、油气管网监测、电力线路监测、地质环境和火灾监测预警、周界安防、海缆监测预警等场景。

吴冰冰表示，随着光纤传感与通信、计算的交叉融合，在超长距离传感、传感与通信信号串扰、事件模式识别算法、组网技术方案等方面呈现出新的技术难点与应用研究热点，业界正在积极探索相关解决方案。

超长距离传感方面，通信光缆、输电线路、石油管道等动辄上百公里，延长传感距离是光纤传感可以广泛应用的关键之一。常用解决方案为光信号放大，包括基于拉曼光纤放大器（RFA）和远程泵浦放大器（ROPA）等技术。

传感与通信信号串扰方面，通感一体化既可利用未承载业务的“暗光纤”进行传感，也可在同一光纤中进行通信与传感信号的共传，传感系统通常采用高功率光脉冲，因非线性效应影响，共纤传输时会对通信信号产生干扰，导致误码率增加。通过降低峰值功率或波长串扰以及啁啾脉冲技术来解决。

事件模式识别算法方面，事件类型的归类与判定需求逐步细化，对事件识别的准确率、类型精细程度、事件识别通用性等提出挑战。需要高效算法支撑，根据是否需要人工提取信号特征，当前的主流方式分为传统机器学习和深度学习两类，均已取得良好效果，深度学习平均识别率可达95%以上。

协同组网方面，组网方案的有效设计是保证网络中传感和通信信号融合传输，以及协同数字信号处理或算力资源来增强传感性能的关键基础。业界已经提出包括基于波分复用的架构组网、基于PON的架构组网等方案，还需综合兼顾系统代价、链路预算等多方因素，另外在统一管控层面也需进行设计。

吴冰冰介绍，光纤传感用关键光电器件主要包括：激光器、调制器、探测器、光纤放大器、光纤滤波器、特种光纤等。

激光器作为激光光源、相干检测中的混频参考源、或用于系统内器件及光路的泵浦光，形成受激散射或光放大。调制器将激光器发射的连续光调制为脉冲光，用于分布式测量。

探测器用于将光信号转换为电信号，便于后续的信号处理或系统反馈，影响光传感系统的响应度、空间分辨率等特性。

光放大器用于放大经过调制的光脉冲，并保持线宽、偏振、波形等参数。光纤滤波器用于选择性地传递或抑制某些波长区域的光信号。特种光纤主要是根据不同的功能特定开发的光纤类型，特异性较强。

据了解，光纤传感用光电器件产品发展较为成熟，国际厂商众多、具备批量化生产能力。国内厂商大部分光电器件产品具备批量化生产能力，窄线宽激光器、宽带可调谐激光器、光电调制器、可调谐滤波器、扰偏模块等少数产品具备小批量生产能力。

另外在光纤传感设备产品方面，主要集中在传统OTDR、DTSS/BOTDR、DAS/DVS、DTS和OFDR领域，国内外水平相当，基本具备批量/小批量产品化能力；COTDR、POTDR、BOTDA、BOCDA商用化程度略低，国内外产品化水平存在差距；SOP处于研发阶段。

最后，吴冰冰表示，通信、感知和计算多系统深度融合成为技术发展新趋势，助力信息基础设施向智能化、数字化迈进，通感算一体化光网络目前已进入热点探索阶段。光纤传感技术是实现通感算一体化光网络的基础与关键，为有效解决存在的问题和挑战，业界各方需从关键技术研究、核心器件攻关、标准体系建设、多领域融合、海量数据安全等方面协同推进。